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《宇宙新论 之 天地本源》(杨建立著)第十一章 江山

时间:2019-08-10 16:51:49 点击:

  核心提示: 《宇宙新论之天地本源》 (杨建立著) 第十一章江山初定 地球是太阳系八大行星之一,按离太阳由近及远的次序排为第三颗,也是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星。类地行星是指水星、金星、地球、火星这4颗与地球相近似的行星。地球距离太阳1.5亿千米,自西向东自转,同时围绕太阳公转。现有大约46亿岁,...

《宇宙新论 之 天地本源》

(杨建立著)

第十一章 江山初定

 

    地球是太阳系八大行星之一,按离太阳由近及远的次序排为第三颗,也是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星。类地行星是指水星、金星、地球、火星这4颗与地球相近似的行星。地球距离太阳1.5亿千米,自西向东自转,同时围绕太阳公转。现有大约46亿岁,它有一个天然卫星--月球,二者组成一个天体系统--地月系统。46亿年前起源于原始太阳星云。

    地球赤道半径6378.137千米,极半径6356.752千米,平均半径约6371千米,赤道周长大约为40076千米,呈两极稍扁赤道略鼓的不规则的椭圆球体。地球表面积5.1亿平方千米,其中71%为海洋,29%为陆地,在太空上看地球呈蔚蓝色。

    按照一般大致分层,地球内部有核、幔、壳结构,地球外部有水圈、大气圈以及磁场。地球是目前宇宙中已知存在生命的唯一的天体,是包括人类在内上百万种生物的家园。

    地球是太阳系的一员,它的起源和太阳系的起源基本上是一个问题。由于人类定居在地球上,对它的了解比对其他星体的了解要详细得多,因此研究地球起源问题,资料也最丰富。研究地球的起源不仅由于它的哲学意义,也由于地学中许多重要现象的根本原因都要到地球的形成过程中去寻求答案。例如地球内部的构造和能源分布,地震的成因等。

    起源之争

地球的起源自古以来一直是人们关心的问题。在古代,人们就曾探讨过包括地球在内的天体万物的形成问题,关于创世的各种神话广为流传。自1543年,波兰天文学家哥白尼提出了日心说之后,天体演化的讨论才开始步入科学范畴,逐渐形成了诸如星云说,遭遇说等学说。

星云说认为太阳系是由一团旋转的高温气体逐渐冷却凝固而成的,称为渐变派,以康德(I.Kant)和P.S.拉普拉斯为代表。

另一派认为太阳系是由 2个或 3个恒星发生碰撞或近距离吸引而产生的,称为遭遇说,持遭遇说的一派又称为灾变派。这派的代表最早是布丰(G.L.L.Buffon),以后是张伯伦(T.C.Chamberlin)和摩耳顿(F.R.Moulton),还有金斯(J.H.Jeans)Sir H.杰弗里斯等人。

这些地球起源假说主要是企图解释一些天文现象,如:

① 轨道规律性。大行星的轨道都几近圆形,轨道平面也和太阳赤道面很接近。而较小的行星轨道比较扁,轨道平面和太阳赤道夹角也比较大。类似的情况也存在于有规律的卫星系中。

② 两类行星。行星的性质明显地分成两类:类地行星或者叫做内行星(水星、金星、地球、火星)的质量小、密度大、卫星少;类木行星或者叫做外行星(木星、土星、天王星、海王星)的质量大、密度小、卫星多。

③ 角动量的分布。对太阳系来说,太阳的质量占整个太阳系质量的99%以上,但它的角动量却还不到太阳系的1%。以单位质量所具有的角动量而论,行星的比太阳要大得多。通过怎样一种作用才能使一个原来大致均匀的统一体系变成这样一个系统,是太阳系起源假说所必须回答的问题。但对于这些问题,传统的星云说很难解释。

传统的星云学说认为,太阳系是由气体和尘埃构成的星云坍缩而来的。太阳星云中的大部分气体和尘埃,坍缩成为太阳,残留的一小部分气体和尘埃,形成围绕太阳旋转的星云盘。在太阳星云盘中,又不断分化出小的涡旋。包括地球、水星、金星、火星在内的行星,是尘埃云中的小涡旋引力坍缩而形成的。

但是,如果太阳星云中只有气体和尘埃,星云只能弥散在宇宙空间,是无法凝聚和坍缩,也无法形成太阳的。即便由于某种原因,使得星云坍缩形成了太阳,周围遗留下来的气体和尘埃盘也无法形成小漩涡,即使形成了小漩涡,旋转不了几圈就会消散开来,是无法凝聚成行星的,科学家利用计算机进行模拟运算已经证实了这一点。

