当代的地球与环境科学 -...

书书书

第１章　绪　　论

———当代的地球与环境科学

地球科学（犈犪狉狋犺犛犮犻犲狀犮犲狊或犌犲狅狊犮犻犲狀犮犲狊）是指研究地球的所有系统学科，包

括海洋学、大气科学、地质学、地球物理学、地球化学、水文学、生态学和一部分日地

物理学。

作为地球科学的一部分，固体地球科学在理论与应用的意义上开拓了２０世

纪现代文明大厦的基石———资源和能源。另一方面，随着资源和能源的无节制

开发和利用，我们的环境正在受到人为的破坏。环境科学作为一门新兴的交叉

科学，正在承担起重新认识地球的重要使命。在这个过程中，一部分地质学家

正在负起新的责任，即应用新的思维、站在新的高度上去重新审视我们的任务。

地球科学的研究目标是了解整个地球系统的过去、现在及未来的行为。这种兴

趣已从生命演化的地表环境到地壳及其流体外圈（大气圈和水圈）之间的相互作

用，向空间扩展到月球和行星，向下扩展到地幔和地核，同时从人类的聚居区向

南北扩展到南极和北极。目的在于获得对全球的整体认识，并考察人类活动的

历史在南北极冰层和水体中留下的痕迹，以及两极对人类环境可能产生的影响。

我们面临的新的挑战是，要利用这种认识寻求更丰富的资源和能源，同时要维

护生物圈和人类继续繁荣下去的环境，目的是维护地球生态、经济、社会的可持

续发展。

如果说 “现在是了解过去的钥匙”打开了地球历史的宝库，那么“过去是了解

未来的钥匙”将使我们从恐龙的绝灭、冰期的严酷中感受到人类面临的挑战，将使

我们从洋底的俯冲与分裂、大陆的分离与碰撞、物质世界在地球内外圈的更迭中去

探寻人类未来的资源储备，将使我们从过去半个世纪的经济繁荣和环境恶化的速

率中去推算未来的气候变化和生态环境过程，以便督促我们倾注全部的才干和热

情去关心和建设我们的星球。

·１·

显然，地球科学将在人类、生态、社会、经济的可持续发展中发挥不可替代的

作用而成为２１世纪的热门科学。

１１　地球与环境科学的研究框架

天体起源、地球起源、生命起源和人类起源这四大起源问题都与地球科学密切相

关，直接的证据都存在于地球演化过程的物质记录中。地球科学研究得以存在和发

展有两个基本出发点：一个是满足人类对环境及人地关系的求知欲望———为了更好

地了解我们赖以生存的行星地球；另一个是地球与环境科学研究既可以保障也可以

改善人类的生存条件。地球科学与社会之间的联系是这样的紧密，任何资源与环境

法规、任何保护人类免受自然灾害的决策都离不开地球科学的理论咨询和指导。

为了满足人类的求知欲，我们要判断自然界是怎样成为今天这个样子的，现在的

地球及其周围的空间究竟是亘古不变的，还是一个屡经变化的舞台？当我们确定了

变的观点之后，要回答的问题实在太多：宇宙是怎样演化的？元素有起源吗？大陆

和海洋是怎样形成的？海洋的分布、地形的起伏是偶然的还是有其必然的原因？

另一方面，为了持续性，我们必须认识过去几千万年以来，几百万年乃至千年尺

度上地球环境变迁及其影响因素，以便区分自然因素和人为因素，尽可能地从源头上

抑制人类活动对自然的有害影响。同时，我们必须查明矿产资源、水资源、能源和土

地资源在全球的分布状态及其分布不均的原因，以便合理寻找和利用自然资源。

地球科学家们用两百年左右的时间建立了广义地质学的理论体系，这个体系使

我们可以从宏观的全球背景上去认识行星地球，可以使我们从分子和原子的尺度去

认识微观的物质存在与运动，以及它们在地球整体框架中所表达的物理化学体系。

广义地质学是以固体地球的物质组成、结构和演化为研究对象的科学。地质

学讨论的范围包括地表地貌特征和矿物、岩石，并且努力阐明现在正在进行的、历

史上曾经发生过的和将来要发生的地质作用及其对地球的改造的过程。

图１１显示了地质科学与其他科学学科的关系，反映了科学交叉发展的过程。

最近又有人提出了地球物质科学这样一门综合性边缘科学，它是在矿物学、岩石

学、矿物物理学、岩石力学、地球化学和地球物理学等学科的基础上发展起来的。

它正在把地球科学家联合起来，运用现代的物理学和化学的理论和实验技术，从物

·２·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

质的角度去研究地球，以便对重大的地球演化和动力学问题做出回答。科学正在

从越分越细的状况走向联合，形成逻辑上前后一致的系统。可以预言这些多学科

的综合研究成果，代表了一个富有活力的科学发展的新方向，将为新的革命性的地

质学新观念、新理论的问世奠定基础。显然，新一代的地球科学家应当是用物理学

和化学武装起来的、有系统地球科学知识的人才。

图１１　地质科学学科体系及其与其他科学学科的关系

在学科综合的同时，在现代地质学中，学科的分化在纵向深入研究和横向交叉

扩展中继续发展。其中，除传统的分支以外，还涌现出许多新的分支，如：环境地

质、深部地质、地热地质、前寒武纪地质、海洋地质、行星地质、遥感地质、地磁学、同

位素地质、农业地质、生物地球化学等等。

科学的发展越来越依靠技术的进步，新技术新方法的使用曾经导致地质科学

理论的萌芽和诞生。例如，布莱克特的无定向磁力仪的问世，形成了古地磁学；岩

·３·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

石剩余磁场的研究成果又为大陆漂移假说的复活提供了依据。可以毫不夸张地

说，板块构造这一地学革命性学说的形成，与其说是建立在魏格纳大陆漂移假说的

基础上，不如说是建立在古地磁技术、海洋和深部探测技术、同位素地质年代学方

法、大地测量技术和空间遥感技术等新技术新方法的基础上。否则，岩石圈动力学

只能停留在假说这个阶段上，而无法向前迈进一步，也无法得到推广和普及。

２０世纪８０年代以来，地学领域引进了一大批新的技术方法，它们对新世纪地

球科学的发展发挥了重大作用。其中最重要的有：加速器质谱仪（犃犕犛）、同步加

速器光源、全球卫星定位系统（犌犘犛）、陆地卫星、自动化多级质谱仪、可移动式地震

网、可移动式红外光谱仪、巨型计算机等。目前，相互配套和补充的四大地质科学

技术体系已经形成，它们是：观测和探测技术、测试与分析技术、模拟实验技术和

计算机与信息处理技术体系。这四大技术体系的形成和进一步完善，标志着地质

调查、实验、处理等研究的技术装备和手段已进入现代化阶段。地质科学作为一门

纯粹描述性科学的时代已经结束，地质科学正在逐步完善其从宏观向微观、从定性

到定量、从浅部向深部、从局部向系统化发展的过程。

地质科学作为一门比较成熟的科学，在学科划分、工作方法和研究目标上已形

成了明确的概念，但是，对于什么是环境科学，不同专业的学者却有很不相同的看

法，甚至对环境（犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋）也有不同的理解。实际上，从根本上来说，环境是

