第九章 太阳系的成员（4）
四、地球
地球是人类世世代代生活的故乡，从远古时代开始，人们就在想尽各种办法了解这个令人有点“莫明其妙”的家乡了。为什么陆地上高山连绵、江河奔流！为什么又有无边无际的大海、波浪滔天?为什么寒来暑去季节如期更换?为什么黑夜白昼定时更替从不间断？为什么……，这些为什么，经过了几千年的摸索，一直到近百年才逐渐搞清楚。当然，直到现在，我们还不能说对地球的一切都已经了如指掌了，不过，与其他星球相比，恐怕是知之最详的了。
1.地球形成
大约46亿年以前，地球由星际尘埃物质积聚形成时，仅仅是一团温度很低、密度不大的团聚物，我们把它叫做原始地球。原始地球的周围也有一层以氢和氦为主要成分的大气，不过由于地球初期的引力还非常小，在太阳风的冲击下，很快就被“吹”得无影无踪了。这时，地球又完全裸露在宇宙空间之中，无论从哪个角度来看，那时的地球都不能和现在的地球相比。
若干年以后，由于地球自身收缩而产生的引力能以及放射性物质的蜕变，内部温度不断增高，当内温达到1500—2000℃左右，超过了铁的熔点时，原始地球发生了一次极为重要的分化和改组。比重较大的铁和它的伴生元素沉向地球中心，形成一个致密的地核。一些较轻的元素，如钾、钠、硅、铝以及被“挤”出来的放射性元素铀和钍等则浮向上部，分化成地幔和地球的外壳。经过这场大规模的元素迁移，最终把地球分成了三个圈层——地壳、地幔和地核。这种内部增温的结果，不仅分化了地球的层次，而且促进了火山活动和地壳表面的造山运动。这些巨大的变迁，为最终塑造出今天人们见到的各种地貌形态奠定了最原始的基础。随着这些巨大的变迁，一直被禁锢在地球物质中的各种气体也大量泄溢出来。由于这时地球的引力已增加到足以“拉”住它们，因此，除了最轻的元素，如氢、氦等还是照样“逃之天天”之外，一些如甲烷，氨和水汽等再一次在地球的外层围聚成一个原始大气圈。这时的大气层是无氧的，它的基本成分和现在的天王星、海王星的大气差不多。
在距今约37至22亿年以前，即地质历史上所称的“太古代”，逐渐变冷的地表，使大气层中的水汽开始凝结成雨，不断落向地面。同时，强烈的火山活动形成的岩浆喷发，也释放出大量的水汽，这些水分后来都积聚在地表比较低凹的部分而形成了江河湖泊和广阔的海洋。从此，地球上出现了孕育生命的摇篮——水。那时的海洋面积比现在更加广阔得多，除了一些规模不大的岛屿突出在海面上以外，地球上到处都是深浅多变的海水。
随着降雨和河流搬运而来到海洋中的各种无机盐类和有机物，经过复杂而频繁的接触，一些如氨基酸、蛋白质、核酸等原始有机体在海洋中出现了。到了距今约20亿年前的元古代，一些温暖的海水里，出现了藻类样的极为低等的植物，这个划时代的跃进，使地球从此跨入了有生命的崭新的世界。
也许人们会问：为什么在太阳系中，只有地球演进出生命呢?这个涉及天体演化的复杂问题，迄今还是许多科学家正在探索的目标。近十年来，随着宇航技术的发展，人类已经开始到其他星球上去寻找答案了，不断飞向金星、火星、土星、木星……的探测器，其中一项重要的任务就是要弄清楚其他行星的各种条件，对照一下为什么走上了和地球完全不同的道路。航天器送回的资料告诉我们，火星上似乎也有过水，甚至还出现过河流的痕迹。有的科学家还怀疑它也出现过类似地球几亿年前的那种自然环境。如果真是这样，为什么一下子全都烟消云散了呢?这些与地球光、热条件相差不大的星球，究竟是昨天的地球，今后还会慢慢赶上来呢?还是明天的地球，给我们展示了一个可怕的前途?这些悬而未决的棘手问题，正等着人们去寻求一个圆满的答案。
2.地球形状
地球是什么形状的？
对于这个问题，古人凭着直观感觉，认为天是圆的，地是方的，天像一顶帽子罩在大地上空。
但是，古希腊人认为地球是圆的。公元前350年左右，亚里斯多德曾经证明地球是圆的，他的证据是：一个人从南向北或从北向南行走时，总有星星在他前面地平线上升起来，同时也一定有星星在他身后没入地平线；在大海里航行的船只，向我们驶来时，总是先见船桅，后见船身，离我们远去时，总是船身先没，船桅后没；在月食的时候，不论月亮在什么位置，月面上的地球影子总是圆的。
可是在很长的时间内，地球是圆形的观点不能为人们所接受。在欧洲最黑暗的中世纪，教会势力很大，道院很风行，连世袭的国王都要听命于它。教会认为大地是平坦的，谁还敢说地球是圆的?
