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阅读 21863 次 历史版本 10个 创建者:601 (2009/12/26 13:16:35)  最新编辑:和sky做邻居 (2012/2/28 17:24:25)
地球
拼音:Dìqiú(Diqiu)
英文:Earth
同义词条:Earth
NASA最新公布的地球東半球照片
NASA最新公布的地球東半球照片
  地球,是人類居住的星球,太陽系中的行星之一,是太陽系從内到外的第三顆行星,也是太陽系中直徑質量密度最大的類地行星。住在地球上的人類又常稱呼地球爲世界。形狀像球,略扁,表面是陸地海洋赤道半徑約6378.2千米,極半徑約6356.8千米。自轉一周的時間是一晝夜,繞太陽轉一周的時間是一年。它是太陽系類地行星中最大的一顆,也是現代科學目前確證唯一存在生命的行星。科學家估計地球的年齡大約有45億7千萬年。地球由地核地幔地殼構成,地球外部由水圈大氣圈地球輻射帶構成。有一顆衛星(月球)。

  地球是太陽系中密度最大的星體。其他的類地行星可能也有相似的結構與物質組成,當然也有一些區别:月球至少有一個小内核;水星有一個超大内核(相當於它的直徑);火星與月球的地幔要厚得多;月球與水星可能沒有由不同化學元素構成的地殼;地球可能是唯一一顆有内核與外核的類地行星。值得注意的是,我們的有關行星内部構造的理論隻是適用於地球。
  
  不像其他類地行星,地球的地殼由幾個實體板塊構成,各自在熱地幔上漂浮。理論上稱它爲板塊說。它被描繪爲具有兩個過程:擴大和縮小。擴大發生在兩個板塊互相遠離,下面湧上來的岩漿形成新地殼時。縮小發生在兩個板塊相互碰撞,其中一個的邊緣部份伸入了另一個的下面,在熾熱的地幔中受熱而被破壞。在板塊分界處有許多斷層(比如加利福尼亞的SanAndreas斷層),大洲板塊間也有碰撞(如印度洋板塊亞歐板塊)。目前有八大板塊:
  
NASA最新公布的地球西半球照片
NASA最新公布的地球西半球照片
  北美洲板塊——北美洲,西北大西洋格陵蘭島
  南美洲板塊——南美洲及西南大西洋
  南極洲板塊——南極洲及沿海
  亞歐板塊——東北大西洋,歐洲及除印度外的亞洲
  非洲板塊——非洲,東南大西洋及西印度洋
  印度與澳洲板塊——印度,澳大利亞新西蘭及大部分印度洋
  Nazca板塊——東太平洋及毗連南美部分地區
  太平洋板塊——大部分太平洋(及加利福尼亞南岸)
  
  還有超過20個小板塊,如阿拉伯,菲律賓板塊。地震經常在這些板塊交界處發生。

 
伽利略探測器1992年再次飛掠地球前往木星進行探測的途中,在距地球620萬公里時將鏡頭調轉拍攝的地球與月球的合影。(NASA)
伽利略探測器1992年再次飛掠地球前往木星進行探測的途中,在距地球620萬公里時將鏡頭調轉拍攝的地球與月球的合影。(NASA)
 地球與月球的交互作用使地球的自轉每世紀減緩了2毫秒。當前的調查顯示出大約在9億年前,一年有481天又18小時。
  
  地球有一個由内核電流形成的適度的磁場區。由於太陽風的交互作用,地球磁場和地球上層大氣引發了極光現象。這些因素的不定周期也引起了磁極在地表處相對地移動;北磁極現正在北加拿大。
  
  地殼的厚度不同,海洋處較薄,大洲下較厚。内核與地殼爲實體;外核與地幔層爲流體。不同的層由不連續斷面分割開,這由地震數據得到;其中最有名的有數地殼與上地幔間的莫霍面-不連續斷面了。
  
  地球的大部分質量集中在地幔,剩下的大部分在地核。地核可能大多由構成(或/鐵),雖然也有可能是一些較輕的物質。地核中心的溫度可能高達7500K,比太陽表面還熱;下地幔可能由和一些構成;上地幔大多由olivene,pyroxene(鐵/鎂硅酸鹽)、鈣、鋁構成。我們知道這些金屬都來自於地震;上地幔的樣本到達了地表,就像火山噴出岩漿,但地球的大部分還是難以接近的。地殼主要由石英(硅的氧化物)和類長石的其他硅酸鹽構成。
  
  地球隻有一個自然衛星——月球。但是數千人造衛星被安置在了地球軌道上。

概述

     

地球的形狀


 
著名的“藍色彈珠”照片,由阿波羅17號太空船於1972年拍攝
著名的“藍色彈珠”照片,由阿波羅17號太空船於1972年拍攝
 地球是球形這一概念最先是公元前五、六世紀的古希臘哲學家畢達哥拉斯(Pythagoras)提出的。但是他的這種信念僅是因爲他認爲圓球在所有幾何形體中最完美,而不是根據任何客觀事實得出的。以後,亞里士多德根據月食時月面出現的地影是圓形的,給出了地球是球形的第一個科學證據。公元前3世紀,古希臘天文學家埃拉托斯特尼(Eratosthenes of Cyrene)根據正午射向地球的太陽光和兩觀測地的距離,第一次算出地球的周長。公元726年中國唐代天文學家一行主持了全國天文大地測量,利用北極高度和夏日日長計算出了子午線一度之長和地球的周長。1622年葡萄牙航海家麥哲崙(Ferdinand Magellan)領導的環球航行證明了地球確實是球形的。17世紀末,牛頓研究了地球自轉對地球形態的影響,認爲地球應是一個赤道略爲隆起,兩極略爲扁平的橢球體。1733年巴黎天文台派出兩個考察隊,分别前往南緯2°的祕魯和北緯66°的拉普林進行大地測量,結果證明了牛頓的推測。

  20世紀60年代後人造衛星上天,爲大地測量添加了新的手段。現已精確地測出地球的平均赤道半徑爲6378.14千米,極半徑爲6356.76千米,赤道周長和子午線周長分别爲40075千米和39941千米,北極地區約高出18.9米,南極地區低下去24~3米。有人說地球像一隻倒放着的大鴨梨。其實,地球的這些不規則部分對地球來說是微不足道的。從人造地球衛星拍攝的地球照片來看,它更像是一個標准的圓球。  

