书城童书青少年应该知道的太阳系
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第4章 人类的家园—地球

众所周知,地球是太阳系八大行星之一,按离太阳由近及远的次序是第三颗,位于水星和金星之后。在太阳系八大行星中,大小排行是第五。地球是唯一一个不是从希腊或罗马神话中得到的名字。“Earth”一词来自古英语和日耳曼语,当然还有许多其他语言的命名。在罗马神话中,地球女神叫Tellus,意思是肥沃的土地。在希腊语中,地球则是Gaia,代表大地母亲。地球是目前所知唯一一个存在的已知生命体的星球。

1.地球的概况

地球,这颗太阳系中蔚蓝的星球,不但是我们人类共同的家园,而且也是地球上其他生物共有的家园。认识地球的发展演化,同时也是了解我们人类自身的历史。因此,爱护地球,珍爱生命,要从认识地球的形成开始。我们对地球知识的了解掌握,也应从青少年时期抓起。

据科学家们计算,从地球诞生迄今,已经有46亿年的历史。地球最初形成时,是一个巨大的火球。随着温度的逐渐降低,较重的物质下沉到中心,形成地核;较轻的物质漂浮上升,冷却后形成了地壳。大约在45亿年前,地球的大小已经和今天的地球相差不多了。原始的地球上,既无大气,也无海洋。在最初的数亿年间,由于原始地球的地壳较薄,加上小天体的不断撞击,造成了地球内在熔液不断上涌,地震与火山喷发随处可见。在火山喷发过程中,地球内部蕴藏着大量的气泡,从内部升起,形成云状的大气。这些云中充满了水蒸气,然后又通过降雨落回到地面。降水填满了洼地,注满了沟谷,最后积水形成了原始的海洋。到了距今25亿~5亿年的元古代,地球上出现了大片相连的陆地,地球就形成了。经过漫长的演化发展,地球海洋里的单细胞真核生物向多细胞动植物转变。大约5亿多年前,多细胞的植物和动物,很快取代了单细胞的生物,取得了在生物界的主角地位。在以后的进化过程中,多细胞的动植物由水生走向陆地,地球上的生物群落从此展现了生机勃勃的景象。在距今6500万年的新生代,猿类出现了,它是和人类关系十分亲近的灵长类。在此后的漫长岁月里,猿类的一支开始了向人类的进化过程。距今大约300万年前,出现了世界上最早的人群。经过漫长的进化,成为今天的人类。在这300万年的时间里,地球发生了十分巨大的变化。

2.地球的主要成分

直到21世纪,我们才真正勾勒出整个地球的全貌。当然能从太空中取得它的影像是相当重要的因素,地球的太空影像对天气预测,尤其是台风、飓风的预报来说,有很大的帮助。从太空看到的地球,非常美丽可爱。

地球可以分成地壳、地幔和地核。0~40千米为地壳,40~2890千米为地幔,2890~5150千米为外地核,5150~6378千米为内地核。

地壳的成分主要是石英及硅酸盐类,如长石。整体估算,地球化学组成的重量百分比为:铁34.6%,氧29.5%,矽15.2%,镁12.7%,镍2.4%,硫1.9%,钛0.05%。地球是平均密度最大的主要星体,地球的表面很年轻,只有5亿年左右。从天文学的角度来看,确实很短。地球表面积71%为水所覆盖,地球是太阳系迄今所知、唯一在表面可以拥有液态水的行星。水是我们的生命不可或缺的要素,因为水具有大比热(比热是体系的一种强度性质的量,反映了体系粒子能量与温度变化的关系,它又是一种统计平均值)性质,海洋的热容积成为保持地球温度恒定的一大功臣。

地球大气组成中,77%是氮气,21%是氧气,再次就是微量的氩、二氧化碳及水汽。地球初形成时的大气,很可能大部分都是二氧化碳,不过大多已和碳酸盐类岩石结合,其余的则融入海洋或被绿色植物消耗。如今板块构造运动及生物作用,是大气中二氧化碳消长的持续主控者。大气中存在的水气及微量二氧化碳造成的温室效应,是维持地表温度极重要的作用,温室效应使地表温度提高了大约35℃,否则地表的平均温度将是酷寒的-21℃!若没有水汽及二氧化碳,海水会冻结,我们的生命也将无法继续。此外,水汽更是地球水循环及天气变化中不可或缺的角色。

