《中國大百科全書（第2版）》讀書筆記8718-地球

2022年09月13日09:40:03 科學 1920

地球 Earth

太陽系八個行星之一，按離太陽由近及遠的次序為第三顆。是人類所在的行星。它有一個天然衛星——月球，二者組成一個天體系統——地月系統。

地球大約有46億年的歷史。不管是地球的整體，還是它的大氣、海洋、地殼或內部，從形成以來就始終處於不斷變化和運動之中。在一系列的演化階段，它保持着一種動力學平衡狀態。

1.自轉和公轉

1543年，N.哥白尼在《天體運行論》一書中首先完整地提出了地球自轉和公轉的概念。此後，大量的觀測和實驗都證明了地球自西向東自轉，同時圍繞太陽公轉。

1851年，法國物理學家傅科在巴黎成功地進行了一次著名的實驗（傅科擺試驗），證明地球的自轉。

地球自轉周期約為23時56分4秒平太陽時（恆星日）。地球公轉的軌道是橢圓的，公轉軌道的長半徑為149597870千米（1天文單位），軌道偏心率為0.0167，公轉周期為1恆星年（365.25個平太陽日），公轉平均速度為每秒29.79千米，黃道與赤道交角（黃赤交角）為23°20′。

地球自轉和公轉運動的結合產生了地球上的晝夜交替、四季變化和五帶（熱帶、南北溫帶和南北寒帶）的區分。

地球自轉的速度是不均勻的，有長期變化、季節性變化和不規則變化。同時，由於日、月、行星的引力作用以及大氣、海洋和地球內部物質的各種作用，使地球自轉軸在空間和地球本體內的方向都產生變化，即歲差和章動、極移和黃赤交角變化。

2.形狀和大小

希臘哲學家亞里士多德（前384～前322）根據月食時月球上地影是一個圓，首次科學地論證地球應是圓球形狀。

另一位希臘地理學家埃拉托色尼（約前276～約前194）成功地用三角測量法定了阿斯旺和亞歷山大城之間的子午線長度。

中國唐代南宮說於724年在今河南省選定同一條子午線上的13個地點進行大地測量，經天文學家一行（683～727）歸算，求出子午線1°的長度。

現在，根據大地測量、重力測量、地球動力測量和空間測量的綜合研究，在國際天文學聯合會公布的天文常數系統中，地球赤道半徑為6378千米，扁率為1/298。

地球不是正球體而是三軸橢球體，赤道半徑比極半徑約長21千米。地球內部物質分佈的不均勻性，致使地球表面形狀也不均勻。

地球質量（包括大氣圈等）為千克，地球體積為立方米，平均密度為5.52克/立方厘米。

3.海陸分佈與演變

地球表面的形態是複雜的，有綿亘的高山，有廣袤的海盆以及各種尺度的構造。大陸上的最高處是珠穆朗瑪峰，海拔達8844.43米，最低點為死海，湖面比海平面低416米；海底最深處馬里亞納海溝，深度達到11034米。

地球的總表面積為平方千米，其中大陸面積約為平方千米，約佔地表總面積的29％。

地球是太陽系中唯一在表面和深部存在液態水的星體。海洋面積約為平方千米，約佔71％。海面之下，大陸有一個陡峭的邊緣。

以平均海平面為標準，地球表面上的高度統計有兩組數值分佈最為廣泛：一組在海拔0～1000米之間，佔地球總面積的21％以上；另一組則在海平面以下4000～5000米之間，佔22％以上。

在地球表面水的總量約為立方千米，其中淡水為立方千米，只佔總水量的2.5％。

洋底岩石年齡小於2億年，比陸地年輕得多，陸地上到處可以找到沉積岩，說明在地質時期這些地方可能是海洋。

1912年A.魏格納提出大陸漂移說，認為海洋和大陸的相對位置在地質時期是變化的。

20世紀60年代初H.H.赫斯和R.S.迪茨提出海底擴張說，認為全球洋盆演化是洋底擴張的結果。

此後板塊構造說進一步解釋了地球的運動。板塊分裂造成大洋的形成，整個洋底在2億年左右更新一次；板塊擠壓運動形成巨大的山系，如阿爾卑斯山、喜馬拉雅山等。

4.結構和組成

地球是有生命的行星，它由不同物質和不同物質狀態組成的圈層構成，即由固體地球、表面水圈、大氣圈和生物圈所組成。

隨着科學的發展，它們分別成為固體地球物理學、地質學、海洋科學、大氣科學和生物學主要研究的對象。

4.1.地球內部結構

根據地震波速度觀測的結果，發現地球內部存在全球範圍的速度間斷面（如莫霍界面、古登堡界面和萊曼界面等）。用這些間斷面可將地球分成不同的圈層。

20世紀80年代，地震層析成像的研究發現地球內部結構有很大的橫向非均勻性，但總體上是徑向分層的。主要分成地殼、地幔和地核三個圈層。

① 地殼。固體地球的最上層部分，其底部界面是莫霍面。大陸地殼和海洋地殼有明顯的不同，而不同地區大陸地殼厚度相差也很大，從20多千米到70多千米；海洋地殼僅幾千米。地殼還可進一步分成不同的層，橫向變化也很大。

