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一地球科学（第1页）

一、地球科学

我们的家园——地球

地球是我们人类的故乡，是太阳家族中一颗蔚蓝色的行星。你可能了解了一些地球的知识，但我们这里要介绍的内容是把地球作为一个普通的行星，放在行星队伍中进行比较，看看它作为天体的特征。

首先，地球是我们观察天体和认识宇宙的基地，地球的所有物理量都是我们衡量其他行星的尺子。比如，我们说水星公转周期是88天，这里所指的“天”就是以地球自转定的天。冥王星绕太阳的公转周期是248年，这里的年也是以地球公转作为计量单位的。地球的运动被当作天文计时器。

说到地球的形状，你一定很熟悉。我们每天都可以看到中央电视台播放的地球形体。要知道，我们人类能看到自己所在星球的全貌，这还是近30多年的事。在此之前，人类还处于“不识庐山真面目”的状说。现在不仅知道地球是一个球体，还精确地测出地球形体的基本数据。地球赤道半径平均为6378。139公里，极半径平均为6356。755公里。两者相差21公里，地球的扁率为1／298。257。也就是说，地球的赤道周长比两极方向的周长要长。同时，两极方向的半径也不是等长的。北极方向比正球体高出18。9米，南极方向比正球体凹进25。8米。地球的赤道也不是一个正圆，长半径比短半径长215米。长轴方向在西经35度左右。由此可见，地球的形状不是一个正圆球体，精确地说，地球的形状是一个略扁的旋转椭球体。夸大点说，地球的形状类似鸭梨。当然，恐怕凭我们眼睛是看不出来的。

地球作为类地行星的样板，它的地貌结构是很重要的特征，地壳质量只占整个地球质量的0。2％左右。大陆地壳平均厚约35公里，已发现大陆最古老的岩石年龄为38亿年，平均密度为每立方厘米2。7～2。8克。大洋的地壳平均厚度约7公里（包括海水），大洋地壳岩石年龄不超过2亿年，平均密度为每立方厘米3～3。1克。大陆占整个地球表面5。1亿平方公里表面的29％，海洋占71％，可以说，地球是富水的行星。地球表面绝大部分都被茫茫的积水（海洋、河流和湖泊）和连绵不断的植被所覆盖。这是其他行星所无法比拟的。

类地行星的大气特征是多种多样的。地球大气层有1000多公里厚，90％的大气质量都集中在距地面15公里之内。根据大气的物理性质，将地球大气从下向上分为对流层、平流层、中间层和电离层。地球大气的成分受地表生物的影响很大，氮占78％，氧占21％，还有其他少量的气体和水分。而水星所谓的大气主要受太阳风的作用，包含氢和氦的成分。金星和火星的大气成分主要是二氧化碳。

一般认为，行星上有适宜的温度、有合适的大气成分和比较丰富的水，这个行星上就很可能有生物圈存在。地球上到处是生机勃勃，气象万千。目前生存着大约150万种动物，30多万种植物，形成一个以人类为主宰的大生物圈。这是其他行星所望尘莫及的。

地球的年龄

地球和我们的关系十分密切，它不仅孕育了人类，而且构成了人类的生存环境，向人类提供了各种资源和发展文明的物质基础。热爱它的人都称地球为人类的母亲。然而，人类对于地球母亲的了解却是太少太少了，不能作出确切的答复，对于人类来说，地球究竟高寿几何却是一个谜，一个许多人感兴趣的谜。

在科学并不发达的过去，犹太学者根据《圣经》的上帝创世说，推算出地球的历史不过6000年左右。而我国古人则推测：“自开辟至于获麟（指公元前481年），凡三百二十六万七千年。”

以上的推测虽然都认为天地自形成以来经历了一段漫长的年月，但是，对地球的起源及地球的年龄的推测不超过2500万年。

1862年，英国著名物理学家汤姆森，根据地球形成时是一个炽热火球的设想，并考虑了热带岩石中的传导和地面散热的快慢，认为如果地球上没有其他热的来源，那么，地球从早期炽热状态冷却到现在这样，至少不会少于2000万年，最多不会多于4亿年。

汤姆森的推论引起了各种争论，莫衷一是。直到20世纪科学家发现了测定地球年龄的最佳方法——同位素地质测定法。科学家运用这种方法测定出岩石中某种现存放射性元素的含量，以及测出经蜕变分裂出来的元素的含量，再根据相应元素放射性蜕变关系，就可以计算出岩石的年龄。迄今，科学家找到的最古老的岩石，它有38亿岁。然而，也有人认为，38亿岁的岩石是地球冷却下来形成坚硬地壳后保存下来的，它并不等于地壳的年龄。

