最新中图版地理选修1《第三章 地球的演化》教案

最新中图版地理选修1《第三章地球的演化》教案章地球的演化相关素材中微子地球演化说是一种关于地球演化的科学假说。

1996 年,由青年学者张国文提出。

地球演化的能源一直是一个悬而未解的问题。

板块运动和我们所熟知的其他一些地球运动和现象,如地球磁场的形成和维持、钱德勒晃动以及地球自转的其他不均匀运动、地震和火山活动、地球内部的分层和热运动、地热流的释放等的能量来源都没有十分确切的答案。

然而,在地球的形成和一系列演化过程中,能量的产生、迁移、转化和消化起着决定性的作用。

可以说,找到了地球演化的能量来源就等于解决了地球科学的主要问题。

该学说认为,地球演化的能源来源于太阳中微子。

中微子（ neutr ino ）是奥地利物理学家泡利（ W.Pauli ）预言的一种不带电、静止质量极小或为零的中性小粒子（ 1930 ）。

H.Bethe 和 R.Peierls 经过估算得出中微子在原子核上浮获的截面约为 10 的负 43 次方厘米 / 核子（ 1934 ）。

柯温和莱因斯通过核反应堆发出的反中微子与质子碰撞证明了中微子的存在（ 1956 ）,实验探测到的中微子的反应截面与 H.Bethe 和 R.Peierls 的估算基本吻合。

据此,物理学家认为绝大多数中微子能够轻而易举地穿过地球以及其他任何行星和恒星。

太阳内部的热核反应在不断地产生大量中微子,向四周辐射。

标准理论预言,在由四个质子（ P ）转变成一个氦原子核的过程中要释放两个中微子。

据此可以推算,太阳中微子抵达地球表面时 , 每平方厘米每秒钟约为 660 亿个。

一年内到达地球的太阳中微子的能量为： 1790 万亿亿焦耳。

这个能量是地球每年以火山、地震和地表热流等形式消耗能量的 167 倍。

所以,只要有百分之零点几的中微子被地球吸收,就足以为地球的各种演化提供能量。

中微子地球演化说认为,太阳中微子进入地球后,将与地球物质发生一系列复杂作用,归纳起来可能有如下几种：1. 康普顿散射2. 中微子生电子效应3. 中微子韧致辐射4. 中微子对湮灭生成光子5. 中微子对湮灭生成电子对6. 电子俘获快中微子或者说高频率的中微子反应截面较小（不易与物质作用）,当中微子被减速,使其运动速度（或频率）慢到与原子核内的中微子相近时（此时中微子就变成了热中微子）,它便更容易参与反应（弱相互作用）因此,太阳中微子进入地球,经过一定物质散射、减速,频率变低或速度变慢的热中微子,便与地球物质反应,提供地球演化的能量。

中微子地球演化说不仅较好地解释了板块的运动、地磁的形成和磁极的漂移、地球内部圈层构造等一系列地球演化现象,而且还能够应用到其他行星和卫星,解释一些我们认为神秘的天体运动现象。

