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作者:物理

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  在太阳系九大行星之一,按离太阳由近及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星——月球。地球大约有46亿年的历史。不管是地球的整体,还是它的大气、海洋、地壳或内部,从形成以来就始终处于不断变化和运动之中。

  地球自转一圈约为23时56分4秒,在地球赤道上的自转线米。地球绕太阳公转的轨道是椭圆的,与太阳的平均距离为 1亿4千9百57万3000公里,转一周需365.25天,公转平均速度为每秒29.79公里。黄道与赤道交角为23度27分,因为有这个角度,自转和公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替且长短不均、四季变化和五带(热带、南北温带和南北寒带)的区分。地球自转的速度是不均匀的,有长期变化、季节性变化和不规则变化。同时,由于日、月、行星的引力作用以及大气、海洋和地球内部物质的各种作用,使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都要产生一些变化。

  地球赤道半径为6,378,140米,极半径6357公里,赤道周长为40076公里。地球不是正球体,而是扁球体,或者说,更象个梨状的旋转体。人造地球卫星的观测结果表明,地球的赤道也是个椭圆,地球自转产生的惯性离心力使得球形的地球由两极向赤道逐渐膨胀,成为目前的略扁的旋转椭球体形状,极半径比赤道半径约短21公里。地球内部物质分布的不均匀性,进一步造成地球表面形状的不规则性。日、月对地球的引力作用使地球上的海洋、大气产生潮汐现象。

  地球的质量为5.976×1027克(或约6×1021吨),平均密度为每立方厘米5.52克。地球上任何质点都受到地球引力和惯性离心力的作用,二者的合力就是重力。重力随高度递增而减小,也随纬度而变化。有些地方还会出现重力异常现象,这反映出地球内部物质分布的不均匀性。地球因受到日、月引潮力的作用,它的重力加速度也有微小的周期变化。

  地球可以看作由一系列的同心层组成。地球内部,有核、幔、壳结构。地球外部,有水圈、大气圈,还有磁层,形成了围绕固态地球的外套。磁层和大气圈阻挡着来自空间的紫外线、 X射线、高能粒子和众多的流星对地面的直接轰击。

  地球表面积约5亿零960万平方公里,其中十分之七以上为蓝色的海洋所覆盖,湖泊、江河只占地球表面水域很少的部分。地球表面的液态水层,叫做水圈,从形成至今至少已有30亿年。地球的表层由各种岩石和土壤组成,地面崎岖不平,低洼部分被水淹没成为海洋、湖泊;高出水面的陆地则有平原、高山。地球固体表面总垂直起伏约为20公里,它是珠穆朗玛峰顶和马里亚纳海沟之间的高差,它超过大陆地壳平均厚度的一半。洋底像陆地一样不平坦,也不平静。洋底岩石年龄要比陆地年轻得多。陆地上大多数岩石的年龄小于二十几亿年。陆地上到处可以找到沉积岩,说明在远古时期这些地方可能是海洋。地表虽有少量的环形山,但难以找到类似月球、火星和水星那样多的环形山,这是因为地球表面受到外力(水和大气)和内力(地震和火山)的作用,不断风化、侵蚀和瓦解的结果。

  地球上部不仅有垂直运动,而且还有更大的水平运动,海洋和大陆的相对位置在地质时期也是变化着的。有科学家认为,地球早先存在两块古大陆——南半球的冈瓦纳古陆和北半球的劳亚古陆。后来由板块运动的巨大力量把原先的大陆块撕开,使各碎块分别逐渐漂移到今天的位置。科学家进而认为全球大地构造是洋底不断扩张的直接结果。

  地球最上层约几十公里厚的一圈是强度很大的岩石圈,其下几百公里厚的一层是软流层,强度较小,在长期的应力作用下这一层的物质具有可塑性。岩石圈漂浮在软流圈上。在地球内部能量(原始热量和发射性热)释放时,地内温度和密度的不均匀分布,引起地幔物质的对流运动。地幔对流物质沿着洋底的洋中脊的裂隙向两侧方向运动,不断形成新的洋底。此外,老的洋底不断向外扩张,当它们接近大陆边缘时,在地幔对流向下拖曳力的作用下,插入大陆地壳下面,致使岩石圈发生一系列的构造运动。这种对流作用可使整个洋底在三亿年左右更新一次。岩石圈被一些活动构造带所割裂,分成几个不连续的单元,称为大陆板块。如欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。海底的扩张导致大陆板块发生运动。板块的相互挤压造成了巨大的山系,自阿尔卑斯山经过土耳其和高加索,最后到喜马拉雅山的山系正是属于这种情况;也有的地方,两个板块的岩石同时下沉,造成洋底的深渊;此外,板块的运动还造成了火山和地震。

  对地球起源和演化问题进行系统的科学研究始于十八世纪中叶,至今已经提出多种学说。现在流行的看法是:地球作为一个行星,远在46亿年以前起源于原始太阳星云。它同其他行星一样,经历了吸积、碰撞这样一些共同的物理演化过程。地球胎形成伊始,温度较低,并无分层结构,只有由于陨石物质的轰击、放射性衰变致热和原始地球的重力收缩,才使地球温度逐渐增加。随着温度的升高,地球内部物质也就具有越来越大的可塑性,且有局部熔融现象。这时,在重力作用下物质分异开始,靠近表面的较重物质逐渐下沉,地球内部较轻的物质逐渐上升,一些重的元素(如液态的铁)沉到地球中心,形成一个密度较大的地核(地震波的观测表明,地球外核是液态的)。物质的对流伴随着大规模的化学分离,最后地球就逐渐形成现今的地壳、地幔和地核等层次。

  在地球演化早期,原始大气逃逸殆尽。伴随着物质的重新组合和分化,原先在地球内部的各种气体上升到地表成为第二代大气;后来,因绿色植物的光合作用,进一步发展成为现代大气。另一方面,地球内部温度升高,使内部结晶水汽化。随着地表温度逐渐下降,气态水经过凝结、降雨落到地面形成水圈。约在三、四十亿年前,地球上开始出现单细胞生命,然后逐步进化为各种各样的生物,直到人类这样的高级生物,构成了一个生物圈。