    系外成因说

无奈之下,人们提出了“系外成因说”,也叫“俘获说”。

这一派学说认为,绕太阳运动的行星和其他天体是在太阳系外的宇宙空间形成的,当这些天体运动到距离太阳适合位置时,被太阳捕获而成为绕太阳运动的天体。这种假说直接使用暴力,从太阳系外把行星抢夺过来,这样就避开了传统星云说在太阳星盘内难以形成的难题。但问题依然存在:同样的宇宙空间,行星是怎样在太阳系外的空间中形成的呢,它们又是怎样被太阳俘获的呢?要知道,俘获一个星球都很难,成群俘获难上加难。而近年来的天文观测显示,太阳系外其他恒星周围,存在行星系统是非常普遍的现象。对于满宇宙行星系统的存在,系外成因说没有普适性。

吸积模型

苏联地球物理学家斯米特(Otto Shmidt)于1944年提出:行星是一步一步地逐渐增大其体积的。根据斯米特的见解,宇宙尘埃聚集在一起成为颗粒,颗粒变成砾石,砾石变成小球,小球变成大球,再变成微行星(即星子),最后,星子合并形成行星。

到了20世纪60年代,人类开启了人造卫星时代,可直接探测的领域已扩展到行星际空间。行星形成问题的探索也进入到一个新的活跃阶段,阿波罗太空计划的有关研究成果改变了以往的观点。

对月坑的研究揭示出月球上的陨石坑是由于在距今约45亿年时大量天体的撞击而形成的,证明大约在45亿年前,太阳系中存在大量的陨石,它们不断汇集、掉落在星球上。这一研究结果使斯米特提出的吸积理论恢复了活力。

但这一理论仍旧存在问题。

一方面,根据斯米特的见解,尘团依次聚成颗粒、砾石、小球、大球、微行星、行星,在这个过程中,随着星体越来越大,它们的数目就会越来越少。其结果是,微星体(即陨石)之间碰撞的机会就减少,能够用于吸积的东西也越来越少,这意味着,为了集结成大行星,这一过程要进行很长的时间。由华盛顿卡内基研究所的韦瑟里尔(George .W. Wetherill)进行的模拟计算表明,一个直径10千米大小的天体,变成地球这样的天体,需要经过大约1亿年的时间。这里还没有包括那颗最初10千米的天体形成所需的时间。

另一方面,根据另外的计算机模拟计算,当太阳形成,尘埃盘中的气体蒸发,其中的尘埃进入新生太阳的引力场中,太阳星盘将会在大约100万到1000万年时间里消失。

这就产生了矛盾,如果像斯米特学说认为的那样,在太阳星盘中,由尘埃汇集成为星子,再由星子碰撞结合成为星体,这一过程至少需要耗时1亿年。而太阳系星盘却只能持续存在100万到1000万年,不能提供充足的时间来形成诸如地球一样的星球。

这使得科学家们有点无奈和不甘,所以又有人提出了“鹅卵石融合说”,来解释行星的形成过程。

鹅卵石融合说

这一新的学说,是在2018年5月,由瑞典隆德大学的天文学家迈克尔·兰布雷希茨和兰德大学天文学家安德斯·约翰森等人提出的。认为在我们太阳系早期,行星最快的形成方式可能是大量小型天体互相碰撞融合而成。

他们认为,在大约45亿年前,太阳系堪称是个充满行星幼儿的托儿所。在年轻的太阳周围,旋转着一个由太阳系诞生而留下的气体和尘埃构成的圆盘。环绕在轨道圆盘内的是星子(直径约1至100千米的岩石天体),以及直径约1000千米以上的原行星。这就好像一群不同大小的孩子被关进了同一个房间。

这就像所有的托儿所一样,这是个吵闹不堪的地方。星子呼啸而过,偶尔会碰撞融合到一起。花了几百万年的时间,这种学龄前的混乱才稳定下来,今天的大部分行星就此形成。

计算机模拟显示,在布满尘埃的圆盘内,有许多鹅卵石状小型天体会附着在不断壮大的原行星上。这些小天体迅速地结合在一起,使得原行星迅速成长为成熟的行星,就像一个孩子突然间获得足够的重量,成为一个成年人。这一理论被称为“鹅卵石融合假说”,正在重塑科学家们对早期太阳系形成的看法,它也开启了新的研究方向,比如探索行星如何围绕除了太阳外的其他恒星形成的。