② 地幔。地殼下由莫霍面到古登堡面之間的部分。地幔可以進一步分為許多層。目前已確定的全球性間斷面有410千米間斷面，是山橄欖石到β尖晶石的相變形成；660千米間斷面，是由尖晶石到鈣鈦礦和鎂方鐵礦相變形成，660千米間斷面是上、下地幔的分界面。

③ 地核。地心到古登堡界面之間的部分，又可分為外核和內核兩部分，它們之間的分界面為萊曼界面，深度在5149.5千米。地核主要由鐵、鎳及少量的硅、硫組成。外核為液態，內核為固態。

4.2.地球內部物質組成

地震波的速度和物質密度分佈提供了研究地球內部物質組成的約束條件。地核有約90％是由鐵鎳合金組成。但還含有約10％～20％的較輕物質，可能是硫或氧（但也有人認為地核含有21％的硅，11％的硫，7％的氧）。

上地幔的主要礦物是橄欖石、輝石和石榴子石。在410千米的深處，橄欖石相變為尖晶石的結構，而輝石則相變為石榴子石。在520千米的深度，β尖晶石變為了尖晶石，輝石分解為尖晶石和超石英。在660千米深度下，這些礦物都分解為鈣鈦礦和氧化物結構。

在下地幔，礦物組成沒有明顯的變化，但在地幔最下的200千米中，物質密度有顯著增加。這個區域是否有鐵元素的富集還是一個有爭議的問題。

地殼中的岩石礦物是由地幔物質分異而成的。

4.3.地球總體成分

可通過兩種途徑求得。其一根據地球各圈層的密度、質量分配以及對地幔成分和地核成分的基本假設進行近似的估算。另一種是基於地球起源學說以及對隕石比較研究的結果，選擇特定類型隕石的成分作為建立地球總體模型的基礎。

由於大氣、海洋只佔地球總質量的0.03％，地殼只佔不到總質量的1％，所以地球的總體成分基本上決定於地幔和地核。

1982年R.G.梅森假設地核的鐵鎳合金具有球粒隕石金屬相的平均鐵、鎳成分，地核金屬相佔地球總質量的27.10％；據球粒隕石金屬相中還含有一定成分的隕硫鐵，計算出地核中含FeS總量為地球總質量的5.3％。

而地幔加地殼的成分與球粒隕石硅酸鹽相的平均化學含量相同（硅酸鹽加少量的磷酸鹽和氧化物），其質量為地球總質量的67.60％。據此梅森計算得到地球成分見表2。

表2中地球總體平均化學成分的數據儘管不夠精確，但是已說明了一些重要的問題。

地球質量的90％是由Fe、O、Si和Mg四種元素組成。含量超過1％的其他元素為Ni、Ca、AI和另外7種元素Na、K、Cr、Co、P、Mn和Ti的含量介於0.1～1％之間。

由此可知地球物質組成的某些特點。首先，由於元素與氧的不同親和力（根據氧化物的生成自由能），氧化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈉和氧化鈣先於氧化亞鐵而形成，在氧不足的條件下，絕大部分的鐵和鎳將呈金屬狀態存在。各種氧化物將結合成為硅酸鹽，例如氧化鎂和二氧化硅結合成（輝石），或者形成（橄欖石）。

當達到一定的重力平衡狀態，絕大部分緻密物質向地心集中，並發生分層作用，形成緻密的金屬核和密度較小的硅酸鹽地幔。

丰度低的元素受到各種地球化學作用制約而在地球各圈層之間進行分配，如鉑、金等傾向於同金屬鐵結合集中到地核，而親氧元素鈾等則同較輕的硅酸鹽組合而集中在地球上部。

其次，可以合理地設想，地球曾經被加熱達到全部或部分熔融的狀態，低熔點的揮發性組分（水、二氧化碳、氮、氬）逸出，形成大氣圈。

地幔中富含二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈉和氧化鉀的易熔和較輕的物質上升到表層如地殼。