3.地球的温度

据科学家们测算,地核的温度大约是4700℃,比太阳光球表面温度6000℃略低。地球上最高温度,发生在闪电中。一次闪电能释放100亿焦耳的能量,达到30000℃,是太阳表面温度的5倍,但比太阳核心的温度还低很多。地球上最冷的地方在哪里?北半球的“冷极”在西伯利亚东部的奥伊米亚康,1961年1月最低温度是——71℃;南半球的“冷极”在南极大陆,1960年8月24日气温为——88.3℃。

4.地球的运动

地球绕地轴的旋转运动,叫做地球的自转。地轴的空间位置基本上是稳定的。它的北端始终指向北极星附近,地球自转的方向是自西向东,从北极上空看,呈逆时针方向旋转。地球自转一周的时间约为23小时56分,这个时间被称为恒星日;然而在地球上,一天是24小时,这是因为我们选取的参照物是太阳。由于地球自转的同时,也在公转,这4分钟的差距,正是地球自转和公转叠加的结果。天文学上,把我们感受到的这1天的24小时,称为太阳日。地球自转产生了昼夜更替。昼夜更替,使地球表面的温度不至太高或太低,适合人类生存。

地球自转的平均角速度,为每小时转动15度。在赤道上,自转的线速度是每秒465米。天空中各种天体东升西落的现象,都是地球自转的反应。人们最早就是利用地球自转来计量时间的。研究表明,每经过一百年,地球自转速度减慢近2米/秒,主要是由潮汐摩擦引起的,潮汐摩擦还使月球以每年3~4厘米的速度远离地球。地球自转速度除长期减慢外,还存在着时快时慢的不规则变化,引起这种变化的真正原因目前还不清楚。

地球绕太阳的运动,叫做公转。从北极上空看,地球逆时针绕日公转。地球公转的路线,叫做公转轨道,它是近正圆的椭圆轨道。太阳位于椭圆的两焦点之一。每年1月3日,地球运行到离太阳最近的位置,这个位置称为近日点;7月4日,地球运行到距离太阳最远的位置,这个位置称为远日点。地球公转的方向也是自西向东,运动的轨道长度是9.4亿千米,公转一周所需的时间为一年,约365.25天。地球公转的平均角速度约为每日1度,平均线速度约为每秒钟30千米。公转速度在近日点时较快,在远日点时较慢。地球自转的平面叫赤道平面,地球公转轨道所在的平面叫黄道平面。两个面的交角称为黄赤交角,地轴垂直于赤道平面,与黄道平面交角为66°34',或者说赤道平面与黄道平面间的黄赤交角为23°26',由此可见地球是倾斜着身子围绕太阳公转的。

5.地球的结构

在漫长的几千年里,由于自身的限制,人类一直以为地球是宇宙的中心,万世万物都围绕着地球运转。直到16世纪时,人类才了解到,地球只不过是太阳系的一颗行星而已。直到16世纪哥白尼时代,人们才明白地球只是一颗行星。

固态的地壳厚度变化颇大,海洋地区的地壳较薄,平均约7千米厚;而大陆地壳就厚得多,平均约40千米厚。地幔占有地球的主要质量,地核反而位居其次,我们生存的空间只是整个地球极小的一部分。地核的主要成分是铁(或铁镍质),不过也可能有一些较轻的物质存在,地心的温度约有7500开(开是热力学温度单位,1开=-273摄氏度),比太阳表面温度还高;下地幔的主要成分可能是硅、镁、氧,再加上一些铁、钙及铝;上地幔主要成分则是橄榄石及辉石(铁镁硅酸盐岩石),也有钙和铝。这些金属都来自于地震,上地幔的物质有时会随火山喷出熔岩而被带到地表,但是我们仍无法到达固体地球的主要部分,目前的海底钻探行动,连地壳都还未挖穿。