  在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围所形成的包层叫大气层。大气随着地球运动;日、月的引力也对它起着潮汐作用。大气层对地面的物理状况和生态环境有决定性的影响。地球大气的质量约占地球总质量的百万分之一。大气密度随高度的增加而下降,大气总质量的90%集中在离地表15公里高度以内, 99.9%在50公里高度以内。在2,000公里高度以上,大气极其稀薄,逐渐向行星际空间过渡,而无明显的上界。

  地球大气的密度、 温度、 压力、化学组成等都随高度变化。可以按照大气的温度分布、组成状况、电离程度这些不同参数,对地球大气进行分层。

  对流层:靠地表的底层大气,对流运动显著。其厚度因纬度、季节以及其他条件而异,在赤道区约16~18公里,中纬度区约10~12公里,两极区约7~8公里。一般来说,夏季厚而冬季薄。对流层与地表联系最密切,受地表状况影响最大,大气中的水汽大部集中于此层,形成云和降水等现象。对流层的上部称为“对流层顶”,厚约几百米到1~2公里。对流层的温度几乎随高度直线下降,到对流层顶时约为零下50摄氏度。

  平流层:(又称同温层)由对流层顶到离地表50公里高度的一层,大气主要是平流运动。层内温度随高度增加而略微上升,到约50公里高度处,达到极大值(约零下10~零上20摄氏度)。

  中间层:(又称散逸层) 高度在离地表50~85公里的一层,温度随高度增加而下降,到离地表高度85公里的中间层顶,温度接近最小值,约为零下摄氏度。

  热层:中间层以上的一层,温度随高度增加而上升,在离地表500公里处,即热层顶,达到1100摄氏度左右。这一层的温度因为大气大量吸收太阳紫外辐射而升高。热层顶以上为外大气层。这里的大气已极稀薄。

  按大气的组成状况可以分为两层:离地表约100公里以下是均质层(大气由各种气体混合组成);以上是非均质层。在均质层中离地表10~50公里处,太阳紫外辐射的光化作用产生臭氧,形成臭氧层,这一层的高度大抵与上述平流层相当。在离地表20~30公里处,臭氧浓度最大,不过这部分大气中的臭氧含量仍然不到这一层大气的十万分之一,各种气体依然视为均匀混合的。臭氧层吸收掉危害生命的太阳紫外辐射,使之不能到达地表。

  按大气的电离程度可以分为两层:从地表到离地表80公里这一层,大气中的分子和原子都处于中性状态,称为中性层。离地表80~1000公里这一层,大气中的原子在太阳辐射(主要是紫外辐射)作用下电离,成为大量正离子和电子,构成电离层。电离分为4层,这些层的高度和电离情况都随一天中的不同时刻、一年中的不同季节和太阳活动程度而发生变化。许多有趣的天文现象,如极光、流星等都发生在电离层中。电离层还能反射无线电短波,从而使地面上可以实现短波无线电通讯。

  近地表大气中78%为氮,21%为氧,其他还有二氧化碳、氩等多种气体成分以及水汽。水汽是大气中最不稳定的组成部分。在夏季湿热处,水汽在大气中的含量可以达到4%;而在冬季干寒处,它的含量可下降到0.01%。除水汽外,离地表 3公里内还有尘埃、花粉、火山灰及流星尘等微粒。地球形成初期的原始大气已不存在,它已全部或大部散逸到空间。后来,由于放射性元素的衰变和所谓“引力致热”,地球处于一种熔化阶段,从而加速了气体从地球内部逸出的过程。地球的引力使这些逸出的大气渐渐积蓄在地球的周围。这种第二代地球大气缺少氧,主要由二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨组成,称为还原大气。后来,主要是绿色植物的光合作用,其次是来自太阳的辐射使水分解为游离氧,从而使还原大气变为以氮和氧为主的氧化大气。有的科学家通过分析赤铁矿中的沉积物,推断出氧存在的时间至少在25亿年以上。从那时起,大气中便含有丰富的游离氧了。

  地球是一个非均质体,内部具有分层结构,各层物质的成分、密度、温度各不相同。人们主要通过对地震波来研究地球内部结构。地震波的传播速度与地球内部物质的密度和性质密切相关。在不同性质和状态的介质中,地震波传播速度有显著变化。依据地球内部不同部分的地震波传播速度的资料,可以分析地球内部的结构。分析表明,地球内部存在两个间断面,这两个间断面把地球内部分成三个主要的同心层:地壳、地幔和地核。

  地壳又称A层,它的厚度是不均匀的,大陆地壳平均厚度约30多公里(中国青藏高原的地壳厚度可达65公里多),而海洋地壳仅5~8公里。密度为地球平均密度的1/2。大陆地壳上层的成分约在花岗闪长岩和闪长岩之间,下层岩石可能是麻粒岩和闪岩。海洋地壳是橄榄岩。据目前所知,地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年。这意味着现在地球壳层的岩石不是地球的原始壳层,是以后由地球内部的物质通过火山活动与造山运动而形成的。

  地幔的物质密度由近地壳处的每立方厘米3.3克增至近地核处的每立方厘米5.6克,地震波传播的速度也随之增大。地幔分为三层。B、C两层称为上地幔。再往下到2,900公里处称为D层,即下地幔。地幔物质的主要成分可能是同橄榄岩相似的超基性岩。

  地核也分为三层。E层是外地核,可能是液体。 F层是外地核和内地核之间的过渡层。G层是内地核,可能是固体的。地核虽只占地球体积的16.2%,但由于它的密度相当高(地核中心物质密度达到每立方厘米13克,压力可能超过370万大气压),根据有些学者计算,它的质量超过地球总质量的31%。地核主要由铁和镍等金属物质构成。

  地球内部的温度随深度而上升。根据地震波传播情况得知:地幔是固体状态的,100公里深处的温度已达1300摄氏度,300公里深处的温度是2000摄氏度。据最近估计,地核边缘的温度约4000摄氏度,地心的温度为5500~6000摄氏度。由于地球表层是热的不良导体,来自太阳的巨大热量只有极少一部分能穿透到地下极浅处。因此,地球内部的热能可能主要来源于地球本身,即产生于天然放射性元素的衰变。