地球的一个部分，环境科学是地球科学的分支。

有的学者主张大环境的概念，即指包括人类在内的有生命的有机体赖以生存的

环境，认为凡是与人类生存环境有关的问题都属于环境科学研究的范围，比如沙漠

化、水土保持、自然资源保护等。另一部分学者则将环境问题作为一个重要的社会问

题提了出来，主要是因为，环境污染威胁着人类的健康，破坏影响着资源的可持续利

用，从而认为环境科学的任务是解决三废污染造成的环境质量下降的问题。

对环境和其研究任务的不同理解，导致“环境科学”在学科体系方面的不同认识：

一种观点认为，应该按理论与应用的关系分为理论环境学、应用环境学、综合环境学等；

另一种观点认为，可以从学科的角度划分成环境物理学、环境化学、环境地质学、环境地

球化学、环境生物学、环境医学、环境美学、环境工程学、环境管理学、环境经济学、环境

法学等；还有的认为，可按环境的性质划分为大气环境学、水体环境学、土壤环境学等。

从不同角度得出的环境科学的学科分类方案各有其优点，重要的是必须首先

明确环境科学的概念。目前，对环境科学的阐述大致有四种观点：认为环境科学

应局限于研究第二环境问题，即有人类参与的环境问题；认为环境科学是研究环境

中污染物质运动规律及其防治途径的科学；认为环境科学是研究由于人类活动所

造成的环境影响及其变化规律的科学；认为环境科学是研究人类与环境的相互关

·４·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

系，特别是人体健康与环境的相互关系的科学。在这里有必要回顾什么是科学的

概念，这同样是个有争议的问题。但是爱因斯坦关于科学的定义是言简意赅的。

他认为：“设法将我们杂乱无章的感觉经验加以整理，使之符合逻辑上一致的思想

系统，这就叫科学。”这个概念明确了科学与技术之间的界线。实际上，科学就是对

存在的认识，任何科学理论和定律都仅仅是在技术发展的某一个历史阶段，对特定

时间与空间的自然界的有限认识。

从这个科学概念出发，我们认为：环境科学的研究对象是与人类活动有关的自然

环境质量的变化，环境科学是探讨人类社会生态与自然生态的相互作用与平衡的科学。

环境科学涉及自然科学、工程技术和社会科学的许多方面，因此，可以说环境

科学是源于自然科学、技术科学与社会科学的各个领域，并向这些科学的各个领域

全方位开放的研究系统。图１２展示了环境科学与其他学科之间的关系。

从图１．２中可以看出：环境科学的学科划分与广义地质学的学科划分（图１１）

有相似之处。与地质学一样，环境科学在解决实际的环境问题中与工程技术相结合，逐

步形成了应用环境学的各个分支，如环境医学以及环境保护、环境治理、环境评价等。

图１２　环境科学及其他科学学科之间的关系

·５·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

１２　当代地球科学的研究领域

地质科学在板块构造学说与行星探测技术双重革命的推动下取得了飞跃进展

之后，地质学家已有能力研究和解决下列重大问题：较完整地阐明各大陆４２亿年

以来的演化历史，确定在当前工业开采的浅部层位以下主要矿产和能源的分布，研

制出对固体地球进行更深层次穿透和取样的新技术和新材料，利用地震层析成像

及其他新技术调查地幔和地核的深层结构，模拟板块运动的动力学过程，准确描述

并追溯保存在沉积物、树木年龄和永久性冰体中的全球环境演化过程的地质记录，

解释行星地球的化学和生物演化，弄清在地球深部的压力和温度条件下物质的物

理化学性质的变化等。为了满足社会发展对地质科学提出的越来越高的要求，必

须全面而深入地了解地球的资源与环境满足人类需求的“承载”能力，以及人类破

坏地球环境的程度。这种了解已成为当代地质科学领域中最具挑战性也最热门的

研究课题。

２０世纪９０年代初，原国家科委基础司、社会发展司、自然科学基金委地球科

学部、中科院资源环境局联合组织了地球科学发展战略研究，提出了中国地质科学

的发展战略及其目标是：“争取到下世纪中叶，中国地质科学总体上赶上世界先进

水平。”这个目标反映了当前我国的研究水平与国际研究水平上的巨大差距。当

然，这并不意味着我们不可以在某些研究领域方面达到国际水平。

半个世纪来，中国地球科学及各分支学科从小到大得到迅速发展，不仅可以依

靠自己的力量解决国家发展所面临的有关地球科学问题，为中华民族的独立自强

和快速发展提供了宝贵的科学与技术支持，而且取得了基于我国独特地域环境与

自然现象的一系列理论成就，为世界地球科学的发展做出了贡献。随着社会和经

济的发展、世界人口的增长，人类活动对地球系统变化的影响部分已超出自然营

力，越来越不能忽视。正是由于资源、环境、灾害问题日益威胁人类的生存与发展，

旨在认识生命支持系统的地球科学，无法回避这一严峻挑战。２１世纪将是人类明

智管理和维护地球的世纪。地球科学的整体研究进入了一个可能预测人类生存环

境变化的时代，它已经成为人类社会可持续发展战略的科学支柱。

基于国家发展的需求和地球科学研究的重大跨越的时代背景，国家自然科学

·６·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

基金委员会地球科学部，自１９９９年始分别组织了学科、学部专家咨询组，就地球科

学及其各分支学科发展的方向与前沿、“十五”期间优先资助领域开展了战略研究。

在战略研究过程中，将认识地球和增强地球科学的社会功能统一起来，以重大科学

问题为导向，强调多学科交叉渗透与融合；注重国家发展需求与科学前沿相结合，

发挥我国地域优势与特色；以地球系统的整体观念，深刻地理解地球系统各圈层形

成与变化过程，以及这些过程之间的相互作用和人类因素的影响，进而确定了如下

“十五”期间优先资助领域，在“十一五”中，这些领域进一步得到加强：

（１）全球变化及其区域响应

以东亚大陆及其邻近海洋若干全球变化的敏感区域为对象，以碳氮循环、水循

环和季风气候变化为核心，研究亚洲季风区海 陆 气相互作用及人类活动对区域

环境演化影响的机理，认识该区域环境对全球变化的响应的方式、途径、作用过程、

动力机制及未来变化趋势，从而为我国在水安全、食物安全、生态安全及国际公约

中的国家立场等方面提供科学依据。其核心科学问题包括：海洋环境的变异及其

对全球变化的响应；东亚季风环境的演化及其与全球变化的关系；海 陆 气相互

作用与水分循环和全球变化的关系；关键区域生态过程与生态安全及其对全球变

化的响应与反馈等。

（２）地球环境演化与生命过程

旨在探讨地球环境与生命过程之间相互关系的根本性科学问题，包括地史时

期和现代的地球环境对生命过程的影响、生命过程对环境的反馈以及两者的协同

关系。核心科学问题包括：重要生物类群的起源、演化与环境制约；地球环境事件

与生物多样性；地球表层环境生物地球化学过程及效应；极端环境中的生命特征与

适应机制。

（３）地球深部过程与大陆动力学

通过多学科手段研究中国大陆的地质、地球物理和地球化学特征，对比亚洲相

邻地区和世界其他大陆，了解中国大陆壳 幔系统的三维结构图像，揭示大陆物质

增生和消减的主要过程，建立东亚大陆中新生代演化的动力学模型，为资源勘查、

灾害减轻和环境保护提供新的预测与评价理论。核心科学问题为：陆 陆碰撞、洋

陆消减边界的深部结构与动力学；大陆岩石圈结构与组成的非均一性和动力学；中

新生代大陆变形过程及其动力学；大陆形成与演化的机制。

（４）陆地表层系统变化过程与机理

过去百年，我国的地表环境也发生了重大变化，年均气温上升了０５℃，出现

了１８个暖冬，动植物物候期提前，西部冰川全面退缩，东北地区和青藏高原冻土层

明显减薄，近海海面以０１—０２５犮犿／犪的速率上升。与此同时，我国经济快速发

·７·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

展，人口激增，我国的地表景观格局和天然水文过程受到了严重扰动，环境污染日

益严重。资源环境问题已经从社会经济发展的前提条件上升为制约国家安全的关

键因素。关键科学问题是：关键要素和界面变化过程及其相互作用机制；地球表

层系统结构和功能演化规律；全球变化情景下地理风险情景评估与区域资源可持

续利用模式。

（５）人类活动对环境变化的影响及其调控原理

随着经济和社会的快速发展，人口急剧增长，人类活动范围不断扩大。一方

面，大气污染、水体污染、土壤污染等由物质引起的污染和噪声污染、热污染、放射

性污染急剧增加；另一方面，地球环境问题正日益成为全球性问题，地球环境正以

前所未有的速度发生变化。人类必须直接面对严峻的环境问题的挑战。

我国自然环境先天脆弱，２０世纪８０年代以后，随着经济的高速发展，城市化

过程日益加快，人口激增及人类活动造成的区域环境问题日益严重，危及人类健

康。资源环境问题已经从社会经济发展的前提条件上升为制约国家安全的关键因

素。关键科学问题是：人类活动与地球环境的相互作用、相互反馈机制；区域性环

境污染的特征、机理、对生态系统和人类健康的影响与污染环境的修复；城市化和

重大工程建设对生态与环境的影响和后果；人类活动影响下的区域环境的变化特

点、规律及区域环境质量调控机制。

（６）海洋环境与生态环境

海洋环境是地球环境的重要组成部分，海洋环境也是全球生命支持系统的重

要组成部分，它同时在全球水循环、气候变化中起着重要的作用。海洋生态系统研

