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问题的提出

每一层次天体都具有自己的运动、变化规律,并且各层次天体之间互相影响、互相制约。

任何天体都是在各级层次天体变动规律的互相影响、互相制约下演化发展的。

离开各层次天体之间的影响因素,就不可能真正了解一个天体变动的规律和原因。

从各级层次天体的影响因素来探讨地球,是在时间和空间上对地球演变认识的必然发展趋势;只有不断了解地球所处各级层次天体的影响因素,才能逐步完善对地球演变规律和原因的认识。

作者把地球本身之外各层次天体对地球的影响因素称为宇宙因素,从卫星、行星、太阳系、银河系等各级层次天体及其相互之间影响、制约的各种宇宙因素,结合地球自身因素来综合研究整个地球演变规律和原因的观点,称为宇宙地球观。

相应的学科,即从宇宙因素和地球自身因素来综合研究整个地球各圈层物质演变规律的学科,称为宇宙地球学。

只从地球本身因素来研究地球的观点,称为地心地球观;从太阳系或银河系范围内的宇宙因素来研究地球的观点,称为日心地球观或银河地球观。

长期以来,对地球变动尤其是地球历史中的各种变动,人们主要是从地球自身因素来探讨其原因,即地质学发展至今主要乃处于“地心地球观”阶段。

地心地球观使人们忽视了许多导致地球变动的极其重要的宇宙因素,这正是造成对地球演化历史认识片面性的主要根源。

迄今已观测到百亿光年的空间范围和数以亿计的星系,对卫星、行星、恒星、星系等层次天体的运动、变化规律和地球历史变动都有了一定的了解,这就有可能而且完全必要突破狭隘的“地心地球观”,从日心地球观、银河地球观乃至更广阔的宇宙地球观来探讨地球演变规律和原因。

本文试从地球演化与银河系的关系来探讨这一问题。

地球演变的银河年周期

银河系大约由1500亿颗恒星以及星际尘埃、气体等组成,可分为银盘、银核、银晕等几部分。

恒星主要分布在银盘,质量占银河系总质量90%。

银盘形状酷似铁饼,直径约25kpc,中心厚度约3.1kpc。

太阳位于距银河系中心8.5kpc,距银道面8pc处。

恒星在银河系中可能碰撞的时间是6.3 1021年,互相接近到使运动方向改变不小于90 的时间是1013—1014年,但银河系力场每108年就产生一次这样的改变,所以研究恒星的运动时完全可以忽略恒星之间互相接近或碰撞的影响。

恒星绕银河系中心运动的情形介于开普勒运动和刚体运动之间。

太阳系在银河系中的运动主要是绕银心旋转,同时还在银道面上下波动。

太阳绕银心运动情形近似于开普勒运动(图1),轨道为椭圆形,偏心率估计在0.07—0.1之间。

太阳绕银河系中心旋转一周的时间称为银河年(cosmicyear).Паренаго,Г.Г.(1954)计算出银河年是1.9亿年。

Bok,B.J.等(1981)认为银河年是2亿或2.4亿年。

据目前观测,太阳距银心8.5kpc,旋转速度是220km/秒,由此计算出银河年是2.37亿年左右。

因此银河年估计在2.2—2.5亿年之间。

图1银河系自转速度(据Inglis,S.J.1972)

地球演化过程中最显著的特征之一就是各种变动呈周期性出现。

大量事实已证明,地史中尤其是寒武纪以来,地球各圈层的各种主要变动,如气候变迁、海水运动、生物演化、地壳运动、岩浆活动、沉积演化、地球磁场极性变化、地球自转速度和自转轴倾角变化等等,都存在着银河年变动周期(图2)。

这充分说明地球演变与太阳绕银河系中心周期旋转所受到的银河系宇宙因素的影响有着内在成因联系。

文献研究了银河系的旋臂结构,并提出由于星系厚度效应导致了星系旋臂具有不同的宽度.本文利用这一理论解释了如下重要观测事实.

