地球的起源与演进及全球气候变化

钟萃相

[摘要]对地球起源的研究不仅能够发现地球的形成和演进规律，而且可以揭示宇宙星系的形成和演进规律。因此，作者近来研究了地球的起源，发现了地球的一些形成和变轨机制，从而揭示了地球的起源和演进规律。并根据该规律，可进一步揭示太阳系的形成和演进规律及其它星系的结构，并能科学地解释宇宙的膨胀和全球气候变化的原因。

[关键词]太阳系 地球 形成 演进 星系结构 宇宙膨胀 全球气候变化

[中图分类号] K826.14 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-294-5

1引言

地球起源问题与物质结构和生命起源问题一起，属于自然科学的三大课题，一直受到人们的高度重视。

由于地球是太阳系的一个成员，因此地球起源问题自然归入太阳系的起源和演进问题。虽然早在1543年波兰天文学家哥白尼就发表了《天体运动论》，创立了日心说， 为人类正确认识太阳系做出了重要贡献，但是近五百年以来，太阳系的起源和演进仍然是一个不解之谜。

但随着上个世纪50年代太空时代曙光的出现及90年代太阳系外行星的发现，这种假说不得不为适应新的发现而被修改。但即使是修改后的假说仍然无法解释许多事实。通常只由一个星球产生并围绕该星球展开的星云怎么横跨数光年呢？为什么行星能围绕太阳旋转？为什么离太阳系中心较近的水星和金星本来有较多的物质来形成其卫星，结果没有一颗卫星？还有许多其他无法解释的事实。所有这些事实都使现有的假说难以置信。

于是，近来作者通过研究月球和地球的起源，发现了卫星、行星和恒星的形成和运动机制，从而揭示了太阳系及其他宇宙星系的形成和演进规律，包括揭开了地球的形成与演进的奥秘。

2地球起源新解说

由于地球是以太阳为中心运转的，因此地球的起源应该追溯到太阳的起源和演进。当后来演变成恒星的原太阳成长为地球大小的行星时，它便能从宇宙空间中吸收大量的水气来形成自己的大气层，甚至形成大的冰体或水体。由于行星自转离心力的作用使行星成长为赤道隆起、两极稍扁的球体。行星赤道半径大于两极及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比，所以越靠近赤道，物体受到的万有引力越小，因而在赤道附近射出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道。另外，如果行星上有水，则在行星自转离心力的作用下，会使得两极及其他地区的水流向赤道区域。因此，赤道附近比其他地区受到水的侵蚀更早和更严重，这就使得赤道附近更容易发生火山喷发，而且喷发得更早、更频繁和更猛烈。在一些猛烈的火山喷发过程中，一些火山灰和碎屑可以获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道，形成一层一层的环球“星云”。在这些进入轨道的碎屑中有一些体积较大的碎片就是后来形成太阳系行星的雏形。特别是，当火山的喷射方向与原太阳的自转方向一致时，喷出的物质容易获得足够的速度，进入绕原太阳旋转的轨道；当火山的喷射方向与原太阳的自转方向相反时，喷出的物质难以获得足够的速度来进入绕原太阳旋转的轨道。所以，在环绕原太阳的同一轨道中顺行物质多于逆行物质。因此，顺行星子可以积聚更多的顺行物质，碰撞更少的逆行物质，因而容易形成卫星。当原太阳长大成恒星时，它的一些卫星就成长为行星。这就是为什么环绕太阳的八大行星都是顺行的行星。另外，由于赤道附近喷出的物质容易获得足够的速度，进入绕原太阳旋转的轨道，然后凝聚成卫星。这就是为什么八大行星的轨道几乎位于同一个平面，而且该平面与赤道面的夹角很小。可见行星的形成与演进大致要经历三个阶段：星云凝聚成卫星，卫星演变成行星，行星成长为巨星。关于八大行星的形成与演进可以地球的形成与演进为例来加以说明。

