高中地球科学/早期地球
想象一下，你有一部电影，展示了地球从诞生到现在的历史——就像太空中一个巨大的摄像机记录了地球过去4 1⁄2亿年的画面。你认为在这部电影中，地球在历史的不同时期会是什么样子？你认为它发生了怎样的变化？
如果你将电影快进，你会看到大量的动作和变化！你会看到我们的星球在数十亿年的时间里经历了显著的变化（图12.3）。巨大的山脉形成、被摧毁，并被新的山脉取代。海洋出现并在地球上移动。大陆四处移动，彼此分离，并相互碰撞，最终到达它们现在的位置。地球上的生命也发生了巨大的变化。起初，地球甚至无法维持生命。大气中没有氧气，地球表面极其炎热。慢慢地，经过数百万年的时间，地球发生了变化，使得植物和动物能够开始生长。然后，生物进一步改变了地球。
我们经常喜欢使用我们的想象力来思考恐龙漫游时地球是什么样子的（图12.4）。当你想到恐龙时，你的脑海中会浮现出什么样的画面？现在想象一下地球上还没有恐龙的时代。想象一下在任何生物出现在地球之前的时间。现在你的脑海中会浮现出什么样的画面？你认为地球刚形成时是什么样子的？本课将帮助你了解地球是如何形成的，它在最初的几年里是什么样子的，以及生命是如何在地球上首次出现的。
以下问题在其他章节中进行了探讨，并将帮助你完成本课。在继续学习之前，先进行研究。
- 什么是化学元素？
- 植物和动物需要什么条件才能生存？
- 什么是大气层，它由什么组成？
- 风化和侵蚀如何影响地球？
我们可以通过观察现在其他恒星正在形成的区域来构建我们太阳系的形成历史。恒星的形成始于巨大的气体和尘埃云在自身重力的作用下坍缩。随着云的收缩，它开始旋转得更快并稳定成一个盘状结构。我们在猎户座星云（图12.13）中看到了这些盘状物体（称为原行星盘），那里是今天新的恒星正在形成的地方。大部分尘埃盘物质流向中心，在那里密度逐渐增加，直到巨大的中心压力触发核聚变反应，恒星诞生。
然而，一小部分盘状物质以冰覆盖的尘埃颗粒的形式残留下来。颗粒的冰质地幔开始粘在一起，最终成长为米级大小的岩石碎块，称为星子。星子碰撞并吸积成直径数十公里的更大天体，称为原行星。一旦原行星在盘中清除出一条缝隙，它们就变成了真正的行星，它们的轨道开始稳定下来（图12.6）。
行星形成的过程是混乱的。并非所有星子都被吸积到行星中。数百万颗星子作为剩余的碎片保留下来，现在是太阳系中的小行星和冰覆盖的彗星。在太阳形成后的第一个一亿年里，剩余星子与行星之间的碰撞很常见。我们在月球和水星的表面看到了大量轰击的证据（图12.7和图12.8）。
地球表面也会发生相同类型的碰撞，但侵蚀过程抹去了除最近的碰撞之外的所有碰撞。图12.9显示了亚利桑那州的陨石坑。
在大约太阳形成后1亿年，我们太阳系中行星和卫星的引力清除了大多数星子。然而，数百万颗此类天体仍然存在于太阳系主要小行星带、特洛伊小行星带或海王星和冥王星之外的柯伊伯带中，这些位置的引力是稳定的。下图草图显示了今天太阳系中最大小行星储层的所在地（图12.10）。
地球是我们太阳系中唯一已知支持生命的物体（图12.11）。如今，地球上有超过100万种已知的动植物物种。
构成地球的物质由几种不同的化学元素组成。每种元素都有不同的密度，定义为每单位体积的质量。密度描述了一个物体的重量与其占据空间的大小之间的关系。在地球早期形成后，密度较大的元素沉入中心。较轻的元素上升到地表。如果你曾经在一个瓶子里混合油和水，你可能见过类似的情况。水的密度比油大。如果你将两者都放入一个瓶子中，摇晃它，然后让它静置一段时间，水会沉到底部，油会浮到水的上面。
如今，地球由代表不同密度的层组成（图12.12）。地球的中心称为地核。地核由称为铁和镍的非常致密的金属元素组成。地球的最外层是地壳。地壳主要由硅、氧和铝等轻元素组成。有关地球不同层的更多信息，请参阅板块构造课程。
早期的地球与我们今天的地球截然不同。早期的地球经历了小行星和陨石的频繁撞击，火山爆发也更加频繁。在地球的最初十亿年里没有生命，因为大气层不适合生命生存。地球的第一层大气中含有大量水蒸气，但几乎没有氧气。后来，频繁的火山爆发将几种不同的气体释放到空气中（图12.13）。这些气体为地球创造了一种新型的大气层。火山爆发将氮气、二氧化碳、氢气和水蒸气等气体喷射到大气中——但没有游离氧气。没有氧气，地球上仍然很少有东西能够生存。