关于板块的动力机制：中微子地球演化说认为, 中微子的最大吸收处是外核,大量太阳中微子在此处被源源不断地吸收而释放能量,结果外核成为整个地球的能量源泉。

这个能量源泉也是大陆漂移的动力来源。

具体地讲：第一 , 少量来自太阳的中微子在岩石圈的上地幔（ upper mantle ）被吸收,释放一定的能量,使此处的物质熔融,形成一个具有流动性的软流层。

坚硬的岩石板块就“漂浮”在这个具有流动性的软流层上。

软流层的作用类似润滑剂,可以大大降低岩石板块和整个地幔之间的摩擦力。

这样,当有一个足够的横向（水平）力强加在岩石板块上时,岩石板块就能够相对地幔发生移动。

第二 , 大量太阳中微子在地球外核被吸收,释放出巨大的能量,结果地球内部物质达到极高温度而膨胀。

膨胀力撕裂地幔,高温熔融物质从裂缝向上流,在达到软流层时,变为水平方向流动,并呈放射状扩散开去。

扩散的流体在水平方向强加岩石板块一个巨大的粘拖力,拉动板块移动,从而使附着在岩石板块上的大陆发生漂移。

这一步与热地幔柱模式相类似。

在大洋中脊,地球内部热物质上涌,会填充到板块移动后所形成的裂缝间而形成新的洋壳。

新洋壳与老洋壳板块焊接在一起继续漂移,在原来裂缝处又产生新的裂缝,地球内部热物质又溢出再形成新的洋壳,新洋壳与老洋壳又一起漂移,于是又出现新的裂缝,如此反复,就形成了海底岩石年龄的条带状分布关于地球内部圈层构造：中微子地球演化说认为,地球内部的圈层结构与其大气圈层一样起源于外部粒子（或射线）的作用。

研究表明,地球大气的温度、组成和电离程度等随海拔高度而变化,呈现出明显的圈层结构。

如果按大气温度随高度的变化分,则可把大气层分为对流层、平流层、中间层和热层；如果按大气的组成状况分,则可把大气层分为均质层和非均质层（在均质层中还包含着一个臭氧层）；如果按大气的电离程度分,则可将大气层分为中性层和电离层。

大气的这种圈层结构是由于各种宇宙射线和不同频率的太阳辐射,分别在不同的高度与大气物质作用的结果。

例如高层大气物质吸收带电的粒子,形成电离层（ ionosph ere ）；在距地面 10-50 公里处,大气吸收紫外线,形成臭氧层（ ozone layer ）；在靠近地表的底层,大气吸收可见光和红外线,形成对流层（ troposphere ）等等。

当然,大气层的圈层构造并不是一成不变的,而是随着宇宙线和太阳光的强弱而发生起伏变化。

例如,经过整整一个白天太阳辐射的影响,电离层在黄昏时最强；在夜晚太阳辐射消失,一些离子便与电子复合而使电离层变弱,至黎明电离层最弱。

因此,如果没有宇宙射线和太阳辐射的维持 , 大气分子的热运动将导致大气层逐渐变成均匀体 , 大气的圈层结构就会完全消失。

同样地,如果没有外部输入的能量的维持 ,地球的内部圈层结构就不可能形成,并在漫长的地质年代保持相对稳定。

那么 , 是什么粒子或者宇宙射线能深入到地球内部并且供给地球能量呢 ? 这个粒子就是太阳中微来自太阳的快中微子进入地球后 , 就被地球物质散射、减速而消耗能量 , 慢慢地就变成频率或速度与原子核中的中微子相近的慢（热）中微子,最后被地球物质吸收,并释放能量由于太阳中微子的速度 ( 能量 ) 不同 , 而且各种能量的太阳中微子的分布也不均匀,即处于某种能量的中微子相对多一些,而处在另一种能量的中微子则要少一些,所以它们被减速、吸收的位置和形成的热效应也不一样 , 于是就形成了地球内部的圈层结构。

少量太阳中微子能量较低,经过岩石圈（ lithosphere ）减速就变成了慢（热）中微子,并与岩石圈以下的物质作用,释放一定能量,使少量物质熔融,形成软流层（ asthenosphere ）。