因此，早期的地球分離為地核、地幔、地殼、海洋和大氣等層圈構造。已有的證據表明，約在40億年以前，地球就已經接近於現在的層狀結構狀況。

4.4.水圈

地球表層水體的總稱地表的自由水有97.3％形成海洋，另有2.1％以冰的狀態固結在兩極。其餘部分則以河流、湖泊及地下水的形式存在。

大量液態水的存在是地球的一大特點。

海水平均含溶解的鹽類約佔海水總質量的0.35％，主要為氯化鈉，具弱鹼性。雨水及河水中的溶解物不多，大部分為碳酸氫鈣，而略呈酸性。雨水可由工業廢氣中獲得二氧化硫，成為酸雨。河水每年平均可由其流域中每平方千米帶走100噸的物質，其中約20％在溶液中。

水圈與地殼的上部有較大程度的重疊。地下水可以環流到地殼內數千米的深度，受熱並與岩石發生反應再回到地面。陸地上火山活動地區常有熱泉及其他地熱現象。在洋脊也有相似的熱水活動，在噴出含有金屬硫化物的黑煙囪處，溫度可達300℃，且有生物群生存在這種環境中。

4.5.大氣圈

地球外部的氣體包裹層。它與水圈相互作用。

太陽的熱能使海水蒸發，凝結成雲，形成降水。陸地上的降水，形成徑流，由地面或地下返回海洋。

由地面至約15千米高度的大氣層為對流層，其上至50千米高度的大氣層為平流層由平流層頂面向上至80～85千米為中間層。更向上到500千米左右高度為熱層。500千米高度以上為外逸層。

大氣圈的溫度高度而變化，對流層內溫度隨高度而降低。向上在20～50千米之間溫度又有所增高。在中間層內溫度又隨高度的增加而降低，最低可達-100℃。在熱層內溫度又隨高度的增加而增加。外逸層是等溫的。

大氣圈主要成分為氮、氧、氬、二氧化碳、水蒸氣等。底部100千米範圍內成分穩定。大氣密度在地面大約為1.2千克/立方米，在100千米高度降為千克/立方米。在距地表10～50千米為臭氧層，此層中臭氧雖屬次要成分，但可以吸收來自太陽的大部分紫外線輻射。

根據大氣電離特性，大氣圈可分成中性層、電離層和磁層。

地表至60千米左右為中性層，由中性氣體組成，一般情況下帶電離子少。

在大氣圈中60～500千米（或1000千米）高度範圍內為電離層。其中由於電離作用而使部分原子和分子帶電，形成離子與自由電子共存的狀態。電離層的電子濃度大致由平流層開始，到中間層隨着高度的增加而增大，在熱層達到最大值，再向外即與外逸層重疊。

電離層之外為磁層，即地球磁場影響的最外部分，離地面高度1000千米至數千千米。磁層中離子化最完全，致使形成等離子體，並受地球磁場的影響。在3000千米及1500千米高度上被地磁場捕獲的帶電粒子具有特高的強度，形成范艾倫輻射帶，它連同磁層的其他特點是人造衛星用於太空探測以來的新發現。

4.6.生物圈

地球上有生命存在的特殊圈層。它包括大氣圈的下部，岩石圈的上部和整個水圈。

生物圈的成分、結構、動力學和空間分佈的最重要特徵是由活的有機體的活動決定的。這裡有大量液態水，有來自太陽的充足的能量，有介於物質的液態、固態、氣態之間的界面。

在這裡，生物之間、生物與環境之間相互作用，進行着物質、能量和信息交換，地球物質進行着生物地球化學循環，從而形成生物圈物質運動的不斷發展過程。

5.地球重力場

地球重力作用的空間。作用在地球表面上的重力是地球質量產生的引力和地球自轉產生的慣性離心力共同作用的結果。

離心力對重力的影響隨緯度的不同而呈有規則的變化，在赤道最強。同時，由於地球不同部位的密度分佈不均，也會引起重力的變化和異常。因此，重力異常可以提供地球不同部分密度變化的信息。

6.地球磁場和磁層

地球具有磁性，它周圍的磁場猶如一個位於地心的磁棒（磁偶極子）所產生的磁場。這個從地心至磁層邊界的空間範圍內的磁場稱為地磁場。

地磁場是非常弱的磁場，其強度在地面兩極附近最強，還不到1高斯；赤道附近最弱處通常將地磁場看成是一偶極磁場，連接南北兩極的軸線稱為磁軸，目前磁軸與地軸的交角大約11°。磁軸與地面的交點稱為地磁極，磁極的位置具有長期變化，目前北磁極的坐標在北緯78.5°、西經69.0°附近。