地球的表面


 
衛星高空拍攝的美麗地球-夏威夷火山國家公園
衛星高空拍攝的美麗地球-夏威夷火山國家公園
 在地球上海洋占了地球表面積的70%以上,在剩下的不到30%的陸地上也分布着縱横交錯的江河湖泊,地表以下的土壤和岩層間還有連續不斷的地下水。

  海水、地表水和地下水構成了一個完整的水圈。在太陽的控制下,大氣水和地表水永不停息地循環,創造了人類生存的環境。地球上最大的海洋是太平洋,幾乎占地球整個水面面積的一半。
           
  地球表面(包括地表以上一定高度和地表以下一定深度的範圍),生活着150多萬種動物、30多萬種植物。所有生物相互影響,生物與環境相互作用,建立了一個稱爲“生物圈”的大系統。人類在生物圈内繁衍生息,發展了燦爛的文明,但也給這個系統内的平衡帶來了威脅。
  
  地球的表面十分年輕。在50億年的短周期中(天文學標准),不斷重複着侵蝕與構造的過程,地球的大部分表面被一次又一次地形成和破壞,這樣一來,除去了大部分原始的地理痕蹟(比如星體撞擊產生的火山口)。這樣一來,地球上早期歷史都被清除了。地球至今已存在了45到46億年,但已知的最古老的石頭隻有40億年,連超過30億年的石頭都屈指可數。最早的生物化石則小於39億年。沒有任何確定的記錄表明生命真正開始的時刻。
  
  地球表面的71%爲水所覆蓋。地球是行星中唯一一顆能在表面存在有液態水(雖然在土衛六的表面存在有液態乙烷與甲烷,木衛二的地下有液態水)。我們知道,液態水是生命存在的重要條件。海洋的熱容量也是保持地球氣溫相對穩定的重要條件。液態水也造成了地表侵蝕及大洲氣候的多樣化,目前這是在太陽系中獨一無二的過程(很早以前,火星上也許也有這種情況)。
  
  地球的大氣由77%的氮,21%氧,微量的氬、二氧化碳和水組成。地球初步形成時,大氣中可能存在大量的二氧化碳,但是幾乎都被組合成了碳酸鹽岩石,少部分溶入了海洋或給活着的植物消耗了。現在板塊構造與生物活動維持了大氣中二氧化碳到其他場所再返回的不停流動。大氣中穩定存在的少量二氧化碳通過溫室效應對維持地表氣溫有極其深遠的重要性。溫室效應使平均表面氣溫提高了35攝氏度(從凍人的-21℃升到了適人的14℃);沒有它海洋將會結冰,而生命將不可能存在。
  
  豐富的氧氣的存在從化學觀點看是很值得注意的。氧氣是很活潑的氣體,一般環境下易和其他物質快速結合。地球大氣中的氧的產生和維持由生物活動完成。沒有生命就沒有充足的氧氣。

地球輻射帶與磁層


地球磁場圖象
地球磁場圖象
  20世紀初有人提出太陽在不停地發出帶電粒子,這些粒子被地球磁場俘穫,在地球上空形成一個帶電粒子帶。50年代末60年代初,美國科學家範·艾倫(James Alfred Van Allen)根據宇宙探測器探險者1號、3號和4號的觀測,證明了帶電粒子帶的存在。地球輻射帶分爲兩層,形狀有點像是砸開成兩半的核桃殼。離地球較近的輻射帶稱爲内輻射帶,較遠的稱爲外輻射帶,也分别稱爲内、外範·艾倫帶。輻射帶從四面把地球包圍了起來,而在兩極處留下了空隙,也就是說,地球的南極和北極上空不存在輻射帶。最近兩年有消息說,美國和俄羅斯的天文學家在内外輻射帶之間又發現了第三條輻射帶。
   
  過去人們一直認爲地球磁場和一根大磁棒的磁場一樣,磁力線對稱分布,逐漸消失在星際空間。人造衛星的探測結果糾正了人們的錯誤認識,繪出了全新的地球磁場圖象:當太陽風到達地球附近空間時,地球磁層太陽風與地球的偶極磁場發生作用,把地球磁場壓縮在一個固定的區域里,這個區域就叫磁層。磁層像一個頭朝太陽的蛋形物,它的外殼叫做磁層頂。地球的磁力線被壓在"殼"内。在背着太陽的一面,殼拉長,尾端呈開放狀,磁力線像小姑娘的長發,"飄散"到二百萬千米以外。磁層好像一道防護林,保護着地球上的生物免受太陽風的襲擊。地球的磁層是個非常複雜的問題,其中許多物理機制需要進一步的研究和探討。最近十年,科學家已經把磁層的概念擴展到其它的一些行星,甚至發現宇宙中的中子星、活動星系核電具有磁層結構的特征。

地球的自轉與公轉及四季


  地球自轉與公轉示意圖 地球好比作一隻陀螺,它繞着自轉軸不停地鏇轉,每轉一周就是一天。自轉產生了晝夜交替的現象,晝夜示意圖朝着太陽的一面是白天,背着太陽的一面是夜晚。當我們中國這里是白天的時候,處在地球另一側的美國正好是夜晚;地球自轉的方向是自西向東的,所以我們看到日月星辰從東方升起逐漸向西方降落。

  地球不但自轉,同時也圍繞太陽公轉。地球公轉的軌道是橢圓的,公轉軌道的半長徑爲149,597,870千米,軌道的偏心率爲約0.0167,公轉一周爲一年,公轉平均速度爲每秒29.79千米,公轉軌道面與赤道面的交角約爲23°27’,且存在周期性變化。

  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。

  由於地球自轉軸與公轉軌道平面斜交成約66°33′的傾角,因此,在地球繞太陽公轉的一年中,有時地球北半球傾向太陽,有時南半球傾向太陽。總之太陽的直射點總是在南北回歸線之間移動,於是產生了晝夜長短的變化和四季的交替。


地球的傾斜產生了季節(這幅圖片的說明文字適用於北半球)

