由于我们居住的地球是一颗行星，即使它没有独特的地方，我们也应该讨论一下它在天体中的位置。与宇宙相比或者太阳系相比，甚至是太阳系中的大行星相比，地球都是毫不起眼的一员，但在它的系统中是最大的成员。地球是人类的家园，这一点不可否认，更没有什么好说的。

首先，我们用一个广泛的定义描述地球：它是一个物质球体，直径大约是1万多千米，各个部分的引力将其连接成一个整体。我们知道，地球并不是一个圆球，地球赤道部分有一些鼓。由于地球表面不是平的，所以地球的大小和形状很难确定。随着人造卫星技术的进步，这个难题已经解决了。

我们用两组数据表示地球形状及其大小：极直径是12713.6千米，赤道直径是12756.3千米。

由此可知，地球极直径要比地球赤道直径小42.7千米。

地球的内部

我们的直接观察针对的是地球表面，很难发现地球的内部结构。人类在地球表面挖掘的最深处与地球大小相比，犹如苹果皮和整个苹果的比较。

首先，我们论述一下质量、压力、重力等概念。我们面前是一块泥土，它的大小是1立方米，这是地球表面的组成部分。这块泥土底部需要承受的质量大约是2.5吨，下面1立方米泥土的质量与它相同，所以这块泥土底部承受的质量大约是两个2.5吨。随着不断的加深，压力越来越大。对于地球内部来说，每1平方米都要承受从表面到底部的1平方米柱形的全部压力。在地球表面下几厘米的地方，这种压力就要以吨作为计量单位，1千米深处的压力大约是2500吨，100千米深处的压力大约是25万吨，一直到地球中心。由于承受着巨大的压力，所以地球中心的物质处于高度压缩状态，物质的密度非常大。地球的平均密度大约是水的密度的5.52倍，而地球表面的密度仅仅是水的密度的两三倍而已。

对于地球表面之下的矿坑来说，随着深度的增加，温度也在不断升高。由于受到地域和纬度的限制，增高的比率有所不同，平均增加率是深度增加30米、温度上升1摄氏度。

根据这种增加情况，地球中心将会是什么样的呢？关于这个问题，我们不能以表面情形进行推测。很久以前，地球外部已经冷却了，所以在下降时温度不会上升太多。从地球诞生之后，所有的热量都被保存起来的事实说明，地球中心的温度一定非常高，而近表面的温度增加率适用于几千米的深处，甚至是地球内部的温度变化。

根据增加率推测，地球20多千米深的地方是炙热物质，而200多千米深度的热度能够将组成地壳的物质熔化掉。早期的地质学家推测，地球是一个熔化的巨大物质，就像熔化之后的铁块，最外面是一层若干千米的冷壳，我们就生活在这个厚厚的壳上。火山的存在和地震的爆发都证明了上述推测的正确性。

不过，19世纪20年代，天文学家和物理学家收集到的某些证据显示，地球从内到外都是由固体物质构成的，甚至比同体积的钢铁还要硬。开尔文爵士（Lord Kelvin）首先提出了这个学说。他认为，假如地球外壳内是液体的话，月球的作用将不是引发海洋潮汐，而是将地球拉向月球的方向，但外壳和内部液体的相对位置不会发生变化。

地球表面的纬度变迁也是一个奇特现象，我们在下文中会说到这一点。无论是内部柔软的球体还是硬度比钢铁小的球体，都无法像地球一样旋转。

这样一来，我们如何解释固体物质和难以想象的高温呢？我们或许可以这样理解：由于受到巨大的压力，地球内部的物质是固体形态。实验表明：强大压力能够提高物质熔点，压力越大熔点也越高。当一块岩石达到熔点之后，如果对它施以重压，它便会还原为固体形态。因此，只要温度和压力同时增加，地球中心的物质就可以是固体形式。