在尘埃盘消失之前,最大的行星(比如木星和土星)会以某种方式聚集大约10个地球质量的核心。通过星子碰撞融合形成行星的时间太长了,因为星子通常会在没有被重力捕获的情况下,急速飞过婴儿行星。而小型鹅卵石天体很容易被原行星的引力捕获,它们的积累可以帮助在100万年左右的时间里形成一颗行星。

鹅卵石开始绕着更大的岩石天体旋转,很快就会与其表面相撞。每一次碰撞都增加一小部分质量。在这样的碰撞中,原行星会快速增长,达到直径1000千米以上,鹅卵石比星子的效率高1000倍。研究人员将这一研究结果上发表在2018年《地球与行星科学年鉴》上。

鹅卵石融合说有助于解释许多关于太阳系特性的问题。比如,现在环绕木星运行的美国宇航局“朱诺号”探测器发现,这个气态巨行星的核心比科学家预期的要大得多,也更分散。科学家认为,这可能意味着鹅卵石融合假说更加贴近行星真实的形成过程。这也是在尘埃盘消散之前,在可利用的时间内形成行星核心的唯一方法。

在太阳系之外,鹅卵石融合作用也解释了许多奥秘,比如行星在离恒星很远的距离形成。在飞马座中年轻的恒星HR 8799(距离地球约129光年),它有4颗比木星更大的行星,它们距离恒星的轨道距离是地球到太阳距离的68倍。相比之下,木星的轨道距离大约是地球到太阳距离的5倍。

“鹅卵石融合说”解决了此前不少棘手的问题,理论更加成熟和完善,但仍然存在一个大的问题,就是“鹅卵石”从哪里来的,最初的原行星又是从哪里来的?学说没有给出答案。

那么,地球究竟怎样形成的呢?

    地球诞生

关于这个问题,我们在前面的《新星之源》、《奇异物质》、《开天辟地》、《大道初具》等几个章节里,对“原始星核”的来源、特性,以及行星轨道规律性,两类行星有较大区别,太阳系角动量的分布等问题,已经有了较详细的解析。在这里我们重新描绘一下地球最初诞生时的景象:

约在46亿年以前,银河系中存在着一块气体和微尘组成的星云,科学家称之为“前太阳星云”。在这片太阳星云附近,发生了“超新星”爆炸,爆炸将若干块大小不等的“碎块”物质投送到这片星云中。太阳星云原本是一团尘埃、气体的混合物,而现在吸纳了上一代恒星“星命”结束时爆炸形成的固体碎块。固体碎块中混杂着“超重物质”和“奇异物质”。

“超重物质”是原本存在于白矮星相对表层的“超固态物质”,被爆炸抛射出来,体积有所膨胀,密度介于“超固态物质”和普通物质之间,我们称之为“超重物质”。“奇异物质”是原本存在于白矮星核心部位,由于爆炸的反冲作用,被压缩成为“中子态物质”。爆炸摧毁了整个星体,核心的“中子态物质”也被爆炸抛射出来,原本在白矮星内部受到的强大压力随即解除,体积发生膨胀,其中的部分“中子”蜕变为质子,整个碎块成为了巨大的“原子核”,我们称之为“奇异物质”。

这些“固体碎块”是形成天体早期骨干和中坚。其中较大的“碎块”我们称之为“原始星核”,也就是“鹅卵石融合说”中所谓的“原行星”,而小一些的“碎块”也就是“鹅卵石融合说”中的“鹅卵石”了。

近年来的天文观测,已经证实这样的“固体碎块”是存在的。天文学家利用射电望远镜,通过在电波中发光的方式测量了一些原行星尘埃盘中粒子,看到这些“固体碎块”在幼小的恒星周围运行。他们发现新生恒星的星盘中通常含有大量的鹅卵石天体,相当于数百个地球质量的物体慢慢向恒星漂移着。这一发现强有力地支持了我们的这一理论。

原始的太阳星云,在引力的作用下,以其中最大的一块为核心形成太阳系的中心。引力使得星云逐步收缩,形成自转。在它的引力收缩中,温度和密度都逐渐增加,尤其在自转轴附近更是如此。在星云的中心部分形成了原始的太阳。残留的部分物质围绕着太阳形成一个星云盘。