2.1星云凝聚成卫星

地球雏形最初进入的轨道距离原太阳较近，原太阳周围有大量的火山喷射物质，如火山灰、水蒸气、SO2形成的气溶胶等，形成环绕地球的“星云”。此外，地球轨道附近还有来自其他星球的物质。后来地球雏形通过引力不断地吸收轨道附近的这些物质而变得越来越大，并渐渐地远离原太阳，成为今天庞大的地球。关于这一点，可证明如下：当地球绕原太阳正常运转时，原太阳对地球的万有引力与地球的离心力大小相等、方向相反，假设原太阳的质量为M，地球的质量为m1，地球的半径为re， 地球绕原太阳运转的轨道半径为r， 转速为v，则

靠近地球运行的轨道，还有一些较小的由原太阳抛射物形成的星子在环绕原太阳飞行，如图1所示。假设这些星子的轨道半径为rx，则这里所考虑的星子的轨道半径满足：r-re< rx

假设星子的运行速度为vx，则

因此这些较小的顺行星子最终将赶上地球。特别地，当一个较小的顺行星子接近地球时，地球的引力又加速该星子的运动，使星子的速度大于vx 。假设该星子的质量为m2， 当它撞上地球时的速度为vy ， 则地球与该星子合并时的离心力是

即地球绕原太阳旋转的离心力大于原太阳对地球的引力，因而地球重心有远离原太阳的趋势。特别地，如果撞击地球的星子足够大，它还可能猛烈地撞击地球，使地球的顺行速度增至更大的值v2 ，这时

地球重心就远离原太阳一段距离。总之，随着地球质量的递增，地球重心也在远离原太阳。

事实上，地球远离原太阳的另一个原因是原太阳自转速度的加快。这是因为原太阳起源于银河中心某个行星的卫星。起初原太阳的质量较小，其上没有浓密的大气层，而且靠近其母行星，所以它几乎被其母行星同步锁定，无法绕其自身轴转动，正如现在太阳系的水星和金星那样。后来，它不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并且渐渐地远离母星。随着原太阳质量的增加，它可以从宇宙空间中吸收越来越多的水气来形成自己的大气层，甚至形成一个大的冰水圈。当它的母行星变成发光发热的恒星时，它就变成一个行星，由于它绕其母星按反时针方向旋转，原太阳上靠近母星的那一面受到来自母星阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气，甚至形成撞击高山的巨云或横扫大地的风暴。因此，在原太阳绕母星旋转的过程中，原太阳上靠近母星的那一面比另一面受到更大的空气阻力，从而使原太阳从西向东自转。并且随着原太阳大气层和冰水圈的增长，原太阳的自转速度将逐渐加快。由于原太阳的内部流体活动、火山活动、地震活动或潮汐活动，其自转轴经常偏离空间里的南北轴线，原太阳每转一周其自转轴就围绕南北轴线旋转一次，在原太阳的自转过程中原太阳质心的轨迹就形成环绕南北轴线的一个圆圈。因此，当原太阳自转加速时，在原太阳万有引力的拖曳下，地球绕原太阳的公转速度也会加快，从而使地球绕原太阳公转的离心力增大，最终使地球远离原太阳。

由于同样的原因，一批又一批来自原太阳或其他星球的火山喷射物或星子被驱离母星并传送至地球，使地球在数十亿年中成为一个覆盖星际物质的大卫星。

2.2卫星演变成行星

除了星子的撞击和原太阳自转的加速能驱动地球远离原太阳之外，地球上的火山喷发也曾是驱动地球远离原太阳的另一个原因。

地球形成之初是一个冷却的均质球体，但随着地球质量和体积的不断增加，地球内部的热能不断积聚，包括地球高速旋转引起的气流摩擦产生的热能，地球自身引力收缩过程产生的热能，原始地球内部化学反应而产生的热能。正是由于地球原始热能积聚到一定程度，才使原始地球物质发生了熔融分异，形成了地球的不同圈层：地核，地幔和地壳。

