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地球
2014-01-23 16:41:00   来源:化石网   评论:0 点击:

地球 Earth地球  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,这个平凡的天体对于我们却是头等重要的,因此对它不得不寻求深入的了解。  行星地球  按

地球 Earth

 

地球

  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,这个平凡的天体对于我们却是头等重要的,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1.496亿公里,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公里,轨道偏心率为0.0167,公转轨道运动的平均速度是29.79公里/秒。

  地球的赤道半径约为6378公里,极半径约为6357公里,二者相差约21公里。地球的平均半径约为6371公里。地球的平均密度为5.517克/厘米3。
 
  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。公元 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上的13个地点,测量夏至的日影长度和北极的高度,得到子午线一度之长为 351里80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公里,相当于地球半径为7600公里,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公里,赤道上一平均度是 111.3公里。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: g0=9.780318(1+0.0053024sin2═)    -0.0000059sin22═)米/秒2,式中g0是海拔为零时的重力加速度,═ 是地理纬度。知道了地球形状、重力加速度和万有引力常数G=6.670×10-8达因·厘米2/克,可以计算出地球的质量M为5.976×1027克。
 
  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。若将地球固体表面的深度与其面积的百分比作图,就得到图。图中最使人注目的是在面积百分比随深度的分布中有两个峰值,其一与大陆的高度相应(大陆的平均高度为 840米),另一个与海洋盆地的深度相应(海洋平均深度为3800米)。在深度为1000~3000米之间的面积是很小的,表明大陆有一个陡峭的水下边缘。海面并不是海洋与大陆构造之间的分界,大陆还包括一部分海水浸没的面积。大陆总面积接近于地球表面积的40%,但出露在海平面之上的只有29%。
 
  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、九十公里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78.5°N,69.0°W。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公里深度附近增加很快。在400~700公里的深处,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1025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1.5微卡/厘米2秒,由地面流出的总热能约为2.4×1020卡/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,表2的数据只给出数量级的概念。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2.3×1020卡,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2.5×1032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公里深度以下。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公里的深度,温度接近该处岩石的熔点,约为1100~1200℃;②在400公里和650公里的深度,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公里,温度约为4300℃,地球中心的温度,估计与此相差不多。

 

地球内部结构

  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,海水只覆盖着三分之二的地面。作为一种参考的地球模式,此处取海水的全球平均深度为 3公里;地壳的全球平均厚度为21.4公里,地球的平均半径为6371公里。现代的结果见。
 
  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vP和vS。

  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,厚约几十公里。地壳以下直到地核,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Moho(莫霍)界面。界面以下约到80公里的深度,速度变化不大,这部分叫做盖层(Lid)。再往下,速度明显降低,直到约 220公里深度才又回升。这部分叫低速带。以下直到 670公里的深度,速度变化很大,叫做过渡层。以下直到2891公里深度叫做下地幔。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公里的深度,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石、辉石和石榴石。地幔上部的岩石主要是橄榄岩。地震波速度的数据表明在400、500和650公里的深度,波速的梯度很大。这可解释为矿物相变的结果。在400公里的深处,橄榄石相变为尖晶石的结构,而辉石则溶入石榴石。在500公里的深度,辉石也分解为尖晶石和超石英的结构。在650公里深度下,这些矿物都分解为钙钛矿和氧化物结构。在下地幔,矿物组成没有明显的变化,但在地幔最下的200公里中,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P.S.拉普拉斯为代表的渐变派和以布丰(G.L.L.Buffon)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困难。

  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(C.F.von Weizscker,1943)、施米特(О.Ю.Шмидт,1944)和尤里(H.C.Urey,1946)。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埃物质积聚而成的。
 
  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1000℃。由于长寿命放射性元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。

 

宇宙中的地球
 

  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45~46亿年。

 

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