在宇宙中,一个中心天体外边围绕着一个盘状物,这种形态在不同尺度的天文观测中都是普遍存在的,例如星系NGC 4594,恒星MWC 349和土星系统都是这个样子。

    星云盘的物质不是太阳抛出来的,而是由原来的太阳星云残留下来的。因为行星上氢的两个同位素氘和氕的比值约为2×10^-5,同在星际空间的一样;但在太阳光球里,这个比值小于3×10^-7。这是因为在太阳内部发生着热核反应,氘大部分消耗掉了。星云盘是行星的物质来源,所以行星不是由太阳分出来的。太阳星云原含有“碎块”吸附不易挥发物质的颗粒,它们互相碰撞。在引力、离心力和摩擦力(可能还有电磁力)的共同作用下,原始“碎块”吸附尘埃物质将向星云盘的中间平面沉降,在那里形成一个较薄、较密的尘层。

星云盘中仍含有若干块大小不等的“原始星核”和“鹅卵石”,其中有一大一小两块“原始星核”相邻近。在万有引力的作用下它们纠缠在一起。在太阳系大星盘中,它们跟随星盘旋转,并不断与其他物质发生摩擦、吸积,在这一过程中,这一对纠缠一起的“原始星核”逐步稳定在离原始太阳一个天文单位附近,一个近圆形轨道上。它们以其中较大的那块为主,小块为仆,二者圈定了自己的小势力范围,形成涡旋,这就是我们的原始地球和月球。

46亿年前,原始地球和其他几个兄弟姐妹一起,随太阳形成一起诞生了,同时也开始了它的演化进程。

地球演化

地球演化大致可分为三个阶段:

    第一阶段为地球圈层形成时期。46亿年前诞生时候的地球与现在大不相同。根据科学家推断,地球形成之初是一个由炽热液体物质(主要为岩浆)组成的炽热的球。随着时间的推移,地表的温度不断下降,固态的地核逐渐形成。密度大的物质向地心移动,密度小的物质(岩石等)浮在地球表面,这就形成了一个表面主要由岩石组成的地球。

    原始地球的熔融状态,是由于“奇异物质”的放射性产生的热量和物质之间收缩碰撞产生的热量造成的。

    第二阶段为太古宙、元古宙时期。地球开始不间断地向外释放能量,由高温岩浆不断喷发释放的水蒸气、二氧化碳等气体,逐渐构成了非常稀薄的早期大气层---原始大气。随着原始大气中的水蒸气的不断增多,越来越多的水蒸气凝结成小水滴,再汇聚成雨水落入地表。就这样,原始的海洋形成了。

    第三阶段为显生宙时期。显生宙延续的时间相对短暂,但这一时期生物及其繁盛,地质演化十分迅速,地质作用丰富多彩,加之地质体遍布全球各地,广泛保存,可以极好的对其进行观察和研究,为地质科学的主要研究对象,并建立起了地质学的基本理论和基础知识。

    人类科学家已经能够大概重建地球过去有关的资料。太阳系的物质起源于45.672亿±60万年前,而大约在45.4亿年前,地球和太阳系内的其他行星开始在太阳星云--太阳形成后残留下来的气体与尘埃形成的圆盘状--内形成。通过吸积的过程,地球经过1至2千万年的时间,大致上已经成型。从最初熔融的状态,地球的外层先冷却凝固成固体的地壳,水也开始在大气层中累积。

与地球相伴形成的,还有我们夜空中美丽的月亮。有人认为,月亮形成的较晚,大约是45.3亿年前,一颗火星大小,质量约为地球10%的天体(通常称为忒伊亚)与地球发生致命性的碰撞。这个天体的部分质量与地球结合,还有一部分飞溅入太空中,并且有足够的物质进入轨道形成了月球,笔者不认同这一观点。我们将在后的《新月初照》一章中详述。

地球释放出的气体和火山的活动产生原始的大气层,加上小行星、彗星等天体携带来的水,使地球的水份增加,冷凝的水汇集产生海洋。

新形成的太阳光度只有太阳的70%,给地球提供的热量要比现在低一些。但是有证据显示,早期的海洋依然是液态的。这一矛盾称为“微弱年轻太阳谬论矛盾”。但也有人认为,当时地球初始大气中富含二氧化碳气体,二氧化碳气体产生的温室效应和太阳活动的组合,提高了地球表面的温度,阻止了海洋的凝结。