但是，生产的发展和科学技术的进步，毕竟能开阔人们的眼界。16世20年代，麦哲伦完成了环绕地球的旅行。环球旅行的成功，使人们的认识能力大大提高了一步。因为这从实践上证明了地球是圆形的。
1673年，一个意外的现象使人们对地球形状的认识前进了一大步。这一年，一支法国考察队到南美洲北岸靠近赤道的地方去考察。到了南美洲后，他们发现，带去的摆钟比在法国变慢了，一昼夜慢了2分28秒。
这一现象被英国科学家牛顿知道后，很快就根据万有引力定律和钟表定律，意识到这是欧洲和赤道附近地球对地面物体吸引力不同的缘故。越靠近赤道，地球对地面物体的吸引力越小。这就是说，越靠近赤道，物体转得越快，地面凸出越多，地球的半径也就越大。由此看来，地球不是一个规则的球体，而是赤道地区鼓出了一点。后来的测量表明，这一推测是正确的。
精确测量指出，地球的赤道半径是6378公里，极半径是6357公里，两者相差21公里。
空间科学出现以后，首先提到议事日程上的便是测量地球的形状。美国的“先锋1号”和“先锋2号”都测量过地球的形状。过去，曾有人说地球像鸭梨或鸡蛋，在宇宙飞船上看，它们都不像，而像一个很圆的球。不过，这个球不是很规则的，而是有的地方鼓出来，有的地方凹下去，并且赤道两边鼓出的部分也不相同。赤道以南某些地点鼓出的程度比赤道以北一些地点高7.6米，而南极到地球中心的距离比北极还短15.2米。
因此，地球既不是规则的圆球，也不像雅梨和鸡蛋，而是近乎球形的不规则球体。
3.地球数据
地球是围绕太阳运转且距太阳较近的第三颗行星，如果按大小来说，在太阳大家族中排行老五。
地球在距太阳平均约1.5亿公里的椭圆形轨道上绕太阳公转，每年运行一圈。地球在轨道上位置不同，运行的速度不相同，平均速度是每秒29．8公里。地球在轨道上位置不同，到太阳的距离也不相同。每年1月3日前后，日地距离最短，等于14710万公里，这一点叫做近日点。每年7月4日左右，日一地距离最长，等于15210万公里，这一点叫远日点。
地球的自转轴线与公转轨道平面之间有一个66°33′的倾斜角。这和我们用铅笔写字时笔与纸的角度差不多，并且地轴几乎始终对着北极星。因此，南北半球受太阳照射的情况都在不断变化，当北半球朝向太阳，太阳光直射北回归线附近时，北半球获得的热量多，就是夏天，南半球刚好是冬天。当地球运转到轨道的另一侧时，南半球又朝向太阳，变成夏天，这时北半球就成了冬天。这就是一年四季的由来。因此，我们说，正是地球绕日公转和地轴倾斜这两个因素，构成了地球上的四季更替。
地球在公转的同时，还象陀螺一样，一刻不停地在由西向东自转。自转一周需要23时56分4秒，正是这种自转带来了昼夜交替，我们称为一天。自转的结果，使地球和其他行星一样，并不是一个标准的正球体，而成为两极扁平、赤道部分略为突出的椭球。作为地球上的某一固定点来说，这种自转，在地面上产生的线速度是非常惊人的，在赤道上达到每秒钟464米，它所造成的惯性离心力，使地球上的好多现象，比如，在北半球，所有的河流总是右岸比左岸冲刷得厉害一些，甚至双轨铁路的右轨也比左轨磨损得快等等。过去，很长一段时间里，人们不知道这是为什么，后来终于知道了，这正是地球自转造成的。如果我们向深井的中心投下一个石子，这时发现，石子决不会竖直掉下去，一定会偏向井底的东侧。并且每下降100米，就向东偏32.5毫米。
