太阳拥有8颗行星,按其构成可以分为固态的岩石行星和气态巨行星。其中水星、金星、地球和火星属于岩石行星,被称之为类地行星;余下的木星、土星、天王星和海王星属于气态巨行星,被称之为类木行星。
类木行星不仅是气态的,质量和体积也很大。类木行星普遍比类地行星大。需要注意,气态行星并非完全由气体构成,其内核仍然是固态的。类木行星的主要构成成分是氢和氦,这也是太阳的主要构成成分。那么地球等岩石行星的岩石又是如何形成的呢?
了解地球
地球是太阳系中最大的岩石类行星,而水星是最小的岩石行星,水星的质量只有地球质量的5.6%。不过,随便一颗类木行星都要比地球大上许多。天王星是质量最小的类木行星,但其质量仍然是地球质量的14.5倍。而木星的质量就很夸张,是其它七大行星质量总和的2.5倍。
地球表层被分为4大圈层,除去大气圈、水圈和生物圈,还有岩石圈。从地表到地心又可以分为地壳、地幔、地核三大圈层。一般来说,岩石圈就是指地壳,有时地幔上半部分也被划分为岩石圈。
地壳很薄,上层岩石的主要成分是硅铝氧化物,下层岩石的主要是成分是硅镁氧化物。地幔最厚,越靠近地核,地幔中铁和镍的含量就越高。地幔顶部有一个软流层,由于大量的放射性物质聚集在这儿,释放出了大量的热量,岩石被融化形成熔岩,岩浆就源于此。地核主要由铁和镍构成,外地核是液态的,而内地核是固态的。地球的磁场就源于外地核中液态金属的流动。地壳地幔中的物质并没有明显的分界现象,而是呈相互渗透的趋势。
地球上的岩石
岩石是由若干种矿物组成的混合物,具有稳定的固体形态。由一种矿物组成的岩石叫作单矿岩,如石英岩;多种矿物组成的岩石叫作复矿岩,比如花岗岩就由石英、长石和云母等矿物组成。
岩石的分类比较复杂,按照形成原理,地球上的岩石可分为三大类:火成岩(又叫做岩浆岩)、变质岩、沉积岩。这三类岩石在一定条件下可以相互转化。
火成岩就是岩浆冷却后形成的,玄武岩和花岗岩就是最典型的火成岩。变质岩是某些岩石在高温高压等条件作用下,岩石中的矿物成分或者结构发生了变化,从而产生的新岩石,大理岩就属于变质岩。沉积岩就是各种矿物在沉积作用下形成的岩石,主要包括石灰岩、砂岩、页岩等,它们遍布于地球表面,绝大多数生物化石及矿产就位于沉积岩中。
说来说去,它们都是由原子构成的,原子的种类按元素划分有100多种,而地球上总共存在90多种天然元素。地球上的岩石基本上都含有二氧化硅(SIO2),此外还含有镁、铝、钙、铁等元素。据统计,仅氧、镁、铁、硅、硫、铝、钙这7种元素就占地球总质量的97%,地球上的岩石主要就是由这几种元素构成的。
从太阳系的起源说起
太阳在太阳系中占绝对统治地位,太阳的质量占太阳系所有物质总质量的99%,太阳的起源便是太阳系的起源,八大行星等其它小天体都是太阳的附属。
关于太阳系的起源,最主流的观点便是星云说。最早提出该观点的人是德国哲学家康德,不过当时并没有引起什么反响,之后的拉普拉斯从数学和力学角度提出了更加完善的理论,该观点才正式被人们所接受。
地球和太阳差不多都诞生于45亿年前,太阳和太阳系内的天体几乎都起源于同一片星云。星云由稀薄的气体和尘埃构成,这些气体分子主要是氢、其次是氦,尘埃则由金属和非金属微粒构成。在引力的作用下,这些气体、尘埃汇聚成团,在相互的碰撞过程中像滚雪球一样越积越大,核心处的温度压力越来越高,最终点燃了氢聚变反应,于是一颗恒星便诞生了。原恒星盘上的余下物质便形成了行星及其它小天体。
如上图所示,太阳诞生之初太阳系内一片混沌。
银河系内的恒星估计有2000亿颗,很多都是多星系统,其中75%是双星系统,就是由两颗恒星构成的恒星系统,这种条件下很难存在行星。以太阳系为例,木星的成分就与太阳的成分很相似,如果木星的质量再大上85倍左右,木星将会成为一颗恒星,而不是现在的气态行星。很幸运,太阳系形成之初,木星并没有足够的质量转化为恒星,否则太阳系也将是一个双星系统,估计也就没有地球什么事了。
行星探测器传回的数据表明,木星、土星等气态行星也拥有固态的内核。如果木星抛去外部的氢和氦等气态物质,余下的内核其实就是一颗岩质天体。太阳是一个高温等离子体,其实太阳也拥有固态铁镍质内核。
岩石行星更靠近太阳,而气态行星离太阳较远,这是因为氢、氦等元素较轻易挥发,在太阳辐射的长期照射下,便被驱赶到了太阳系外侧。这也就很好理解类地行星和类木行星在太阳系的分布情况了。
一切始于爆炸
看了科探菌的介绍,大家应该又产生了其它的疑惑。为啥星体都含有铁质核心?而岩石又主要由固定的几种元素构成?这得从宇宙中元素的起源和元素的丰度(元素的相对含量,通常以硅元素作为基准)说起。
现有的证据表明,宇宙很有可能起源于一场大爆炸。随着宇宙的扩张,温度逐渐下降,基本粒子开始结合形成原子,其中最简单、数量最多的便是氢原子。这些氢元素形成了宇宙中的第1批恒星,通过核聚变反应,在恒星的大熔炉中又诞生了其它较轻的元素。通常碳、氮、氧在恒星核聚变反应过程中的产出比较大。因为铁的结合能最高,很难发生核反应,因此恒星工厂也只能止步于铁。其它比铁还重的元素则诞生于恒星死亡的那一刻,也就是超新星爆发的那一刻,超新星爆发是宇宙中最壮烈的爆炸之一。只有在这样的高温高压条件下,才能聚变出金、银这种重型元素。
上图为超新星爆发后的遗迹
不管是宇宙大爆炸,还是恒星爆炸,总之岩石的形成与爆炸有关。人类已经在宇宙中发现了100多种元素,除了氢,其它元素不是形成于恒星内部,就是形成于恒星爆炸之时。
岩石由哪些成分构成早已注定好,宇宙中元素的丰度及其化学性质决定了岩石的可能种类。由于金、银等重元素在宇宙中的形成条件极为苛刻,因此它们在宇宙中的丰度很小,地球上岩石矿物中的含金量也注定不会太高。铁元素在宇宙中的丰度很高,并且还在增长,那是因为不仅轻元素会聚变为铁,重元素也会衰变为铁。恒星不断的将氢聚变为氦,因此氦在宇宙中的丰度也很高。按质量算,宇宙中71%都是氢,27%是氦,余下的2%是其它元素。
上图为宇宙中部分元素的丰度分布情况
宇宙中元素的丰度除了与元素在恒星中的合成过程有关,还与该元素的原子核结构的稳定性有关。通常原子序数为偶数的元素的丰度大大高于相邻的奇数元素;质量数为4的倍数的核素,其丰度也较高。
世界真奇妙,看似风马牛不相及的事物之间却存在联系。从石器时代到铁器时代,人类文明的发展进程竟然与宇宙中元素的分布规律存在联系,岩石的形成也与此有关。
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