当然，我们可以用一些实际办法取得证据，在地球表面放置一个震源（如炸弹），通过接收地下回波确定地球内部的组成。根据地震技术获得的资料可知，地球内核和地壳是固体物质，而中间外核和地幔层是液体物质。地核的主要组成部分是铁，剩余的是一些比较轻的物质。地核中心的温度大约是7200摄氏度，这比太阳表面的温度还要高；地幔层的上部是由硅、镁、氧、铁、钙、铝等物质构成的；地幔层的下部是由橄榄石、辉石、钙、铝等物质构成的；而地壳主要是由石英、类长石的硅酸盐构成的。

地球的重力和密度

地球的密度也是一个有趣的问题，也可以称为比重。我们知道，同体积的铅比铁重，而同体积的铁比木头重。我们是否能够确定地球内部1立方米的重量呢？假如能够解决这个问题，我们就能算出地球的全部质量了。这个问题的解决方法与物质的引力有关。

地球的结构

当小孩会走路时，他们就很清楚万有引力的作用了，但最聪明的哲学家也无法弄清楚万有引力是如何来的。根据牛顿的万有引力学说，并不是地球中心将表面的物体吸引向自己，而是构成地球的所有物质共同努力的结果。牛顿将万有引力学说引申，认为宇宙间的所有物质都会吸引其他物质，而引力大小根据两者之间距离的增加按照平方规律依次减小。也就是说，如果距离增大1倍，两者之间的引力减小为1/4；增大3倍，减小为1/9；增大4倍，减小为1/16……

我们清楚了这一点，便会明白周围的物体都有自己的引力。这时，我们又有新问题了：我们能否通过实验测量引力的大小呢？数学理论表明，重量相同的球体吸引表面小物体的力量随着直径的增大而增加。如果一个球体的直径是60厘米，它的密度与地球密度相同，那么，这个球体的引力是地球重力的两千万分之一。

借助于这一点，著名的卡文迪通过一个巧妙方法测量出了万有引力的大小。他将一根两端装有等重铅球的轻质金属杆悬挂在一根很细的石英丝上，然后将第三个铅球放在其中一个铅球的旁边，借助于石英丝的扭曲程度测量出两个铅球之间的引力。这种测量非常精巧，而且难度很高。在原则上，虽然使用的工具非常简单，但我们要明白，引力大小还不如这两个小球的千万分之一大呢！如果想要找出一件东西的重量等于这个引力的大小，那是一件非常困难的事情，不仅蚊子的重量要比这个引力大，甚至是蚊子的一条腿的重量都比它大。如果用显微镜观察蚊子，专家将它的触须的一部分切割下来，这部分触须的重量大约等于两个球之间的引力。

赫尔（Heyl）在美国度量衡标准局中测量出来的万有引力常数是最精确的。测量结果让我们明白，地球的平均密度要稍微大于水的密度的5.5倍。虽然不如铁的密度大，但比普通石头的密度大很多。由于地球外壳的平均密度仅仅是地球平均密度的一半，所以地球中心的物质非常致密，不仅大于铁的密度，甚至超过铅的密度了。目前，主流理论认为，构成地核的致密物质可能是大量致密的铁。事实上，我们可以认为地球中心是一块巨大的铁。

纬度的变迁

大家都知道，地球绕着地轴自转，这根轴通过地球中心和南北两极。我们发挥想象力，想象自己站在两极中心，然后在地上放置一根木棍，我们会随着地球旋转，24个小时恰好绕着木棍旋转一周。由于周日运动带动着太阳星辰反方向水平运动，所以我们能够感知到这种运动。不过，我们有一个重大发现，那就是纬度的变迁。地轴与地球表面的交点不是固定不动的，而是在一个直径大约是18米的圆圈中进行不规则的曲线运动。那就是说，假如我们能够确定北极的极点，那么，我们将会发现它每天移动10厘米、20厘米或者30厘米，而且绕着某个中心旋转，有时距离中心点近一些，有时距离中心点远一些。它沿着不规则路线运动14个月后，大约就会形成一个圆圈。