  在天文學中,四季分别以春分、夏至、秋分、冬至開始,但這樣劃分的季節,不能完全反映出各個地方每個季節的物候征。因此,我們祖先把一年分爲24節氣,每一節氣又分成3候。氣候還常用候(5天爲一候)平均氣溫來劃分四季:候平均氣溫<10℃爲冬季;>22℃時爲夏季;平均氣溫在10~22℃時爲春、秋季。

時間與曆法


  以地球自轉爲基礎的時間計量系統稱爲世界時系統。日、月、年、世紀的時間計量屬天文學中的曆法範疇。以地球自轉運動爲基礎的時間單位稱爲日,以月球繞地球公轉運動爲基礎的時間單位稱爲月,以地球繞太陽公轉運動爲基礎的時間單位稱爲年。

  天文學以恒星爲標准量度地球自轉的周期,叫做地球自轉的恒星周期,也就是一個恒星日。1恒星日=平太陽日的23小時56分4秒,是地球真正的自轉周期。以太陽爲標准量度地球的自轉周期叫做真太陽日。由於地球公轉的原因,真太陽日並不等於地球自轉一周所需的時間(恒星日),而是比恒星日約長3分56秒。又由於地球公轉軌道是橢圓形的,在近日點的運動快於在遠日點的運動,因此一年之内不同季節其運動並不是勻速,所以每個真太陽日的長短也不相等。我們生活中使用的是平太陽日(所謂平太陽是天球上一個假想的點,它按真太陽一年中運動的平均速度均勻運動)。

  地球公轉的平均周期是恒星年,1恒星年=365日6時9分9.5秒。而我們通常所說的回歸年是指地球從這一次春分日到下次春分日的平均時間間隔。1回歸年=365日5時48分45.6秒,比1恒星年略短一些。因爲氣候的變化以回歸年爲周期,所以天文學家把曆年的平均長度安排得盡可能接近回歸年的長度。陽曆把1年定爲365日,所餘的時間約每四年積累成一天,加在能被4除盡的公曆年份的2月份里,如1992,1996年。但不能被400除盡的百年數則不加。加天的年叫閏年。農曆把一年定爲354日或355日,所餘的時間約每三年積累成一個月,加在某一年里。

地球的歷史


  科學家已經能夠重建地球過去有關的資料。太陽系的物質起源於45.672億±60萬年前[11],而大約在45.4億年前(誤差約1%) 地球和太陽系内的其他行星開始在太陽星雲-太陽形成後殘留下來的氣體與塵埃形成的圓盤狀-内形成。通過吸積的過程,地球經過1至2千萬年的時間,大致上已經完全成形。從最初熔融的狀態,地球的外層先冷卻凝固成固體的地殼,水也開始在大氣層中累積。月亮形成的較晚,大約是45.3億年前,一顆火星大小,質量約爲地球十分之一的天體(通常稱爲忒伊亞)與地球發生致命性的碰撞。這個天體的部分質量與地球結合,還有一部分飛濺入太空中,並且有足夠的物質進入軌道形成了月球。

  釋放出的氣體和火山的活動產生原始的大氣層,小行星、較大的原行星、彗星和海王星外天體等擕帶來的水,使地球的水份增加,冷凝的水產生海洋。 新形成的太陽光度隻有目前太陽的70%,但是有證據顯示早期的海洋依然是液態的,這稱爲微弱年輕太陽謬論矛盾。溫室效應和較高太陽活動的組合,提高了地球表面的溫度,阻止了海洋的凝結。

  有兩個主要的理論提出大陸的成長:穩定的成長到現代和在早期的歷史中快速的成長。 目前的研究顯示第二種學說比較可能,早期的地殼是快速成長的,隨後跟着長期穩定的大陸地區。在時間尺度上的最後數億年間,表面不斷的重塑自己,大陸持續的形成和分裂。在表面遷徙的大陸,偶爾會結成成超大陸。大約在7億5千萬年前,已知最早的一個超大陸羅迪尼亞開始分裂,稍後又在6億至5億4千萬年時合並成潘諾西亞大陸,最後是1億8千萬年前開始分裂的盤古大陸。

地球年齡

最初的大氣成分


  最初的大氣成分主要是水蒸汽,還有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氫和氯化氫等

    · 直到距今38億年前,地球上的大氣仍是缺氧和呈酸性的
    · 隨着時間的流逝,地球上的溫度逐漸降低(低於100°C),大氣中的水蒸汽陸續凝結出來,形成了廣闊的海洋,海水中也缺少氧,而且也含有許多酸性物質

太 古 宙(38-25億年前)


    · 38億年前,海洋中開始有了生命的活動。從出現最原始的原核細胞生物--藍綠藻
    · 32-29億年前能起光合作用的藻類開始繁殖,後者能消耗二氧化碳,產生出氧氣
    · 大約到27億年前,游離氧在海洋中出現。綠色植物的大量繁殖,更加快了大氣和海洋環境的變化,使其有利於高等喜氧生物的發展

元 古 宙 (距今18億年前到6億年前)


    · 大陸不斷擴大
    · 大氣變成以二氧化碳爲最多
    · 海洋里的生物最多的是菌藻植物,它們的活動促成二氧化碳和海水中的鈣鎂等元素相結合,碳酸鈣鎂等物質沉澱在海底,使大氣中的二氧化碳減少,氧和氮的含量逐步增加

顯生宙——古生代,中生代,新生代 最近6億年來


    · 大氣圈的成分漸漸接近目前的狀況
    · 大氣和海洋中,原爲酸性的水在與岩石相互作用時,將硅酸鹽物質中的鈉,鉀,鈣,鎂,鋁,鐵等金屬元素奪取出來,形成多種鹽類(以氯化物爲主),海水的成分也慢慢變成與今天相近的了
    · 在這種環境中,生命加速發展,海洋中的生物迅速繁榮起來(化石證據較多)