Sandage提出,旋臂宽度同星系质量呈现一定关系,他发现旋涡星系的每一次型的四个子型:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中,质量最大的Ⅰ星系,旋臂最窄最清晰;质量最小的Ⅳ星系,旋臂最宽最模糊**.简言之,对同一次型星系而言,质量大、旋臂窄,质量小、旋臂宽.

本文选取了六个星系,它们两个一组分属于Sa、Sb、Sc型,每组中有一个星系的质量大,另一个小.然后按照我们的理论,计算这些星系的旋臂宽度,得出的结果与Sandage提出的观测事实相一致.这说明考虑星系的厚度效应可能是解释Sandage观测事实的一条途径.

计算公式

为了求得星系旋臂图样,下面我们将列出计算公式.

根据密度波理论,三维旋涡星系的色散方程为

上述方程中的各量可由以下公式算出:

1.扰动引力势及其有关量

其中σ1为扰动面密度,将(3)一(5)式代入(1)式后,σ1就自然消去.

2.基态引力势及其有关量:基态引力势U0

采用Toomre“模型Ⅱ”:

将(7)、(8)式代入(6)式,可算得:

3.基态面密度:取作过厚度改正后的基态面密度公式

其中Ωc为中心旋转角速度,a为旋转参数,它们可由星系旋转速度曲线的极大速度值Umax和对应的rmax值来确定,其公式为

4.求K和v:Toomre“模型Ⅱ”的旋转曲线为

其中m为旋臂数,对一般双旋臂星系数m=2;Ωp为可调节参数.

5.径向速度弥散度Cr:

可由以下两方程联立解出:

其中α为星系半厚度的倒数,已定出.

将以上(2)一(19)各式或所求得的值代入(1)式,即可进行定量计算.

计算及结果

为了求得旋臂宽度,我们可先求出在星系对称面(Z=0)和盘面(Z=1/α)上各点(不同r处)的k值.再根据密度波理论,扰动量具有如下形式:

A(r)为缓变量,则对某一时刻而言的等Q线近似为:

当常数为2π时达到极大,即为旋臂所处位置.由此可算出在Z=0和Z=1/α两个面上的旋臂图样曲线,这两条曲线在对称面上的投影距离即是所求旋臂宽度.

我们选取了三个次型Sa、Sb、Sc的星系,在每一次型中选了两个星系:一个质量大,一个质量小.计算结果表明:对同一次型而言,质量大的星系旋臂窄,质量小的星系旋臂宽(见表1).从而比较满意地解释了Sandage的观测结果.

表1星系的质量和旋臂宽度

银河系宇宙因素的地球效应

目前所知,银河系中影响地球演变的宇宙因素主要有以下几方面:

1.银心引力据红外和射电观测,在银核中心数+AU2)范围内存在着一个约五千万个太阳质量的致密天体(可能是一黑洞),在距银心100pc范围内恒星密度高达每立方pc一百万颗,为太阳附近的一百万倍。

银河系中心物质集中、密度大,对外围恒星具有一定的向心吸引力。

大量恒星围绕银心旋转,就表明了强大的银心吸引力的存在。

太阳以椭圆轨道绕银心运动,受到的银心吸引力会发生周期变化,公转速度也会相应地变化。

这些变化就会引起地球及各行星变动。

同时,地球公转轨道面与太阳在银河系中的运动方向成一定夹角(现为61 ),太阳公转速度的变化也会引起黄道面与银道面夹角以及地球自转轴的变化。

图2寒武纪以来地球一些主要变动的银河年周期

A.全球温度变化(Frakes,1979),粗直线为冰期遗迹分布;

B.沉积物体积变化(Thomas,1981);

C.生物灭绝指数变化(Crain,1971);

D.生物种属灭绝曲线(P.J.怀利,1975);

E.海水覆盖陆地面积(Holmes,1978);

F.沉积建造演化,a.大陆沉积,b.陆屑沉积,c.灰岩,1.下陆屑建造,2.灰岩建造,3.上陆屑建造,4.磨拉石建造(叶连俊,1960);