實際上地磁場的形態是很複雜的，它有顯著的時間變化。變化可以分為長期的和短期的。地磁場長期變化來源於地球內部的物質運動；短期變化來源於電離層的潮汐運動和太陽活動的變化。

電離層中的電流體系可引起地磁場的日變化，極區高層大氣受帶電粒子的衝擊而產生極光和磁暴。太陽和地球中間有稱為太陽風的等離子體。地球磁場在向太陽的一面受太陽風的作用而壓縮，在背太陽的一面則被拉伸，從而使地球磁場在地球周圍被局限在一個狹長的稱為硭層的區域內。

由此可見，磁層是在地球周圍被太陽風包圍，並受地磁場控制的區域。磁層的外邊界則稱為磁層頂邊界層。

磁場的強度和方向不僅因地而異，也因時間不同而有變化。在地質歷史時期磁極曾多次倒轉。

地磁場主要起源於地球內部，來自空間的成分不足總量的1％。地球磁場的起源和它在地史期間的變化，與地核的結構和物質的相對運動所產生的電流有關。

地球磁場的存在使地球免受太陽風的直接影響，磁層的存在對大氣的成分和地面氣候起重大的作用，並因此而影響到地球上生命的發展。

7.地球內部溫度和能源

地面從太陽接收的輻射能量每年約有@%￥#￥……%￥焦，但絕大部分又向空間輻射回去，只有極小一部分影響地下很淺的地方。淺層的地下溫度梯度約為深度每增加30米，溫度升高1℃，但各地的差別很大。由溫度梯度和岩石的熱導率可以計算熱流。由地面流出的總熱量為瓦。

地球內部的一部分能源來自岩石所含的鈾、釷、鉀等元素的放射性同位素。估計地球現在由長壽命的放射性元素所釋放的熱量約為瓦，少於地面熱流的損失。放射性生熱少於地球的熱損失可能有使地球逐漸變冷的趨勢。

另一種能源是地球形成時的引力勢能。假定地球是由太陽系中的瀰漫物質積聚而成的，這部分能量估計有焦，但在積聚過程中有一大部分能量消失在地球以外的空間，有約焦的一小部分能量，由於地球的絕熱壓縮而積蓄為地球物質的彈性能。

假設地球形成時最初是相當均勻的，以後才演變成為現在的層狀結構，這樣就會釋放出一部分引力勢能，估計約為的焦，這將導致地球的加溫。

地球是越轉越慢的，地球自形成以來，旋轉能的消失估計大約有焦，還有火山噴發和地震釋放的能量，但其數量級都要小得多。

地面附近的溫度梯度不能外推到幾十千米深度以下。地球內部自有熱源，所以地下越深則越熱心地下深處的傳熱機制是極其複雜的。

在岩石層，傳熱的主要機制是熱傳導；而在地幔及外核，主要的傳熱機制是熱對流，當然，這其中還包含其他的傳熱機制。

根據其他地球物理現象的考慮，地球內部某些特定深度的溫度是可以估計的：在100千米的深度，溫度接近該處岩石的熔點，約為1100～1200℃；在410千米和660千米的深度，岩石發生相變，溫度各約在1400℃和1700℃；在核幔邊界，溫度在鐵的熔點之上，但在地幔物質的熔點之下，約為3400℃；在外核與內核邊界，溫度約為4600℃，地球中心的溫度約為4800℃。

有了這些特定深度的溫度估計，就可以根據主要的傳熱機制推論球對稱地球模型下的溫度分佈。地球內部溫度的分佈對研究地球的演化和運動是極其重要的，是迫切需要解決的問題。

8.地球年齡

根據用多種同位素年代學方法測定隕石、月球和地球古老岩石的結果發現，太陽系各天體形成的年嶺比較接近，形成先後的時間間隔約為1億年，因此各種宇宙年代學測定的天體物質的年齡結果可以互相對比，並提高其可靠性。

目前測得太陽系元素的合成年齡為62億～77億年，太陽星雲凝聚成各行星，包括地球的年齡為45.4億～46億年。應用同位素地球化學定年方法還給出了地球演化歷史中各地質時期的精確的時間坐標。

9.地球上生命起源和發展

地球是太陽系中唯一存在生命和人類活動的行星。地球上原始生物藍藻、綠藻遺迹在年齡為35億年的岩石中即有所發現。

雖然地球上生命起源的問題並沒有解決，但是大概可以追溯到40億年前。地球早期的大氣成分主要由水、二氧化碳、一氧化碳和氮氣，以及山火山噴發出其他氣體組成，在此情況下，生命必須由無氧的環境中開始，而氧進入大氣則被認為是由於生物活動的結果。