  地球的重力加速度也随深度而变化。一般认为,从地表到地下2900公里深处,重力大致随深度而增加,在2900公里处重力达到最高值,从这里再到地心,重力急剧减小,到地心为0。

  地球不停地绕自转轴自西向东自转,各种天体东升西落的现象就是地球自转的反映。地球自转是最早用来作为计量时间的基准(见时间及其计量),这就形成了通常所用的时间单位——日。二十世纪以来,天文学的一项重要发现,是确认地球自转速度是不均匀的,从而动摇了以地球自转作为计量时间的传统观念,出现了历书时和原子时。到目前为止,人们发现地球自转速度有三种变化:长期减慢、不规则变化和周期变化。

  地球自转的长期减慢,使日长在一个世纪内大约增长1~2毫秒,使以地球自转周期为基准所计量的时间,二千年来累计慢了两个多小时。地球自转的长期减慢,可以通过对月球、太阳和行星的观测资料以及古代日月食资料的分析加以确认。通过对古珊瑚化石生长线的研究,可以知道地质时期地球自转的情况。例如,人们发现在泥盆纪中期,即3亿7千万年以前,每年约有400天左右,这与天文论证的地球自转长期减慢的量级是一致的。引起地球自转的长期减慢的主要原因,可能是潮汐摩擦。潮汐摩擦引起地球自转角动量减少,同时使月球离地球越来越远,进而使月球绕地球公转的周期变长。这种潮汐摩擦作用主要发生在浅海地区。另外,地球半径的胀缩,地核增生,地核与地幔之间的耦合也可能会引起地球自转的长期变化。

  地球自转速度除长期减慢外,还存在着时快时慢的不规则变化。这种不规则变化同样可以在月球、太阳和行星的观测资料以及天文测时的资料中得到证实。根据变化的情况,大致可以分为三种:几十年或更长的一段时间内的相对变化;几年到十年的时间内的相对变化;几星期到几个月的时间内的相对变化。前两种变化相对来说比较平稳,而最后一种变化是相当剧烈的。产生这些不规则变化的机制,目前尚无定论。比较平稳的变化可能是由于地幔与地核之间的角动量交换或海平面和冰川的变化引起的;而比较剧烈的变化可能是由于风的作用引起的。

  地球自转速度季节性的周期变化是在二十世纪三十年代发现的。除春天变慢和秋天变快的周年变化外,还有半年周期的变化。这些变化的振幅和位相,相对来说,比较稳定。相应的物理机制也研究得比较成熟,看法比较一致。周年变化的振幅约为20~25毫秒,主要是由风的季节性变化引起的。半年变化的振幅约为 9毫秒,主要是由太阳潮汐引起的。由于天文测时精度的不断提高,在六十年代末,从观测资料中求得了地球自转速度的一些微小的短周期变化,其周期主要是一个月和半个月,振幅的量级只有1毫秒左右,这主要是由月球潮汐引起的。

  太阳系九大行星之一。地球在太阳系中并不居显著的地位,而太阳也不过是一颗普通的恒星。但由于人类定居和生活在地球上,因此对它不得不寻求深入的了解。

  行星地球 按离太阳由近及远的顺序,地球是第3个行星,它与太阳的平均距离是1.496亿千米,这个距离叫做一个天文单位(A)。地球的公转轨道是椭圆形,其轨道长半径为149597870千米,轨道偏心率为0.0167,公转轨道运动的平 均速度是29.79千米/秒。

  地球的赤道半径约为6378 千米,极半径约为6357千米,二者相差约21千米。地球的平均半径约为6371千米。地球的平均密度为5.517克/厘米。地球的尺度和其他参量见表。

  形状和大小 中国古代对天地的认识有所谓浑天说。东汉张衡在《浑天仪图注》里写道:“天体圆如弹丸,地如鸡中黄……天之包地犹壳之裹黄。”地球是圆的这个概念在远古就已模糊地存在了。723年唐玄宗派一行和南宫说等人,在今河南省选定同一条子午线个地点,测量夏至的日影长度和北极的高度,得到子午线步( 唐代的度和长度单位)。折合现代的尺度就是纬度一度长132.3千米,相当于地球半径为7600千米 ,比现代的数值约大20%。这是地球尺度最早的估计(埃及人的测量更早一些,但观测点不在同一 子午线上,而且长度单位核算标准不详,精度无从估计)。

  精确的地形测量只是到了牛顿发现万有引力定律之后才有可能,而地球形状的概念也逐渐明确。地球并非是很规则的正球体。它的表面可以用一个扁率不大的旋转椭球面来极好地逼近。扁率e为椭球长短轴之差与长轴之比,是表示地球形状的一个重要参量。经过多年的几何测量、天文测量以至人造地球卫星测量,它的数值已经达到很高的精度。这个椭球面不是真正的地球表面,而是对地面的一个更好的科学概括,用来作为全球各地大地测量的共同标准,所以也叫做参考椭球面。按照这个参考椭球面,子午圈上一平均度是111.1千米,赤道上一平均度是111.3千米。在参考椭球面上重力势能是相等的,所以在它上面各点的重力加速度是可以计算的,公式如下:

  自转 由于地球转动的相对稳定性,人类生活历来都利用它作为计时的标准,简单地说,地球绕太阳公转一周的时间叫做一年,地球自转一周的时间叫做一日。然而由于地球外部和内部的原因,地球的转动其实是很复杂的。地球自转的复杂性表现在自转轴方向的变化和自转速率即日长的变化。

  自转轴方向的变化中,最主要的是自转轴在空间绕黄道轴缓慢旋进,造成春分点每年向西移动50.256〃的岁差。这是日、月对地球赤道突出部分吸引的结果。其次是地球自转轴相对于地球本身的位置变化,造成了地面各点的纬度变化。这种变化主要有两种成分 :一种以一年为周期,振幅约为0.09〃,是大气和海水等季节性变化所引起的,是一种强迫振动;另一种成分以14个月为周期,振幅约为0.15〃,是地球内部变化所引起的,叫做张德勒摆动,是一种自由振动。此外还有一些较小的自由振动。