地球基本物理參數

 
     遠日點距離: 152,097,701 km (1.016 710 333 5 AU)
    近日點距離: 147,098,074 km  (0.983 289 891 2 AU)
    軌道半長軸: 149,597,887.5 km(1.000 000 112 4 AU)
    軌道半短軸: 149,576,999.826 km(0.999 860 486 9 AU)
    軌道周長: 924,375,700 km(6.179 069 900 7 AU)
    軌道離心率: 0.016 710 219
    平均公轉速度: 29.783 km/s(107,218 km/h)
    最大公轉速度: 30.287 km/s(109,033 km/h)
    最小公轉速度: 29.291 km/s(105,448 km/h)
    軌道傾角: 0(7.25°至太陽赤道)
    升交點赤經: 348.739 36°
    近日點輻角: 114.207 83° 
    衛星: 1個(月球) 
    橢圓率: 0.003 352 9
    平均半徑: 6,372.797 km
    赤道半徑: 6,378.137 km
    兩極半徑: 6,356.752 km
    縱橫比: 0.996 647 1
    赤道圓周: 40,075.02 km
    子午圈圓周: 40,007.86 km
    平均圓周: 40,041.47 km
    表面積: 510,065,600 km2
    陸地面積: 148,939,100 km2(29.2 %)
    水域面積: 361,126,400 km2(70.8 %)
    體積: 1.083 207 3×1012 km3
    質量: 5.9742×1024 kg
    平均密度: 5,515.3 kg/m3
    赤道表面重力: 9.780 1 m/s2(0.997 32 g)
    宇宙速度: 11.186 km/s
    恆星自轉周期: 0.997 258 d (23.934 h)
    赤道鏇轉速率: 465.11 m/s
    軸傾斜: 23.439 281°
    北極赤經: 未定義
    赤緯: +90°
    反照率: 0.367
    表面溫度: 最小   平均    最大
    熱力學溫標 184 K   287 K   331 K
    攝氏溫標  -89.2 ℃     14 ℃   57.7 ℃ 
    表面大氣壓力: 101.3 kPa(海平面) 
    大氣組成:78.084% 氮   20.946% 氧   0.934% 氬   0.0381% 二氧化碳  水蒸氣(依氣溫而有所不同)
    化學元素組成爲:34.6%  鐵   29.5%  氧   15.2%  硅   12.7%  鎂   2.4%  鎳    1.9%  硫    0.05%  鈦

地球各圈層結構


 
地球由地核到大氣截面圖(部分按照比例)
地球由地核到大氣截面圖(部分按照比例)
 人們對於地球的結構直到最近才有了比較清楚的認識。整個地球不是一個均質體,而是具有明顯的圈層結構。地球每個圈層的成分、密度、溫度等各不相同。在天文學中,研究地球内部結構對於了解地球的運動、起源和演化,探討其它行星的結構,以至於整個太陽系起源和演化問題,都具有十分重要的意義。
   
  地球圈層分爲地球外圈和地球内圈兩大部分。地球外圈可進一步劃分爲四個基本圈層,即大氣圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可進一步劃分爲三個基本圈層,即地幔圈、外核液體圈和固體内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之間還存在一個軟流圈,它是地球外圈與地球内圈之間的一個過渡圈層,位於地面以下平均深度約150千米處。這樣,整個地球總共包括八個圈層,其中岩石圈、軟流圈和地球内圈一起構成了所謂的固體地球。對於地球外圈中的大氣圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接觀測和測量的方法進行研究。而地球内圈,目前主要用地球物理的方法,例如地震學重力學和高精度現代空間測地技術觀測的反演等進行研究。地球各圈層在分布上有一個顯著的特點,即固體地球内部與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,各圈層則是相互滲透甚至相互重叠的,其中生物圈表現最爲顯著,其次是水圈。

大氣圈

 
風暴
風暴
 大氣圈是地球外圈中最外部的氣體圈層,它包圍着海洋和陸地。大氣圈沒有確切的上界,在2000 ~ 16000 千米高空仍有稀薄的氣體和基本粒子。在地下,土壤和某些岩石中也會有少量空氣,它們也可認爲是大氣圈的一個組成部分。地球大氣的主要成份爲氮、氧、氬、二氧化碳和不到0.04%比例的微量氣體。地球大氣圈氣體的總質量約爲5.136×1021克,相當於地球總質量的百萬分之0.86。由於地心引力作用,幾乎全部的氣體集中在離地面100千米的高度範圍内,其中75%的大氣又集中在地面至10千米高度的對流層範圍内。根據大氣分布特征,在對流層之上還可分爲平流層、中間層、熱成層等。

水圈

  水圈包括海洋、江河、湖泊、沼澤、冰川和地下水等,它是一個連續但不很規則的圈層。從離地球數萬千米的高空看地球,可以看到地球大氣圈中水汽形成的白雲和覆蓋地球大部分的藍色海洋,它使地球成爲一顆"藍色的行星"。地球水圈總質量爲1.66×1024克,約爲地球總質量的3600分之一,其中海洋水質量約爲陸地(包括河流、湖泊和表層岩石孔隙和土壤中)水的35倍。如果整個地球沒有固體部分的起伏,那麼全球將被深達2600米的水層所均勻覆蓋。大氣圈和水圈相結合,組成地表的流體系統。

生物圈

  由於存在地球大氣圈、地球水圈和地表的礦物,在地球上這個合適的溫度條件下,形成了適合於生物生存的自然環境。人們通常所說的生物,是指有生命的物體,包括植物、動物和微生物。據估計,現有生存的植物約有40萬種,動物約有110多萬種,微生物至少有10多萬種。據統計,在地質歷史上曾生存過的生物約有5-10億種之多,然而,在地球漫長的演化過程中,絕大部分都已經滅絕了。現存的生物生活在岩石圈的上層部分、大氣圈的下層部分和水圈的全部,構成了地球上一個獨特的圈層,稱爲生物圈。生物圈是太陽系所有行星中僅在地球上存在的一個獨特圈層。

岩石圈

  對於地球岩石圈,除表面形態外,是無法直接觀測到的。它主要由地球的地殼和地幔圈中上地幔的頂部組成,從固體地球表面向下穿過地震波在近33千米處所顯示的第一個不連續面(莫霍面),一直延伸到軟流圈爲止。岩石圈厚度不均一,平均厚度約爲100千米。由於岩石圈及其表面形態與現代地球物理學、地球動力學有着密切的關係,因此,岩石圈是現代地球科學中研究得最多、最詳細、最徹底的固體地球部分。由於洋底占據了地球表面總面積的2/3之多,而大洋盆地約占海底總面積的45%,其平均水深爲4000~5000米,大量發育的海底火山就是分布在大洋盆地中,其周圍延伸着廣闊的海底丘陵。因此,整個固體地球的主要表面形態可認爲是由大洋盆地與大陸台地組成,對它們的研究,構成了與岩石圈構造和地球動力學有直接聯繫的"全球構造學"理論。

