为什么地球能孕育生命

地球孕育生命，得益于其位于宜居带的适中日地距离，确保液态水存在；稳定太阳提供恒定能源；适配的大气层与磁场保护生物免受宇宙射线伤害；地质活动如板块构造维持生态多样性；加上水循环和适宜的温度条件，共同构成生命繁衍的黄金环境。

地球形成

有关地球的故事要从大约137亿年以前的大爆炸说起。大爆炸发生之前，宇宙中所有的物质都集中在一个极其致密的点上，这个点又被称作奇点。大爆炸相当于无数次核爆同时发生，其规模难以想象。大爆炸之初产生了氢、氦和其他元素。氢和氦是两种质量最轻的元素，它们在大爆炸中先于其他元素出现，组成了90%以上的可见物质，它们也是构成宇宙、地球乃至生命的基本元素。

从大爆炸到月球形成如下图：

① 大爆炸与宇宙诞生 ② 太阳星云开始收缩 ③ 星云开始旋转和扁化 ④ 大部分物质向中心汇聚形成太阳 ⑤ 行星在围绕太阳的轨道上吸积形成 ⑥ 地球和其他类地行星 ⑦ 一颗微行星撞击地球 ⑧ 溅射到空间中的撞击碎片散布在绕地轨道上 ⑨ 碎片聚集形成月球

地球起源

地球是一颗行星，伴随着太阳系的诞生而形成。太阳系诞生之初，是以一个巨大且不断旋转的尘埃与气体云团的形态存在。它主要由大爆炸产生的氢与氦构成，同时也含有早期星球内部合成的其他元素。在地球诞生前的“15至30分钟”（相当于约46亿年前）【是一个比喻性的说法，意在形象地描述地球形成的时间尺度相对于宇宙历史的极端快速，实际上，地球的形成过程跨越了几百万到几千万年的时间】，一个邻近的恒星可能经历了超新星爆炸，向太阳星云传递了一个冲击波，导致其开始收缩。在收缩过程中，云团的温度升高、自转加速并逐渐变得扁平。由于云团旋转，引力和惯性作用将其压缩为一个扁平的圆盘，圆盘与旋转轴垂直。大部分质量集中在圆盘中心，开始升温。同时，由于引力作用，使得物质围绕尘埃颗粒紧缩，导致圆盘的剩余部分分裂成环状结构。微小的碎片相互碰撞并逐渐聚集形成较大的块体。而构成地球的物质集中在距离中心约1亿5000万公里的区域。当太阳收缩并被加热，核聚变反应开始，由此产生的太阳风清除了圆盘中大部分未聚合形成较大物体的物质，只留下少量元素。随后，较重的元素在太阳附近聚集，形成了体积小、密度高的行星（类地行星）；而较轻的元素则在离太阳较远的地方聚集，形成了体积大、密度低的行星（类木行星）。地球作为一颗类地行星，是距离太阳第三近的行星【太阳->水星->金星->地球】。

月球形成

月球的起源至今仍众说纷纭，但在各种理论中，大碰撞说获得了最多的支持证据。地球可能并不是唯一在距离太阳约1亿5000万公里处形成的行星。因此，科学家们假设在距离太阳与地球约1亿5000万公里的地方，也就是太阳系中的第四或第五个拉格朗日点上，曾形成了另一颗原行星。这颗行星被命名为忒伊亚（Theia），并假设其比现今的地球小，约相当于火星的大小与质量。起初，忒伊亚的运行轨道应该相对稳定，但后来受到逐渐增大的地球引力的扰动，它的轨道开始变得不稳定。

忒伊亚开始旋转并向地球靠近，最终在大约相当于“假设时钟”的凌晨0点11分（大约45亿3300万年前），以一个相对较低的角度与地球相撞。这次撞击的速度和角度虽然不足以摧毁地球，但足以使地球表面的大部分物质被喷射出去。忒伊亚的重元素沉入了地球的地核，而剩余的物质与喷射出的地球物质在数周内冷却凝固，形成了一个独立的天体。在自身重力的作用下，大约一年的时间内，这个天体逐渐形成了更加球形的结构，这就是月球。

