地球圈层划分1.4.3从外层空间看地球——蓝色的行星从地表以上到地球大气的边界部位，统称为地球的外部圈层。既有有机物，也有无机物；既有气态物质，也有固态和液态物质。分布于地球外部的这些物质，经历了漫长的地质演化过程，现已形成了一些分布有序、物质构成有别的外部大气圈、水圈和生物圈，它们各自形成一个围绕地表自行封闭的圈层体系。虽然各个圈层是一个单独的体系，但是它们之间是相互关联、相互影响、相互渗透、相互作用的，共同促进地球外部环境的演化，形成生物界（理所当然地包括人类）赖以生存的自然环境。
如果从离地球数万千米的高空俯视地球，可以看到覆盖地球表面的大部分是蓝色海洋，它使地球成为一颗“蓝色的行星”。据科学家估算，地球表层的总水量约为1385984610m3，其中海洋水占96.5%，以冰川为主的陆地水占2.7%，大气中的水与前两者相比少得几乎可以忽略不计。地球的水圈，包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等液态水和固态水，它是一个连续但不规则的圈层。地球物理勘探资料证明地下水可能渗透至15km以下，超深钻表明在4～9km处存在大量的流体；大洋地幔水含量约为地球重量百分含量的1/100，大陆地幔的水含量约为1/1000。地球水圈总质量为1.66×1021kg，约为地球总质量的1/3600，其中，海洋水质量约为陆地水（包括河流、湖泊、表层岩石孔隙和土壤中的水）的35倍。如果将地球的大陆地壳与海洋地壳拉平，那么全球将被深达2600m的水层所均匀覆盖。
大气圈为地球圈层中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈与星际空间没有明显的界线，随距地表高度的增大而趋于稀薄，在2000～16000km高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下、土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的组成部分。地球大气的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和其他微量气体。地球大气圈气体的总质量约为5.136×1018kg，相当于地球总质量的1/（1.163×106）。由于地心引力的作用，几乎大气圈层全部的气体都集中在离地面100km高度的范围内，其中75%的大气又集中在地面10km高度的对流层范围内。根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、热层、散逸层等。地球大气的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04％比例的微量气体。根据大气的气温垂直分布、化学组成及运动规律，将大气圈划分为对流层、平流层、中间层、热层等若干层次。
对流层：其厚度随纬度和季节不同而变化，赤道附近高约18km，两极约为8km，大气75%、水气90%集中于该层。上升100m，温度降低0.6℃，上部气温降到-50℃。
平流层：对流层之上非常稳定的平流层，高度在17～55km。气温保持不变或略有上升，水平运动。
中间层：从平流层顶到80～85km，温度随高度增加而下降，至其顶层气温可达-92℃左右的极低值。
热层：80～150km高度之间称为热层。空气密度小，气温普遍升高，可达极值1200℃，处于高度电离状态，氧、氮的一部分分解成原子。
在热层的上部800km以上，还有散逸层。
生物圈是指地球大气圈、水圈和地壳表层在合适的温度条件下，形成的适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据统计，在地质历史上曾生存过的生物有5亿～10亿种之多。然而，在地球漫长的演化过程中，绝大部分物种都已经灭绝了。全球现存的植物约有40万种，动物有110多万种，微生物至少有10万种。现存的生物主要生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。生物圈是太阳系所有行星中，仅在地球上发现存在的一个独特圈层。
1.4.4绚丽极光的引申——地球磁场和磁极漂移在地球南北两极附近地区的高空夜间常会出现灿烂美丽的光辉，有时像一条彩带，有时像一团火焰，有时又像一张五光十色的巨大银幕。它轻盈飘荡、忽暗忽明。由于它的骤然出现，为静寂的极地赋予了一抹壮丽动人的景象，这就是“极光”。产生极光的原因是来自大气外的高能粒子撞击高层大气中的原子的作用，地球磁线的产生这种相互作用之所以发生在地球磁极周围区域，是太阳风的部分荷电粒子在到达地球附近时被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落与氧和氮的原子碰撞，呈激发态的离子发射出不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。固体地球是一个磁化地球，有自身的磁场。具有磁性的物质在地球磁场的作用下，能指示方向。远在公元前1100年，我们的祖先就利用这一个现象发明了指南针并于公元14世纪传到欧洲，才促成了像哥伦布和麦哲伦等人的航海探险伟绩。