軟流圈

  在距地球表面以下約100千米的上地幔中,有一個明顯的地震波的低速層,這是由古登堡在1926年最早提出的,稱之爲軟流圈,它位於上地幔的上部即B層。在洋底下面,它位於約60千米深度以下;在大陸地區,它位於約120千米深度以下,平均深度約位於60~250千米處。現代觀測和研究已經肯定了這個軟流圈層的存在。也就是由於這個軟流圈的存在,將地球外圈與地球内圈區别開來了。

地幔圈

  地震波除了在地面以下約33千米處有一個顯著的不連續面(稱爲莫霍面)之外,在軟流圈之下,直至地球内部約2900千米深度的界面處,屬於地幔圈。由於地球外核爲液態,在地幔中的地震波S波不能穿過此界面在外核中傳播。P波曲線在此界面處的速度也急劇減低。這個界面是古登堡在1914年發現的,所以也稱爲古登堡面,它構成了地幔圈與外核流體圈的分界面。整個地幔圈由上地幔(33~410千米深度的B層,410~1000千米深度的C層,也稱過渡帶層)、下地幔的D′層(1000~2700千米深度)和下地幔的D″層(2700~2900千米深度)組成。地球物理的研究表明,D″層存在強烈的横向不均勻性,其不均勻的程度甚至可以和岩石層相比擬,它不僅是地核熱量傳送到地幔的熱邊界層,而且極可能是與地幔有不同化學成分的化學分層。

外核液體圈

  地幔圈之下就是所謂的外核液體圈,它位於地面以下約2900千米至5120千米深度。整個外核液體圈基本上可能是由動力學粘度很小的液體構成的,其中2900至4980千米深度稱爲E層,完全由液體構成。4980千米至5120千米深度層稱爲F層,它是外核液體圈與固體内核圈之間一個很簿的過渡層。

固體内核圈

  地球八個圈層中最靠近地心的就是所謂的固體内核圈了,它位於5120至6371千米地心處,又稱爲G層。根據對地震波速的探測與研究,證明G層爲固體結構。地球内層不是均質的,平均地球密度爲5.515克/釐米3,而地球岩石圈的密度僅爲2.6~3.0克/釐米3。由此,地球内部的密度必定要大得多,並隨深度的增加,密度也出現明顯的變化。地球内部的溫度隨深度而上升。根據最近的估計,在100千米深度處溫度爲1300°C,300千米處爲2000°C,在地幔圈與外核液態圈邊界處,約爲4000°C,地心處溫度爲 5500 ~ 6000°C。(資料來源:上海網上天文台 http://www.astron.sh.cn/earthmoon/earth.html

地球的未來

 
  太陽的生命周期地球的未來與太陽有密切的關聯,由於氦的灰燼在太陽的核心穩定的累積,太陽光度將緩慢的增加,在未來的11億年中,太陽的光度將增加10%,之後的35億年又將增加40%。氣候模型顯示抵達地球的輻射增加,可能會有可怕的後果,包括地球的海洋可能消失。
太陽的生命周期

  地球表面溫度的增加會加速無機的二氧化碳循環,使它的濃度在9億年間還原至植物致死的水平(對C4光合作用是10 ppm)。缺乏植物會導致大氣層中氧氣的流失,那麼動物也將在數百萬年内絕種。而即使太陽是永恒和穩定的,地球内部持續的冷卻,也會造成海洋和大氣層的損失(由於火山活動降低)。在之後的十億年,表面的水將完全消失,並且全球的平均溫度將可能達到60°C。

  太陽,作爲它的演化的一部分,在大約50億年後將成爲紅巨星。模型預測屆時的太陽直徑將膨脹至現在的250倍,大約1天文單位(149,597,871千米)。地球的命運並不很清楚,當太陽成爲紅巨星時,大約已經流失了30%的質量,所以若不考慮潮汐的影響,當太陽達到最大半徑時,地球會在距離太陽大約1.7天文單位(254,316,380千米)的軌道上,因此,地球會逃逸在太陽松散的大氣層封包之外。然而,絕大部分(如果不是全部)現在的生物會因爲與太陽過度的接近而被摧毁。可是,最近的模擬顯示由於潮汐作用和拖曳將使地球的軌道衰減,也有可能將地球推出太陽系。

對地球的描述


  地球經常被描繪爲神蹟、神創的。在北歐神話中,地球之神是嬌德,嬌德是索爾之母,是安那爾之女。

  地球有時也被描繪爲一艘結實的宇宙飛船。並帶有一個需要維護的生命支持系統。

  因爲地球是如此龐大,在過去人類使用肉眼是很難觀測出其整體表面是呈現扁球狀的(赤道微隆兩極稍平),以至於產生了多種關於平面地球的信仰。在太空飛行發明之前,這種信仰已經一點一點借由觀測其他行星形狀以及觀測到地面球形產生的次生效應(如觀察遠處船隻總是先看見帆再看見船身)而逐漸爲人所不信。

  旅行者1號拍攝的一張地球照片使卡爾·薩根得到靈感,他把地球描繪爲一個宇宙中的暗淡藍點。

  科幻小說中,地球經常是幻想中星系/銀河政府的首都或主要管理中心(當星系政府是由人類統治時尤其如此)。經常的,在科幻作品中地球是一個人類統治具有代表性的聯邦共和國、帝國或專制統治也偶爾可見——如在《星艦奇航記》和《巴比倫5號》中那樣。

  盡管如此,在其他科幻作品中,未來的人類將不再記得這個他們祖先曾生活的星球(如《基地系列》),或即使記得也因爲污染過分而離開(如《沙丘》系列),或者相反在現代地球的同時代的平行世界中,超古代文明的太空移民離開和遺忘(如《星際大爭霸》),還有在遠未來的地球生態被一度破壞,還有一小部分人留下和在生態回複後,與重返者沖突(如《Turn A》)。

  在道格拉斯·亞當斯寫的《銀河系漫游指南》系列中,他把地球描繪爲是“基本無害”的。 在PS2游戲系列《Xenosaga》中,根據其故事背景,人類已經離開地球許久,而地球在其中也被人類賦予了一個名字:“失落的耶路撒冷”。