人们普遍认为这次撞击还导致了地球自转轴的倾斜，使其倾斜角度达到了约23.5°，从而形成了地球上的四季变化【当然还有地球绕太阳的椭圆形轨道也起到一定作用】。在一个简单完美的星体上，自转轴没有倾斜，也就不会存在明显的季节变化。这次撞击还可能加速了地球的自转，以及地球板块构造的形成。这种理论解释了月球的形成及其与地球的关系，同时也提供了关于地球自转轴倾斜和地壳构造的一致性解释。

这里详细说下地球自转倾斜角。赤道是垂直地球自转轴的平面，与轨道平面（黄道）的夹角是轨道倾角，也就是黄赤交角。

这里再详细说下地球公转。地球围绕太阳的运动称为地球的公转。由于包括地球在内的所有太阳系天体都围绕太阳这一共同的中心天体运转，因此这种运动被称为公转。公转的方向是从西向东，如果从北极星（北天极）的角度观察，这种运动呈现出逆时针方向；而从南极星（南天极）的角度看，则是顺时针方向。公转的周期为一个恒星年，大约需要365天6小时9分10秒。地球的公转轨道是一个近似圆形的椭圆形轨道，而太阳位于这一椭圆轨道的一个焦点上。

平均角速度为每年360度，即每日59分。平均线速度每年约为940,000,000公里，即大约每秒29.79公里。即时角速度和即时线速度会发生变化，但在能量守恒的原则下，地球离太阳越近，其势能越小，动能则越大，因此即时线速度和即时角速度也会相应增大。在角动量守恒的前提下，即在相等的时间长度内，地球与太阳连线扫过的面积保持不变。

因为月球轨道与黄道的倾斜角度仅约为5.145°，而太阳总是位于接近黄道的位置，因此日食和月食总是发生在黄道上或其附近。由于月球轨道的这种倾斜，日食并不会在每次太阳和月球的合（即太阳和月球在天空中看起来位置接近，称为“朔”）或冲（即太阳和月球分别位于地球的两侧，月球处于满月状态，称为“望”）时发生，而是只有当月球在合或冲的同时，接近轨道的升交点（月球从南向北穿越黄道的点）或降交点（月球从北向南穿越黄道的点）时，才可能发生日食或月食。这些现象之所以被称为“食”，是因为古代人们发现它们只在月球穿越黄道时出现。

❔ 月球如何受太阳引力影响

月球确实受到太阳的引力影响，但其运动状态主要由地球的引力决定。在太阳系中，所有物体都相互之间存在引力作用，这是因为牛顿的万有引力定律指出，宇宙中任意两个物体都会相互吸引，吸引力的大小与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比【引力公式： $F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$】。月球是地球的天然卫星，其围绕地球的运行主要受到地球引力的支配。但同时，太阳对月球也施加了相当强大的引力，太阳的质量远远大于地球，因此太阳对月球的引力理论上应该大于地球对月球的引力。然而，由于月球距离地球比距离太阳近得多，地球对月球的引力效应在实际的运动中更为显著，这是因为在万有引力定律中，距离的平方是分母，与月球距离更近的地球在引力计算中占有更大优势。具体而言，太阳对月球的引力对地球和月球组成的系统而言，主要表现为潮汐力和微小的扰动效应，这包括对月球轨道的轻微影响，以及地球上的潮汐现象。月球的轨道保持相对稳定，主要是因为地球和月球作为一个系统，与太阳之间形成了一个动态的平衡。

这里顺便讲下地球潮汐现象。地球的潮汐现象主要是由月球和太阳的引力作用引起的。尽管地球自身也有引力，但由于其各部分受月球和太阳引力的影响不同，产生了潮汐力，这是潮汐现象的直接原因。下面详细解释这一过程：

