一、美丽家园叫地球

[ 录入者:linq | 时间:2010-01-09 22:08:45 | 作者:王家驥、林清 | 来源:本站 | 浏览:18614次 ]

地球形状示意图,不规则形状属夸大表示,仅供示意。

地球是人类生生繁息的 家园,它在宇宙中究竟是一个什么样的 东西?它又是怎样产生的 ?远古时代的 人类就开始关心我们脚下的 这一片土地,思考着天与地的 种种问题。

1. 从宇宙中心到幸运的 行星

 

 从太空看地球

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

美国伽利略号飞船1992年飞越地球附近时拍摄到的 地球和月球在太空中的 景象。

放眼四望,我们的 直觉就是平坦的 大地向四面延伸到无际的 天边,而天空则像一个巨碗倒盖下来。这就是人类最早对天地认识朴素的 “天圆地方”说。中国古代通过对于地球在宇宙中地位的 思考,逐渐形成了3种学说。其中,“盖天说”认为天空像斗笠,大地如倒扣的 盘子;“浑天说”则把宇宙比作一个鸡蛋,天像蛋壳,地像蛋黄,地浮于水上,天像车轮一样旋转不停;这两种学说其实都是把地球置于宇宙的 中心。此外还有一种影响较小的 “宣夜说”,主张世间万物都处于无限虚空之中。

而在西方,许多哲学家也对天和地的 关系 提出了多种假说。公元2世纪,古希腊天文学家托勒玫集先贤理论和当时观测成果之大成,在其经典著作《至大论》中完整描述了以地心说为基础的 宇宙模型,他认为地球为是球形,位于宇宙中央,日、月、行星 各在一些同心球面上绕地球转动。托勒玫使用数学工具,将其模型应用于行星 运动之描述,可以说是创立了第一个科学的 宇宙模型。

托勒玫的 模型本来只是对宇宙结构的 一种探索,但是中世纪的 教会势力为了宗教的 需要,宣称托勒玫的 地心说是唯一正确的 宇宙论,持不同意见者均被视为异端加以惩罚。

一千多年过去了,天文观测的 精度大大提高,根据托勒玫的 地心说计算得到的 行星 运动与观测数据的 偏离越来越明显,为了符合观测数据,地心说不得不大量采用本轮、均轮等复杂而又没有存在理由的 结构。面对窘境,波兰天文学家哥白尼想到了另一种思路,他于1543年出版的 《天体运行论》中首次大胆地提出了日心说,把太阳置于宇宙中央,地球降格为一颗普通的 行星 ,与其他行星 一起围绕太阳转动。地球一天自转一周,一年绕太阳公转一周。哥白尼使用比托勒玫简单得多的 方法,却更好地解释了行星 的 运动。

哥白尼出版《天体运行论》后就去世了,他提出的 日心说又经历了一百多年的 争议,才真正为大多数科学家们所接受,后来的 科学研究更进一步地指出,连太阳也都只是茫茫宇宙的 普通一分子,宇宙其实根本就没有中心。

现代科学指出:地球是从太阳向外数的 第三个行星 ,沿着以固定的 接近于圆的 轨道环绕太阳公转,与太阳的 平均距离约为1.5亿千米。

所以,地球只是太阳系 中一个普通的 行星 ,当宇航员从太空中远看地球时,它不过是一个带点幽幽蓝色的 普通星 点。但是地球又是一颗最为幸运的 行星 ,由于与太阳的 距离适中,各方面恰到好处的 条件使地球在几十亿年的 历史长河中成功孕育了丰富多彩的 生命,并最终产生了我们人类,使其成为太阳系 行星 家族中一个与众不同的 佼佼者。

2. 地球的 形状与大小

月食时,仔细观察就会发现投射在月球上的 地球影子总是圆的 ;往南或往北作长途旅行时,则会发现同一个星 星 在天空中的 高度是不一样的 。一些聪明的 古人从诸如此类的 蛛丝马迹中就已经猜测到地球可能是球形的 。托勒玫的 地心说也明确地描述了地球为球形的 观点,但是直到16世纪葡萄牙航海家麦哲伦完成人类历史上的 第一次环球航行,才真正用实践无可辩驳地证明了地球是个球体。

 地球形状示意图,不规则形状属夸大表示,仅供示意。

公元前3世纪,希腊地理学家埃拉托斯特尼成功地用三角测量法测量了阿斯旺和亚历山大城之间的 子午线长度,算出地球的 周长为39,000千米。17世纪末,牛顿研究了自转对地球形状的 影响,从理论上推测地球是一个赤道处略微隆起、两极略微扁平的 椭球体。1735年起,法国巴黎科学院用将近10年时间对北欧和南美进行的 仔细测量证实了这一推论。现代高精度测距技术得到的 结果为:地球赤道半径6378.1千米,极半径6356.8千米,而且真实形状与椭球体相比也还存在一点差异。