  通常认为,地球形成后,由于长寿命放射性物质的衰变和引力位能的释放,内部慢慢增温,以致原始地球所含的铁元素转化成液态,某些铁的氧化物也将还原。液态铁由于密度大而流向地心,形成地核(这个过程何时开始,现在已否结束,意见颇有分歧)。由于重的物质向地心集中,释放的位能可使地球的温度升高约2000℃。这就促进了化学分异过程,由地幔中分出地壳。地壳岩石受到大气和水的风化和侵蚀,产生了沉积和沉积岩,后者受到地下排出的气体和溶液,以及温、压的作用发生了变质而形成了变质岩。这些岩石继续受到以上各种作用,可能经受过多次轮回的熔化和固结,先形成一个大陆的核心,以后增长成为大陆。原始地球不可能保持大气和海洋,它们都是次生的。海洋是地球内部增温和分异的结果,但大气形成的过程要更复杂。原生的大气可能是还原性的。当绿色植物出现后,它们利用太阳辐射使水气(H2O)和CO2发生光合作用,产生了有机物和自由氧。当氧的产生多于消耗时,自由氧才慢慢积累起来,在漫长的地质年代中,便形成了主要由氮和氧所组成的大气。

              分离

    按照地球是由星际物质相互吸引、聚积而形成的假说,地球是由冷变热的。地球内部所具有的高温,是由于星云物质机械碰撞产生的热,以及地球内部放射性元素衰变产生的热。这一时期地球内部蕴藏有丰富的短半衰期的放射性同位素,它们应产生大量热能。在上述两种热能的作用下,原始地球不断增温,在其内部某个深度上首先达到物质发生熔融的程度,并开始物质按比重的分异。重者下沉,轻者上浮。

              地壳形成

    比重大而熔点低的铁、镍等元素最先分离出来并向地心集中,导致形成地核。在重力分异过程中,还伴随着物质的位能向热能转化。因而,地内上层的岩石也相继发生熔融,结果,较轻的铁镁硅酸盐物质向上集中,导致原始地幔形成。原始地幔的表层同时在失热,变硬,遂形成坚硬外壳,这就是原始地壳。由上述可见,这一时期物质的热状态及与之相关的重力分异作用,在形成地球内部的层圈构造中,具有决定性意义。

    地球结构

地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150千米处。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈,主要用地球物理的方法,例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近,各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。

                  岩石圈

    对于地球岩石圈,除表面形态外,是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成,从固体地球表面向下穿过地震波在近33千米处所显示的第一个不连续面(莫霍面),一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一,平均厚度约为100千米。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系,因此,岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。由于洋底占据了地球表面总面积的2/3之多,而大洋盆地约占海底总面积的45%,其平均水深为4000~5000米,大量发育的海底火山就是分布在大洋盆地中,其周围延伸着广阔的海底丘陵。因此,整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋盆地与大陆台地组成,对它们的研究,构成了与岩石圈构造和地球动力学有直接联系的"全球构造学"理论。

                软流圈

    在距地球表面以下约100千米的上地幔中,有一个明显的地震波的低速层,这是由古登堡在1926年最早提出的,称之为软流圈,它位于上地幔的上部即B层。在洋底下面,它位于约60千米深度以下;在大陆地区,它位于约120千米深度以下,平均深度约位于60~250千米处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。也就是由于这个软流圈的存在,将地球外圈与地球内圈区别开来了。

               地幔圈

    地震波除了在地面以下约33千米处有一个显著的不连续面(称为莫霍面)之外,在软流圈之下,直至地球内部约2900千米深度的界面处,属于地幔圈。由于地球外核为液态,在地幔中的地震波S波(横坡)不能穿过此界面在外核中传播。P波(纵坡)曲线在此界面处的速度也急剧减低。这个界面是古登堡在1914年发现的,所以也称为古登堡面,它构成了地幔圈与外核流体圈的分界面。整个地幔圈由上地幔(33~410千米)、下地幔层(1000~2700千米深度)和下地幔层(2700~2900千米深度)组成。地球物理的研究表明,层存在强烈的横向不均匀性,其不均匀的程度甚至可以和岩石层相比拟,它不仅是地核热量传送到地幔的热边界层,而且极可能是与地幔有不同化学成分的化学分层。

              外核液体圈

    地幔圈之下就是所谓的外核液体圈,它位于地面以下约2900-5120千米深度。整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的,其中2900至4980千米深度称为E层,完全由液体构成。4980-5120千米深度层称为F层,它是外核液体圈与固体内核圈之间一个很簿的过渡层。