究是认识海洋生物资源变化规律的重要科学基础，研究海洋生态系统变化及其在

全球变化中的作用已成为当前的学科热点和前沿领域。我国海洋资源、环境与生

态系统研究中的关键科学问题是：海洋生态系统与生物资源的关键过程；海洋环

境变化对我国气候的影响和作用；海洋富营养化机制及控制途径；近海环境对我国

和东亚气候的影响和制约；海洋环境与生态系统、气候的相互作用；河口海岸带环

境变化对人类活动的响应机制；海洋资源可持续利用与海洋环境保护协调。此外，

极地环境变化与海 陆 气 冰相互作用，其中包括南极冰盖断面及无冰区生态环

境演变对气候变化的响应等已成为重要的研究方向。

（７）天气与气候系统变化过程与机制

天气与气候系统变化直接导致气象灾害的发生，诱发其他灾害。在各类自然

灾害中，气象灾害是发生频率最高、影响面最大、经济财产损失最大的灾害。在我

国，气象灾害占自然灾害的６８％。随着社会经济的快速发展，由此造成的经济和

生命财产损失正在进一步加大，严重地影响了我国经济和各项事业的发展。关键

·８·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

科学问题是：灾害性天气预报的精度进一步提高，预报时效的延伸，以及预报对象

的拓展；气候系统变化特征，月、季、年际、年代际尺度气候预测理论与预测试验；人

类活动 气候变化 社会经济发展的相互作用；天气、气候系统模式的发展；海量探

测数据的处理、分析和同化应用；云雾的物理和化学过程与人工影响天气等。

（８）日地空间环境与空间天气

日地空间环境是人类生存发展的重要活动场所，空间天气的灾变常造成卫星

失效、通讯中断、导航系统失灵、飞行物跟踪识别困难、核电站变压器、电网烧毁等

等，给人类活动带来巨大损失。日地空间领域关注的前沿是：太阳磁场的产生、结

构及其能量的转换和释放；探究电离层 热层 中层系统中的电动力学过程；探测

研究磁尾及其与磁层整体变化间的关系；研究空间等离子体基本问题，如磁重联、

粒子加速等；研究极区中层大气云与极区中层气象之间的联系，极区中层气候的长

期变化及其与全球变化的关系等等，它们都是日地环境和空间天气研究的重要内

容。关键科学问题是：认识日地空间环境；探索灾害性空间天气的发生机理、变化

规律；空间天气灾害预报以及空间天气灾害的影响。

（９）地球系统模式与模拟

地球系统探测、观测与信息处理的新原理、新方法和新技术等正在地球系统的

框架下为地球科学的发展进入整体研究的时代提供了特别重要的契机。

“十一五”科学和技术发展规划与纲要中提出了地球科学的前沿问题在于：地

球系统过程与资源、环境和灾害效应，主要研究方向：地球系统各圈层（大气圈、水

圈、生物圈、地壳、地幔、地核）的相互作用，地球深部钻探，地球系统中的物理、化

学、生物过程及其资源、环境与灾害效应，海陆相成藏理论，地基、海基、空基、天基

地球观测与探测系统及地球模拟系统。

国家的重大战略需求的基础研究包括：

（１）人类活动对地球系统的影响机制

重点研究资源勘探与开发过程的灾害风险预测，重点流域大规模人类活动的

生态影响、适应性和区域生态安全，重要生态系统能量物质循环规律与调控，生物

多样性保育模式，土地利用与土地覆被变化，流域、区域需水规律与生态平衡、环境

污染形成机理与控制原理，海洋资源可持续利用与海洋生态环境保护等。

（２）全球变化与区域响应

重点研究全球气候变化对中国的影响，大尺度水文循环对全球变化的响应以

及全球变化对区域水资源的影响，人类活动与季风系统的相互作用，海 陆 气相

互作用与亚洲季风系统变异及其预测，中国近海 陆地生态系统碳循环过程，青藏

高原和极地对全球变化的响应及其气候和环境效应，气候系统模式的建立及其模

·９·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

拟和预测，温室效应的机理，气溶胶形成、演变机制及对气候变化的影响及控制等。

把环境研究领域作为重点，目的在于：

改善生态与环境是事关社会经济可持续发展和人民生活质量提高的重大问

题。我国环境污染严重，生态系统退化加剧；污染物无害化处理能力低；与此同时，

全球环境问题已经成为国家社会关注的焦点，亟需提高我国参与全球环境变化合

作能力。在要求整体环境状况有所好转的前提下实现经济的持续快速增长，对环

境科技创新提出重大战略需求。

发展思路：引导和支撑循环经济发展。大力开发重污染行业清洁生产集成技

术，强化废弃物减量化、资源化利用与安全处置，加强发展循环经济的共性技术研

究。实施区域环境综合治理。开展流域水环境和区域大气环境污染的综合治理、

典型生态功能退化区综合整治的技术集成与示范，开发饮用水安全保障技术以及

生态和环境监测与预警技术，大幅度提高改善环境质量的科技支撑能力。促进环

保产业发展。重点研究适合我国国情的重大环保装备和仪器设备，加大国产环保

产品市场占有率，提高环保装备技术水平。积极参与国际环境合作。加强全球环

境公约履约对策与气候变化科学不确定性及其影响研究，开发全球环境变化监测

和温室气体减排技术，提升应对环境变化及履约能力。

优先主题：

（１）综合治污与废弃物循环利用

重点开发区域环境质量监测预警技术，突破城市群大气污染控制等关键技术，

开发非常规污染物控制技术，废弃物等资源化利用技术，重污染行业清洁生产集成

技术，建立发展循环经济的技术示范模式。

（２）生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建

重点开发岩溶地区、青藏高原、长江黄河中上游、黄土高原、荒漠及荒漠化地

区、农牧交错带和矿产开采区等典型生态脆弱区生态系统的动态监测技术，草原退

化与鼠害防治技术，退化生态系统恢复与重建技术，三峡工程、青藏铁路等重大工

程沿线和复杂矿区生态保护及恢复技术，建立不同生态系统功能恢复和持续改善

的技术支持模式，构建生态系统功能综合评估及技术评价体系。

（３）海洋生态与环境保护

重点开发海洋生态与环境监测技术和设备，加强海洋生态与环境保护技术研

究，发展近海海域生态与环境保护、修复以及海上突发事件应急处理技术，开发高

精度海洋动态环境数值预报技术。

（４）全球环境变化监测与对策

重点研究开发大尺度环境变化准确监测技术，主要行业二氧化碳、甲烷等温室

·０１·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

气体的排放控制与处置利用技术，生物固碳技术及固碳工程技术，以及开展气候变

化、生物多样性保护、臭氧层保护、持久性有机污染物控制等对策研究。

１３　地球科学发展的方向

地球科学正面临着新世纪的挑战，有关的研究和管理部门的专家对地球科学

的发展方向进行了战略性展望。他们认为，随着现代科学技术的发展及其在地球

科学中的广泛应用，科学认识的突破，信息收集、处理和检索、传播技术飞速发展，

地球科学的前沿正在延展。与此同时，多学科之间的多角度交叉，不仅在科学发现

方面令人耳目一新，而且正形成新的学科生长点。正确把握地球科学发展方向，可

以使我们立足于科学前沿，更深入地认识地球。

（１）全球化与系统化的地球科学

地球是一个相互关联的整体系统。大气、海洋、水文和岩浆等流体都是无国界

的。地质灾害、环境污染、温室效应、全球变暖、海平面变化等重大的问题把地球科

学家联结在一起，现在地球科学数据的全球共享已经成了大趋势。比如，现在我们

已经很容易通过网络了解全球有记载的地震发生地点的经纬度、发生时间、地震震

级等相关数据，它们是全球地震网络的集体贡献。此类大规模的合作为全球对比

研究，为深入认识地球系统各圈层之间的物质交换和动力学过程及其本质和机理

提供了可能。日前，各类观测、探测技术的网络已经建立起来，比如在大陆超深钻

探技术基础上形成的全球地质大断面计划，全球数字地震台网等一系列国家地球

科学合作研究计划，已形成了研究地球的立体研究网络。全球数据信息网络通过

科学网站的相互链接，实际上已经自然地形成了。这一切都表明地球科学已成为

一个全球化的学科。

地球科学的全球化趋势，加快了多学科、跨部门乃至国际科学交流与综合研究

的进程，形成了一系列国际性的研究计划，如世界气候研究计划（犠犆犚犘）、国际地

圈 生物圈计划（犐犌犅犘）、全球环境变化的人类因素计划（犎犇犘）、国际岩石圈计划

（犐犔犘）、深海钻探计划／大洋钻探计划（犇犛犇犘／犗犇犘）、全球海洋生态系统动力学研

究（犌犔犗犅犈犆）、世界气候计划（犠犆犘）、世界气候研究计划（犠犆犚犘）、世界大洋环流

实验计划（犠犗犆犈）等。这些国际研究计划通过多学科、多国分工联合研究，快速收

·１１·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

集、分析地球科学信息，开展全方位的交流与合作，这样才有可能取得对地球的整

体和可靠的认识。

经过地球科学家两百多年的努力，地球科学的理论框架已经确定了，学科的专

业化分工越来越细的格局已经形成。另一方面，学科从“拆零”到“重组”的趋势，即

多学科交叉的趋势非常明显，学科之间的大跨度交叉与相互渗透，标志着地球系统

科学正在形成。应当指出，地球系统科学不是学科之间简单的物理对接，而是相互

作用与反馈的全新的科学系统，由此我们可以用新科学思维，从新的科学角度把对