当早期的地球还是月亮大小的卫星时，其轨道离原太阳很近，它几乎被其原太阳同步锁定，无法绕其自身轴自转，总是一面朝着原太阳，而且地球正面（即靠近原太阳的那一面）有一大块表面浸泡在原太阳大气层中，因此地球从原太阳大气层中吸收了大量的水气，在地球表面形成了大面积的冰水覆盖区，地球海洋开始产生。在地球环绕原太阳飞行过程中，地球东半球总处于头部位置，与空气的摩擦较剧烈，产生大量的热量，使东半球气温较高。因此，地球东半球气温高于西半球，这就使东半球气流活跃，不容易凝结冰水，而西半球气温较低，容易凝结冰水，因此西半球覆盖着较多的冰水。

由于冰水的长期侵蚀，许多地方的地壳破裂，当冰水进入地幔与炽热的岩浆接触时，水分立即气化，产生猛烈的火山喷发。由于西半球覆盖着较厚的冰水，因此西半球发生火山喷发的概率和强度高于东半球。总的来说，地球西面所受火山推动力大于东面所受火山推动力， 这就会使地球公转增速，发生变轨，从靠近原太阳的轨道逐渐转移到远离原太阳的轨道。关于这点可分如下两步来说明：

（1）地球公转增速引起地球轨道扩大[1，2]

假设原太阳的质量为M，地球质量为m，地球原先在半径为r1的圆形轨道1上绕原太阳做匀速圆周运动，如图2所示，则其速度V1=■。若地球在A点受到推力作用而加速，则由于原太阳对地球的万有引力小于地球以加速后的速度绕原太阳做匀速圆周运动所需的向心力，从而做离心运动，进入椭圆轨道。故假设地球在A点的速度由V1增大到VA2 时，地球可进入近日点距原太阳中心为r1，远日点距原太阳中心为r2的椭圆轨道2，则根据机械能守恒定律可知，地球从近日点A运动到远日点B时应有

又由开普勒第二定律可知

由式（1）～（3）式可求出

类似地，欲使地球从半径为r1的圆形轨道进入近日点距原太阳中心为r1，远日点距原太阳中心为r3的椭圆轨道3，则地球在A点的速度应由V1增大到VA3 ，其中

由式（4）～（5）式可求出

由此可见，欲使地球从椭圆轨道2变轨到椭圆轨道3就应该使地球在A点的速度VA2增加（■-1）·VA2 。

例如，假设起初地球质量为7.349e20 kg， 它运行在一个近似圆形的椭圆轨道上，近日点距离r1= 8200 km， 远日点距离r2=8220 km， 近日点处的公转速度VA2= 7896 m/s。根据式（7），用计算机可算出，欲使地球从原有的椭圆轨道变轨到远日点距离r3=r2+0.0002 m的椭圆轨道，地球在近日点的公转速度应增加6.16869e-8 m/s。当地球运行到近日点距离r1= 200000 km， 远日点距离r2= 220000 km， 近日点处的公转速度VA2= 1412.48 m/s的椭圆轨道上时，欲使地球从原有椭圆轨道变轨到远日点距离r3=r2+0.04 m的椭圆轨道，地球在近日点的公转速度应增加6.11464e-8 m/s。可见卫星离原太阳中心越远变轨越容易。

一般地，如下图3（a） 所示，对于椭圆轨道2上的任一点D，假设D与日心之间的距离为r4，地球在D点的线速度为VD，则由开普勒第二定律可得

VA2·r1=VD·r4 （8）

假设地球在D点受到推力作用得到加速，使VD变为V4，能使地球变轨到更大的椭圆轨道4。如果该椭圆轨道的近日点距离不变，则其远日点距离必增加。假设当地球在轨道2 的A点由速度VA2增大到VA4 时，地球也可进入轨道4，则