慢慢地，两个过程将地球的大气层转变为富含氧气的大气层——就像我们今天拥有的大气层一样。首先，来自太阳的辐射导致水蒸气分子分解。请记住，水分子由氢和氧元素组成，或H2O。来自太阳的辐射将一些水分子分解成氢和氧。氢气逃逸回外层空间。氧气在大气中积累。改变地球早期大气层的第二个过程是光合作用（图12.14）。大约24亿年前，一种称为蓝细菌的生物体在早期的地球上进化，并开始进行光合作用。光合作用利用二氧化碳和来自太阳的能量来产生糖和氧气。蓝细菌是非常简单的生物体，但在改变地球早期大气层方面发挥了重要作用。它们进行光合作用以产生生长所需的物质。在这一过程中，它们向大气中释放氧气。
大气中的氧气对生命至关重要，主要有两个原因。首先，氧气构成了臭氧层。臭氧层位于大气层的上部，由O3分子（一种特殊的氧分子）组成。它阻挡来自太阳的有害辐射，防止其到达地球表面。如果没有臭氧层，来自太阳的强烈辐射将到达早期地球的表面，使生命几乎不可能存在。其次，大气中的氧气是动物（包括人类）呼吸所必需的。地球早期的大气中，没有动物能够呼吸。然而，在此期间，地球上可能存在几种类型的细菌。它们可能是厌氧的，这意味着它们不需要氧气来生存。
在早期地球历史上，非常简单的细胞在地球上存活了数十亿年。一些更复杂生物的最古老化石大约来自20亿年前，发现于澳大利亚。
除了生命和大气层的变化之外，自地球形成以来也发生了其他变化。早期地球上的火山爆发释放了大量的水蒸气到大气中。水蒸气缓慢凝结并以降雨的形式回到地球表面，形成了海洋。水开始在地球上循环，降雨和风暴等事件开始通过风化和侵蚀改变地球表面。在“地球淡水”章节中，您可以了解更多关于水在地球上如何循环的信息。
大陆的位置与现在大不相同。科学家们不确定地球最初形成后陆地究竟是什么样子。他们知道，大约18亿年前，北美和格陵兰形成了一个巨大的陆块，称为劳伦大陆。大约10亿年前，南极洲可能靠近赤道，尽管现在它位于地球的南极。如今，地球的大陆仍在缓慢地围绕着地球移动。
- 地球形成于40多亿年前，与我们太阳系中的其他行星同时形成。
- 早期地球没有臭氧层，可能非常炎热。早期地球也没有游离氧。
- 在没有氧气的大气环境下，早期地球上几乎没有生物能够生存。厌氧细菌可能是地球上最早的生命形式。
- 早期地球没有海洋，并且经常受到陨石和小行星的撞击。此外，火山爆发也很频繁。火山爆发释放出水蒸气，最终冷却形成海洋。
- 随着太阳辐射分解水分子以及蓝细菌开始光合作用，大气逐渐变得富含氧气。最终，大气变得像今天一样，富含氧气。
- 地球上最早的复杂生物大约在20亿年前出现。
- 描述地球不同层级的密度差异。地球上的物质何时按密度分层？
- 解释两个原因，说明为什么拥有富含氧气的大气对地球上的生命至关重要。
- 科学家认为，由于人类活动和空气污染，地球的臭氧层正在缩小。这可能对地球上的生命形式产生什么影响？
- 描述蓝细菌在改变早期地球大气中的作用。
- 列举三种地球形成之初与今天不同的方面。
- 假设地球在最初形成时温度要低得多。地球内部会与今天有什么不同？
- 大气
- 围绕地球的气体混合物，包含我们呼吸的空气。
- 凝结
- 冷却并从水蒸气转变为液态水。
- 密度
- 密度是指单位面积的质量。
- 分子
- 化学物质的最小单元。
- 辐射
- 太阳释放的能量。
- 物种
- 具有相似特征的一组生物。
- 水蒸气
- 气态的水。
- 地球上的生命是如何从简单的细菌发展到更复杂的生物体的？
- 鱼类、爬行动物和哺乳动物等复杂生物何时出现在地球上？
- 我们今天所知的地球主要特征何时开始形成？
问题：你认为地球是如何形成的？
What other planets do you think are in the universe?
what is your background knowledge on tis type of science?