              固体内核圈

地球八个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了,它位于5120~6371千米地心处,又称为G层。根据对地震波速的探测与研究,证明G层为固体结构。地球内层不是均质的,平均地球密度为5.515克/厘米^3,而地球岩石圈的密度仅为2.6~3.0克/厘米^3。由此,地球内部的密度必定要大得多,并随深度的增加,密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计,在100千米深度处温度为1300°C,300千米处为2000°C,在地幔圈与外核液态圈边界处,约为4000°C,地心处温度则在6000°C以上。

内内核

固体内核里面存在一个“内内核”,哪里的物质应该是地球上最重的物质构成的,比我们通常认为的重金属元素比如铁镍等还要重的多,应该是我们称之为“奇异物质”和“拆中物质”的特殊物质占据其中。

    大气圈

    地球大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层,它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界,在2000~1.6万千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下,土壤和某些岩石中也会有少量空气,它们也可认为是大气圈的一个组成部分。地球大气的主要成份为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04%比例的微量气体。地球大气圈气体的总质量约为5.136×10^21克,相当于地球总质量的0.86%。由于地心引力作用,几乎全部的气体集中在离地面100千米的高度范围内,其中75%的大气又集中在地面至10千米高度的对流层范围内。根据大气分布特征,在对流层之上还可分为平流层、中间层、热成层等。

        水圈

    水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等,地球表面71%的面积被水覆盖,它是一个连续但不很规则的圈层。从离地球数万千米的高空看地球,可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋,它使地球成为一颗"蓝色的行星"。地球水圈总质量为1.66×10^24g,约为地球总质量的1\3600,其中海洋水质量约为陆地(包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中)水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏,那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合,组成地表的流体系统。

          生物圈

由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物,在地球上这个合适的温度条件下,形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物,是指有生命的物体,包括植物、动物和微生物。据估计,现有生存的植物约有40万种,动物约有110多万种,微生物至少有10多万种。据统计,在地质历史上曾生存过的生物约有5~10亿种之多,然而,在地球漫长的演化过程中,绝大部分都已经灭绝了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部,构成了地球上一个独特的圈层,称为生物圈。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。

   陨石

    地球上另一重要线索是陨石。陨石是来自地外空间的天体碎片,年龄和地球是同量级的,可能与地球同一来源。陨石有多种类型,最常见的一类叫做球粒陨石。它的化学成分,除了容易挥发的元素外,与太阳光球中的元素成分或地球的估计成分很接近,但也有几种元素,与球粒陨石相比,地球上显得奇缺。正是通过这种差异并与其他的内行星作比较,地球化学家对地球的形成机制和演化作出了重要的贡献。

             自转

    地球存在绕自转轴自西向东的自转,平均角速度为每小时转动15度。在地球赤道上,自转的线速度是每秒465米。天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。人们最早利用地球自转作为计量时间的基准。自20世纪以来由于天文观测技术的发展,人们发现地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用,地球自转中的各种变化相继被发现。天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。

    地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化,月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。周年周期变化,也称为季节性变化,是20世纪30年代发现的,它表现为春天地球自转变慢,秋天地球自转加快,其中还带有半年周期的变化。周年变化的振幅为20~25毫秒,主要由风的季节性变化引起。半年变化的振幅为8~9毫秒,主要由太阳潮汐作用引起的。此外,月周期和半月周期变化的振幅约为±1毫秒,是由月亮潮汐力引起的。地球自转具有周日和半周日变化是在最近的十年中才被发现并得到证实的,振幅只有约0.1毫秒,主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。    

         公转

    地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道半长径为149597870千米,轨道的偏心率为0.0167,公转的平均轨道速度为每秒29.79千米;公转的轨道面(黄道面)与地球赤道面的交角为23°27',称为黄赤交角。地球自转产生了地球上的昼夜变化,地球公转及黄赤交角的存在造成了四季的交替。

    从地球上看,太阳沿黄道逆时针运动,黄道和赤道在天球上存在相距180°的两个交点,其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点,称为春分点,与春分点相隔180°的另一点,称为秋分点,太阳分别在每年的春分(3月21日前后)和秋分(9月23日前后)通过春分点和秋分点。对居住的北半球的人来说,当太阳分别经过春分点和秋分点时,就意味着已是春季或是秋季时节。太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点,与之相差180°的另一点称为冬至点,太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。同样,对居住在北半球的人,当太阳在夏至点和冬至点附近,从天文学意义上,已进入夏季和冬季时节。上述情况,对于居住在南半球的人,则正好相反。

              我们的地球家园,就这样成型了,但它远远没有沉寂下来,在地球内部,仍然存在暗流涌动。    

作者:杨建立 录入:杨建立 来源:原创
 

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