地壳主要由石英(硅的氧化物)和类长石的其他硅酸盐构成。地壳的厚度不同,海洋处较薄,大洲下较厚。内核与地壳为实体;外核与地幔层为流体。不同的层由不连续断面分割开,这由地震数据可以得到,其中最有名的要数地壳与上地幔间的莫霍面—不连续断面。

不像其他类地行星,地球的地壳由几个实体板块构成,各自在热地幔上漂浮,理论上称其为板块说。它被描绘为具有两个过程:扩大和缩小。扩大发生在两个板块互相远离,下面涌上来的岩浆形成新地壳时;缩小发生在两个板块相互碰撞,其中一个的边缘部分伸入了另一个的下面,在炽热的地幔中受热而被破坏。在板块分界处有许多断层(比如加利福尼亚的圣安得列斯断层),大洲板块间也有碰撞(如印度洋板块与亚欧板块)。目前地球上有八大板块:北美洲板块、南美洲板块、南极洲板块、亚欧板块、非洲板块、印度与澳洲板块、纳斯卡板块和太平洋板块。还有超过二十个小板块,如阿拉伯板块、菲律宾板块。地震经常在这些板块交界处发生。

什么是流星雨?

当流星群的轨道与地球公转轨道相交时,流星群就会被地球的引力所吸引,而闯入地球大气层。在几小时到几天的时间内,流星数量显著增加,像下雨一样,这种现象称为流星雨。流星雨发生时,流星的出现率通常是每小时十几个到几十个,但在少数情况下可达每小时成千上万个,这称为流星暴。流星雨现象具有周期性,出现的日期基本固定。例如狮子座流星雨一般出现在每年的11月17日前后,而且每隔33年,会出现一次程度不同的流星暴。

6.地球的卫星

月球俗称月亮,也称太阴,是地球唯一的天然卫星。在太阳系里,除水星和金星外,其他行星外面都有天然卫星。月球的年龄大约有46亿年。月球有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳平均厚度约为60~65千米。月壳下面到1000千米深度是月幔,它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核,月核的温度约为1000℃,很可能是熔融状态。月球直径约3476千米,是地球的1/4;体积只有地球的1/49;质量约7350亿亿吨,相当于地球质量的1/81;月球表面的重力,差不多是地球重力的1/6.

月球表面有阴暗的和明亮的区域。早期的天文学家在观察月球时,以为发暗的地区都有海水覆盖,因此把它们称为“海”,著名的有云海、湿海、静海等;而明亮的部分是山脉,那里层峦叠嶂,山脉纵横,到处都是星罗棋布的环形山。位于南极附近的贝利环形山直径295千米,可以把整个海南岛装进去。最深的山是牛顿环形山,深达8788米。除了环形山,月面上也有普通的山脉。高山和深谷迭现,别有一番风光。

月球约一个农历月绕地球运行一周,而每小时相对背景星空,移动0.5度,即与月面的视直径相仿。与其他卫星不同,月球的轨道平面较接近黄道面,而不是在地球的赤道面附近。

因为月球的自转周期和它的公转周期完全一样,月球永远用同一面向着地球。自月球形成以来,地球便一直受到一个力矩的影响,引致自转速度减慢,这个过程称为潮汐锁定。因此,部分地球自转的角动量转变为月球绕地公转的角动量,其结果是月球以每年约38毫米的速度远离地球。同时地球的自转越来越慢,一天的长度每年变长15微秒。

月球对地球所施的引力,是潮汐现象的起因之一。月球围绕地球的轨道为同步轨道,所谓的同步自转并非严格。由于月球轨道为椭圆形,当月球处于近日点时,它的自转速度便追不上公转速度,因此我们可见月面东部达东经98度的地区;相反,当月球处于远日点时,自转速度比公转速度快,因此我们可见月面西部达西经98度的地区。这种现象称为经天秤动。

白道面与黄道面的两个交点称为月交点,其中升交点(北点)指月球通过该点往黄道面以北;降交点(南点)则指月球通过该点往黄道以南。当新月刚好在月交点上时,便会发生日食;而当满月刚好在月交点上时,便会发生月食。