VA4·r1=V4·r4 （9）

由式（8）和（9）可得

即如果地球在轨道2 的A点发生ΔV的增速能使地球轨道的远日点距离增加，则地球在轨道2 的D点只需发生■ΔV（■ <1）的增速就可以使地球轨道的远日点距离具有同样的增幅。由于D的任意性，可见由于地球增速引起地球轨道扩大的概率是很大的。

类似地，如图3（b）所示，对于从远日点B出发驶向近日点A的半椭圆轨道2上的任一点D，如果地球在D点受到推力作用而被加速，则能使地球变轨到近日点距离增加的轨道4。

（2）火山喷发改变地球公转速度[3，4]

如前面图1和图4所示，在地球绕原太阳公转的过程中，当地球上有火山口朝着与地球公转切线方向相反的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使地球获得巨大的动量，提高公转切向速度。因此，可参考火箭飞行原理来计算地球公转切向速度的增量。

设在某一瞬时t，地球质量为M，速度为v， 在其后t到 t+dt 时间内，地球喷出了质量为dm的物质，这些物质喷离地球的速度为u， 使地球的速度增加了dv，所以在时刻t+dt， 地球的质量为M+dM， 速度为v+dv， 喷出物质的质量为dm（当dt很小时，比如当dt≤1秒时，可以认为这些物质此刻飞行在空中），速度为（v+dv-u）. 由于地球在绕原太阳公转的过程中所受的外力仅有原太阳对地球的引力和地球绕原太阳旋转的离心力，两个力相互抵消，使外部合力为0， 因此根据动量守恒定理有

Mv=[M+dM]（v+dv）+dm（v+dv-u）]

注意到 dM=-dm， 上式可化简为

dv=-u*dM/M

设在某一时刻ti，地球的质量为Mi，公转速度为vi，在其后ti到 tj时间内地球喷出了一些物质，到了时刻tj， 地球剩余质量为Mj，公转速度变为vj， 则对上式积分可得：

■ dν=-u ■dM/M→ vj-vi=uln（Mi/ Mj）

设地球原有质量与第1秒火山喷发后剩余质量比为N1， 地球剩余质量（包括落回地球的物质的质量）与第2秒火山喷发后剩余质量比为N2， ……， 以此类推，设火山喷发前地球原有速度为v0，第i秒火山喷发射出物质的速度为ui， 第i秒火山喷发后地球获得的速度为vi， 则

v1-v0=u1ln（N1），v2-v1=u2ln（N2），v3-v2=u3ln（N3），……，vk-vk-1=ukln（Nk）

一般可认为u1= u2=…=uk=u 且 N1= N2=…=Nk= N（其中u>0， N>0），于是vk- v0=kuln（N）

在计算火山活动时，应该参照其他星球上的数据。地球历史上著名的维苏威火山持续喷发了10多个小时，每秒能喷出1.54321万吨碎石、熔岩、灰烬和气体。被人们誉为“地中海灯塔”的意大利斯通博利火山几乎连续喷发了至少100年之久。旅行者1号发现木卫一上的火山喷射速度可达1000m/s。

火山喷发还与地理位置有关系。由于地球西半球发生火山喷发的概率和强度都高于东半球，因此地球西面所受火山推动力大于东面所受火山推动力，这就会使地球公转增速，发生远离原太阳的变轨。

由于地球上可能有多个火山口同时喷发，因此可以不过分地假设有一个火山群每秒喷物总量为1.54321e9 kg（相当于1个维苏威火山口每秒的喷发量），而且火山喷射物质的速度为1000m/s，则经过1个小时的连续喷发，可使质量为7.349e20 kg的地球公转增速7.59393e-8 m/s。这个增速可以使地球从近日点距离r1= 8200 km和远日点距离r2= 8220 km的椭圆轨道变轨到远日点距离增加 0.033m的轨道上；也可以使质量为7.349e22的地球从近日点距离r1= 200000 km和远日点距离r2= 220000 km的轨道变轨到远地点距离增加 0.04m的轨道上。