  转速的变化造成日长的变化。主要有3类:长期变化是减速的,使日长每百年增加1~2毫秒,是潮汐摩擦的结果;季节性变化最大可使日长变化0.6毫秒,是气象因素引起的;不规则的短期变化,最大可使日长变化4毫秒,是地球内部变化的结果。

  表面形态和地壳运动 地球的表面形态是极复杂的,有绵亘的高山,有广袤的海盆,还有各种尺度的构造。

  地表的各种形态主要不是外力造成的,它们来源于地壳的构造运动。地壳运动的起因至少有以下几种设想:①地球的收缩或膨胀。许多地学家认为地球一直在冷却收缩,因而造成巨大的地层褶皱和断裂。然而观测表明,地面流出去的热量和地球内部因放射性物质的衰变而生出的热量是同量级的。也有人提出地球在膨胀的论据。这个问题现在尚无定论。②地壳均衡。在地壳以下的某一定深度,单位面积上的载荷有一种倾向于均等的趋势。地面上的巨大高差为地下深部横向物质流动所调节。③板块大地构造假说——地球最上层约八、九十千米厚的岩石层是由几块巨大的板块组成的。这些板块相互作用和相对运动就产生地面上一切大地构造现象。板块运动的动力来自何处,现在还不清楚,但不少人认为地球内部物质的对流起了决定性的作用。

  电磁性质 地磁场并不指向正南。11世纪中国的《梦溪笔谈》就有记载。地磁偏角随地而异。真正地磁场的形态是很复杂的。它有显著的时间变化,最大的变化幅度可达到总地磁场的千分之几或更高。变化可分为长期的和短期的。长期变化来源于地球内部的物质运动;短期变化来源于电离层的潮汐运动和太阳活动的变化。在地磁场中,用统计平均或其他方法将短期变化消去后就得到所谓基本地磁场。用球谐分析的方法可以证明基本地磁场有99%以上来源于地下,而相当于一阶球谐函数部分约占80%,这部分相当于一个偶极场,它的北极坐标是北纬78.5°,西经69.0°。短期变化分为平静变化和干扰变化两大类。平静变化是经常出现的,比较有规律并有一定的周期,变化的磁场强度可达几十纳特;干扰变化有时是全球性的,最大幅度可达几千纳特,叫做磁暴。

  基本磁场也不是完全固定的,磁场强度的图像每年向西漂移0.2°~0.3°,叫做西向漂移。这就指出地磁场的产生可能是地球内部物质流动的结果。现在普遍认为地球核主要是铁镍组成的(还包含少量的轻元素)导电流体,导体在磁场中运动便产生电流。这种电磁流体的耦合产生一种自激发电机的作用,因而产生了地磁场。这是当前比较最为人接受的地磁场成因的假说。

  当岩浆在地磁场中降温而凝固成岩石时,便受到地磁场磁化而保留少许的永久磁性,称为热剩磁。大多数岩浆岩都带有磁性,其方向和成岩时的地磁场方向一致。由相同时代的不同岩石标本可以确定成岩时地球磁极的位置。但由不同地质时代的岩石标本所确定的地磁极位置却是不同的。这就给大陆漂移的假说提供了一个有力的证据。人们还发现,在某些地质时代成岩的岩石,磁化方向恰好和现代的地磁场方向相反。这是由于地球在形成之后,地磁场曾多次自己反向的结果。按照自激发电机地磁场成因假说,这种反向是可以理解的。地磁场的短期变化可以感应地下电流,而地下电流又引起地面的感应磁场。地下电流同地下物质的电导率有关,因而可由此估计地球内部的电导率分布。然而计算是复杂的,而且解答不单一。现在所能取得的一致意见是电导率随深度而增加,在60~100千米深度附近增加很快。在400~700千米的深处,电导率又有明显的变化,此处相当于地幔中的过渡层(又叫C层)。

  温度和能源 地面从太阳接受的辐射能量每年约有10焦耳,但绝大部分又向空间辐射回去,只有极小一部分穿入地下很浅的地方。浅层的地下温度梯度约为每增加30米,温度升高1℃ ,但各地的差别很大。由温度梯度和岩石的热导率可以计算热流。由地面向外流出的热量,全球平均值约为6.27微焦耳/厘米秒,由地面流出的总热能约为10.032×1020焦耳/年。

  地球内部的一部分能源来自岩石所含的放射性元素铀、钍、钾。它们在岩石中的含量近年来总在不断地修正,有人估计地球现在每年由长寿命的放射性元素所释放的能量约为9.614×1020焦耳,与地面热流很相近,不过这种估计是极其粗略的,含有许多未知因素。另一种能源是地球形成时的引力势能,假定地球是由太阳系中的弥漫物质积聚而成的。这部分能量估计有25×1032焦耳,但在积聚过程中有一大部分能量消失在地球以外的空间,有一小部分,约为1×1032焦耳,由于地球的绝热压缩而积蓄为地球物质的弹性能。假设地球形成时最初是相当均匀的,以后才演变成为现在的层状结构,这样就会释放出一部分引力势能,估计约为2×1030焦耳。这将导致地球的加温。地球是越转越慢的。地球自形成以来,旋转能的消失估计大约有1.5×1031焦耳,还有火山喷发和地震释放的能量,但其数量级都要小得多。

  地面附近的温度梯度不能外推到几十千米深度以下。地下深处的传热机制是极其复杂的,由热传导的理论去估计地球内部的温度分布,常得不到可信的结果。但根据其他地球物理现象的考虑,地球内部某些特定深度的温度是可以估计的。结果如下:①在100千米的深度,温度接近该处岩石的熔点,约为1100~1200℃;②在400千米和650千米的深度,岩石发生相变,温度各约在1500℃和1900℃;③ 在核幔边界,温度在铁的熔点之上,但在地幔物质的熔点之下,约为3700℃;④在外核与内核边界,深度为5100千米,温度约为4300℃,地球中心的温度,估计与此相差不多。