月球背面的结构和正面差异较大。月海所占面积较少,而环形山则较多。地形凹凸不平,起伏悬殊最长和最短的月球半径都位于背面,有的地方比月球平均半径长4千米,有的地方则短5千米,如范德格拉夫洼地。月球背面未发现“质量瘤”。背面的月壳比正面厚,最厚处达150千米,而正面月壳厚度只有60千米左右。

月球本身并不发光,只反射太阳光。月球亮度随着日、月间角距离和地、月间距离的改变而变化。由于月球上没有大气,再加上月面物质的热容量和导热率又很低,因而月球表面昼夜的温差很大。白天,在阳光垂直照射的地方温度高达127℃;夜晚,温度可降低到-183℃。这些数值只表示月球表面的温度。用射电望远镜观测可以测定月面土壤中的温度,这种测量表明,月面土壤中较深处的温度很少变化,这正是由月面物质的导热率低造成的。

7.地球的宇宙环境

地球的宇宙环境,是指以地球为中心的宇宙环境,可以从宏观和微观两个层面理解。宏观层面上,是指地球在天体系统中所处的位置,即地月系—太阳系—银河系—总星系;微观层面上,是指地球在太阳系中所处的位置。在无限的宇宙空间中,地球只不过是沧海之一粟,它处在永不止息的运动中。

(1)地球的内部环境

地球内部到底是什么样,至今也没有确切的答案。但有一点可以肯定,假设地下王国真的存在,那么他们必定掌握高于地表人的科学技术,诸如飞碟等一系列未解之谜也就不难获得答案。不少地球物理专家认为,地球的现有重量是6兆吨的百万倍,假如地球内部不是空的,它的重量应远不止此。

地下王国之说,引发了科学界一场有关“地球空洞说”的激烈争论,结果如何,人们只能拭目以待。但是它启发了我们地表人,当地球气候发生骤变或其他地表灾难发生时,我们地表人转入地下或许比移居外星球更具有现实意义。

(2)地球与人口的关系

从资源与人类的关系以及环境与人类的关系看,地球上的人口有一个数量限制:人口数量=适合人类居住的面积/个体生产和生活所需要的场地。从生产和生活所需的角度看,人类每个个体生产和生活所需要的场地为1500平方米。根据这个公式,可以算出人类人口的上限。

人口普查信息,仅是数字地球庞大信息家族的一个小小的成员。数字地球可将人口普查信息以及其他地球空间数据融于一体,如将人口信息按部门、行政单元统一存档管理,并通过互联网与地物空间特征相呼应。通过数字地球,人们可浏览地球上某一国家或地区的系列电子地图(如地形、水系、土地利用、人口分布等)和说明文字,并获得有关人口及其居住空间的详细信息,包括总人口、男女比例、文化程度、民族、职业、经济、教育、商业、医疗卫生、公共福利、就业和社会保险等。通过访问个人主页,可获得包括照片在内的详细信息。卫星遥感、地理信息系统和互联网技术支撑下的数字地球,具有强大的分析、评价和模拟能力。例如,美国加利福尼亚地区彭德尔顿的科学家通过收集地形、土壤类型、年降雨量、植被、土地利用及土地所有权等信息,可模拟出不同人口增长对生物多样性的影响。又如,人口普查数据可模拟出城市人口的动态增长、人口分布和人口迁移。例如,“三峡工程”这样的大型工程项目中的移民问题,都可借助数字地球的网络功能、互操作以及地理信息系统技术来解决。

世界地球日

1970年4月22日,美国人为了解决环境污染问题,自发地掀起了一场声势浩大的群众性环境保护运动。从此,美国民间组织提议把4月22日定为“地球日”,它的影响随着环境保护的发展而日趋扩大,最后超过了美国国界,得到了世界许多国家的积极响应。

“地球日”诞生后的30多年中,世界范围内的环境保护工作取得了很大的进展。1972年6月,联合国召开了具有划时代意义的人类环境会议。1973年,成立了联合国环境规划署。许多国家都相继成立了环境保护管理机构和科研机构,环境保护被提上了许多国家政府的重要议事日程。联合国把每年的4月22日作为“世界地球日”,每次都要以不同的主题举行各种活动纪念“地球日”,以此来更好地保护我们的家园—地球。