正如式（10）和（11）所表明的那样，在从近日点出发驶向远日点的半椭圆轨道上的任一点D发生同样规模的火山喷发都能使地球获得差不多相同的增速效果，因而可使地球发生差不多相同规模的变轨。由于地球早期轨道离原太阳较近，公转速度较大，积蓄的热能较多，因此火山喷发频率和强度都大得多。这就使得地球在一年之内发生多次上述规模的变轨的概率相当大。当地球轨道远离原太阳时，比如近日点距离r1= 200000 km和远日点距离r2= 220000 km，虽然火山喷发频率变小，但同样幅度的地球增速却可以使地球发生好几倍的变轨。下表1还列出了用计算机算出的多种不同轨道的火山喷发可引起的地球变轨数据。根据这种计算可知，在几十亿年之内地球能够远离原太阳很长的距离。

由于地球不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并且渐渐地远离原太阳。随着地球质量的增加，它可以从宇宙空间中吸收越来越多的水气来形成自己的大气层甚至大水圈。当原太阳变成发光发热的恒星时，地球就成为接近现在大小的行星。由于地球绕太阳按反时针方向旋转，地球上靠近太阳的那一面受到阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气，甚至形成撞击高山的巨云或横扫大地的风暴。因此，在地球绕太阳旋转的过程中，地球上靠近太阳的那一面比另一面受到更大的空气阻力，从而使该地球由西向东自转。

2.3行星成长为气候多变的巨星

由于地球的自转，地球上不仅可能发生使地球公转加速的火山喷发而且可能发生使地球公转减速的火山喷发，因而不仅能使地球扩轨而且还能使地球缩轨，从而使地球变冷或变暖，甚至进入冰期或间冰期。关于这一点可以证明如下。

2.3.1地球减速引起地球轨道缩小

相对于地球公转增速而扩轨，如下面图6所示，欲使地球从椭圆轨道3变轨到椭圆轨道2就应该使地球在A点的速度VA3减少至VA2，由式（6）可得

VA3-VA2 =（1-■）·VA3 （12）

即地球的公转速度VA3应该减少（1-■）·VA3便可使地球从轨道3变轨到轨道2。

当今地球运行在一个椭圆轨道上，近日点距离r1= 147098074000 m， 远日点距离r2= 152097701000 m， 近日点处的公转速度VA3= 30287 m/s。欲使地球从现有的椭圆轨道变轨到远日点距离r3=r2-0.02的椭圆轨道，地球在近日点的公转速度应减少9.78497e-10 m/s。

一般地，如下图7（a）所示，对于从近日点A出发驶向远日点的半椭圆轨道4上的任一点D，假设地球在点A的线速度为VA4，D与太阳之间的距离为r4，地球在D点的线速度为VD，则由开普勒第二定律可知

VA4·r1=VD·r4 （13）

如果地球在D点受到反向推力作用被减速，使VD变为V2，能使地球变轨到更小的椭圆轨道2。由于该椭圆轨道的近日点距离不变，则其远日点距离必缩短。假设当地球在轨道4的A点由速度VA4减小到VA2 时，地球也可进入轨道2，则

VA2·r1=V2·r4 （14）

由式（13）和（14）可得

VA4-VA2=■ （VD- V2） （15）

VD- V2= ■（VA4-VA2） （16）

即如果地球在轨道4 的A点发生ΔV的减速能使地球变轨到更小的椭圆轨道2，则地球在轨道4 的D点只需发生 ΔV（ <1）的减速就可以使地球变轨到更小的椭圆轨道2。由于D的任意性，可见由于地球减速引起地球轨道缩小的概率是很大的。

类似地，如上图7（b）所示，对于从远日点B出发驶向近日点E的半椭圆轨道4上的任一点D，如果地球在D点受到反向推力作用而被减速，则能使地球变轨到近日点距离缩短的椭圆轨道2。