一種新的地球系統觀——蓋亞假說


  蓋亞假說(Gaia hypothesis)是由英國大氣學家拉伍洛克(James E.lovelock)在 20世紀60年代末提出的。後來經過他和美國生物學家馬古利斯( Lynn margulis)共同推進,逐漸受到西方科學界的重視,並對人們的地球觀產生着越來越大的影響。同時蓋亞假說也成爲西方環境保護運動和綠黨行動的一個重要的理論基礎。本文將對蓋亞假說的提出和發展、蓋亞假說的科學内涵及其爭論、由蓋亞假說所導致的新的地球系統觀和蓋亞假說給人們的啟示等方面進行闡述和討論。

蓋亞假說的提出和發展


  60年代初,正在美國國家噴氣動力實驗室工作的拉伍洛克接受了美國國家航空航天局(NASA)關於火星上是否存在生命的研究課題。他提出了一種直接分析火星上的大氣構成,而不用把航天器降落到火星表面來定點尋找生命是否存在的想法。他認爲如果一個行星存在生命,必定要求其大氣既作爲生命有機體的一種原料資源,又作爲生命有機體的一種廢物排放之地。行星大氣對生命有機體的這兩種用途將改變大氣構成,使其遠離化學平衡態。如果觀測到的一個行星的大氣構成遠離化學平衡態,則可能存在生命。帶着這種想法,他開始考察當時已知其大氣構成的火星和金星,發現這兩顆行星的大氣構成都接近化學平衡態。大氣的主要成分是一般不進行化學反應的二氧化碳。因此,兩者都不應該存在生命。爲了肯定這一預言,他開始考慮有生命存在的地球大氣的構成,發現其遠離化學平衡態,如大氣中高達21%的活性氣體氧氣和1.7ppm(百萬分率)沼氣能共存(由於在陽光下沼氣和氧氣會起化學反應,形成二氧化碳和水,要維持沼氣1.7ppm的比率,每年需要5 億噸沼氣由能產生沼氣的生物體排出),而二氧化碳隻有萬分之幾。

  正是在這個時候,即1965年秋的一天,蓋亞想法出現在他的腦海里,即地球大氣的這種獨特的和不穩定的氣體混合比率爲什麼在相當長的時間内能維持不變呢?是否地球上的生物不僅生成了大氣,而且調節大氣,使其保持一種穩定的氣體構成,從而有利於生物體的存在呢?

  當時他對這種控制系統的性質還沒有任何想法,隻是認爲地球表面的有機體必定是這個系統的一部分,並且氣體的構成可能是被調節的因素之一。後來,他從天體物理學家那里得知,恒星隨着年齡的成熟,發熱能力會增大;自從36億年前地球上有生命以來,太陽的發熱能力已經增強了25%。然而地球卻保持了有利於生命存在的溫度。在如此長的時間内,地球的氣候是否會被有效地調節呢?此時,一種涉及整個行星和行星上生命的控制系統概念在他的大腦里牢固地建立起來。

  但這時他沒能繼續推進他的這種觀點,而是推進他的更小的目標,說服噴氣動力實驗室研究生命科學的同事們接受大氣分析是探測其它行星上是否存在生命的有效方法。他當時並沒有意識到,如果他們接受他的觀點就意味着承認火星上幾乎不可能存在生命。這可能導致取消去火星上直接探測生命是否存在的海盜號飛船計劃。

  盡管這樣,NASA對他的這種危險的觀點還是很寬容的,並允許他在這方面繼續工作。他的一個天文學同事賽甘(Carl Sagan)是ICARUS(航程無限的洲際宇宙火箭)雜志的主編,雖然不同意他的通過大氣分析來探測行星上是否存在生命的觀點,但同意在其雜志上發表他的有關論文。而他把地球作爲一個自調節系統的文章是在1968年美國航空學會會議上首次發表的。但把地球作爲一個超級有機體並用蓋亞(Gaia)來命名則是1972年的事。他接受了在英國家鄉的鄰居、小說家勾爾丁(wil-liam Golding)的建議,用蓋亞這個古希臘地球女神的名字來命名。隨後他與傑出的生物學家馬古利斯合作來發展他的蓋亞假說。

  但拉伍洛克和馬古利斯關於蓋亞假說研究論文的發表遇到了阻力。《科學》和《自然》等重要科學刊物雖然對他們的論文很感興趣,但不能通過同行評審。在這些評審者看來他們的觀點是危險的。盡管他們的論文沒能在這些重要的刊物上發表。但拉伍洛克常常被邀請參加各種學術會議,並以會議文集的形式發表他們有關蓋亞假說的研究論文。1989年美國地球物理聯合會選擇蓋亞作爲學術會議的主題,幾百名科學家和學者參加了會議,並於1993年出版了《科學家論蓋亞》(Scientistson Gaia)大型文集。從此盡管科學界對蓋亞假說有不同的觀點,但以此爲主題進行研究的科學家越來越多,特别是近年來NASA在全球生態學、生物圈學和地球系統科學的名義下支持此類研究,使得其影響也越來越大。一些科學哲學家、環境保護主義者和政治家等也從各自的角度關注和討論蓋亞假說,有關的論文和書籍也越來越多。

蓋亞假說的科學内涵及其爭論


  現代科學把地球作爲一個超級有機體的思想並不是拉伍洛克最先提出的。早在1785年被稱爲地質學之父的哈頓(James Hutton)就指出:“我認爲地球是一個超級有機體並且應該用生理學的方式對它進行恰當的研究”。 他利用血液循環和氧與生命之間的聯繫等生理學的發現來看待地球的水循環和營養元素的運動。然而,到了19世紀哈頓的這種把地球作爲一個整體來進行研究的觀點被抛棄了。地球科學和生命科學分離了。地質學家認爲,地球環境的變化隻不過由化學的和物理的過程所決定;而生物學家則認爲不管地球環境如何變化,對有機體來說,隻是個適應的問題。甚至達爾文也沒有認識到,我們呼吸的空氣、海洋和岩石或者是生命有機體的直接產物,或者被生命有機體大大地改變了。
  