G.大气中CO2含量变化(Сватов,1979);

H.宇宙射线暴露年龄峰值(Steiner,1967);

I.每百万年天数变化率;

J.地球自转速度变化;

K.地球旋转轴倾角变化;

L.太阳射线在北极区的入射角(J.K.L均据Орлова);

M.古地磁主要极性阶段(1.Willian;2.据Cox,1960);

N.地球自转速度变化(王仁,1972);

O.直径大于1km的陨击坑分布(Grieve等,1979);

P.构造活动定量指标(Максимов等,1977);

Q.火山岩堆积体积(Бардасаров,1981);

R.苏联东部同位素年龄频率统计。

图3地球、太阳系、银河系相对背景辐射的运动

Vg为银河系运动速度600km/秒,Vse为太阳和地球的净速度400km/秒;Vs为太阳绕银河系中心运动速度,Ve为地球绕太阳公转速度30km/秒。

2.万有引力常数G值一般认为

公式中G值是常数,数值为6.67 10-8cgs。

但一些学者认为G值是时间和空间的函数。

Steiner,J.认为G值随着太阳在银河系中的轨道位置而变化。

在远银心点时G值比近银心点大,远银心点时G值约为7.0 10-8cgs,近银心点约为6.67 10-8cgs。

G值变化会引起整个太阳系的变化。

3.空间物理场和物质分布银河系中心具有强大的红外辐射、射电辐射和X射线辐射。

太阳与银心距离变化,所接收到的辐射量就会发生变化;同时银心活动、其他恒星活动如超新星爆发也会产生很强的γ射线、X射线,银河系磁场和物质分布密度的变化等,都会影响地球空间环境状况、自身物质和太阳的活动。

4.旋臂旋涡星系都具有两条或两条以上的旋臂。

表1地球与银河系中四条旋臂交汇时间(亿年前)

银河系属Sb型旋涡星系,现已发现有四条旋臂(图4),其分布是英仙臂距银心12.3kpc,猎户臂10.4kpc,人马臂8.7kpc,在距银心4kpc处还有一条旋臂。

旋臂主要由星旋Ⅰ早型星以及星际气体、尘埃组成,其成因至今仍有争议。

林家翘提出的密度波理论认为,旋臂是由于引力的旋转分量产生的密度波造成的。

旋臂图样速度是均匀的,与银心距离成正比。

按银河系中四条旋臂分布比例可以算出地球与旋臂交汇的大约时间(表1)。

旋臂是螺旋扰动引力场的势阱位置,又是物质密集区。

地球通过旋臂时,扰动引力场产生的引潮效应可破坏地球的能量平衡,引起构造运动等;同时,空间物质对太阳辐射的吸引增强,太阳系内部运动状态和地球本身运动态势也会变化而影响地表气候。

图4银河系主旋臂 GC为银心,S为太阳(据Bok,1981)。

5.麦哲伦星云引力大麦哲伦星云位于银经280 、银纬-33 ,距太阳约52kpc,质量为银河系的1/13。

它与小麦哲伦星云一起构成银河系的卫星星系,绕银心旋转的周期约24.9亿年,轨道偏心率很大。

大麦哲伦星云的引潮力对银河系物质分布有明显影响(图5)。

它对太阳的引力估计不小于银心引力的百分之一,这种引力在一个方向上长期对太阳系发生作用,其影响是显著的。

图5银河系外部物质分布

地球自转轴南端几乎是指着大麦哲伦星云,看来与大麦哲伦星云引力作用有关。

太阳与银心-大麦哲伦星云连线交汇的周期估计是2.4—2.7亿年。

这样,由于大麦哲伦星云的引力作用,地球的自转轴倾角等就会发生变化。

表2银河系各种宇宙因素的直接地球效应

S为太阳,P为近银心点,等值线数值表示氢云在银道面上的高度(100pc)(据Williams,1975)。

上述因素对地球的影响效应见表2。

除此之外,还有其他银河系宇宙因素尚待探讨。