• 月球的引力作用
  • 地球上的海水受到月球引力的吸引，这在地球面向月球的一侧和背对月球的一侧都产生了效应。
  • 在面向月球的一面，海水受到直接的引力作用，被拉向月球，形成一个“隆起”或“高潮”区。
  • 在背对月球的一面，由于地球绕地月质心（即地球和月球共同的旋转中心，但靠近地球一侧）旋转时的向外离心力，该区域的海水远离月球，也形成了另一个“隆起”或“高潮”区。
  • 这种效应在地球上形成了两个相隔180度的“高潮”带，当地球自转时，不同的地理位置会轮流经过这两个高潮带，从而经历潮涨潮落。
• 太阳的引力作用
  • 与月球类似，太阳也对地球产生引力，但由于太阳距离地球比月球远得多，其引力效应对潮汐的贡献相对较小。
  • 然而，在新月和满月时，地球、月球和太阳排列在一条直线上，太阳和月球的引力作用方向相同，这种情况下太阳的引力与月球的引力叠加，产生“春潮”，此时潮汐效应最强。
  • 在上弦月和下弦月时，月球和太阳的引力方向垂直，太阳的引力减弱了月球引力的作用，从而产生“小潮”。

综上所述，月球的引力对地球潮汐的产生起着主要作用，而太阳的引力作用作为次要因素，在特定的月相下增强或减弱了潮汐现象。地球的自转和绕太阳的公转，以及地球的地形和海底地形，也在一定程度上影响潮汐的大小和规律。

地质形成

地球历史通常用地质年代进行分段衡量，从大到小分为宙（eon）、代（era）、纪（period）、世（epoch）、期（age）、时（chron）六个分级，学术上以百万年（Myr或Ma）或十亿年（Ga）为时间单位衡量其时期跨度。目前为止地球总共经历了冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙四大时期。

地球地质形成的大致过程：

• 星云凝聚阶段：太阳系的形成始于一个巨大的分子云（星云）的塌缩，这个过程由引力驱动，导致尘埃和气体凝聚成团，形成行星胚胎。地球最早的形成是通过数百万年的时间里这样的凝聚和堆积开始的。

• 分层形成：随着地球的形成，重力作用下，物质开始根据密度分层。较重的金属（如铁和镍）向地心沉降，形成了地球的内核和外核；较轻的岩石和硅酸盐则留在地壳和地幔中。这就是我们今天了解的地壳【表面逐渐冷却形成地壳】、地幔、外核和内核的分层结构。

• 板块构造：地球表面由许多大型的板块构成，这些板块漂浮在流动的软流圈上，形成了我们所谓的板块构造系统。板块之间的运动导致了地震、火山活动、山脉的形成和各种地质现象。

• 板块运动的启动：关于板块运动的启动，有两种主要的观点。一种是“重力不稳定性”模型，认为是地幔在冷却过程中的密度差异引起的重力效应启动了板块运动。另一种观点是“地幔对流”模型，认为地幔内部的热对流导致了板块的运动。

• 生命的出现：大约在35亿到40亿年前，地球上出现了最早的生命形式，这可能是在海底热液喷口附近，这些地区为生命提供了所需的热能和化学能量。

• 大氧化事件：约25亿年前，地球上的大气从基本无氧状态转变为含有大量氧气的状态，这标志着大氧化事件的发生，它极大地改变了地球环境，促进了复杂生命的演化。

地球的地质形成是一个复杂而长期的过程，涉及到太阳系的形成、物质的分层、板块构造的运作以及生命的出现和发展。这一过程至今仍在持续，虽然速度已经慢了很多，但地球的地质结构和表面景观仍在持续变化之中。

地球内部构造

地球内部包括很多圈层，从内向外包括地核（又分为内核和外核）​、地幔（又分为下地幔和上地幔）和地壳。地核外部是大约2880千米厚的地幔。上地幔顶部与地壳共同组成岩石圈。地壳在大陆以下的厚度约为40千米，在山系以下尤厚，但是在大洋以下只有大约6.4千米厚。

地球元素组成

地核、地幔和地壳的组成元素不同且厚度迥异。地壳上部的主要成分是二氧化硅和铝（即硅铝层）​，而地壳下部主要是二氧化硅和镁（即硅镁层）​。地幔主要由铁镁矿物组成，而地核几乎全部由铁组成。