  直到1945年,被稱爲現代生物地球化學之父的俄國科學家沃納德斯基(Vladimir Vernadsky)才認識到生命和物質環境是相互作用的,大氣中的氧氣和沼氣是生物的產物,並建立了一種生命和物質環境兩者共同進化的理論。但這種共同進化論很象精神上的朋友關係,生物學家和地質學家保持朋友關係,但不是密不可分的關係。這種共同進化論不包括由地球上的生物和其物質環境所構成的系統主動地調節地球的化學構成和氣候;更重要的是,它沒有把地球看作一個活着的有機體,更沒有把它看作一個生理的系統。
  
  蓋亞假說把共同進化論向前推進了一大步。它認爲地球上的生命和其物質環境,包括大氣、海洋和地表岩石是緊密聯繫在一起的系統進化。它把地球看作一個生理的系統,拉伍洛克甚至直接把蓋亞假說稱爲地球生理學。正象生理學用整體性的觀點看待植物、動物和微生物等生命有機體一樣、地球生理學是把地球作爲一個活的系統的整體性科學。拉伍洛克認爲這種地球生理學是一種硬的和嚴格的科學。它主要研究諸如大氣和溫度調節系統的性質。它也是行星醫學(Planetary medicine)這個實際經驗領域的基礎。它不能打破現代科學思想和實驗的誠實傳統。它是哈頓和沃納德斯基有關思想和理論的繼承和發展。
  
  作爲一個科學假說,蓋亞假說不僅是要描述世界的真實圖景,更重要的是它能刺激人們有效地提出問題和預測,隨後的研究或者證實其預測,或者拓寬有意義的研究領域。這樣,蓋亞假說就有效地推動了研究的進展。蓋亞假說的預測有些已經得到證實,有些還在研究之中有待證實。例如,1968年根據蓋亞假說預測火星上沒有生命,1977年海盜號飛船予以證實;1971年預測有機體產生的化合物能把一些基本元素從海洋轉移到大陸表面上來,1973年二甲基硫和甲基碘被發現;1981年預測通過生物地增強岩石的風化,二氧化碳可以控制調節氣候,1989年發現微生物大大加速了岩石的風化;1987年預測氣候調節通過雲密度的控制與海藻硫氣體的釋放相聯,1990年發現海洋雲層的覆蓋與海藻的分布在地理上是相配的,此預測還需要進一步的證實;1973年預測在過去的2 億年里大氣里的氧氣保持在21±5%的水平,這一預測在證實中;1988 年預測,太古代的大氣化學由沼氣主導着,此預測在證實中;等等。總之,蓋亞假說在預測和證實的意義上完全遵循現代科學產生以來的傳統,並大大拓展了研究的視野。

  蓋亞假說也引起了科學界的激烈爭論。第一類爭論是由對概念的理解不同引起的。蓋亞假說的核心思想是認爲地球是一個生命有機體。但對生命是什麼,不同的學科有不同的定義。物理學家把生命定義爲一個系統通過吸收外界自由能和排除低能廢物,而使内熵減少的一種特殊狀態。新達爾文主義生物學家把生命定義爲一個有機體能夠繁殖後代並通過在其後代中的自然選擇來修正繁殖錯誤。生物化學家把生命定義爲一個有機體在遺傳信息的指導下,利用陽光或食品等自由能而生長。而蓋亞假說或地球生理學家把生命定義爲一個有邊界的系統、通過與外界交換物質和能量,在外界條件變化的情況下,能保持内部條件的穩定性。

  蓋亞假說對生命的定義在物理學家和生物化學家各自對生命定義的範圍内,因此,他們從概念上往往不反對蓋亞假說。而新達爾文主義生物學家則反對和嘲笑蓋亞假說。他們說,地球不能繁殖,不能在與其它行星的競爭中進化,怎麼能說地球是生命有機體呢。而拉伍洛克爭辯說,新達爾文主義生物學家對生命的定義太狹窄。他指出生命大體有繁殖、新陳代謝、進化、熱穩態、化學穩態和自我康複(醫治)等特性,但不是所有的生命形式都完全具有這些特性。正象微生物和樹木沒有熱穩態特性,人們仍把它們作爲生命有機體一樣,地球沒有繁殖特性,同樣也可以作爲生命有機體。

  1985年拉伍洛克接受美國物理學家羅瑟斯坦(Jerome Rothstein)的建議,把蓋亞形象地比作美國西海岸的紅杉樹。一顆紅杉樹97%以上的部分是死的,隻有樹皮下和木質外圍之間的形成層和樹葉、花和籽是活的。同樣,地球絕大部分是死的,隻有散布着各種生命有機體的地表的“形成層”才是活的。另外,樹皮和大氣也分别起着相似的作用。

  第二類爭論是由對蓋亞假說所包含的不同層次的含義的理解不同引起的。蓋亞假說至少包含5 個層次的含義:一是認爲地球上的各種生物有效地調節着大氣的溫度和化學構成;二是地球上的各種生物體影響生物環境,而環境又反過來影響達爾文的生物進化過程,兩者共同進化;三是各種生物與自然界之間主要由負反饋環連接,從而保持地球生態的穩定狀態;四是認爲大氣能保持在穩定狀態不僅取決於生物圈,而且在一定意義上爲了生物圈;五是認爲各種生物調節其物質環境,以便創造各類生物優化的生存條件。對於前兩層含義(常常被稱爲弱蓋亞假說)一般沒有爭論;而對於後三層含義(常常被稱爲強蓋亞假說)就有很大的爭論。其爭論表現在如下幾個方面:

  第一,如果把蓋亞作爲一個負反饋調節系統,那麼怎樣理解該系統的目標,是某種意義的設計呢,還是系統本身的自發狀態呢?拉伍洛克認爲這個系統本身有一種穩定狀態。但蓋亞假說的批評者認爲,蓋亞假說沒有獨立的目標定義,即大氣服務於不管大氣如何行爲的目標。

  第二,如何理解蓋亞的自動平衡態。蓋亞假說的批評者指出,地球產生以來,大氣中的氧氣、二氧化碳和沼氣的含量已經發生了很大的變化,它怎麼能保持自動平衡呢?而拉伍洛克則解釋說,蓋亞作爲一個活的系統,其穩定態不是永遠不變的,而是一種動態的穩定。在外界條件變化很大的情況下,這個系統通過自動調節,隻產生微小的變化,從而保持有利於生命存在和進化的條件。

