地球
是人类独一无二的家园
它究竟是怎样诞生的
又是如何发展成为今天的样子
始终是人类面临的终极科学问题之一
也是关乎人类生存发展与地球命运的哲学命题
当人们研究这一复杂的科学问题时
不能把地球作为一个孤立的个体来考虑
而必须把地球放到所处的宇宙环境之中
因为地球的诞生和其所处的太阳系的形成
是紧密联系的
波兰小城托伦的哥白尼青铜像
1543 年，哥白尼在提出了“日心地动说”，天体演化终于冲破了宗教的桎梏和迷信的樊笼，哲学家和自然科学家几乎同时开始了关于地球和太阳系起源的科学探讨。
一时间各种假说纷纷纭纭，有一些离奇荒诞只能作为幻想，另外一些假说则符合人类所了解到的太阳系的一些基本特征和事实，闪耀着科学思辨的光辉，成为了科学史的一部分。
太阳系的基本特征和事实主要有 ：
①太阳系八大行星公转的运行轨道都接近圆形 （近圆性） ，并且几乎位于同一轨道平面上 （共面性） ；
②几乎全部行星都以同一方向绕日运行，而且还各自以同一方向绕轴自转 （同向性） ，大部分卫星也是作同方向旋转，只有金星、天王星以及天王星和海王星的部分卫星呈反向旋转或呈大角度斜向旋转；
③ 各行星与太阳间的 距离 具有按 近似于几何级数递增 的规律；
④太阳占太阳系 总质量的99.86% ，可是角动量只占太阳系 角动量的1% ，而99% 的角动量分配在行星、卫星、彗星和小行星中。
康德和拉普拉斯的星云说模型
德国哲学家康德在1755 年出版了《自然通史与天体论》一书，提出了"康德星云说"。
法国天文学家兼数学家拉普拉斯在1796 年出版的《宇宙体系解说》中提出了“星云假说”。
这两种重要的“星云假说”都认为太阳系是由星云本身的物质自行演变而逐渐形成的，但是都没能解释太阳与行星之间的角动量分配问题。
1946 年，美国物理学家伽莫夫正式提出“宇宙大爆炸理论”，随后得到了各种科学例证不同程度的支持，成为现代宇宙学中最有影响的一种学说。
宇宙大爆炸理论模型
“宇宙大爆炸理论”的主要观点认为：宇宙源于一个致密炽热的奇点，于138 亿年前发生一次大爆炸后膨胀形成。在这个演化过程中，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度不断降低，星体彼此退却疏离。
20 世纪中叶以后，天体地质学得到了进一步发展，结合宇宙大爆炸理论，人们认识到，太阳系的天体在物质成分、结构构造及形成演化方面都具有高度相似性，应该具有共同的起源。
第一块被识别的月球陨石ALHA 81005
特别是太阳系内其它天体上的已知元素，在地球上都有存在，说明太阳系的物质组成具有统一性。
而根据地球、月球和陨石样品中所含放射性元素的同位素年龄测定，都得出了近似的行星年龄，说明太阳系内行星的形成时间也具有一致性。
太阳系主要行星示意图
于是，科学界开始重新认识“星云说”的合理成分，并进行修正。20 世纪60 年代，英国天文学家霍伊尔等人提出了“磁耦合假说”，较好的解释了质量与角动量分配的矛盾问题，成为目前比较合理的一种假说。
霍伊尔的磁耦合假说模型
在“磁耦合假说”中，太阳系形成的开始阶段和“星云说”有些相似：
太阳系开始时都是一团凝缩的星云，温度不高，转速也不快，当星云开始急剧收缩、转动加快，就变得不稳定，两极渐扁、赤道突出，物质最终由赤道位置向外抛出，形成一个物质圆盘，而圆盘的质量只有太阳的百分之一。
当中心体与圆盘脱离后，收缩形成太阳。圆盘内物质则相互凝聚成了行星。
星际空间存在着强磁场，太阳的热核反应发出电磁辐射，使周围的气体云盘成为等离子体在磁场内转动，当太阳与圆盘脱离时，磁致力矩而使太阳的角动量转移到圆盘上。由于角动量的转移，圆盘不断扩展，太阳则不断收缩。
太阳风与地球磁场示意图
太阳辐射作用产生的太阳风，把轻的物质推出很远聚集成类木行星，而较重的物质未能推走便在较近处聚集成为类地行星，地球便是其中之一。
在人类历史上，很多国家和地区的人们都对地球的年龄进行过猜测和推算，然而都缺乏科学依据。所以在大部分时间里，人类对地球年龄这一基本事实的认识都是凭空想象。直到20 世纪，地球化学同位素方法的应用发展，为这一问题提供了科学解答。
要直接测定地球的年龄是非常困难的，我们可以选择间接途径来确定地球年龄的范围。首先，地球上最古老的岩石不会早于地球的诞生，我们可以通过测定古老岩石的年龄来确定地球年龄的下限。
地球结构示意图
其中地壳平均厚度仅17km
（地球平均半径6371km）地球的各个大陆上都存在着一些古老而稳定的地块，这些地块上的岩石在地壳形成的初期就已经存在。