地球的认识提到一个崭新的高度，从而认识地球系统的整体行为，各圈层、各系统

间的相互作用及其时空演化。显然，地球的许多成因之谜应该在这一认识过程中

得到解决。比如地磁场的磁极倒转、厄尔尼诺的成因、全球变化历史过程的深层次

原因、生命演化过程的重大环境事件、地史中的造山运动、板块运动的动力学机制、

超大型矿床、大型油气田的分布规律与形成原因等等。所有这些问题都摆在地球

科学家面前，地球系统科学将在解决这些悬而未决的问题上走向成熟。

（２）自然界面过程成为重要研究目标是地球科学系统化的结果

地球可以区划出不同层次的圈层，如外地圈和内地圈，相互交叉的水、岩、土、

气和生物圈，另一方面，如固体地球可以分出地壳、地幔、地核三个圈层等等。从更

高的尺度上考虑，海陆界面、海气界面、水岩界面、河水 海水界面、板块边界、断层

等都是界面热力学和动力学过程发生的场所，从这个意义上来说，所有的界面都是

模糊的。比如“土壤圈”实际上是水、气、岩和生物圈相互作用的典型界面（圈）。对

自然界面过程的研究，离开了多学科的交叉是不可想象的。研究自然界的相互作

用，就是要从层圈本来的专门学科中跳出来，居高临下地审视相互作用的各个圈

层，从而获得清晰的图像。

举例来说，我们曾在南极阿德雷岛的一个淡水湖泊的泥芯中发现磷含量（以

犘２犗５计）高达５％—１５％，锶的含量更是高达６００—１８００狆狆犿（百万分之一），锶、

氟、磷、硒等９种元素的丰度在泥芯中高度相关，而犛狉／犅犪１则显示出典型的海相

沉积性质，这与已知的湖相沉积特征差别很大，这是尖锐的矛盾。但是当我们认识

到企鹅粪改变了湖相沉积的化学组成，所有的矛盾都消失了。企鹅的食物主要是

磷虾，磷虾的食物是海藻。磷虾、海藻中富含氟、锶、磷等，显然，企鹅通过生物链和

生物化学过程将海洋元素转移到企鹅粪中，进而进入湖泊沉积物中。而通过海鸟

这个介质实现了海洋和陆地之间、海洋生物和淡水湖泊沉积物之间大跨度的物质

转移。这是一个典型的界面作用实例（犛狌狀犲狋犪犾．，２０００）。由此可以看出，创新的

一个重要途径是学科的交叉，是科学思维方式的更新。

（３）地球科学的功能是在科学研究、学科建设的基础上拓宽社会服务和解决

·２１·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

科学问题

地球科学的基本任务是在满足人类对地球的求知欲的同时，开发和利用自然

资源。为了适应２１世纪社会经济环境发展与持续的需要，正在进入建立新的地球

科学知识体系的时期。固体地球科学正把其研究重点从勘探和开发资源转移到全

球规模和区域范围的环境和社会问题上：从“找矿型”拓宽到多功能“社会型”或

“环境型”。大气科学领域有很多世界性的科学计划，其核心目标是强调人类对气

候影响的监测、对策和发展全球和区域的气候服务网，突出了气候研究的社会服务

功能。

气象服务是一个特别为大众关注的科学问题。大气科学的学科进展导致了气

象服务，现在气象服务的社会需求成为大气科学学科发展的动力，这是地球科学功

能转变的明显实例。目前，为减轻自然灾害导致的巨大损失，开展了大型国际性研

究计划。一系列大型的科学问题只有在地球系统科学的整体框架内，高层次、高起

点，一步一步地解决具体的科学问题中才能得到解决。这个过程推动了学科的发

展和新学科的形成。

（４）认识关键区域和典型现象是地球科学的研究热点

地质学传统的基本理论实际上都是在深入研究关键地区的过程中形成的，如

美国人霍尔（犑．犎犪犾犾）正是在研究了阿巴拉契亚山脉的地层后提出了地槽学说。对

阿尔卑斯山脉的研究曾导致对推覆构造（大规模地质体的水平方向的运动）的认

识。新的科学学说显然也要在认识关键区域和典型现象的过程中形成。

近些年来，地球科学家越来越重视对关键区域和典型现象的研究，这些区域和

现象有的与人类的可持续发展密切相关，有的与地球的各类热力学和动力学过程

的本质相联系，因此受到科学家们的特别关注。这些典型区域包括南极地区、北极

地区、大洋中脊、地幔热柱、大陆架地区、大陆内部古板块的碰撞带、青藏高原、黄土

高原等。在关键地区发生的典型现象正在受到越来越多的关注，如黄土沉积、海平

面变化、大洋锰结核、温室效应、臭氧空洞、酸雨、厄尔尼诺、沙尘暴、古大陆碰撞所

形成的超高压变质带、超大型矿床和大型油气田的分布规律与形成原因、南极的冰

下湖等。南北极地区以及青藏高原的冰川和冰芯研究、湖泊沉积研究、大气研究可

以为揭示地球气候和大气成分演变历史、探索人类活动对两极的影响及其反馈提

供珍贵的科学信息。

总之，对关键地区和典型现象的深入研究，将为揭开地球的奥秘做出科学回

答，并推进学科发展和理论建树，同时为人类对资源和环境的需要做出贡献。

（５）微观地球科学在发展中

板块构造学说在２０世纪６０—７０年代获得了大发展，有人称之为地球科学的

·３１·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

革命。但是，在这之后的３０年中，固体地球科学没有大的发展。几乎是在同一时

期，分子生物学这一门从分子水平上研究生物学的科学渗入到生物学的每一个分

支，全面推动了生物学的发展，使生物学在２０世纪取得了巨大进展。固体地球科

学可以从生物学的进展中取得经验，在继续进行宏观研究的同时，进行微观领域的

深入研究，应用分子生物学、纳米科学、电子隧道显微镜、同步辐射加速器、质子加

速器等新技术、新方法发展微观地球科学，如分子古生物学、结构矿物学、纳米环境

地球化学等。

（６）地球科学数据库的建设及其公益性开放

地球科学数据、信息在２０世纪获得了惊人的积累，它们是认识地球的基础。

随着观测、探测和实验装置的大量使用，数据正在急剧膨胀，其中包括大量的重复

性的工作，这种重复是信息不通和信息封闭造成的。因此，系统地收集、分析、处

理、共享和有效地利用这些数据是地球科学发展的重要任务。数据库的建设应是

一项公益性的科学研究事业，数据的收集只有和信息共享相联系才会得到发展，而

全球科学数据库在不同层次、方向和规模上的建设，将对学科交叉、避免重复性的

工作和从整体上认识地球发挥重要作用。

（７）行星科学、月球地质学等随着新一轮的空间发展计划，包括我国的登月计

划将得到进一步的发展

１４　世界环境保护战略的转变与现代环境科学的研究方向

当前，对环境的关注已超越了国界、意识形态和社会的不同阶层，同时也打破

了学科的界线。如果说地质学家以其得天独厚的对自然的深刻领悟而为环境科学

的发展做出了贡献，那么天文学、物理学、化学、生物学甚至社会科学的研究者们都

从不同的角度用不同的方法开展了对环境科学的研究。作为一门系统科学和交叉

科学，环境科学的研究领域扩大了。

目前的形势是一系列的环境问题已超越了国界，并引发了争议。例如尼泊尔

的毁林与孟加拉的洪水泛滥之间的关系；日本氯氟化碳制品引起阿根廷皮肤癌发

病率增加问题；中国的燃煤中的犛犗２是否可能通过远距离传播造成日本酸雨的问

·４１·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

题等。发达国家在工业化时期以全球环境破坏为代价获得了发展，而在现代，它们

一方面向发展中国家转移了污染环境和劳动密集型产业从而转嫁环境危机，一方

面又要求用同样的环境标准限制发展中国家的经济活动。国与国之间、发达国家

与发展中国家之间的环境争端将形成新的热点问题，从而成为一个新的国际政治

问题，已经引起了越来越多的政治家和各国领导人的关注。

而在一个国家的内部，环境问题也已成为不同利益社会集团之间争论的焦点，

比如，巴西国内就发出了反对开矿的抗议；在我国，一些不能有效控制污染的企业

与附近居民之间的矛盾已相当尖锐。环境问题已成为一个严重影响社会安定的问

题，并逐步演化成威胁人类生存的问题，在这种情况下，２０世纪８０年代的环境保

护战略已不再适应新的形势了。

对环境问题重要性的认识有一个过程。第二次世界大战以后，环境问题愈演

愈烈，导致１９７２年在瑞典斯德哥尔摩召开了第一次联合国人类环境会议并发表了

《联合国人类环境宣言》，这个宣言揭开了在世界范围内讨论环境维护和改善的战

略问题的序幕。

１９８０年，联合国环境规划署（犝犖犈犘）提出了《世界自然资源保护大纲》，强调了

维护生态的目标，同时提出了把环境保护与社会、经济发展结合起来的方针，各国

开始制定本国的自然环境保护战略。在整个８０年代，尽管一些国家区域性、局部

性环境问题得到缓解和改善，但是由于发达国家对自然资源和能源的过度消耗以

及向发展中国家转移有害环境的落后生产技术，全球性环境仍在继续恶化，如温室

效应、臭氧层空洞、酸雨、沙漠化、物种加速灭绝等问题正在加剧。因此，作为解决

环境问题的新对策，联合国环境署等国际组织相互合作制定了名为“关心地球———

为了持续性”的９０年代的世界环境维护战略。这里所说的持续性包括生态持续、

经济持续、社会持续，并视这三方面为一个整体。这意味着，由单纯对自然环境的

保护转为将环境与社会、经济全面有机地结合起来，从而获得生态、经济、社会的持

续性。持续性的获得不是靠被动地“回归自然”，而是要求持续发展（犛狌狊狋犪犻狀犪犫犾犲

犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋），即不断改进一定自然资源的使用效率以此满足人们日益更新的需