  第三,如何理解模型的功能。盡管拉伍洛克及其合作者和支持者根據蓋亞假說,能得到一些預測,並且有些預測已經得到了證實,但把蓋亞作爲一個整體系統來研究,隻能建立計算機模型和進行模擬實驗。拉伍洛克及其合作者爲蓋亞假說研制了名爲雛菊世界(Daisy world )的模型並進行了大量的模擬實驗,來研究和說明地球生態系統的結構、行爲和運動機制。蓋亞的批評者則認爲模型隻是研究的一個工具,不能代替對地球生態系統的實際研究。如果蓋亞假說主要是通過模型研究而不是通過實際研究,那麼就很難說它是“科學的”。
應該看到,蓋亞假說作爲一個具有科學革命意義的學說,在科學界引起激烈的爭論是一種正常現象。正是這種爭論已經並將繼續推動其向前發展。
   

一種新的地球系統觀


  蓋亞假說不僅具有上述科學意義,而且具有很大的精神意義。拉伍洛克用蓋亞來爲其學說命名本身就表明這個假說的精神價值。在古希臘神話中,蓋亞是宇宙渾沌的女兒,是地球母親,其他許多神都是她的後代。很顯然,地球母親的思想,作爲一種世界觀在古希臘時期就出現了。到了中世紀,地球母親的世界觀有時被象征性地或隱喻性地來理解,上帝通過她創造地球上的各種生命形式。隨着現代自然科學的興起,地球母親的觀念變爲一種浪漫的和富有詩意的傳統,而離開了自然科學。但作爲現代地球科學、大氣科學、生態學和微生物學等領域交叉最新成果的蓋亞假說,又複活了地球母親的觀念,並賦予其現代意義,這是一種新的地球系統觀。

  蓋亞假說認爲,地球不僅容納了千百萬種生命有機體,而且它本身也是一個巨大的生命有機體。岩石、空氣、海洋和所有的生命構成一個不可分離的系統。正是這個系統的整體功能使得地球成爲生命存在之地,也就是說,生命要依靠整個地球的規模才能生存。地球上物種的進化與其物理和化學環境的進化緊密地聯繫在一起,構成單一的和不可分割的進化過程。

  蓋亞假說的提出與拉伍洛克“從上到下”的系統思維方式密切相關。作爲要探討其它行星上是否存在生命的大氣學家、拉伍洛克沒有采用“從下到上”的傳統的還原論的思維方式,即沒有采用從最小的生命形式開始,逐漸擴展到大的生命系統的方式,而是站在地球之外,把整個地球作爲一個系統,並把地球系統與火星系統和金星系統相比較,從而提出蓋亞假說的。拉伍洛克指出:“當我們從外層空間向地球運動的時候,首先我們看到的是包圍着蓋亞的大氣外圍;然後看到的是諸如森林生態系統的邊界;然後,看到的靈活着的動物和植物的皮;進一步是細胞膜;最後是細胞核和DNA。 如果生命被定義爲能夠主動地維持低熵特性的自組織系統,那麼,從每一個層次的邊界之外來看,這些不同層次的系統都是活着的。”〔2〕正因爲拉伍洛克把地球作爲一個整體, 並采用“從上到下”的系統的思維方式,才能提出蓋亞假說。這也表示蓋亞假說是一種新的地球系統觀。

  蓋亞假說作爲一種新的地球系統觀的意義在於,它能直接或間接地幫助回答當今人類所面臨的生態問題和世界觀問題。首先,全球生態環境惡化是人類當今面臨的最嚴重的問題之一。蓋亞假說啟示人們,環境問題是涉及整個地球生態系統的問題,要解決這個問題不僅需要用系統的或整體的觀點和方法來認識人類生產和生活方式對生態環境影響,而且需要人類共同行動。同時,蓋亞假說也從道義上啟示人們,包括人類在内的所有生物都是地球母親的後代,人類既不是地球的主人,也不是地球的管理者,隻是地球母親的後代之一。因此,人類應該熱愛和保護地球母親,並與其他生物和睦相處。第二,蓋亞假說對於回答生命的目的問題給人們新的啟示。生命的存在依賴於整個地球生態系統,它是一個能進行自我調節的負反饋系統,其目標就是體内平衡的狀態,即各種生物及其環境和睦的平衡狀態,從而使生命在全球範圍内健康成長。人類隻有與蓋亞和睦相處,致力於她的健康,欣賞她的美麗和報答她的恩惠,才能發現生命的意義。第三,蓋亞假說對於回答所謂宇宙設計問題給人們新的啟示。蓋亞假說認爲,地球本身有一定的次序和結構,從而形成一種體内自動平衡態。這隻是事物進化的一種方式,而不需要有意的設計。同樣,宇宙本身也有一定的次序和結構,而不必需要有意的設計。(來源:肖廣嶺《蓋亞假說——一種新的地球系統觀》)

世界地球日


  世界地球日即每年的4月22日,是一項世界性的環境保護運動。最早的地球日活動是1970年代於美國校園興起的環保運動,1990年代這項活動從美國走向世界,成爲全世界環保主義者的節日和環境保護宣傳日,在這天不同國籍的人們以各自不同的方式宣傳和實踐環境保護的觀念。
  
  1969年美國民主黨參議員蓋洛德·尼爾森在美國各大學擧行演講會,籌劃在次年的4月22日組織以反對越戰爲主題的校園運動,但是在1969年西雅圖召開的籌備會議上,活動的組織者之一,哈佛大學法學院學生丹尼斯·海斯提出將運動定位在於全美國的,以環境保護爲主題的草根運動。1970年4月22日在美國各地總共有超過2000萬人參與了環境保護運動,這次運動的成功使得在每年4月22日組織環保活動成爲一種慣例,在美國地球日這個名號也隨之從春分日移動到了4月22日,地球日的主題也轉而更加趨向於環境保護。
  
  現在人們普遍認爲1970年4月22日在美國發生的第一屆地球日活動是世界上最早的大規模群眾性環境保護運動,這次運動催化了人類現代環境保護運動的發展,促進了發達國家環境保護立法的進程,並且直接催生了1972年聯合國第一次人類環境會議。而1970年活動的組織者丹尼斯·海斯也被人們稱爲地球日之父。

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