  内部结构 地球的分层结构基本上是按地震波(P和S)的传播速度划分的。地球上层有显著的横向不均匀性:大陆地壳和海洋地壳的厚度大不相同,海水只覆盖着2/3的地面。

  地震时,震源辐射出两种地震波,纵波P和横波S。它们各以不同的速度向四围传播?经过不同的时间到达地面上不同的地点。若在地面上记录到P和S的传播时间随震中距离的变化,就可以推算地下不同深度地震波的传播速度υp和υs。

  地球内部的分层就是由地震波速度分布定义的,在海水之下,地球最上层叫做地壳,厚约几十千米。地壳以下直对地核,这部分统称为地幔。地幔内部又有许多层次。地壳与地幔的边界是一个明显的间断面,称为M界面或莫霍界面。界面以下约到会80千米的深度,速度变化不大,这部分叫做盖层。再往下,速度变化不大,这部分叫做盖层。再往下,速度明显降低,直到约220千米深度才又回升。这部分叫低速带。以下直到2891千米深度叫做下地幔。核幔边界是一个极明显的间断面。进入地核,S波消失,所以地球外核是液体。到了5149.5千米的深度,S波又出现,便进入了地球内核。

  由地球的速度和密度的分布可以计算出地球内部的两个弹性常数、压力和重力加速度的分布。在地幔中,重力加速度g的变化很小,只是过了核幔边界才向地心递减至零。在核幔边界处的压力为1.36兆巴,在地心处为3.64兆巴。

  内部物质组成 地震波的速度和密度分布对于地球内部的物质组成是一个限制条件。地球核有约90%是由铁镍合金组成的,但还含有约法三章10%的较轻物质;可能是硫或氧。关于地幔的矿物组成,现在还存在分歧意见。地壳中的岩石矿物是由地幔物质分异而成的。火山活动和地幔物质的喷发表明地幔的主要矿物是橄榄岩。地震波速度的数据表明在内400、500、和谐500千米的深度,波速的梯度很大 。这可解释为矿物相变的结果。在内400千米的深处,橄榄石相变为尖晶石的结构,而辉石则熔入石榴石。在家500千米的深度,辉石也分解为尖晶石和超石英的结构。在先650千米深度下,这些矿物都为钙钛矿和氧化物结构。在下地幔最下的200千米中,物质密度有显著增加。这个区域有无铁元素的富集还是一个有争论的问题。

  起源和演化 地球的起源和演化问题实际上也就是太阳系的起源和演化问题。早期的假说主要分两大派:以康德和拉普拉斯为代表的渐变派和以G.L.L.布丰为代表的灾变派。渐变派认为太阳系是由高温的旋转气体逐渐冷却而成的;灾变派主张太阳系是由此及彼2个或3个恒星发生碰撞或近距离吸引而产生的。早期的假说主要企图解释一些天文事实,如行星轨道的规律性,内行星和外行星的区别。太阳系中角动量的分布等。在全面解释上述观测事实时,两派都遇到不可克服的因难。

  从20世纪40年代中期起,人们逐渐倾向于太阳系起源于低温的固体尘埃的观点。较早的倡议者有魏茨泽克、施米特和尤里。他们认为行星不是由高温气体凝固而成,而是由温度不高的固体尘物质积聚而成的。

  地球形成时基本上是各种石质物体和尘、气的混合物积聚而成的。初始地球的平均温度估计不超过去时1000℃。由于长寿命放射性无素的衰变和引力势能的释放,地球的温度逐渐升高。当温度超过铁的熔点时,原始地球中的铁元素就化成液态,由于密度大就流向地球的中心部分,从而形成了地核。地球内部温度继续升高,使地幔局部熔化,引起了化学分异,促进了地壳形成。

  海洋和大气都不是地球形成时就有的,而是次生的。因为原始地球不可能保持大气和水。海洋是地球内部增温和分异的结果。原始大气是从地球内部放出的,是还原性的。直到绿色植物出现后,大气中才逐渐积累了自由氧,在漫长的地质年代中逐渐形成现在的大气(见地球起源)。

  年龄 地球的年龄,如果定义为原始地球形成后到现在的时间,则由岩石和矿物所含的放射性同位素可以测定。但是这样做时,仍免不了对地球的初始状态做一些假定,根据岩石矿物中和陨石中铅同位素的精密分析,现在一般都接受的地球年龄约为46亿年。

  太阳系九大行星之一。地球在太阳系中并不居显著的地位,而太阳也不过是一颗普通的恒星。但由于人类定居和生活在地球上,因此对它不得不寻求深入的了解。

  行星地球 按离太阳由近及远的顺序,地球是第3个行星,它与太阳的平均距离是1.496亿千米,这个距离叫做一个天文单位(A)。地球的公转轨道是椭圆形,其轨道长半径为149597870千米,轨道偏心率为0.0167,公转轨道运动的平 均速度是29.79千米/秒。

  地球的赤道半径约为6378 千米,极半径约为6357千米,二者相差约21千米。地球的平均半径约为6371千米。地球的平均密度为5.517克/厘米。地球的尺度和其他参量见表。

  形状和大小 中国古代对天地的认识有所谓浑天说。东汉张衡在《浑天仪图注》里写道:“天体圆如弹丸,地如鸡中黄……天之包地犹壳之裹黄。”地球是圆的这个概念在远古就已模糊地存在了。723年唐玄宗派一行和南宫说等人,在今河南省选定同一条子午线个地点,测量夏至的日影长度和北极的高度,得到子午线步( 唐代的度和长度单位)。折合现代的尺度就是纬度一度长132.3千米,相当于地球半径为7600千米 ,比现代的数值约大20%。这是地球尺度最早的估计(埃及人的测量更早一些,但观测点不在同一 子午线上,而且长度单位核算标准不详,精度无从估计)。