多数快中微子必须经过整个岩石圈和地幔才能被减速成慢（热）中微子,在地表以下 2900 — 5050 公里处被吸收,释放巨大能量,导致物质熔融,形成液态外核。

液态外核产生磁场,进一步加剧中微子的减速和吸收,释放更大的能量,这个能量又加剧了外核的熔融,这就是液态外核形成的根本原因。

５０５０公里以下,中微子不能到达,故那里物质保持固态。

中微子地球演化说的证据：中微子之所以能够被地球物质吸收,其原因就在于它入射地球后,被地球物质的原子和电子散射,消耗了能量。

对于一般天体而言,它们的原子和电子同样能散射中微子,消耗中微子的能量,因而中微子也应该能够被天体物质吸收。

当然,中微子被天体物质大幅度吸收必须满足一定的条件,那就是天体中必须有足够的原子和电子散射中微子,使中微子减速变成易于被物质吸收的慢中微子。

要保证有足够多的原子和电子,其一,天体的直径（或体积）必须满足一定的值；其二,天体的密度不能太小。

如果天体的直径太短,密度太小,那么当中微子穿过天体时,与中微子作用的原子和电子的数量就不够多,中微子的能量消耗就不足以使其变成易于被吸收的慢中微子。

这时,中微子就会畅通无阻地穿过天体而不被吸收。

如果天体的直径和密度达到一定值,使得与中微子发生作用（散射）的原子和电子足够多,那么中微子就可以被减速变成慢中微子,从而被天体物质吸收。

因此中微子被天体物质吸收的条件是,天体的直径和密度必须达到一定的值。

这里我们可以用天体的直径（ D ）与密度（ρ）的乘积（ D ρ）来表示,即天体能够大幅度吸收中微子的条件是：D ρ≥ K其中 K 为某一定值,也就是天体大幅度吸收中微子的临界值。

对于地球来说,我们已经知道,其大幅度吸收中微子的地方在地表下 2900 — 5050 km 的外核。

也就是说太阳中微子在地球内部的最小射程为 2900km ,即在地幔与外核的交界处,在地球内部的最大射程为 5050k m ,即在外核与内核交界处。

如果我们暂时不考虑天体的密度,那么, 如果某一天体的直径正好在 2900km —— 5050km 之间,那么可以预见,中微子从一侧进入天体,就会在天体另一侧的表面与物质发生作用,引起天体表面物质熔融,从而在该天体的表面留下痕迹。

考查太阳系各个天体,我们发现,水星、火星和月球等行星和卫星的直径正好处在这个范围。

而这些天体表面最显著的特点就是都存在大量的环形山。

这些环形山正是太阳中微子的杰作。

当太阳中微子从月球的一面进入月球,经过月球内部物质的散射、减速,到达另一面时,就会被月球表面物质吸收,并释放热量,致使月表物质熔融。

熔融物质向下渗透,引起表面物质坍陷,于是就形成了所谓的环形山构造。

由于太阳和月球的运动,中微子的辐射不可能在某一地点保持不变,当太阳和月球的位子发生变化厚后,原来发生熔融地方的中微子辐射就会减少,这时此处物质对中微子的吸收便逐渐终止,熔融的物质也开始凝固。

然而,经过一个周期后,太阳和月球又会回到原来的相对位置,于是太阳中微子又在此处被物质吸收放热,导致物质熔融,并再次引起表面物质坍陷,如此反复多次,就在月球表面形成了许多同心环结构。

这种同心环结构是火山喷发和撞击作用所无法形成的。

当然,环形山和月海的形成,决非一日之功,而是日积月累的结果,直到现在一些环形山也应海在形成之中。

环形山的形成过程是一个剧烈反应和大面积物质熔融的过程,在这个规模宏大的过程这中,必定会产生放电现象,发出各种可见光。

同时,物质的熔融必然会导致大量气体释放,形成雾气。

由于这种物质熔融和发光等现象是由太阳中微子所引起的,当太阳和月球的相对位置发生变化后,这一现象即告终止,所以,物质熔融和发光等现象都比较短暂。

这就是月球发光等短暂现象的来源。

不过,由于许多短暂现象十分微弱,人类不可能观察到,只有极少数发出明亮光芒的事件才为人们所觉察中微子地球演化说也许还有这样或那样的不足,但是与现存的所有地球科学理论相比,该理论是最经济、最简洁的,她只用了一个小小的中微子,就把地球和行星以及卫星上众多的错综复杂的看似毫不相干的现象联系起来作出了自恰地统一的解释。

仅此一点,该理论也有其存在的价值。

当然,也许还有其他未知的粒子为地球演化的提供了能量,我们目前还不知道,但是不论怎样,所有的粒子为地球提供能量的原理或机制则是基本相同的。