求过程，同时要求持续利用（犛狌狊狋犪犻狀犪犫犾犲犝狊犲）即对可更新资源的使用速率保持在

其再生速率限度之内。这个新战略认为质的发展能长久维持，而量的增长则很有

限。尽管人类所能获得的自然资源数量有限，但其利用潜力可以通过科技作用而

长久增加。

为了获得持续性必须遵循以下原则：

（１）将人类对生物圈和冲击限制在生物圈的承载力以内，“承载力”是生物圈

向人类提供资源和净化废物的能力。

·５１·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

（２）维持地球生物资源，这就要求维护地球生命支持系统、维护物质的多样

性、保持可更新资源使用率在其再生速率极限之内。应将生态系统的退化降至最

小程度。

（３）不可更新资源的耗竭速率不应超过作为代用品的可更新资源的生产

速率。

（４）资源利用和环境保护两者的费用———效益———的公平负担和分配。现在

普遍存在的情况是：资源利用者获得效益，却没有承担在资源利用过程中应承担

的环境费用，而未破坏环境者却遭受环境质量下降的影响。

（５）鼓励发展增加资源使用效率的技术，鼓励对已有废物进行综合利用。

（６）要用新的经济政策来维护资源。商品成本概念要更新，除常规的成本以

外，还应包括“环境成本”———牺牲环境招致的治理费用，以及“消费成本”———对后

代丧失消费机会的补偿。

（７）采用有预见的、有远见的各行业协调的决策方式。包括发达国家在内的

现行环保政策需要改进，其症结主要在于不良的决策：往往只注重短期效果而忽

略了长期目标。

（８）促进与环境协调的文化意识，摒弃一切与持续性不相容的价值观、道

德观。

实施新战略将面临巨大困难，新战略的成功有赖于各国人士积极主动的参

与，需要创造力、想像力，需要吸收最新的科技成果，需要用理性去严密地计划和

组织，需要各种地区性组织发挥巨大的作用。从单纯对环境进行保护转向与社

会经济全面结合以获得生态、经济、社会持续发展为最终目标。有人认为这是继

农业革命、工业革命之后的第三次意义巨大、影响深远的革命，这种提法不是没

有道理的。

世界环境发展新战略是探讨环境科学研究方向的主要依据。从２０世纪８０年

代以来中国科学院环境科学的研究方向来看，主要侧重于基础研究，研究方向主要

包括以下几个方面：

（１）全球性对生态环境的影响

突出研究温室效应、酸雨和臭氧空洞三大环境问题，同时研究第四纪以来海平

面的变化、全球冰期与间冰期的对比、结合南极考察计划讨论现代南极冰缘随时间

的纬度变化。人类的活动对气候变化的影响正在成为普遍关心的重点课题。

（２）资源开发与环境保护之间的关系问题

其间关系到经济区产业带的合理布局、经济发展与持续性之间的平衡、能源结

构对环境的影响和能源结构的改造等方面。

·６１·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

（３）污染物迁移转化规律的研究

对这个方面的研究，特别重视污染物在自然界之间的聚集、分散及其转化规

律。这方面的综合性研究工作涉及中国科学院的１９个研究所和部门，研究领域包

括地球化学、土壤学、生态学、水文学和大气科学。

（４）建立了５０个野外观测台站，形成了遍布全国的生态网络系统

建立这些生态网络系统的目的在于长期系统地收集和积累科学资料，以作环

境对比研究。现在这些台站正在发挥越来越大的作用，并与国外不少研究计划和

组织建立了密切的联系。

国家及地方的环保部门及其研究机构则更偏重于环境评价、环境保护与管理

及污染的综合防治技术研究，尤其是三废治理和综合防治技术的研究。这方面的

研究工作在科学院和高等学校的有关专业和学科中正在得到加强。

２０世纪８０年代以来，我国在环境研究工作中已经取得了相当的成就，围绕２０

世纪９０年代世界环境发展新战略，根据《全球２１世纪议程》提出的全球可持续发

展的战略框架，我国已率先制定出《中国２１世纪议程》，将改善环境质量作为可持

续发展的一个基本目标写入了中国人口、环境和发展白皮书。议程考虑实施的优

先项目计划为：① 可持续发展的总体战略；② 社会可持续发展；③ 经济可持续发

展；④ 资源与环境的合理利用与保护。在农业方面，发展生态农业；在工业方面，

推行清洁生产。在促进自然界良好循环的前提下，充分发挥资源潜力，保持资源和

环境的整体协调，保证资源的开发、利用、再生、循环不受破坏，防止环境污染，达到

经济效益与生态效应同步发展。这是科技政策方面的一个重大转变。比如，发展

清洁煤技术，就是在这一时期逐渐被接受并成为中国能源技术政策的一个重点，同

时清洁生产技术也开始得到重视。今后，对清洁技术的开发、推广和清洁产业的研

究必将成为我国科技政策研究领域的重要课题。当今“绿色”产品日益扩大的市场

表明，把对环境的关注纳入到产品和工艺的技术创新全过程中去将是一个好的思

路。环保产业将成为我国下个世纪的重要支柱产业。

我国政府关于将《中国２１世纪议程》逐步纳入我国各级国民经济和社会发展

计划的决定，必将把我国国民经济和社会发展引向可持续发展的道路，必将进一步

全面推进中国参加环保领域的国际合作。

·７１·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第１章　绪　　论

第２章　地球的宇宙背景

２１　太阳系的基本事实

太阳是太阳系的中心，哥白尼在《天体运行论》（１５４３）这部不朽著作中用日心

说取代了地心说，把日、月和当时发现的五大行星纳入了太阳系。现在发现，太阳

系的成员远比哥白尼时代发现的要多得多。八大行星沿着各自的轨道绕日运行，

距太阳由近至远排列次序为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

除了八大行星外，截止到２００８年６月１８日，在绕日轨道上还发现了４１０７３７颗小

行星，３４２６颗彗星，它们构成了一个天体运动系统，即太阳系行星系。太阳系中还

存在着太阳辐射、宇宙线和星际物质等物质现象。以冥王星轨道为半径，太阳系直

径约为１１８亿千米，约合７９个天文单位（犃犝）（１犃犝＝１４９５９７８７０犽犿，为日地

距离）。

２．１．１　太阳

太阳是银河系中一颗中等恒星，也是太阳系中唯一的恒星。它的质量占太阳

系总质量的９９８６％，在太阳的核反应区内（中心核），氢在大于一千万度的高温下

发生热核聚变，成为犎犲，同时放出巨大的能量，反应方程式是：

４１１犎（１０７犓

→）４２犎犲＋２犲

＋＋２６．７犕犲犞

太阳内部结构见表２１。我们通常所说的太阳表面或日面是太阳光球

层的表面。光球层上的稀薄大气层便是色球层。太阳大气透明、稀薄，由均

匀物质组成，主要成分是 犎，犆犪等，日全食时呈玫瑰红色。犎犲便是首先在

色球层中发现的。太阳最外面的稀薄大气是日冕，其密度为１０－１２犵／犮犿３。

严格地说，日冕没有明确的边界，一般认为有好几个太阳半径。日冕由等离

·８１·

子体组成，运动温度１００—２００万度。日冕不是静力学平衡的，等离子体

克服重力向外膨胀，这种粒子流称为太阳风，并随密度减小而越吹越快。

太阳磁场冻结在太阳风中，构成行星际磁场，并给行星的磁场以很大的

影响。

太阳电磁辐射的强度是不等的，光球层表面不时出现暗斑块。这些暗斑块

直径在２０００—１０００００犽犿，叫做太阳黑子。它是光球上的旋涡，黑子本影温度

为４２００犓，具极强磁场，磁场强度由小黑子的１０００犌到大黑子的数万高斯（太

阳表面一般只有１—２犌），黑子面积越大，磁场强度越大。强磁场引起表面冷

却，故温度较低，黑子亮度只有光球的五分之一，黑子发育周期约为１１年（现在

研究表明其周期在变短）。黑子极盛时电磁辐射大大加强，引起地球磁场的剧

烈扰动和磁暴，对地球生态系统产生重大影响。黑子活动强烈时，其上空的色

球层中出现亮点，几秒钟内可扩大形成纤维云状物，直径达十多万千米，温度

达１５万—１００万度，这种现象便是色球爆发，常称为耀斑。色球爆发产生大

量辐射能，包括 犡射线、紫外线、可见光、红外线和射电辐射，可引起地球气候

变化。

表２１　太阳内部结构模式

分　层深度

（１０８犽犿）

温度

（１０６℃）

密度

（犵／犮犿３）

压力

（犪狋犿）特　　　征

光　球

对流区

辐射区

中心核

０ ０００６ ０ ０

０３ ０００８ ５×１０－８ １２×１０－３

１００ ０５ ００１ ８×１０－５

６００ １１９ ７３０ １３×１０９

６９６ １５５ １６００ ３３８×１０９

　以光热方式辐射

能量

　主要以对流方式

传递能量

　电磁辐射向外

输能

　热核聚变区

　　日珥是另一种极为壮观的气柱喷射现象，由几百万吨到几亿吨太阳物质组成

的日珥，从色球层腾空升起直达日冕中，日珥的喷射高度达几十万到几百万千米，

速度可达到几百千米／秒。图２１是美国“太阳天文台”１９９５年从空间拍摄到的日

珥喷射现象。太阳物质从７时零８分以５５０犽犿／狊的速度从右边喷出，８小时后便

前进１６００万千米进入空间。

太阳活动对人类生存环境的影响是极其深刻和重大的，太阳能是地球外