  精确的地形测量只是到了牛顿发现万有引力定律之后才有可能,而地球形状的概念也逐渐明确。地球并非是很规则的正球体。它的表面可以用一个扁率不大的旋转椭球面来极好地逼近。扁率e为椭球长短轴之差与长轴之比,是表示地球形状的一个重要参量。经过多年的几何测量、天文测量以至人造地球卫星测量,它的数值已经达到很高的精度。这个椭球面不是真正的地球表面,而是对地面的一个更好的科学概括,用来作为全球各地大地测量的共同标准,所以也叫做参考椭球面。按照这个参考椭球面,子午圈上一平均度是111.1千米,赤道上一平均度是111.3千米。在参考椭球面上重力势能是相等的,所以在它上面各点的重力加速度是可以计算的,公式如下:

  自转 由于地球转动的相对稳定性,人类生活历来都利用它作为计时的标准,简单地说,地球绕太阳公转一周的时间叫做一年,地球自转一周的时间叫做一日。然而由于地球外部和内部的原因,地球的转动其实是很复杂的。地球自转的复杂性表现在自转轴方向的变化和自转速率即日长的变化。

  自转轴方向的变化中,最主要的是自转轴在空间绕黄道轴缓慢旋进,造成春分点每年向西移动50.256〃的岁差。这是日、月对地球赤道突出部分吸引的结果。其次是地球自转轴相对于地球本身的位置变化,造成了地面各点的纬度变化。这种变化主要有两种成分 :一种以一年为周期,振幅约为0.09〃,是大气和海水等季节性变化所引起的,是一种强迫振动;另一种成分以14个月为周期,振幅约为0.15〃,是地球内部变化所引起的,叫做张德勒摆动,是一种自由振动。此外还有一些较小的自由振动。

  转速的变化造成日长的变化。主要有3类:长期变化是减速的,使日长每百年增加1~2毫秒,是潮汐摩擦的结果;季节性变化最大可使日长变化0.6毫秒,是气象因素引起的;不规则的短期变化,最大可使日长变化4毫秒,是地球内部变化的结果。

  表面形态和地壳运动 地球的表面形态是极复杂的,有绵亘的高山,有广袤的海盆,还有各种尺度的构造。

  地表的各种形态主要不是外力造成的,它们来源于地壳的构造运动。地壳运动的起因至少有以下几种设想:①地球的收缩或膨胀。许多地学家认为地球一直在冷却收缩,因而造成巨大的地层褶皱和断裂。然而观测表明,地面流出去的热量和地球内部因放射性物质的衰变而生出的热量是同量级的。也有人提出地球在膨胀的论据。这个问题现在尚无定论。②地壳均衡。在地壳以下的某一定深度,单位面积上的载荷有一种倾向于均等的趋势。地面上的巨大高差为地下深部横向物质流动所调节。③板块大地构造假说——地球最上层约八、九十千米厚的岩石层是由几块巨大的板块组成的。这些板块相互作用和相对运动就产生地面上一切大地构造现象。板块运动的动力来自何处,现在还不清楚,但不少人认为地球内部物质的对流起了决定性的作用。

  电磁性质 地磁场并不指向正南。11世纪中国的《梦溪笔谈》就有记载。地磁偏角随地而异。真正地磁场的形态是很复杂的。它有显著的时间变化,最大的变化幅度可达到总地磁场的千分之几或更高。变化可分为长期的和短期的。长期变化来源于地球内部的物质运动;短期变化来源于电离层的潮汐运动和太阳活动的变化。在地磁场中,用统计平均或其他方法将短期变化消去后就得到所谓基本地磁场。用球谐分析的方法可以证明基本地磁场有99%以上来源于地下,而相当于一阶球谐函数部分约占80%,这部分相当于一个偶极场,它的北极坐标是北纬78.5°,西经69.0°。短期变化分为平静变化和干扰变化两大类。平静变化是经常出现的,比较有规律并有一定的周期,变化的磁场强度可达几十纳特;干扰变化有时是全球性的,最大幅度可达几千纳特,叫做磁暴。

  基本磁场也不是完全固定的,磁场强度的图像每年向西漂移0.2°~0.3°,叫做西向漂移。这就指出地磁场的产生可能是地球内部物质流动的结果。现在普遍认为地球核主要是铁镍组成的(还包含少量的轻元素)导电流体,导体在磁场中运动便产生电流。这种电磁流体的耦合产生一种自激发电机的作用,因而产生了地磁场。这是当前比较最为人接受的地磁场成因的假说。

  当岩浆在地磁场中降温而凝固成岩石时,便受到地磁场磁化而保留少许的永久磁性,称为热剩磁。大多数岩浆岩都带有磁性,其方向和成岩时的地磁场方向一致。由相同时代的不同岩石标本可以确定成岩时地球磁极的位置。但由不同地质时代的岩石标本所确定的地磁极位置却是不同的。这就给大陆漂移的假说提供了一个有力的证据。人们还发现,在某些地质时代成岩的岩石,磁化方向恰好和现代的地磁场方向相反。这是由于地球在形成之后,地磁场曾多次自己反向的结果。按照自激发电机地磁场成因假说,这种反向是可以理解的。地磁场的短期变化可以感应地下电流,而地下电流又引起地面的感应磁场。地下电流同地下物质的电导率有关,因而可由此估计地球内部的电导率分布。然而计算是复杂的,而且解答不单一。现在所能取得的一致意见是电导率随深度而增加,在60~100千米深度附近增加很快。在400~700千米的深处,电导率又有明显的变化,此处相当于地幔中的过渡层(又叫C层)。

  温度和能源 地面从太阳接受的辐射能量每年约有10焦耳,但绝大部分又向空间辐射回去,只有极小一部分穿入地下很浅的地方。浅层的地下温度梯度约为每增加30米,温度升高1℃ ,但各地的差别很大。由温度梯度和岩石的热导率可以计算热流。由地面向外流出的热量,全球平均值约为6.27微焦耳/厘米秒,由地面流出的总热能约为10.032×1020焦耳/年。