 

3. 地球的 结构与组成

地球的 质量为6.0 ×1024 千克,密度为每立方厘米5.52克,是一个主要由岩石组成的 星 球,我们无法直接看到它的 内部,但可以通过研究地震波、地磁波和火山爆发来了解地球内部的 秘密。地球可以分为内核、外核、地幔和地壳四个同心圈层。

内核和外核合称地核,平均半径约3400千米。内核是固态的 。外核呈液态,可流动。地核主要由铁、镍等金属元素构成,中心密度为每立方厘米13克,温度最高可达5000摄氏度左右。

 地球内部结构

 

 
 
地幔厚约2900千米,主要由致密的 岩石物质构成,是地球的 主体。一般认为地幔底部存在一个软流层,推测是由于放射性元素蜕变放热、将岩石熔融后造成的 ,可能是岩浆的 发源地。地幔下部温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性的 固态。

地壳实际上由多组断裂的 、大小不等的 板块组成,这些板块之间存在相对的 漂移运动。地壳厚度不均匀,大陆地壳平均厚约30多千米,海洋地壳厚仅5至8千米。地壳的 主要成分是岩石,其年龄绝大多数小于20多亿年,而地球的 年龄大约已有46亿年,这说明现在的 地壳岩石并非原始,而是后来由地球内部的 物质通过火山活动和造山运动逐渐形成的 。

在地球引力的 作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千千米厚的 大气层。大气层的 上界可能延伸到离地面6400千米左右的 高处。大气的 总质量约6000万亿吨,其中氮气78 %,氧气21 %,此外还有微量的 其他气体,以及水蒸气和尘埃。

地球最外面的 坚硬部分称为岩石圈。岩石圈包括了整个地壳和上地幔的 顶部,厚度在100千米左右。岩石圈是固体地球最外部的 圈层,因而它的 温度最低,且有较大的 强度和脆性;整个岩石圈进一步破裂为一些岩石圈板块,彼此作各种形式的 相对运动而导致各种大规模构造现象。

岩石圈上部直接与大气圈和水圈联合在一起,通过风化、侵蚀、搬运和沉积等作用,形成了地表丰富多彩的 地形与地貌。风化作用的 产物与生物圈系 统相互作用,在基岩上面形成一层极其微薄的 土壤层,并成为大部分陆地生物进一步发展的 基础。

大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用,构成了人类活动和生态环境的 基础。

 

4. 地球的 磁场和辐射带

 

地球辐射带的 简化模型,轮廓线上的 数字表示每立方米平均粒子密度

地球具有一个偶极磁场,它的 N极靠近地理南极。地磁场是由液态的 铁镍核中物质流动产生的 电流造成的 。地磁场伸展到太阳系 空间中,形成地球的 磁层。在太阳带电粒子流的 作用下,磁层向着太阳的 一侧受到压缩,其边界称为磁层顶,离地面5至7万千米;在背向太阳的 一面,磁层延伸出一条长长的 尾巴,称为磁尾。

在地球赤道附近地区上空,存在两个带电粒子带。因为在带电粒子带中存在很强的 电磁辐射,所以它们分别称为内辐射带和外辐射带。内辐射带的 中心在离开地球中心约1.5倍地球半径处,带内含有高能的 质子和电子。外辐射带位于地面上空约2至3倍地球半径处,其中的 带电粒子能量比内辐射带小。

 

5.地球的 起源和演化

对地球起源和演化问题进行系 统的 科学研究始于18世纪中叶,至今已经提出多种学说,如星 云假说、灾变假说等。目前比较公认的 看法是:地球和其它行星 一样,远在46亿年以前起源于原始太阳星 云。

同其它行星 一样,地球也经历了吸积、碰撞等物理演化过程。刚形成的 时候,温度较低,并无分层结构。由于陨石物质的 轰击、放射性衰变致热和原始地球的 引力收缩,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,且出现局部熔融现象,物质开始分离。较重的 物质逐渐下沉,较轻的 物质逐渐上升,一些重的 元素(如液态铁)沉到地球中心,形成一个密度较大的 地核。地核之外的 物质在长期的 对流活动中逐渐演变成了现今的 地壳、地幔等层次。

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,地球内部的 各种气体上升到地表成为第二代大气;后来又因为绿色植物的 光合作用而进一步发展成为现代大气。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 高级生物出现。

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