从大小、质量来看，地球在八大行星中恐怕是测量得最精确的了，由于人造卫星测量的精度已经达到使纽约至伦敦间的距离误差不大于100米，因此，人们现在准确地面道，地球的平均半径为6378公里。知道了半径，也就知道了地球的赤道周长为40075．696公里，从而算出地球的总面积约5亿1000万平方公里。根据万有引力定律，地球的“重量”已秤得相当准确了——60万亿亿吨。从这些数字来看，地球在太阳系的行星中，除了水星、金星和火星以外，其他行星都比它大得多。
4.地球结构
在地球5.l亿平方公里的表面积上，陆地面积只占29．2％，还不到1．5亿平方公里，而70．8％的面积都被海洋占据着。陆地面积的五分之一是沙漠或半沙漠。
世界上最高的地方是我国与尼泊尔边界上的喜马拉雅山脉主峰珠穆朗玛峰，高出海平面8848米，被称为世界屋脊。太平洋西部的马利亚纳海沟是地球上最低的地方，低于海平面11022米。
上个世纪末，科学家利用地震时发出来的地震波，确定了地球的密度，根据这个密度推算出地球内部物质分布情况，从而提出了大家公认的地球内部结构：在地球核心部分是密度大于每立方厘米8克的地核；在地核上面是一层密度为每立方厘米3～4克的地幔；在地幔上面便是由岩石组成的地壳。
地壳是地面之下的一个薄层，平均厚度30多公里，有的地方厚，有的地方薄。在青藏高原上，地壳厚到65公里以上，而在海洋底下，只有5～8公里。地壳的表面由岩石和土壤组成，这是一个岩石圈。由放射性方法测定，构成地壳的岩石年龄不到20亿年，而地球年龄已经46亿年了。这表明，现在的地壳不是原始的地壳，而是后来形成的。具体地说，是地球内部物质通过火山爆发和造山运动形成的。
从地壳内边缘至离地面大约2900公里的深处是地幔。它也呈固体状态，也是岩石组成的。这是地壳和地核之间的过渡层，密度也带有过渡性质：在地壳附近是每立方厘米3.3克，而在地核处则是每立方厘米5.6克。温度由表及里逐渐升高，在地壳附近是几百度，到地核处变成了4000多度。
地核是地球的核心区域。这里是一个高温高压世界。地核边缘的温度在4000度左右，核心地方，温度高到5000～6000度。压力在374810万百帕以上。根据地震波分析，地核外层可能是液态，中间可能是固态。地核的体积虽然只占地球总体积的六分之一，但质量却占地球质量的十分之三以上，因此，这里的密度很大，和汞差不多，很可能是由铁镍等元素组成的。由于高压，这些物质被压缩得很紧。
地壳在不停地运动着。以前一直认为地壳主要是上下运动，近年来人们改变了原来的想法，认为主要的运动是水平运动。地壳的运动是缓慢的，只有用地质年代来衡量才能看出其变化。
5.地球大气
地球大气是一种看不见、摸不到、无色、无嗅、无味的透明气体，从地面延伸到广阔的空间。大气成份主要是氮和氧，其中氮占78％，氧占21％，其他如氩、二氧化碳、氖、氪、氙、氦、氢以及水蒸气等，含量都很少。大气层总重量约是6000万亿吨，相当于地球重量的百万分之一。
地球大气层是一个整体，虽然占据的空间十分广阔，但99％的大气都几乎集中在离地面几十公里高的范围内。
大气是生命存在的必要条件，人类呼吸需要的氧，工厂生产需要的氧，植物光合作用需要的二氧化碳，都是从空气里取得的，没有空气便没有生命。但对天文观测，地球大气却是有百害而无一利。注意观测一下天空，就会发现一些有趣的现象：天上的星星在不停地闪烁；有时望远镜里的星星在“颤抖”；太阳和月亮在地面附近发红；地面附近的星星比天顶少；有时还会有几个太阳同时出现在天空等等。这些现象都是地球大气耍的把戏。
