地球是如何形成的：从宇宙尘埃到熔融行星（冥古宙地球详解）

关键词：早期地球形成、吸积、冥古宙地球、行星分异

从新石器革命开始至今，人类历史大约经历了一万年二千年的时间。 在那时，我们的祖先开始从游猎生活转向定居，逐渐形成村落，并在此基础上发展出最早的城市和国家。 [2015] The Neolithic Revolution
(2015)
Encyclopædia Britannica
但早在人类出现之前很久，地球便已经开始了它自己的故事。当我们谈论地球的历史时，我们必须追溯到更久远的过去，那就是46亿年前 [Dalrymple, 2001] The age of the Earth in the twentieth century
Dalrymple, G. B. (2001)
Geological Society of London Special Publications
DOI: 10.1144/GSL.SP.2001.190.01.14 。

早期地球的形成：从尘埃到行星胚胎

太阳系诞生后不久，并不存在我们今天所熟知的巨大球形行星。取而代之的是一片巨大的、旋转的气体和尘埃盘，即原行星盘（protoplanetary disk）， 围绕着新生的太阳 [Williams et al., 2011] Protoplanetary disks and their evolution
Williams, J. P., Cieza, L. A. (2011)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev-astro-081710-102548 。 太阳系中充满了无数微小的尘埃颗粒，漂浮在原行星盘中。这些尘埃颗粒的直径仅有几微米。 这标志着行星形成过程的开始， 一个通过一系列碰撞、融合和引力相互作用，将分散的碎片转化为一个有序世界的过程。 我们的地球，就是从这些尘埃颗粒中诞生的。 在原行星盘中，微小的尘埃颗粒开始相互碰撞并粘合在一起。 随着时间的推移，这些碰撞形成了越来越大的聚合体，标志着行星形成的第一步。

让我们从地球的诞生说起。 事实上，地球的诞生与我们人类，或这颗星球上的任何其他生物， 都有着一些相似之处。 那就是，没有什么是凭空出现的。 一个新生婴儿始于一个受精卵，即一个来自母体的卵细胞和一个来自父体的精子。随后，生命在成长过程中不断从环境中吸收物质。 它所摄取的营养可以有多种形式，比如可以是在胚胎阶段的葡萄糖等小分子营养，或者是出生后吃的奶水、辅食等。 但最终，所有这些都被重塑，成为婴儿身体的一部分。 这是一个将已有之物重新排列的过程。

地球的形成正是以类似的方式进行的，即通过不断汇聚和重塑已有的物质。

起初，整个盘中并不存在任何单一的物体，只有无数微小的尘埃颗粒分布于其中。 在原行星盘中，这些尘埃颗粒通过碰撞和引力作用逐渐聚集，形成了越来越大的碎片。 每一个碎片都带有少量的岩石、金属和化学成分。这些碎片不断碰撞、融合，逐渐形成了更大的物体。 随着时间推移，这些物体逐渐增长到数千米大小，形成了微行星 [Blum et al., 2008] The growth mechanisms of macroscopic bodies in protoplanetary disks
Blum, J., Wurm, G. (2008)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev.astro.46.060407.145152 。 从几微米大的尘埃颗粒到数千米大的微行星，所有这些物体都在恒星引力的作用下围绕其运行。 这整个过程在一个旋转的系统中展开，所有物质都围绕中心恒星运动。

这些微行星遍布于太阳系各个区域，它们的数量可能达到数十亿甚至更多。 由于轨道相互交错，它们之间的碰撞极为频繁。每一次碰撞都可能使它们变得更大。 当某些微行星变得比周围物体稍大时，它们的引力也随之增强。这使它们更容易吸引周围的碎片和小天体。 在这种情况下，较大的物体会生长得更快，而较小的物体则逐渐被吞并。这一过程被称为“失控增长”（runaway growth）。 随着这种不均衡的增长持续进行，一部分天体逐渐成长为数百公里大小的行星胚胎 [Thomas K. Henning et al., 2014] The multifaceted planetesimal formation process
Thomas K. Henning et al. (2014)
Protostars and Planets VI. University of Arizona Press
DOI: 10.2458/azu_uapress_9780816531240-ch024 [Kokubo et al., 2000] Formation of protoplanets from planetesimals
Kokubo, E., Ida, S. (2000)
Bioastronomy 99
。 此时，它们的引力已经足够强，可以更高效地吸积周围的物质，加速自身的演化。

今天，在木星与火星之间的主小行星带中，我们仍然可以看到这些微行星的残留物。它们就是在太阳系的形成过程中，未能成功融合成行星的碎片。 如果没有木星的扰动，小行星带可能会形成一颗完整的行星。比如谷神星，灶神星等小行星，其实就是一颗颗未完成的行星胚胎。 这一不完整的形成过程揭示了一个重要事实：行星的形成并非必然，它对引力环境的条件高度敏感。 而地球曾经也是其中之一。只是地球没有停止于这个阶段，而是继续吸积，经历了更多碰撞和融合，不断的清理了它所在轨道上的其他碎片，最终成为它所在轨道上的唯一主宰。

从内部到表面的高温

吸积的过程并不只是简单的碰撞与融合。它同时还伴随着剧烈能量的释放。 当两颗微行星发生碰撞时，它们原本在轨道上运动所携带的动能，会在瞬间转化为热能。 这一过程可以用一个简单的物理关系来描述：