能的主体，它调节着大气的冷暖、水体的寒热，从而使地球成为一颗生动而又

·９１·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景

图２１　日珥喷射　

充满活力的星球。另一方面，地球上的大气环境、水

的三态循环、各种自然灾害以及地球历史中的冰期也

都与太阳活动紧密相关。因此，要深入研究地球的环

境变迁和气候的中长期变化，就不能不研究太阳的

活动。

２．１．２　八大行星

八大行星按其物理化学特征明显可分为两类：

类地行星（水星、金星、地球和火星）和类木行星（木

星、土星、天王星、海王星）。在另一些分类中，木星

和土星称为巨行星，而天王星、海王星称为远日

行星。

类地行星和类木行星的区别见表２２。

表２２　类地行星和类木行星比较

种　　类 体 积 密 度 卫 星 固体表面 主要元素 磁 场

类地行星 小 大 少 有 犉犲　犕犵　犛犻 弱

类木行星 大 小 多 无 犎　犎犲 强

　　类地行星的特点是离太阳近、质量小、体积小、密度大、表面温度高、卫星数量

少。类地行星中最大的是地球，最小的是水星。水星和金星没有卫星，地球有一个

卫星———月亮，火星有两个卫星———火卫一和火卫二。

类木行星则相反，离太阳远、质量大、体积大、密度小、表面温度低、卫星数量

多。木星是最大的类木行星，截止到２００８年初，已发现６３颗卫星；土星第二大，有

６０颗卫星；天王星有２７颗卫星；海王星有１３颗卫星。

两类行星的化学组成不同，但每一类的化学组成基本相同。

类地行星的组成主要是难熔的金属矿物（硅酸盐，钾、钙、铝、钛、镁的氧化物和

铁镍合金）。类地行星温度高，易挥发的元素及其氧化物含量较少。越接近太阳，

难熔金属含量越高，挥发性元素含量越低。

类木行星中各种元素的相对丰度和太阳大气基本相似，它们密度小、温度低、

含大量易挥发元素（水冰、氨冰、甲烷冰、氢、氦等）。大气成分中基本上是较轻的

元素。

行星的大气组成各不相同。行星的质量越小、温度越高则引力越小，气体的热

·０２·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

运动速度越大，大气越容易逃逸。比如水星就几乎没有大气，最近宇航发现只有极

微量的大气，表面气压小于２×１０－９犿犫犪狉，近乎“真空”。金星大气层较厚，主要成

分为犆犗２，犖２和犃狉，次要成分为犎２犛犗４，犎犆犾，犎犉，犆犗，犎２犗等。火星的大气较为

稀薄，大气的主要成分为犆犗２，次要成分为犖２，犗２和犃狉等。地球具有大气圈，而月

球上则没有任何大气。

木星和土星的大气层很厚密，形成了大面积云带，大气主要由犖犎３，犆犎４，犎２

所组成，其次还有犎犲，犎２犗，犆２犎６，犆２犎２，犘犎３等。因为温度低、压力大，氢都已液

化，在木星和土星表面构成了液态氢的海洋。木卫一的大气中有犎２和犎犲，整个木

卫一被钠云所包围，木卫六也有大气，由犆犎４和犎２所组成。天王星和海王星也是

由犆犎４和犎２组成大气，其次还有氨的冰晶尘埃。

航天飞行和比较行星学的研究为我们提供了更多的行星知识的细节，尤其是

类地行星的特点为我们深入研究地球和环境科学提供了参照系。

火星与地球最相似。２０世纪中叶，关于火星生命的假说和传闻不时引起新

闻轰动，引起人们的关注。水手９号和海盗号飞船对火星的近距离探测已揭开

了火星神秘的面纱，现在可以肯定地说，至少在火星的表面不存在传闻中高级

生命。

火星的半径为３３９５犽犿，为地球的５３２％；质量为６４２×１０２６犵，是地球的

１０７５％；平均密度为３９６犵／犮犿３，也比地球小。火星轨道是椭圆，长径为１５２３天

文单位，公转周期为６８６９８天（１９年），自转周期为２４小时３７分２２６秒。

火星十分干燥，其地表平均温度约为－２３℃，大气平均温度为－３３℃，昼夜温

差很大。正午赤道温度可达２０℃，子夜则变为－８０℃。两极的夏半年也只有

－７０℃，冬半年则在－１２０℃以下。

火星上的亮区呈微红色，称为火星的大陆和沙漠；暗区称为“海”和“湾”；两极

的白斑为极冠。极冠随冬季的来临而扩大，业已证明极冠不是水冰而是犆犗２凝成

的干冰。火星上的大陆几乎全部是沙漠，火星表面较平坦的区域覆盖着卵石和沙

尘，由于富含氧化铁而使火星表面呈现红色。火星上最为壮观的地貌是河床状地

形，有的长达上千千米，还有达几百千米的大峡谷。后者可能是火星的壳层断裂，

表明火星有构造运动；前者可能与巨大的洪水侵蚀有关。如果确实是这样，那么火

星上就存在过类似地球上的水循环。长期令人疑惑的是，火星上的水到哪里去了

呢？现在知道，在火星干燥的表面以下几十厘米深度就可能埋藏着大量以冰冻状

态存在的水。美国和俄罗斯的研究人员２００２年５月３０日在美国《科学》杂志的网

站上发布了他们的研究结果，对“奥德赛”火星探测器发回的数据进行的分析表明：

火星地下含冰层的深度，随纬度不同而有所差异，在南纬６０°地区，表面之下６０犮犿

·１２·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景

就是含冰层；在南纬７５°地区含冰层相对要浅，距地面仅３０犮犿。火星北半球也有

类似的含冰层。

火星表面还发现了许多环形山，数量比月球和水星少。火星上最大的环形山

叫奥林匹斯山，直径５００犽犿，中央主峰高达２５犽犿。环形山是陨星撞击和火山爆发

形成的。

火星的两颗卫星中较近的为火卫一，较远的为火卫二。火卫一直径１５犽犿，火

卫二为８犽犿，均是由硅酸盐岩石组成的。

随着海盗号飞船在火星上的着陆，火星地质的研究工作已经开展起来，火星

地质史的新发现将为我们提供更多的保护人类生存环境的理论咨询。

地球的另一个近邻是金星。它的密度、大小和质量都和地球相近。金星上也

有类似地球的大气循环，不同的是，金星大气的主要成分是犆犗２，占大气总质量的

９５％，这造成了金星上显著的温室效应，形成很高的表面温度。飞船测得的温度为

４８０℃，比不考虑温室效应的理论计算值要高得多。

金星表面地形较复杂，多高低不平的山地和断裂峡谷（长达１３００犽犿，宽

１２０犽犿，深１５犽犿），有隆起的环形火山口，并仍有活动的火山存在，这表明金星上

有很活跃的内动力活动。金星上也有广阔的平原和沙漠，由于灼热干燥，骤风来临

时，飞沙走石。金星表面的自然环境极其恶劣，在那里几乎没有任何生命存在的

可能。

水星的半径只有２１２５犽犿，比地球的三分之一略强；质量为３３３×１０２６犵，为地

球的十九分之一左右；水星的平均密度为５４６犵／犮犿３，略小于地球的平均密度。水

星无水也无大气活动，因此外动力的侵蚀作用微弱，导致水星表面多表现出内动力

活动的结果和陨石撞击的痕迹：保存完好的数以千计的环形山、高低悬殊的悬崖

和峡谷。

在地球科学和环境科学的研究中，我们必须进一步了解比较行星学的研究进

展。比如金星提供了研究温室效应的可供观测的模型；火星为我们展示了沙漠化

的最终结果。火星可能存在过的大河床的干枯表明流水不是不可以消失的。行星

的特征也可以启发我们研究地球的历史和变动，另一个重要启示是：“只有一个地

球”，这不仅是环境保护的一句名言和口号，也是一个事实。

２．１．３　太阳系中的小天体

（１）小行星

第一颗小行星———谷神星发现于１９世纪的第一个夜晚，即１８０１年的元旦之

夜。到２００８年６月１８日，已编号的达１８９００５颗。９９８％ 的小行星位于火星和

·２２·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

木星的轨道之间，它们的总质量只有２４×１０２１犵，约为地球总质量的万分之四，它

们的形状多半是很不规则的，直径最大的可达７６０犽犿。小行星均各有其确定的轨

道并都在自转着，偶尔还有相互碰撞的机会，使破碎的块体偏离原来的轨道。

光谱分析得知小行星具有含水矿物。小行星主要有两类：一种是硅质的，一

种是碳质的。

小行星中已测定出轨道常数、有正式编号的有１８９００５颗，在宇宙航行中所拍

照片上发现有５０多万颗。其公转轨道特性如下：

①９９８％的小行星位于火星轨道和木星轨道之间。

② 小行星的公转轨道偏心率平均为０２４，比行星的平均值大得多，最大的可

达０８３。

③ 小行星的轨道平面与黄道面之间的夹角平均为９５°，也比行星的要大，甚

至大于５２°。

（２）彗星

民间俗称扫帚星，周期彗星绕太阳公转的轨道偏心率很大，所以有时离太阳很

近，有时离太阳很远。当彗星远离太阳时，望远镜中看到的只是一个云雾状的小

斑，中间稍亮，边缘模糊。随着靠近太阳，亮度增大，可见中央有一个密集而明亮的

核，称为“彗核”，其周围的云雾状包层称为“彗发”。它们一起构成彗头，在接近太

阳的过程中，彗发越来越大，越来越亮。进入火星轨道以内时便产生“彗尾”，它是

由太阳风（太阳上吹出的等离子体）和太阳光压推动彗发里的气体分子、等离子体

和固体质量形成的，所以彗尾总是背离太阳的。

光谱分析得出彗星主要是由固体尘埃、中性气体和等离子体组成。彗核主要

是由冰冻的气体分子（犎２犗，犆犗，犆犗２，犖犎３，犆犎４）和固体尘埃所组成。

（３）流星和陨星