海洋形成过程

在大约38亿年前，地球开始冷却，大气层的温度随之下降，这导致了一场持续数百万年的巨大降雨。所有的水分汇聚起来，形成了最初的海洋。最新的一些证据甚至提出，海洋的形成可能更早，大约在42亿年前就开始，这个时间点标志着地球上长期存在的海洋环境的开端，对地球生命起源和地质历史产生了深远的影响。

海洋的形成不仅为生命的出现提供了必要的条件，也对地球的气候、岩石圈的形成、板块构造运动以及长期的地球化学循环产生了重要影响。海洋是地球系统的重要组成部分，对调节全球气候、维持生物多样性和地球的物质循环具有至关重要的作用。

放射性衰变

放射性元素衰变时释放的热量，是由于原子核内部能量状态的变化导致的。这个过程涉及核能的释放，而核能的释放是因为在衰变过程中，原子核从一个较高的能量状态转变到了一个较低的能量状态，这个能量差以各种形式释放出来，其中就包括热能。具体来说，放射性衰变有几种主要类型，每种类型都会以特定的方式释放能量：

• α衰变：原子核释放出一个$α$粒子（两个质子和两个中子结合在一起，相当于一个氦核）。$α$衰变过程中，原子核的质量和电荷数都会减少，同时释放的能量可能会转化为新原子核和$α$粒子的动能，以及可能的$γ$射线的发射。

• β衰变：包括$β^+$（正电子发射）和$β^-$（电子发射），在$β^-$衰变中，一个中子转变为质子，并释放出一个电子和反中微子。在$β^+$衰变中，一个质子转变为中子，并释放出一个正电子和中微子。β衰变过程中，原子核的质量数不变，但电荷数会改变。新产生的粒子的动能和可能伴随的$γ$射线也是能量释放的方式之一。

• γ衰变：这个过程并不伴随着粒子的发射，而是在原子核从一个激发态向一个更稳定状态过渡的过程中，释放出高能量的光子（$γ$射线）。这个过程也是放射性衰变的一部分，但$γ$射线的产生通常是在α或β衰变后原子核进入激发态时发生的，随后原子核通过发射$γ$射线回到基态。

在所有这些过程中，释放的能量可以以辐射（$α$、$β$和$γ$射线）的形式离开原子核，也可以通过使周围物质的分子和原子加速而转化为热能。当这些高能粒子和光子与物质相互作用时，它们可以使物质中的粒子（电子、原子等）被激发到更高的能量状态，当这些粒子重新释放能量回到基态时，就以热的形式散发出来，增加了物质的温度，这就是为什么放射性衰变能够产生热量的原因。

放射性衰变是一个遵循能量守恒和动量守恒原则的过程，即衰变前后的总能量和动量保持不变，但能量从原子核内部释放出来，转移到了新粒子和周围环境中，导致了能量形式的转换和散失。这种能量的释放对于地球的内部热能和地热资源的形成有着重要意义。

💡 注意

地球内核中心附近的温度可能超过4000摄氏度，压力相当于400万个标准大气压。如此高的温度是由岩石中放射性元素衰变释放的热量维持的，又因引力压缩而进一步加剧。虽然地核在45亿年前就已经形成，但至今依然源源不断地产生热量，因此放射作用可被看作一个持续性热源。

气候形成

地球的气候形成是一个复杂而动态的过程，涉及到多个相互作用的系统。以下是地球气候形成的主要因素：

• 太阳辐射：太阳是地球能量的主要来源。太阳辐射的分布不均（由于地球的形状、轨道和地轴倾斜）是驱动全球气候系统的主要动力。这些差异导致了温度的差异，从而产生了风和海洋流，影响全球气候模式。

• 大气组成：大气中的温室气体，如二氧化碳、甲烷、水蒸气等，对地球气候有重要影响。这些气体能吸收和重新辐射红外辐射，导致温室效应，从而保持了地球的温暖，使得生命在地球表面成为可能。