同位素测年法可以精确地测定这些岩石的年龄，其中加拿大的阿卡斯达片麻岩最为古老，岩石年龄超过40 亿年，这说明由分异作用形成的地壳最晚在距今40 亿年前就已经存在。
澳大利亚杰克山地区
在澳大利亚杰克山的沉积岩中，科学家发现了44 亿年前岩石残存下来的矿物——锆石，这种矿物在岩石中的含量极其微少，然而锆石的重要特征是即使在1000℃的高温下也不容易熔融，因此得以保存至今。
记录地球44亿年历史的锆石
（矿物生长形成的环带保留了44亿年的年龄信息）
44 亿这一年龄可以代表地壳形成时间的下限。另外，利用关于元素起源的理论可以给出地球年龄的上限。元素形成年代应当早于地球的形成时间。通过各种同位素丰度比较计算，地球的年龄的上限应该至少是50 亿年。
然而要比较精确测定地球的年龄，就必须找到跟地球同时形成的物质。根据星云假说，太阳系和其中的太阳、八大行星和小行星是几乎都是在同一时间形成的。所以，测定太阳系中小行星散落到地球上形成陨石的年龄，可以间接测算地球的年龄。
镍铁陨石（中国地质博物馆展品）1953 年，美国地球化学家克莱尔·彼得森利用同位素法，把铁陨石中的铅同位素比值作为初始值，把地球的平均铅同位素比值当作现今值，通过计算最早测定了地球的年龄为45.5±0.7 亿年。
后来科学家还对月球表面的岩石标本进行测定，得到月球的年龄在44 至46 亿年之间，而在太阳系内形成的陨石中已知最古老的固体碎片的年龄测定为45.67 亿年。地球形成年龄约为46 亿年，这个数字虽然是间接测定的，但是经过不同途径得到了广泛验证，逐渐成为了人类的科学共识。
地球早期环境想象图地球作为宇宙中迄今为止发现的唯一具有的空气、水和生命的星球。46 亿年前的这次“诞生”，只是奠定了地球的物质基础，而那份独一无二的“灵魂”，还需要此后漫长的岁月来孕育。
海底热液喷口处的赤铁矿管（细菌残余的化石）
可能有数十亿年历史地球形成之初，可能是一个表面炙热熔融的“岩浆海”。当岩浆海冷却，结晶密度较轻的矿物漂浮聚集在岩浆海的最表层，形成了最初的岩石圈。
岩石圈的经典露头
大气圈在这一时期可能已经存在，主要由氢、氦等元素组成的原始大气非常稀薄，大部分逃离了地球的引力或者结合在矿物的晶格中，所以这样的“大气圈”存在时间并不长。
如今活动剧烈的地球大气圈以现在地球水圈的水量与火山水汽生成速率推测，地球形成早期一定存在非常强烈的火山活动。火山活动等地球排气活动对大气圈的组分变化产生了重要影响。
火山活动的岩浆喷发
其中地幔和地壳里矿物晶体中丰富的结构水，在火山活动中以水分子形式大量析出，最终进入大气圈，并成为水圈的最初来源。
地中海与海边的石灰岩（沉积岩）海岸
水的形成对于地球而言至关重要，目前最古老的沉积岩年龄近40 亿年，说明当时地球上已有水的存在。在距今25 亿年前，海水的体积已颇具规模。水出现以后，才有大洋的形成、发展和演化。
河流，水圈的重要组成岩石圈、大气圈和水圈的形成与发展，使得地球表层动力系统逐渐完善。在太阳能的作用下，带来各种地质、气候和水文现象，也带来了地球的第二次“诞生”——生命。
记载表达传递生命遗传基因的
DNA双螺旋结构示意图生命最初的形成原因和年代，也一直是人类科学研究的终极问题之一。生命诞生的时间通常认为是液态水形成以后，但是目前还没有证据表明在超过40亿年前的液态水中已经有了生命。
海洋，生命的摇篮目前地球上生命存在的最早证据来自格陵兰地区。在格陵兰地区年龄超过38.5 亿年的沉积岩中，碳同位素碳13的含量出现了低异常。因为生物吸收碳元素是有选择性的，即优先吸收碳12而非碳13，这就使得与自然环境相比，生物体中的碳13的含量偏低，而碳12偏高。这说明早在38.5亿年前，地球上可能已经有了生命活动。
叠层石剖面
虽然这一点仍有争议，但是澳大利亚的叠层石化石是证据确凿的最古老的生命，其年龄约为35 亿年，因为此时生命的形态已经比较复杂，我们有理由相信在此之前生命的诞生和演化也已经经历了一个漫长的历程。
生物圈一隅生命的演化成为地质历史的重要坐标，记录并划分了此后地球演变的各个历史阶段，同时为地球源源不断的注入了生机和活力。从此以后，岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的渗透交织成为了地球表层最鲜明而重要的特征。
独一无二的地球地球的一次“诞生”具有宇宙中行星天体形成演化的共性特征，二次“诞生”就具有地球自身独特的过程和环境。这颗行星经历了储备物质和创造生命的两次“诞生”，才从宇宙不计其数的天体之中，脱颖而出，成为了我们独一无二的地球。
本文首发于《地球》2020年第4期，有删节修订
图片来源：作者提供、pixabay、图虫创意
,