流星是闯进地球大气中的小天体与大气摩擦生热发光的现象，若它们未燃尽

落在地面上则称为陨星（陨石）。陨石是太阳系中星际物质或者是小行星与类地行

星碰撞后的碎块。陨石大致可分为三类：铁陨石、石陨石、石铁陨石。

铁陨石：一般含犉犲８０％以上，犖犻５％以上，密度为７５—８０犵／犮犿３。世界上

第三大铁陨石在我国新疆青河县，体积为３５犿３，重达３０狋。铁陨石占陨石总量的

６％左右。

石陨石：也称为陨石。１９７６年３月在吉林降落的陨石雨是历史上已知最大规

模的一次，属于石陨石。它主要由氧化硅、氧化镁和氧化铁组成的矿石，也含有少

量的犉犲和犖犻。石陨石占全部陨石的９２％，大部分陨石是一种地球上没有发现的

球粒状体组成的，称为球粒陨石。少数球粒陨石含碳高达２４％，称为碳质球粒陨

·３２·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景

石。值得注意的是球粒陨石的年龄和地球差不多，约为４５亿年。它的化学成分比

例与太阳的不挥发元素的成分比例十分一致，似乎代表着太阳系的原始组成，也就

是说，球粒陨石可能是太阳系形成初期被熔化而脱离太阳迅速冷凝形成的。球粒

陨石的密度一般约为２２—３８犵／犮犿３。

石铁陨石：也称陨铁石。在其化学成分中，铁镍和硅酸盐等矿物各占一半，这

类陨石只占２％，它的密度为５５—６０犵／犮犿３。

总的来说，各种不同的陨石，化学成分也有差异。已在一些陨石中找到了水，

在一些陨石中找到了钻石，在一些碳质球粒陨石中找到了多种有机物，其中包括几

十种氨基酸。

研究表明：陨星母体形成的时间为４０—４６亿年，陨星凝固时周围的温度在

４２０—５００犓之间。

陨石学的研究是天体化学的重要组成部分。陨石是地球上能够找到的分异最

小的天体标本，它能作为太阳星云初始物质的某些地球化学证据。比如根据陨石、

月球和地球的同位素研究，证明它们的初始物质是同源的。在某些球粒陨石中发

现了与地球上类似的有机体，陨石中有机组分的研究将对认识地球外及地球上生

命起源前期的化学演化过程、氨基酸的演化规律有重要意义。陨石对地球的撞击

事件在地史上频繁发生，并在地层中留下了记录。巨大的陨星撞击事件有可能干

预了地球上生命的演化，引发了生物界的突变。很多学者认为，在６５００万年前，

一颗直径约１０犽犿的陨石曾经撞击墨西哥尤卡坦半岛，那次爆炸所产生的能量相

当于广岛原子弹爆炸当量的１００亿倍，它导致了地球上三分之二的物种绝灭，其中

包括恐龙。

２．１．４　行星的距离分布规律

每一个行星轨道的半长径具有如下规律

犪狀＋１／犪狀 ＝犮≈１．７

它的意思是说，每个行星轨道的半长径与比它更靠近太阳的相邻行星的轨道

半长径之比为常数（相邻行星的轨道半长径之比为一个常数）。

反映这一距离规律性的另一个公式是

犪狀 ＝０．４＋０．３×２狀－１（犃犝）

狀为从水星开始的行星序次。这个公式称为提丢斯 波得定律，下面看看观测

值和利用这个公式所得的计算值之间的近似程度（表２３）。

·４２·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

表２３　提丢斯 波得定律与观测值的比较

行　　星 狀 观　测　值 计　算　值

水　星 １ ０３８７ ０４

金　星 ２ ０７２３ ０７

地　球 ３ １０００ １０

火　星 ４ １５２３ １６

（小行星） （５） ２７ ２８

木　星 ６ ５２０３ ５２

土　星 ７ ９５２ １０

（天王星） （８） １９２ １９６

（海王星） （９） ３０２ ３８８

　　注：（　）表示提丢斯 波得定律提出时尚未发现的行星。１７８１年，天王星发现，观测值与理论值符

合，导致了寻找狀＝５的行星。

上述的距离分布规律究竟是什么原因造成的，科学家正在探索之中，目前主要

有两种观点，但都难以让人满意。

２．１．５　行星公转轨道的特点

行星公转轨道基本上有三大特点，即：

① 同向。行星围绕太阳公转的方向和太阳的自转方向一致（自西向东旋转）。

② 近圆。行星绕太阳运行的轨道是椭圆，设椭圆的半长径为犪，半短径为犫，

犲为偏离正圆程度的偏心率，则

犲＝（犪２－犫２）１

／２

犪

行星的偏心率犲大部分都小于０１，只有水星略大，这表明行星运行轨道的近

圆性。

③ 共面。地球公转的轨道面称为黄道面，后来发现行星公转的轨道平面几乎

在同一个面上，与黄道面之间的夹角很小，也只有水星的交角偏大。总的来看，行

星公转轨道平面是共面的。

２．１．６　行星的自转方向

行星的扁球形状是自转造成的。行星的扁率犲＝（犪－犮）／犪。犪是赤道半径，

·５２·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景

犮是极半径。八大行星中有六个是正向自转的，也就是说，自转的方向和公转的方

向一样，均为逆时针转动。金星和天王星是例外，金星是反向自转的，在金星上太

阳是西升东落；天王星的自转轴和公转轴几乎垂直，也就是说，它不是站着转，而是

躺着自转的。在卫星中，已知的有七个卫星的自转周期（包括月亮）分别等于各自

绕行星转动的周期，这种自转称为同步自转，比如月亮总是一面朝向地球，另一面

背向地球。其原因大概是行星与卫星之间存在潮汐作用的结果。

２．１．７　太阳系的角动量分配异常

一物体作直线运动时，它具有动量，犈＝犿狏；做曲线运动的物体则具有角动

量，也叫动量矩。行星的公转轨道有近圆性，所以我们按下列公式来计算行星的轨

道角动量犆

犆＝犕狏狉 （１）

式中：犕 为行星质量，狏为行星公转的线速度，狉为轨道半径。因为狏＝ω狉，所以

（１）式可写成

犆＝犕ω狉２ （２）

ω为行星公转的角速度，这样求得的犆为行星的轨道角动量。

行星在自转时，同样也要产生自转角动量。行星内每一小块物质都在绕自转

轴做圆周运动，若把犿犻，犞犻，狉犻理解为每一小块的质量、线速度和离自转轴的距

离，那么行星的自转角动量

犆＝∑狀

犻＝１

犿犻狏犻狉犻 （３）

犆意味着行星所有小块物质的角动量和，也可写成

犆＝∑狀

犻＝１

犿犻ω狉２犻 （４）

因为ω相同，故

犆＝ω∑狀

犻＝１

犿犻狉２犻 （５）

在物理学中∑狀

犻＝１

犿犻狉２犻 称为转动惯量，用犐表示，则有

犆＝ω犐 （６）

·６２·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

角动量具有下列性质：假定一个天体系统在一定时间内基本上是封闭的，同

外界既没有物质交换，也没有相互作用，则这个系统内的总角动量保持不变，这称

为角动量守恒定律。

现在我们就来考察一下太阳系的角动量分配情况，只占太阳系总质量

０１３５％的行星和卫星，它们的角动量之和却占太阳系总角动量的９９４％；而质量

占９９８６５％的太阳，角动量却只占太阳系总角动量的０６％不到。这就是太阳系

的角动量分配异常。

如果行星是由太阳分出来的，有着同一起源，也就是说，原来处在一个星系系

统中，那么，毫无疑问，行星和太阳的角动量应该与质量关系一致，实际情况却很不

一致，原因是什么？任何关于太阳系起源的理论都必须说明这种角动量分配异常

的原因。对于太阳系起源理论来说，这也是一个难题。

２２　太阳系起源假说及其发展

关于太阳系的起源，众说纷纭。戴文赛总结的太阳系起源假说就有４０多种，

但没有一种假说能够圆满地解释已发现的太阳系的事实和规律。在众多的假说之

中，星云说无疑是最重要的。

２．２．１　康德 拉普拉斯天体演化说———星云说

早在１７世纪，牛顿就开始论述过天体的形成问题，他认为：假定宇宙空间中

存在着均匀分布的物质粒子，那么，凭借万有引力，即可形成一个一个的大团块，这

些巨大团块相互之间距离很大，于是就形成了太阳系和众恒星。但是，他断言，上

帝直接用他的手做出了这样的安排。

到了１８世纪，德国的古典哲学家康德（犐．犓犪狀狋，１７２４—１８０４）于１７５５年发表了

《自然通史和天体论》，他认为太阳系和所有恒星，是从一团弥漫的小微粒，通过万

有引力的作用而聚集起来形成的。星云中较大的质点吸引较小的质点，逐步形成

团块状结构，团块不断吸引其他微粒，又和别的团块相互碰撞。在碰撞过程中有的

结合起来，有的碰散开去，而最后是聚集成更大的团块结构，弥漫物质的中心部位，

集结为巨大的中心天体———太阳。由于斥力，外面的物质便斜着落向太阳，一部分

·７２·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景

落在太阳上使太阳自转起来，另一部分绕太阳做圆周运动，它们聚集在垂直于旋转

轴的平面上，形成一个扁平的星云，这个星云和中心天体朝同一方向转动，星云内

逐渐形成物质集结中心，在这些中心便形成了行星和卫星。因此，它们大致在同一

轨道平面上，同向绕太阳公转。卫星形成的过程，是在小规模地重复上述过程中产

生的。康德分析，由于太阳把较重的质点吸引在近旁，较轻的离太阳较远，从而形

成类地和类木行星的差别。由于近太阳，受到太阳巨大引力的限制，类地行星不会

太大，而远的行星，不但太阳引力较小，而且轨道附近的物质来源也宽，所以质量

也大。