• 海洋和水循环：海洋和水循环在调节全球气候中扮演着关键角色。海洋是巨大的热量和二氧化碳的储存库，它能调节气候，因为水体的热容量远大于大气。水循环通过蒸发、凝结和降水，分布地球上的水分，并影响温度和气候。

• 地球自转和倾斜：地球自转产生了科氏力，影响风向。地球倾斜则导致季节变化，影响不同地区的太阳辐射接收量，进而影响温度和降水模式。

• 地形和板块构造：地形（山脉、高原、峡谷等）影响风向和降水。例如，山脉可以阻挡和引导气流，影响风雨区。板块构造活动通过形成和破坏山脉、影响海洋流等长期影响气候系统。

• 生物作用：生物过程，如植物的光合作用，能影响大气中氧气和二氧化碳的浓度，进而影响气候。生物也通过影响地表反射率（例如，森林和雪地的反射率差异）和通过生物地化循环参与气候调节。

地球的气候是这些因素共同作用的结果，而这些因素之间的相互作用又增加了气候的复杂性。现代气候变化主要是由温室气体浓度升高引起的，这是由于人类活动，如燃烧化石燃料、森林砍伐等释放了大量的温室气体到大气中。这导致全球变暖，影响全球气候系统，造成了各种极端天气事件的增加和生态系统的压力。

💡 注意

由地外天体裹挟进入地球的水也被保留了下来，它们最终形成了海洋和大气。

生态形成

地球生态系统的形成是一个漫长而复杂的历程，从最初的单细胞生物到复杂的生命形式，再到各种多样化的生态系统，这个过程经历了数十亿年。以下是地球生态系统形成的主要阶段和关键因素：

• 生命的起源：大约在38亿至40亿年前，地球上出现了最早的生命形式——原核生物（如细菌和蓝藻）。这些单细胞生物能够在高温、高压和极端条件的环境中存活，为后续生命形态的演化打下了基础。

• 氧气的累积和光合作用的出现：大约在25亿年前，蓝藻发展出了光合作用的能力，能够使用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物，同时释放氧气。这个过程不仅增加了大气中的氧气含量，还奠定了地球生态系统的基础。

• 多细胞生物的出现：大约在6亿年前，多细胞生物首次出现。这标志着生态系统中物种多样性和复杂性的开始，包括了原生生物、真菌、动物和植物的分化。

• 陆地生态系统的形成：大约在4.5亿年前，植物从海洋向陆地迁移，开始了陆地生态系统的形成。植物固定二氧化碳，释放氧气，并促进了土壤的形成，为陆地生物提供了栖息地。

• 动物登陆：随着陆地生态系统的形成，各种动物类群开始适应陆地生活，包括昆虫、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物。这些动物与植物相互作用，形成了复杂的食物链和食物网。

• 生态位的分化和物种的多样化：随着时间的推移，生物在不同的地理区域和生态位中分化，形成了多样化的生态系统，如热带雨林、沙漠、高山、湿地、海洋等，每个生态系统都有其独特的生物组合和生态过程。

• 自然选择和演化：达尔文的自然选择理论解释了物种为什么能够适应环境变化并演化。物种之间的竞争、捕食关系、共生关系等生态相互作用推动了生物的进化，形成了多样化的生态位和生态系统。

• 人类对生态系统的影响：近几千年，特别是工业革命以来，人类活动对地球生态系统产生了深远的影响。森林砍伐、城市化、污染、气候变化等因素改变了自然景观，导致了生物多样性的丧失，生态系统的退化和功能失衡。

地球生态系统的形成是一个由生物演化、环境变化和生物与非生物因素相互作用的动态过程。了解这些过程有助于我们更好地保护和管理自然资源，促进生态系统的健康和可持续性。

生命演化

参考文献

1. 生命演化历程. Wikipedia.
2. 地球历史. Wikipedia.
3. 潮汐. Wikipedia.
4. 转轴倾角. Wikipedia.
5. 黄道. Wikipedia.