这时，我们会觉得诧异，与地球这样的巨大物体相比，这个小小变动怎么会被发现呢？问题的答案是利用天文观测，这样我们可以在任意一个夜晚测量当地铅垂线和当日地球自转轴形成的角度。1900年，国际大地测量学会（International Geodetic Association）建立了四个观测点测量极点的变化情况：第一个在盖瑟斯堡（Gaithersburg），第二个在太平洋沿岸，第三个在日本，第四个在意大利。在此之前，欧美的一些地方已经进行了类似观测。

1888年，德国的库斯特耐尔（Kustner）首先发现了上述变迁，他从为了实现其他目标进行的许多天文观测中得出了结论。此后，这种研究一直在继续，想要知道上述变迁的运行路线。现在，只是知道这种变迁有时候大一些，有时候小一些而已。通过这种现象得知，在7年中的某一年北极点会走过一个比较大的圈子，而三四年之后又有好几个月都在中心附近徘徊。

在天文观测资料中，同样能够发现地球自转时快时慢的不规则变化，这种变化很快，大约是1毫秒。此外，地球自转的不规则变化还包括两种：一种是周期接近十年甚至几十年的“十年尺度”变化；另一种是周期为2年到7年不等的“年际变化”。十年尺度变化的幅度大约是3毫秒，现在还不清楚导致这种变化的原因，也许是地核和地幔之间的相互作用造成的。年际变化的幅度是0.2毫秒到0.3毫秒，大约是十年尺度变化幅度的1/10。这种年际变化可能与全球性大气环流有着密切关系，因为它类似于赤道东太平洋海水温度在厄尔尼诺期间的变化情况。不过，现在还不清楚是什么原因导致了这种一致性。

大气

从天文学的角度来说，大气是地球上非常重要的附属品，这一点与物理学方面相同。尽管大气是我们生存的必需品，但给天文学家的精密观测带来了很多麻烦。当光从大气中经过时，它会吸收一些光，导致天体的真实颜色有所改变，即使是在最晴朗的夜晚星星也会比较暗淡。大气还会将经过的光变得弯曲，使它沿着曲线前进（对于地球来说，这条线是凹的），而不是直接射进天文学家的眼睛中，结果使得星辰看起来要比实际位置高一些。从天顶直接照射下来的星光不会变得弯曲，与天顶的距离越远，弯曲得越严重。与天顶呈45度角时，折光大约是1弧分，尽管肉眼无法看见这个曲折程度，但在天文学家眼中是非常大的误差。物体与地平线的距离越近，折光率就会越大；物体与地平线呈28度角的折光率大约是45度角的折光率的两倍；在地平线上，折光导致的天体误差已经大于半度了，肉眼看见的太阳直径都比它小。结果，当日出日落时，我们见到的太阳实际上在地平线之下，而不是在地平线之上。由于受到折光的影响，所以我们能够看见太阳。地平面附近折光率比较大的另一个有趣现象是，太阳看起来比较扁，太阳的垂直直径好像比水平直径小一些，因为太阳下半部的折光率比较大。如果在海上观看日出或者日落，这种现象会更加明显。

太阳在热带地区慢慢地落到海洋中时，我们可以观察到在温带地区很难见到的景象。由于各色光线在大气中的折射率不同，大气就像一块三棱镜能够在各个角度折射光线：红色光线的折射角最小，根据红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序折射角依次增大。结果，等到太阳消失在海平面上时，最后一束光线按照同样的顺序慢慢消失不见。在太阳消失前的几秒钟中，残留边缘会迅速改变颜色，而且逐渐变得暗淡。最后，我们会发现一束一闪而逝的绿光。由于蓝光和紫光的波长短、折射率大，所以在没有进入我们眼睛时就被大气散射、吸收掉了。