现在看来，康德的假说只是进行了定性的描述，没有定量的分析，其中也包含

了不少错误。但是他突破了１８世纪宗教统治下的僵化的自然观，并在自己的假说

中排除了上帝的插手，而把太阳系的运动归因于自然力。他曾豪迈地宣称：你给

我物质，我就给你创造出一个宇宙。遗憾的是在他的晚年又认为，天体的运动体现

了上帝的意志。

图２２　太阳系起源的拉普拉斯假说

在康德之后，法国数学家拉普拉斯 （犘．犛．犱犲．犔犪狆犾犪犮犲，１７４９—１８２７）于１７９６年

发表了《宇宙体系论》，也提出了太阳系起源的星云假说（图２２），他认为，太阳系

是同一块星云聚合而成的，星云是气态的，而不是尘埃的。星云体积极大，温度很

高，并缓慢自转着，由于辐射而逐渐冷却下来，并开始收缩，由于角动量守恒，星云

收缩的转动速度加快，离心力增大。在离心力和星云中心引力的双重作用下，星云

变扁，最后成圆盘状。星云不断收缩，转动速度越来越大，当离心力等于引力时，星

云不再收缩，形成一个环绕中心的气体环，环的位置即现在行星轨道的位置。星云

收缩过程中，中心形成太阳；气体环中，通过碰撞和吸引，凝聚物由小变大，最后形

成行星。行星开始很热，后来才冷却收缩成固体物质。较大的行星在冷却过程中，

·８２·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

还会分离出小的气体环，后来集结成卫星系统。

拉普拉斯在哲学上胜过晚年的牛顿和康德，他认为他不再需要上帝这个假说。

康德和拉普拉斯的假说有两点是近似的：康德的弥漫微粒和拉普拉斯的星云

物质是相似的，都认为微粒是在运动着，运动是自然界永恒的生命。由于他们关于

太阳系形成的基本条件相似，且只考虑力学过程，所以后人把他们的学说称为康

德 拉普拉斯天体演化说。

但是，他们的学说也有区别。康德的微粒是宏观尺寸的，比拉普拉斯的星云物

质大得多；后者是准液态的高热物质。另一方面，康德认为太阳系的天体是各自由

星际物质积聚而成的；拉普拉斯认为，行星是由太阳本身分化出来的。

康德 拉普拉斯假说的困难之处在于：无法解释太阳系的角动量分配异常。

拉普拉斯也难以解释，行星环为何能凝聚成独立的行星。但是，星云说解释了太阳

系中行星的运动特性。

由于时代的局限，星云说存在不足之处；但是，正如恩格斯所说：康德的学说

是哥白尼以来天文学取得的最大进步。

２．２．２　灾变说和爆发说

灾变说最早是１７４５年法国动物学家布封（犌．犔．犔．犅狌犳犳狅狀）提出的，他认为曾

经有一个彗星掠碰到固态太阳，使太阳产生自转，同时溅出的部分炽热物质，绕太

阳转起来，逐渐凝固后形成行星，这些物质凝固前又分成更小碎块，后来成为卫星。

但是这一假说是建立在彗星足够大的基础上，事实上，彗星一般比地球小好几个数

量级。此后，新西兰的毕克顿（犃．犠．犅犻犮犽犲狉狋狅狀）于１８７８年提出两个恒星相碰，抛

射出物质形成行星；英国天文学家金斯（犑．犎．犑犲犪狀狊）于１９１６年提出一个更大的恒

星掠过太阳附近时产生的潮汐力拽出了一连串的物质，形成行星；英国地球物理学

家和天文学家捷弗里斯（犎．犑犲犳犳狉犲狔狊）在１９２９年提出，经过的恒星是正面碰到太

阳，当恒星离开时带出太阳物质的１／５００，形成行星。但由于银河系里面两个恒星

相遇的概率极小，而灾变说无法在１００多亿年中形成众多的行星系统；如果要从太

阳中带出物质，要求路过的恒星具有几倍于太阳的半径，这样又会导致行星轨道半

长径和角动量密度都很小；由于行星形成需要大量物质，它只能来自太阳表层以

下，而高达１００万度以上的高温物质会很快扩散，而不会像希望的成条分布。此

外，行星同位素丰度比与行星际物质接近，而与太阳不同，表明它们的物质来源不

是太阳。

早在１９世纪初，法国数学家拉格朗日就主张，彗星是由行星爆发时产生的，这

一观点得到苏联基辅天文台符谢斯比亚特斯基的赞同，符谢斯比亚特斯基还进一

·９２·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景

步认为不单是彗星，太阳系所有小天体及行星际物质，都是由行星和大的卫星爆发

出的物质形成的。但这些假说不能回答太阳系结构特征和轨道运动的特征。

２．２．３　新星云说

由于在解释太阳系角动量分配异常上所出现的困难，许多假说都相继失败了，

因此本世纪以来，人们纷纷寻找摆脱或解释分配异常的新假说。

施密特１９４６年提出了“俘获说”。这个假说认为，旋转着的太阳钻进了暗星

云，俘获了一部分气体物质，并使其围绕太阳旋转。在太阳的光压下，轻的气态物

质离太阳远，尘埃物质离太阳近，分别形成类木行星和类地行星。表面上看，这个

假说解释了太阳系的基本规律，尤其是似乎解释了太阳系角动量分配异常问题，因

为行星的角动量来源于暗星云。但是，人们不得不提出这样的问题：当星云的角

动量比太阳大得多时，太阳如何俘获星云；而当二者的角动量相差不多时，同样无

法解释角动量分配异常。

物理学研究的成果为太阳系起源假说提供了契机。研究表明，角动量可以通

过带电粒子在磁场中运动的方式来转移。它的机制是这样的：假设在一个封闭的

旋转体系中，如果该体系不存在磁场，那么该体系中粒子的角动量是守恒的，即它

的角动量大小与粒子距旋转轴的距离无关。但是当这个体系有强烈磁场，并且粒

子带电，情况就不同了。当带电粒子从中心抛出时必然受到磁场约束，不能越过磁

力线，而磁力线本身则随着体系在转动。这样，带电粒子一方面离开旋转中心和旋

转轴，转动半径增大了；另一方面，它的角速度却保持不变，显然它的角动量增大

了，为了保持整个体系的角动量保持不变，中心物质的角动量减少了，也就是说，体

系内总的角动量守恒，但体系内部，各部分物质的角动量可以相互转移。

本世纪以来，不少太阳系起源假说都是利用这种机制在康德 拉普拉斯星云说

的基础上提出来的。６０年代英国天文学家霍依尔 （犉．犎狅狔犾犲，１９１５─２００１）就是其

中的一个例子。霍氏的假说与拉普拉斯的不同处在于，它强调了太阳热核反应所

产生的电磁辐射，使太阳周围的气体圆盘发生电离，形成等离子体；然后再利用上

述机制使角动量转移。但是，星云的电离度很小，产生的等离子体不会太多，不足

以把太阳系的大量角动量转移给行星。

瑞典电磁理论家阿尔文（犎．犃犾犳狏狀）强调太阳系起源中的电磁作用。他认为

太阳是由一个星际电离气体云的一部分形成的，一形成就具有比行星际磁场强很

多的磁场。电离气体云的另一部分被星际磁场、它本身的磁场以及太阳的磁场维

持在距太阳０１光年的地方，这部分电离气体云开始温度很高，随着温度的冷却，

先后形成氦等中性原子，而后在落向太阳时形成星云，并最终形成行星系统。这一

·０３·

地球环境科学导论 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

理论较好的解释了行星形成、化学组成、土星光环等一些观测事实，但这一理论缺

点在于过于强调电磁作用，而没有充分考虑万有引力、离心作用、热运动、湍流等经

典理论。

法国天文学家沙兹曼（犈．犛犮犺犪狋狕犿犪狀）则强调了太阳抛射物质的作用。他认

为，太阳在引力收缩阶段抛射出大量的带电物质，这种现象在天文观测中已不再是

罕见的，而且它也避免了星云电离度不足的问题。抛射出来的带电物质在太阳磁

场的作用下，保持角速度不变，距离却增大了，结果，太阳的角动量通过带电粒子在

磁场中的运动转移到外围。在解决角动量分配异常这个问题上，沙兹曼机制是目

前比较合理的一种。

陨星由于直接来自外层空间，因此，有关研究为太阳系起源学说提供了新资

料。２０世纪５０年代，美国化学家尤雷在陨星中发现了钻石，据此认为在环绕太阳

的星云盘中，先由于引力不稳定性而形成了许多质量在１０２８犵左右的气体球，然后

转化为质量和月球差不多的中介天体，这一过程存在过高温高压环境。

但是，应当指出，太阳系的起源之谜远没有揭开，对太阳系起源和研究仍然停

留在假说的阶段，尚未上升成理论。太阳系起源理论的形成将有赖于天体物理学

的理论进展、积累更多的天文观测事实和观测技术、宇航技术的进步。同样重要的

是，也许我们不能脱离宇宙的演化、银河系的演化来孤立地讨论太阳系的演化问

题，正如很难脱离太阳系的演化来讨论地球的起源一样。

２３　宇 宙 模 式

２．３．１　宇宙概念哲学的宇宙和宇宙学的宇宙是两个不同的概念。我国战国时代鲁人尸佼称

“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，这里就包含了时间和空间无限性的宇宙概念。马

克思主义的宇宙观也明确了宇宙的时空无限性。早期的自然科学的宇宙模式源于

时空无限的宇宙概念。如牛顿静态宇宙模式就认为时间是均匀流逝的长河，空间

是欧几里德空间，在这样的空间中均匀分布着无限多个静止的天体。如果是这样，

就会出现光度佯谬，即夜空将无限亮；也将出现引力佯谬，即地球所受的引力将无

限大。要克服这两个矛盾，只有认为宇宙不是均匀的或宇宙不是静止的。

·１３·

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 第２章　地球的宇宙背景