  地球内部的一部分能源来自岩石所含的放射性元素铀、钍、钾。它们在岩石中的含量近年来总在不断地修正,有人估计地球现在每年由长寿命的放射性元素所释放的能量约为9.614×1020焦耳,与地面热流很相近,不过这种估计是极其粗略的,含有许多未知因素。另一种能源是地球形成时的引力势能,假定地球是由太阳系中的弥漫物质积聚而成的。这部分能量估计有25×1032焦耳,但在积聚过程中有一大部分能量消失在地球以外的空间,有一小部分,约为1×1032焦耳,由于地球的绝热压缩而积蓄为地球物质的弹性能。假设地球形成时最初是相当均匀的,以后才演变成为现在的层状结构,这样就会释放出一部分引力势能,估计约为2×1030焦耳。这将导致地球的加温。地球是越转越慢的。地球自形成以来,旋转能的消失估计大约有1.5×1031焦耳,还有火山喷发和地震释放的能量,但其数量级都要小得多。

  地面附近的温度梯度不能外推到几十千米深度以下。地下深处的传热机制是极其复杂的,由热传导的理论去估计地球内部的温度分布,常得不到可信的结果。但根据其他地球物理现象的考虑,地球内部某些特定深度的温度是可以估计的。结果如下:①在100千米的深度,温度接近该处岩石的熔点,约为1100~1200℃;②在400千米和650千米的深度,岩石发生相变,温度各约在1500℃和1900℃;③ 在核幔边界,温度在铁的熔点之上,但在地幔物质的熔点之下,约为3700℃;④在外核与内核边界,深度为5100千米,温度约为4300℃,地球中心的温度,估计与此相差不多。

  内部结构 地球的分层结构基本上是按地震波(P和S)的传播速度划分的。地球上层有显著的横向不均匀性:大陆地壳和海洋地壳的厚度大不相同,海水只覆盖着2/3的地面。

  地震时,震源辐射出两种地震波,纵波P和横波S。它们各以不同的速度向四围传播?经过不同的时间到达地面上不同的地点。若在地面上记录到P和S的传播时间随震中距离的变化,就可以推算地下不同深度地震波的传播速度υp和υs。

  地球内部的分层就是由地震波速度分布定义的,在海水之下,地球最上层叫做地壳,厚约几十千米。地壳以下直对地核,这部分统称为地幔。地幔内部又有许多层次。地壳与地幔的边界是一个明显的间断面,称为M界面或莫霍界面。界面以下约到会80千米的深度,速度变化不大,这部分叫做盖层。再往下,速度变化不大,这部分叫做盖层。再往下,速度明显降低,直到约220千米深度才又回升。这部分叫低速带。以下直到2891千米深度叫做下地幔。核幔边界是一个极明显的间断面。进入地核,S波消失,所以地球外核是液体。到了5149.5千米的深度,S波又出现,便进入了地球内核。

  由地球的速度和密度的分布可以计算出地球内部的两个弹性常数、压力和重力加速度的分布。在地幔中,重力加速度g的变化很小,只是过了核幔边界才向地心递减至零。在核幔边界处的压力为1.36兆巴,在地心处为3.64兆巴。

  内部物质组成 地震波的速度和密度分布对于地球内部的物质组成是一个限制条件。地球核有约90%是由铁镍合金组成的,但还含有约法三章10%的较轻物质;可能是硫或氧。关于地幔的矿物组成,现在还存在分歧意见。地壳中的岩石矿物是由地幔物质分异而成的。火山活动和地幔物质的喷发表明地幔的主要矿物是橄榄岩。地震波速度的数据表明在内400、500、和谐500千米的深度,波速的梯度很大 。这可解释为矿物相变的结果。在内400千米的深处,橄榄石相变为尖晶石的结构,而辉石则熔入石榴石。在家500千米的深度,辉石也分解为尖晶石和超石英的结构。在先650千米深度下,这些矿物都为钙钛矿和氧化物结构。在下地幔最下的200千米中,物质密度有显著增加。这个区域有无铁元素的富集还是一个有争论的问题。

  起源和演化 地球的起源和演化问题实际上也就是太阳系的起源和演化问题。早期的假说主要分两大派:以康德和拉普拉斯为代表的渐变派和以G.L.L.布丰为代表的灾变派。渐变派认为太阳系是由高温的旋转气体逐渐冷却而成的;灾变派主张太阳系是由此及彼2个或3个恒星发生碰撞或近距离吸引而产生的。早期的假说主要企图解释一些天文事实,如行星轨道的规律性,内行星和外行星的区别。太阳系中角动量的分布等。在全面解释上述观测事实时,两派都遇到不可克服的因难。

  从20世纪40年代中期起,人们逐渐倾向于太阳系起源于低温的固体尘埃的观点。较早的倡议者有魏茨泽克、施米特和尤里。他们认为行星不是由高温气体凝固而成,而是由温度不高的固体尘物质积聚而成的。

  地球形成时基本上是各种石质物体和尘、气的混合物积聚而成的。初始地球的平均温度估计不超过去时1000℃。由于长寿命放射性无素的衰变和引力势能的释放,地球的温度逐渐升高。当温度超过铁的熔点时,原始地球中的铁元素就化成液态,由于密度大就流向地球的中心部分,从而形成了地核。地球内部温度继续升高,使地幔局部熔化,引起了化学分异,促进了地壳形成。

  海洋和大气都不是地球形成时就有的,而是次生的。因为原始地球不可能保持大气和水。海洋是地球内部增温和分异的结果。原始大气是从地球内部放出的,是还原性的。直到绿色植物出现后,大气中才逐渐积累了自由氧,在漫长的地质年代中逐渐形成现在的大气(见地球起源)。

  年龄 地球的年龄,如果定义为原始地球形成后到现在的时间,则由岩石和矿物所含的放射性同位素可以测定。但是这样做时,仍免不了对地球的初始状态做一些假定,根据岩石矿物中和陨石中铅同位素的精密分析,现在一般都接受的地球年龄约为46亿年。

  展开全部球是太阳系九大行星之一,按离太阳由近及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星---月球,二者组成一个天体系统---地月系统。