在地球的大气层里，与人类生活密切相关的一层位于地球表面附近，厚度在10～12公里左右，这一层叫做对流层。这是大气密度最大的地方，大约五分之四的大气集中在这里。这里既是生命活动的氧气主要供给地，又是晴、阴、雨雪、风、云、雷、电变化的舞台。
位于对流层上面并与对流层为邻的是平流层，又名同温层。因为在这一层里，大气的流动形式主要是水平流动，所以叫它平流层。
平流层范围从对流层顶向上直至离地面约五十公里的高度。在这一层里，大气的垂直对流不强，多为平流运动；大气中只有少量的水汽，但包含了大气臭氧层中臭氧的主要部分，水汽和臭氧在辐射平衡中起着作用；大气中尘埃的含量很小，大气透明度很高。
平流层温度的铅直分布与对流层不同，从对流层顶起，有一个温度随高度不变或随高度变化很小的层次，称为同温层；在25公里以上，温度随高度迅速增加，升温率约每公里2℃，到50公里附近温度达极大值，约为零下3摄氏度。这即为平流层顶。这个高温区是由于大气臭氧吸收太阳紫外辐射增温所致。
在地面以上70～1000公里之间是电离层。这是受太阳辐射影响最大的一层。在太阳光中的紫外线和X射线的作用下，大气层中的分子和原子被电离成正负离子。其中在80～100公里、100～120公里、150～250公里和250～500公里的地方，电子浓度极大，分别称为D、E、F层，F层又分为F1层和F2层。电离层能够反射无线电波．地球上能实行远距离无线电通讯，就是靠电离层来反射电波。如果太阳活动激烈，电离层受到巨大影响的话，无线电通讯就会受到影响，甚至会中断。
6.地球磁场
中国的四大发明之一的指南针为什么能指南北?主要原因是地球具有磁场。地磁场具有南、北两个磁极。南极在北，北极在南，所以指南针总是指南指北的。
在宋代，杰出科学家沈括在《梦溪笔谈》中记载了一个重要发现：指南针并不完全指向南北方向，磁针所指的方向微微偏东。磁针所指的方向和南北连线所夹的角度，现代称为磁偏角。
磁偏角的存在，说明地球磁场的南、北极同地球的北、南极不是重合在一起的。
地磁场的存在，在地球周围形成一个巨大的磁层区域。这是一个不让太阳风粒子进入的空腔区域。这个区域很大，在向太阳的一面，受到太阳压缩而向里面凹一点，这一点到地球的距离约等于10个地球半径；在昼夜分界面上，到地球的距离约10～20个地球半径，在磁层的尾部，由于太阳风作用，被拉得更长。
地磁场有一种特性：能把外面来的带电粒子“抓到”自己身边，这叫俘获。从宇宙中来的带电粒子被俘获后，一边沿着地磁场的磁力线运动，一面向前跑，被送到地磁的南极和北极。被俘获的带电粒子在地磁南极和北极之间回旋运动，并且不停地发射电磁波。带电粒子这些活动的区域，被称为辐射带。它是美国科学家范·艾伦发现的，所以又叫范·艾伦带。
地球有两个范·艾伦带。位于地面以上6000～12000公里之间的叫内辐射带。内辐射带里面的带电粒子能量比较高。另一个辐射带叫外辐射带，高度在12000～24000公里之间，里面的带电粒子能量比内辐射带里带电粒子能量低。
范·艾伦带的发现是空间天文学诞生初期的重要成果，它对弄清地球环境是非常有用的。
知识点：引力