那么地球的年龄又是多大呢?20世纪60年代以后，人们在广泛测量和分析那些以流星形式坠落地球的陨石年龄以后，发现大多数陨石在44～46亿年。60年代末，美国阿波罗探月飞行，测取月球表面岩石的年龄也在44～46亿年。因此，在我们今天的教科书上，或一些科普读物上，都将地球的年龄定为46亿岁。

然而，对于地球46亿岁的结论还有许多争论。有人提出疑问，认为这个数据是基于地球、月球和陨石是由同一星云、同一时间演变而来的前提下，而这一前提还是一个有争议的假经历46亿年的岁月，地球依然生机盎然设。另外，认为放射性元素的蜕变率是不随时间、环境等条件的变化而变化的假设也未必正确。

也有人主张地球可能有更大的年龄值。如我国地质学家李四光，认为地球大概在60亿年前开始形成，至45亿年前才成为一个地质实体。

前苏联学者施密特根根据他的“俘获说”，从尘埃、陨石积成为地球的角度进行计算，结果获得76亿年的年龄值。

然而，众多的结论都是依靠间接证据推测出的。人们至今也未在地球上找到它本身的超过40亿年以上的岩石，因此，地球高寿几何，还有待于作更深入的研究。46亿年这个数字，只是进一步研究的起点。

地球的形状

作为圆球形体的地球被发现了。但它是怎样的球形体?当时人们还是不很清楚。有人说地球应该是个滚瓜溜圆的正球体，因为圆是最完美的形态。有人说地球应该是鸡蛋一样的长球体，两极处凸起，因为蛋是一切生命之源。而英国科学家牛顿则根据他的力学观点，断定地球是一个两极较扁、腰部凸出的球体。

牛顿的论断是由一次偶然发现引发的。1672年，法国的一位天文工作者到南美洲圭亚那（西经52。5°，北纬5°）做天文观测，发现从法国巴黎（东经2。2°，北纬48。8°）带来的一架最准确的摆钟走慢了。开始，他还以为是摆钟出了毛病，但后来，当他回到巴黎后，这架摆钟却又恢复了正常，经检查，摆钟没有任何毛病。既然不是摆钟本身的毛病，那为什么会出现这种情况呢?

牛顿认为，地球自转产生惯性离心力，越靠近赤道，则惯性离心力也就越大，地球物质便有向赤道部分移动的趋势。正像我们转动伞柄，伞就会自动张开那样。结果，地球就形成赤道部分向外凸出的椭球体。正因为地球是这样的椭球体，赤道附近的圭亚那比北纬48。8°的巴黎距离地球中心较远，这样，摆钟被带到圭亚那后，它所受的重力减小了，摆钟的摆动周期便会延长，所以摆钟就走慢了。

这种见解很有道理，但它毕竟属于思辩性的推断，不能作为一种科学定论公之于众。为了证实这种结论的正确性，后来法国科学院派出两支测量队，分别到北极圈附近的瑞典拉普兰地区和赤道附近的秘鲁地区实测子午线（即经线）弧段的长度。其结果是，北极圈附近的一度子午线弧段较赤道附近的一度子午线弧段稍长。这就证明了牛顿的见解是正确的。事实上，赤道半径较两极半径长21。5公里。

规则的椭球体，其经线圈都是椭圆，而纬线圈都是正圆。但后来发现，地球不是规则的椭球体，即它的纬线圈和赤道并非正圆。赤道直径，在东经15°到西经165°方向为长轴，在东经105°到西经75°方向为短轴。但二者相差只有430米，这和地球半径相比是微不足道的。这样，通过地心到地表就有3根不等长的轴，所以人们又称地球是三轴椭球体。现在根据人造地球卫星测得的地球形状，是它的南北两半球也不对称。北半球较为瘦长，北极略高出理想椭球体18。9米；南半球较为胖短，南极略低于理想椭球体25。8米。地球又有点像“梨形”。不过，这个差异就更小，南北极两半径仅相差40余米。

因此，总的说来，地球是一个不太规则的椭球体，它什么也不像。人们根据它独特的形状，就叫它“地球体”。

地球的大小

自从有人相信大地是个圆球，关于它的大小，便是人们渴望知道的问题了。最早测量地球大小的是古希腊天文学家埃拉特色尼。当时，他居住在现今的埃及亚历山大港附近。在亚历山大港正南方有个地方叫塞恩，即今天的阿斯旺，两地基本上在同一条子午线上。在两地之间，有一条通商大道，骆驼队来往不绝。两地的距离大约相当今天的800公里。塞恩有一口很深的枯井，夏至这一天正午，阳光可以直射井底，说明这一天正午太阳恰好在头顶上。可是同一天的正午，在亚历山大港，太阳却是偏南的。根据测量，知道阳光照射的方向和竖直木桩呈7。2°的夹角。这个夹角，就是从亚历山大港到塞恩两地间子午线弧长所对应的圆心角。埃拉特色尼根据比例关系，轻而易举地计算出了地球的周长：