  地球自西向东自转,同时围绕太阳公转。地球自转与公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替和四季变化。地球自转的速度是不均匀的。同时,由于日、月、行星的引力作用以及大气、海洋和地球内部物质的各种作用,使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都要产生变化。地球自转产生的惯性离心力使得球形的地球由两极向赤道逐渐膨胀,成为目前的略扁的旋转椭球体,极半径比赤道半径约短21千米。

  阿波罗飞船看到的地球 阿波罗飞船看到的地球 地球升起在月球的地平线上地球可以看作由一系列的同心层组成。地球内部有核、幔、壳结构。地球外部有水圈和大气圈,还有磁层,形成了围绕固态地球的外套。

  地球是唯一一个不是从希腊或罗马神马中得到的名字。Earth一词来自于古英语及日耳曼语。这里当然有许多其他语言的命名。在罗马神话中,地球女神叫Tellus-肥沃的土地(希腊语:Gaia, 亥亚,大地母亲)直到16世纪哥白尼时代人们才明白地球只是一颗行星。

  地球,当然不需要飞行器即可被观测,然而我们直到二十世纪才有了整个行星的地图。在空间拍摄的地球照片有很高价值;它们大大帮助了气象预报及暴风雨跟踪预报。而且这些图片都非常漂亮!

  地壳的厚度不同,海洋处较薄,大洲下较厚。内核与地壳为实体;外核与地幔层为流体。不同的层由不连续断面分割开,这由地震数据得到;其中最有名的有数地壳与上地幔间的莫霍面-不连续断面了。

  地球的大部分质量集中在地幔,剩下的大部分在地核;我们所居住的只是整体的一个小部分(下列数值×10e24千克):

  地核可能大多由铁构成(或镍/铁),虽然也有可能是一些较轻的物质。地核中心的温度可能高达7500K,比太阳表面还热;下地幔可能由硅,镁,氧和一些铁,钙,铝构成;上地幔大多由橄榄石,辉石(铁/镁硅酸盐),钙,铝构成。这些都是通过地震技术获得的资料(所谓地震技术是指在地表人工制造一个震源,如炸弹之类的,通过接受地下的回波来确知地下结构的方法);我们只能在岩浆中获得上地幔的采样,对于其它层则无能为力。地壳主要由石英(硅的氧化物)和类长石的其他硅酸盐构成。就整体看,地球的化学元素组成为: 34.6% 铁 29.5% 氧 15.2% 硅 12.7% 镁 2.4% 镍 1.9% 硫 0.05% 钛 地球是太阳系中密度最大的星体。

  其他的类地行星可能也有相似的结构与物质组成,当然也有一些区别:月球至少有一个小内核;水星有一个超大内核(相对于它的直径);火星与月球的地幔要厚得多;月球与水星可能没有由不同化学元素构成的地壳;地球可能是唯一一颗有内核与外核的类地行星。值得注意的是,我们的有关行星内部构造的理论只是适用于地球。

  不像其他类地行星,地球的地壳由几个实体板块构成,各自在热地幔上漂浮。理论上称它为板块说。它被描绘为具有两个过程:扩大和缩小。扩大发生在两个板块互相远离,下面涌上来的岩浆形成新地壳时。缩小发生在两个板块相互碰撞,其中一个的边缘部份伸入了另一个的下面,在炽热的地幔中受热而被破坏。在板块分界处有许多断层(比如加利福尼亚的San Andreas断层),大洲板块间也有碰撞(如印度洋板块与亚欧板块)。目前有八大板块:

  还有超过廿个小板块,如阿拉伯,菲律宾板块。地震经常在这些板块交界处发生。

  地球的表面十分年轻。在5亿年的短周期中(天文学标准),不断重复着侵蚀与构造的过程,地球的大部分表面被一次又一次地形成和破坏,这样一来,除去了大部分原始的地理痕迹(比如星体撞击产生的火山口)。这样一来,地球上早期历史都被清除了。地球至今已存在了45到46亿年,但已知的最古老的石头只有40亿年,连超过30亿年的石头都屈指可数。最早的生物化石则小于39亿年。没有任何确定的记录表明生命线%的地球表面为水所覆盖。地球是行星中唯一一颗能在表面存在有液态水(虽然在土卫六的表面存在有液态乙烷与甲烷,木卫二的地下有液态水)。我们知道,液态水是生命存在的重要条件。海洋的热容量也是保持地球气温相对稳定的重要条件。液态水也造成了地表侵蚀及大洲气候的多样化,目前这是在太阳系中独一无二的过程(很早以前,火星上也许也有这种情况)。

  地球的大气由77%的氮,21%氧,微量的氩、二氧化碳和水组成。地球初步形成时,大气中可能存在大量的二氧化碳,但是几乎都被组合成了碳酸盐岩石,少部分溶入了海洋或给活着的植物消耗了。现在板块构造与生物活动维持着二氧化碳的循环。大气中稳定存在的少量二氧化碳通过温室效应对维持地表气温有极其深远的重要性。温室效应使平均表面气温提高了35摄氏度(从冻人的-21℃升到了适人的14℃);没有它海洋将会结冰,而生命将不可能存在。

  丰富的氧气的存在从化学观点看是很值得注意的。氧气是很活泼的气体,一般环境下易和其他物质快速结合。地球大气中的氧的产生和维持由生物活动完成。没有生命就没有充足的氧气。

  地球与月球的交互作用使地球的自转每世纪减缓了2毫秒。当前的调查显示出大约在9亿年前,一年有481天,每天18小时。

  地球有一个由内核电流形成的适度的磁场区。由于太阳风的交互作用,地球磁场和地球上层大气引发了极光现象。这些因素的不定周期也引起了磁极在地表处相对地移动;北磁极现正在北加拿大。

  -我们有关地球的知识全部是由极不直接的证据逐步导出的。我们如何才能得到更多的信息?

  -仅管太阳常数的有所增加,地表的平均温度却数十亿年来非常稳定。最好的解释这个的理由是:由大气中二氧化碳的数量改变,控制温室效应来完成。但这到底是怎么完成的?亥亚假设主张是由生物圈的活动维持了它。更多的有关金星与火星的详情可能会提供某些线索。

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