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第12章 我们的家—地球概貌

 地球基本情况

人类进入了文明时代,就一直在探索我们脚下的这块大地的本质是什么。大地有尽头吗它是方的,平的,还是圆的为什么日、月、星辰总是东升西落为什么会有四季变化等等。这些现在看起来很简单的问题是人类经历了数千年的努力才弄明白的。人类终于知道自己生存在一个不大的且极普通的行星之上,这只是近几百年的事。当人类跨入宇航时代并步入太空的时候,才真正有机会从地球以外来俯视我们这颗星球的全貌。原来她是一颗蓝色的星球,表面蓝色的海洋与蜿蜒相接的大陆美景交辉,飘忽变幻的白云环绕其上,堪称宇宙间最美丽的天体。

地球是宇宙中的一个天体,太阳系的九大行星之一,其形状为不规则的旋转椭球体。地球的总面积为51 000万平方千米,地球的71%是海洋,26%为陆地。陆地主要在北半球。海洋包括大洋盆地、海底山岭、海沟等地貌类型。陆地分为欧亚大陆、非洲大陆、南美大陆、北美大陆、澳洲大陆和南极大陆以及众多的岛屿,其上有高山、高原、丘陵、平原以及河流、湖泊等地貌类型。地球的总质量为5.976×1027吨。巨大的质量使地球具有强大的向心引力,地心引力使所有质点都尽可能靠近地心,因而使地球成为球形。但是,地球自转产生的指向赤道的惯性离心力分力促使海水自两极流向赤道,使赤道半径比极半径略长,因而地球形状不呈正球体而是椭球体。

地球是太阳系九大行星之一,按离太阳由近及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星——月球。地球是太阳系中一颗普通的行星,但它在许多方面却都是独一无二的。譬如,它是太阳系中惟一一颗表面大部分被水覆盖的行星,也是目前所知惟一一颗有生命存在的星球。它的地质活动的激烈程度在九大行星中也是首屈一指的。在天文学中,地球的天文符号是古希腊人表示圆球体的一种符号。

 地球运动

地球的运动十分复杂,地球的绕轴自转和绕太阳公转是最显著的,对地球物理特征最有影响,也是人们了解得最深的运动。地球的自转是绕轴自转,在北极上空观察呈逆时针方向,南极上空观察则呈顺时针方向,习惯上称为自西向东旋转。自转周期为一日。自转角速度为每小时15度,线速度则因纬度和海拔不同而异,例如,赤道海平面为464米/秒,高度增减100米,线速度增减26米;两极为零。除绕轴自转外,地球还按照一定的轨道绕太阳公转。公转的周期为一恒星年,约365日6时9分10秒。公转方向也是自西向东,轨道是一个扁率为1/60的椭圆。轨道近日点为1.471亿千米,远日点为1.521亿千米,与太阳的平均距离为每日59分,平均线速度为每秒29.78千米,面速度为每日1.92×1014平方千米,其中前两者有季节变化。

地球自转决定了地球上昼夜的更替,并使地表一些自然地理过程具有昼夜节奏,还使运动物体如气团、洋流和流水发生偏转。地球自转造成同一时刻地球的不同的经线上具有不同的地方时间,还使潮汐转变为与自转方向相反的潮汐波。

地球公转轨道面为黄道面。黄道面现在与赤道面呈23度27分的交角,即黄赤交角。黄道面对于地轴的倾斜意味着地球轨道一半偏向北方,一半偏向南方。春分至秋分间,地球位于轨道的偏南部分;秋分至次年春分间,则位于偏北部分。这意味着太阳直射点半年在北半球,半年在南半球,并且以一年为一周期在23度27分纬线(即回归线)之间往复运动。这一现象决定了地球表面热量自赤道向两极递减,使地表分为赤道带、南北温带、南北寒带等5个热量带,以及每年分为春夏秋冬4季。南北半球季节出现正好相反,北半球为夏季和秋季时,南半球则相应为冬季和春季。

太阳和月球的引力对地球的运动有显著的影响。这种引力产生的力矩使黄道面向赤道面趋近。在地球自转条件下,黄赤交角不变,因此自转轴必然绕黄道轴旋进,从而导致春分点每年西移50.2564分,形成岁差。太阳和月球分别在一年和一个月内两次通过赤道面,引力方向改变使地轴长周期旋进附加了短周期的摆动,造成地极的移动。

在地球强大引力的作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千千米的大气层。大气层一直可以延续到距地面6 400千米左右。大气中氮占78%,氧占21%,氩占0.93%,二氧化碳占0.03%,氖占0.0018%,此外还有少量的水汽和尘埃。

根据大气的热状态,大气层自地球海平面向上分为对流层、平流层、中间层和热层。对流层的厚度不均匀,赤道地区约16千米,两极约8千米,是大气中最稠密的一层。大气中的水汽几乎都集中在这里,云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。对流层与人类的关系最为密切。从对流层顶到50千米高度的范围,是平流层。这一层的气流主要表现为水平方向的运动。这里基本上没有水汽,大气平稳,天气晴朗,对高空飞行有利。在距海平面高度20~30千米处,氧分子在太阳紫外线作用下形成臭氧层,臭氧层是防护紫外辐射的屏障。从平流层顶到50~80千米高度的范围是中间层。在这一层,气温随高度增加而迅速降低,空气的垂直对流运动相当强烈。中间层以外的大气因受太阳辐射的影响,温度较高,气体分子或原子大量电离,形成电离层。从中间层顶到500千米左右的高空,称为热层。热层的气温很高,在500千米高度,温度可升到1 100℃左右。热层以外就是地球的外大气层了。外大气层和行星际空间融合在一起。

 辐射带与磁层

20世纪初有人提出太阳在不停地发出带电粒子,这些粒子被地球磁场俘获,在地球上空形成一个带电粒子带。50年代末60年代初,美国科学家范·艾伦根据宇宙探测器“探险者”1号、3号和4号的观测,证明了带电粒子带的存在。地球辐射带分为两层,形状有点像是砸开成两半的核桃壳。离地球较近的辐射带称为内辐射带,较远的称为外辐射带,也分别称为内、外范·艾伦带。辐射带从四面把地球包围了起来,而在两极处留下了空隙,也就是说,地球的南极和北极上空不存在辐射带。最近两年有消息说,美国和俄罗斯的天文学家在内外辐射带之间又发现了第三条辐射带。

过去人们一直认为地球磁场和一根大磁棒的磁场一样,磁力线对称分布,逐渐消失在星际空间。人造卫星的探测结果纠正了人们的错误认识,绘出了全新的地球磁场图像:当太阳风到达地球附近空间时,太阳风与地球的偶极磁场发生作用,把地球磁场压缩在一个固定的区域里,这个区域就叫磁层。磁层像一个头朝太阳的蛋形物,它的外壳叫做磁层顶。地球的磁力线被压在“壳”内。在背着太阳的一面,壳拉长,尾端呈开放状,磁力线像小姑娘的长发,“飘散”到二百万千米以外。磁层好像一道防护林,保护着地球上的生物免受太阳风的袭击。地球的磁层是个非常复杂的问题,其中许多物理机制需要进一步的研究和探讨。最近十年,科学家已经把磁层的概念扩展到其他的一些行星,甚至发现宇宙中的中子星、活动星系核电具有磁层结构的特征。

 地球上的生命

地球具有产生生命的良好条件。地球大气中稳定存在的少量二氧化碳,通过温室效应使地表气温提高了35℃(从-21℃升到了14℃),使得液态水得以存在。水是一种理想的溶剂,大量与生命有关的复杂化学反应都能在水中发生。

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