任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力。自然界中最普遍的力。简称引力，有时也称重力。在粒子物理学中则称引力相互作用和强力、弱力、电磁力合称4种基本相互作用。引力是其中最弱的一种，两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1/1035，质子受地球的引力也只有它在一个不强的电场1000伏/米的电磁力的1/1010。因此研究粒子间的作用或粒子在电子显微镜和加速器中运动时，都不考虑万有引力的作用。一般物体之间的引力也是很小的，例如两个直径为1米的铁球，紧靠在一起时，引力也只有1.14×10-3牛顿，相当于0.03克的一小滴水的重量。但地球的质量很大，这两个铁球分别受到4×104牛顿的地球引力。所以研究物体在地球引力场中的运动时，通常都不考虑周围其他物体的引力。天体如太阳和地球的质量都很大，乘积就更大，巨大的引力就能使庞然大物绕太阳转动。引力就成了支配天体运动的唯一的一种力。恒星的形成，在高温状态下不弥散反而逐渐收缩，最后坍缩为白矮星、中子星和黑洞，也都是由于引力的作用，因此引力也是促使天体演化的重要因素。得偏离了原来的方向。
延伸阅读
《梦溪笔谈》，是北宋科学家沈括所著的笔记体著作。大约成书于1086年－1093年，收录了沈括一生的所见所闻和见解。被西方学者称为中国古代的百科全书，已有多种外语译本。
该书作者沈括，生于公元1031～卒于1095年，字存中，杭州钱塘（今浙江杭州）人，北宋科学家、政治家。1岁时南迁至福建的武夷山、建阳一带，后居于福建的尤溪一带。仁宗嘉佑八年（公元1063年）进士。神宗时参与王安石变法运动。熙宁五年（公元1072年）提举司天监，次年赴两浙考察水利、差役。熙宁八年（公元1075年）出使辽国，驳斥辽的争地要求。次年任翰林学士，权三司使，整顿陕西盐政。后知延州（今陕西延安），加强对西夏的防御。元丰五年（1082年）以宋军于永乐城之战中为西夏所败，连累被贬。晚年以平生见闻，在镇江梦溪园撰写了《梦溪笔谈》。
该书内容包括《笔谈》、《补笔谈》、《续笔谈》三部分。《笔谈》二十六卷，分为十七门，依次为“故事、辩证、乐律、象数、人事、官政、机智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、异事、谬误、讥谑、杂志、药议”。《补笔谈》三卷，包括上述内容中十一门。《续笔谈》一卷，不分门。全书共六百零九条（不同版本稍有出入），内容涉及天文、数学、物理、化学、生物、地质、地理、气象、医药、农学、工程技术、文学、史事、音乐和美术等。在这些条目中，属于人文科学例如人类学、考古学、语言学、音乐等方面的，约占全部条目的18%；属于自然科学方面的，约占总数的36%，其余的则为人事资料、军事、法律及杂闻轶事等约占全书的46%。
就性质而言，《梦溪笔谈》属于笔记类。从内容上说，它以多于三分之一的篇幅记述并阐发自然科学知识，这在笔记类著述中是少见的。因为沈括本人具有很高的科学素养，他所记述的科技知识，也就具有极高价值，基本上反映了北宋的科学发展水平和他自己的研究心得，因而被英国学者李约瑟誉为“中国科学史上的坐标”。
1979年7月1日为了纪念他，中国科学院紫金山天文台将该台在1964年发现的一颗小行星2027命名为沈括。简而言之沈括的《梦溪笔谈》是中国科学技术史上的重要文献，百科全书式的著作。