第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。1893年，数学家高斯在他的著作《地磁力的绝对强度》中从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法。后来，美国加州大学伯克利分校地球物理学家首次测量出地下约2900km深处地核区的磁场强度，为地球磁场的形成提供了较为科学的解释。地核的内核为半径约1300km的凝固铁镍球，液态外核包含了地球2/3的铁和镍。巨大的热量使外核沸腾或“对流”引导金属升降便产生了电流继续维持磁场，而这种流动发电在地表产生了缓慢的磁场转变。
在地面上，只有两个点的磁力线是垂直的，而且磁性最强，这就是“磁极”。按地理学上的习惯，把位于北半球的磁极叫磁北极，位于南半球的磁极叫磁南极，南北磁极的连线叫磁轴。在南北磁极之间，有一个地带的磁力线是水平的，以致磁极的方向平行于地面。那里是磁性最弱的地方，叫磁赤道。由磁针指示的磁南、北极，为磁子午线方向。由于地磁极与地理极不吻合，地理子午线与地磁子午线的夹角称作磁偏角。由于磁针的空间位置与磁力线完全重合，而磁力线只有在地磁赤道上才与水平面平行，由此向北或向南移动时，磁针都会发生倾斜，其与水平面之间的夹角称作磁倾角。地磁场包围着整个地球，其范围可以延伸到100000km以上的高空。地磁场内有磁力作用存在，磁力的大小叫磁场强度。
地磁场的短期变化每天都有轻微而规则地发生，磁偏角的变化约几分，磁场强度的变化几十伽玛。比较强烈的突然性的地磁场变化现象，称为磁暴。磁暴平均每年发生10次左右，每次时间从几小时到几天。磁暴发生时，磁针摆动不停，罗盘无法使用，无线电信号中断，高纬度地区出现极光。因此，磁暴也是一种危害性很大的灾害性自然现象。磁暴与太阳活动时发出的大量电磁辐射，导致大气产生强烈电离有关。
地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风的长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。地球磁层位于距大气层顶600～1000km高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5万～7万km。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000km。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。
关于磁极的漂移。多数科学家认为，由于地壳与地核自转角速度不同步，地核必然通过地幔软流层物质向地壳传输角动量，其结果是地核的自转角速度逐渐减小，出现地壳自转角速度大于地核自转角速度的情形。这时，在地球表面就会感受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应。按照左手定则判断，新形成的地磁场的N极在地理北极附近，S极在地理南极附近。但地壳与地核间的相对速度却是呈周期性变化的，这就是每隔一段时间地球磁场就要发生一次倒转的原因。地磁要素存在着长期而缓慢的变化，主要表现为地磁场西移、地磁极的极性和位置变化。例如0°磁偏线与赤道的交点，近四百年来已经西移95°；0.69百万年前至今的磁北极，在0.69百万～2.43百万年前为磁南极，在2.43百万～3.32百万年前为磁北极，再以前相当一段时间为磁南极。但也有科学家认为，地球磁场从来就没有翻转过。因为地球生物都是在地球表面和水中进化的，所有地球生物从来就没有在逆向磁场中生存过。这样地球生物演化的表现也就没有逆向磁场的生物特征留存。看样子，磁场倒转问题还要争论下去。
“数字地球”是美国前副总统戈尔先生于1998年1月31日在加利福尼亚科学中心所做的《数字地球——认识21世纪我们这颗星球》的讲演中首次提出的。他认为，我们一方面拥有大量的可以发挥积极作用的信息，一方面又让它闲置起来慢慢地过时而变得无用。解决这一矛盾的方法，便是建立一个地球信息模型，该模型将地球上每一角落的信息都收集、整理、归纳，并且按照地球地理坐标建立完整的信息模型并且用网络连接起来，从而使地球上的每个人都可以快速、完整、形象地了解地球宏观和微观的各种情况，并充分发挥这些数据的作用，这就是“数字地球”。
数字地球是一项庞大而复杂的系统工程，首先需要一个统一的框架结构和协同工作环境，更需要包括计算机及网络通信技术、卫星遥感技术、全球定位系统、地理信息系统、虚拟现实、数据存储、数据库等作为技术支撑，包含有高分辨率的数字图像与地图以及经济、社会和人口统计的信息，以便使全球能够联合起来应对自然环境、自然灾害的挑战。然而，就自然灾害而言，灾难性的灾害发生、灾害链的形成，是由物质能量聚集、瞬间释放，并向下游链条的蔓延，需要有一个演化的过程来控制。尤其是对于防灾减灾预案和措施的制定与实施，需要用自然规律来预测灾害的发生时段、延缓物质能量释放的过程、终止或避让灾害链条延伸的区间，这就是地壳运动、地质与地貌演化的基本规律。本章借用“数字地球”这一专业术语，以探讨地球的起源与为演化过程主线，通过对天文期、地质期重大事件的发生区间、运动轨迹，旨在梳理出地球历经46亿年“断山裂海、萌发生命、生态演替、地貌更新”的基本脉络。