其中，$E_k$ 是动能，$m$ 是物体的质量，$v$ 是它的速度。动能取决于物体的质量和速度。 在早期太阳系中，这些天体的速度往往达到数千米每秒。 当它们相撞时，巨大的动能无法消失，只能转化为热，使局部温度迅速升高。 更重要的是，这些碰撞是连续发生的。 在那个时期，微行星数量众多，轨道交错，碰撞极为频繁。 当一次撞击产生的热量还未来得及散去时，下一次撞击已经发生。 热量不断累积，使整个行星的温度持续上升，最终达到数千开尔文，足以熔化岩石。 [Chambers, 2004] Planetary accretion in the inner Solar System
Chambers, J. E. (2004)
Earth and Planetary Science Letters
DOI: 10.1016/j.epsl.2004.04.031 。

除了碰撞之外，还有两个过程也在不断地给地球提供热量。 其中之一是放射性衰变。早期地球内部含有大量不稳定的放射性元素，例如铝-26和铁-60等。 它们来自于太阳系形成时的星际物质，这些元素在地球形成过程中被吸积进来。 这些元素会自然衰变，释放出高能粒子和热量。随着时间的推移，这些放射性元素逐渐衰变殆尽， 但在地球形成的早期阶段，它们是重要的热源之一。 这些短寿命同位素在行星形成最早期阶段提供了一种强烈但短暂的热量来源。

另一个同样重要但更为隐蔽的热源， 是重力本身。 随着地球逐渐增大，物质不断向中心沉降。在这个过程中，物体的引力势能不断减少，而这部分能量不会消失，而是转化为热。这一过程可以用如下关系表示：

其中，$E_g$ 是引力势能，$G$ 是万有引力常数，$M$ 是行星的质量，$R$ 是行星的半径。 当物质向内沉降时，$R$ 逐渐减小，$E_g$ 的绝对值增大，意味着更多的能量被释放出来，转化为热量。

这三种机制， 即碰撞、放射性衰变和重力势能的转化，三者共同作用，使得年轻的地球从内部到表面都处于高温状态。 在这样的环境下，地球的物质并不是以固态的形式存在，而是以熔融状态存在的。这为后续的分层过程提供了必要的条件。

行星分异：地球的分层

今日的地球已经是一个分层的行星。从地核到地幔再到地壳，每一层都有不同的组成和性质。 但在地球形成的早期阶段，这样的结构并不存在。 那时的地球更像是一个由各种物质混合而成的炽热球体，这些物质来自无数相互碰撞并融合的太空碎片。 这个混沌的球体并不是由单一元素构成，其中以铁、氧、硅、镁等元素为主 [Allègre et al., 1995] The chemical composition of the Earth
Allègre, C. J., Poirier, J.-P., Humler, E., Hofmann, A. W. (1995)
Earth and Planetary Science Letters
DOI: 10.1016/0012-821X(95)00123-T 。 这些元素的密度各不相同，这一点在后续演化中起到了决定性的作用。

当整个行星处于高温甚至熔融状态时，物质不再被固定在原地，而是可以缓慢流动。 在这样的条件下，重力开始对不同密度的物质产生分选作用。 密度较大的物质，如铁和镍，更“沉重”，因此在重力作用下逐渐向行星内部下沉； 而密度较低的物质，如富含硅和氧的化合物，则相对上浮。 这一过程并不是瞬间完成的，而是在流动的岩浆中持续发生。 在早期地球内部，这种分离甚至可能以一种极具画面感的方式进行： 液态金属以液滴的形式向下沉降，仿佛一场持续不断的“铁雨”，逐渐汇聚到行星中心。 随着时间推移，这些下沉的金属逐渐形成了地核，而较轻的物质则构成了地幔和地壳。

不过，这一过程并非一帆风顺。 在早期太阳系中，撞击仍然频繁发生。 每一次大的撞击都可能重新搅动已经开始分层的内部结构，使分层过程被打断，并重新开始。 直到撞击逐渐减少，地球才得以在较长时间内维持稳定的内部结构。 经过数十亿年的演化，最终形成了今天这样一个层次分明的行星。 这一过程被称为行星分异（planetary differentiation）。

分层的影响

分层并不仅仅是元素位置的改变，它还伴随着巨大的能量释放。 当较重的物质向地球中心下沉时，它们的引力势能不断降低，这部分能量被转化为热量，从而进一步加热行星内部。 这使得地球在经历了撞击加热之后，仍然能够维持高温状态。

在地核中，温度可以达到数千摄氏度。 在这样的条件下，铁保持熔融状态，形成一个由导电流体组成的核心。 在地球自转以及内部热对流的共同作用下，这些流动的导电物质开始产生电流，并进一步生成磁场。 最初，这个磁场可能较为微弱。但随着地球内部逐渐稳定，这一过程不断持续，最终形成了一个延伸到太空中的行星磁场，成为地球的重要保护层之一。

一个世界开始成形

从太空中几块漂移的碎片，到一个由岩石、金属、热量和运动构成的层状世界， 地球已经具备了它基本的形态。引力汇聚了它，撞击加热了它，分层从内部重塑了它。 那些曾经散落的碎片已经成为一颗拥有活跃内部和独特结构的年轻行星。 但这仍然只是开始。地球还未平静，还未固化，还不是我们今天所知的世界。