2.3.2同向火山喷发降低地球公转速度

如前面图6和图5所示，在地球绕太阳公转的过程中，当地球上有火山口朝着与地球公转切线方向相同的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使地球受到与公转方向相反的作用力，从而使公转速度降低。假设火山喷发前地球原有速度为v0，连续喷发了k个时间单位，每个时间单位的喷物速度都为u， 地球在每个时间单位喷物前的质量与喷物后的剩余质量比皆为N，则根据类似于2.2（2）的计算可得： vk= v0-kuln（N）

由于凌晨气温低，凌晨下雨的概率一般高于白天其他时间下雨的概率。如果某一天地球上有些火山口在凌晨6：00左右连续喷发了4个小时，则在这个时间段的火山喷射方向差不多与地球公转方向相同，使地球受到与公转方向相反的阻力，从而使地球公转速度降低。假设这些火山每秒喷物总量为1.54321e9 kg（相当于一个维苏威火山口每秒的喷发量），而且火山喷射物质的速度为350m/s，则经过4个小时的连续喷发，可使地球公转减速9.75134e-10 m/s。这个减速可以使地球变轨到远日点距离缩短 0.02m的轨道上。

正如（1）中公式（15）和（16）所表明的那样，在从近日点出发驶向远日点的半椭圆轨道上的任一点D发生同样规模的火山喷发都能使地球获得差不多相同的减速效果，因而可使地球发生差不多相同规模的变轨。由于地球上每年都有几十座活火山喷发，因此在这条漫长的轨道上发生上50次这样的变轨的概率是很大的，所以一年之内因地球变轨使远日点距离缩短1m是很自然的。假设在历时一百年的过程中，平均每年地球变轨使远日点距离缩短1m，则在一百年中地球远日点距离可缩短100m。同理，地球近日点距离也可能缩短100m。因而地球气温上升0.8 oC也就不足为怪了。

下表2还列出了用计算机算出的多种不同规模的火山喷发可引起的地球缩轨数据。

由上面的计算可知，一定规模的火山喷发确实引起地球的变轨，从而引起全球变暖或变冷。事实上，在原太阳演变成恒星之后，其周围的大气层几乎被燃烧殆尽，只能从宇宙空间中不断吸收气体来维持太阳的热核反应。因此，太阳周围的大气层很薄，而且四周均匀，这使得太阳的自转速度基本稳定，不再加速或减速。在地球进入到这一阶段之后，影响地球变轨的只有星子的撞击和火山的驱动，但星子要么很小要么很少，对地球的变轨影响很小，因此影响地球变轨的主要是火山驱动。由于地球轨道的微小变化就能改变阳光在地球表面上的季节性分布和地理性分布，因此地球轨道的变化对气候的变化影响较大，而且与冰期和间冰期显著相关。

另外，随着地球不断吸收宇宙空间中的尘埃和气体，包括太阳燃烧产生的水气和二氧化碳等，地球的水圈和大气层在逐渐增厚。由于地球吸收的温室气体远多于人类活动产生的温室气体，大气层中温室气体浓度也在逐渐增大，这就会导致全球气候变暖。特别地，地球上水气的增加，还会增加降水的频度和量度，甚至引起海平面上升或洪涝灾害；地球自转的加速也会加剧气体分子与地面或冰面的摩擦，导致地球气温上升或冰雪消融。

3结论

根据上面的讨论可知，正是在原太阳发生巨大火山喷发时地球雏星被射入绕原太阳运转的轨道，然后不断地凝聚轨道附近的星云物质而变得越来越大，并在星子的撞击或自转不断加速的原太阳的万有引力的拖曳或火山驱动下渐渐地远离原太阳，演变成庞大的地球。当原太阳变成恒星之后，地球就变成了一个拥有水圈和大气层的行星。在阳光的照射和地球大气层的作用下，地球自西向东自转。地球上频繁的火山喷发产生了月球。随着地球质量、水圈和大气层的增长，地球变成了一个气候多变的星球。

本研究得到江西师范大学博士启动基金（2280）支助。E-mail： cuixiang_zhong@sohu.com