书城科普读物宇宙大探秘
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第18章 地球——人类的家园(2)

地壳是地球的表面层,也是人类生存和从事各种生产活动的场所。地壳实际上是由多组断裂的,很多大小不等的块体组成的,它的外部呈现出高低起伏的形态,因而地壳的厚度并不均匀:大陆下的地壳平均厚度约35千米,我国青藏高原的地壳厚度达65千米以上;海洋下的地壳厚度仅约5~10千米;整个地壳的平均厚度约17千米,这与地球平均半径6371千米相比,仅是薄薄的一层。

地壳上层为花岗岩层(岩浆岩),主要由硅-铝氧化物构成;下层为玄武岩层(岩浆岩),主要由硅-镁氧化物构成。理论上认为过地壳内的温度和压力随深度增加,每深入100米温度升高1摄氏度。近年的钻探结果表明,在深达3千米以上时,每深入100米温度升高2.5摄氏度,到11千米深处温度已达200摄氏度。

目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年,即使是最古老的石头丹麦格陵兰的岩石也只有39亿年;而天文学家考证地球大约已有46亿年的历史,这说明地球壳层的岩石并非地球的原始壳层,是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动构成的。

地壳是地球表面以下、莫霍面以上的固体外壳,地震波在其中传播速度比较均匀。地球厚度变化有规律,其规律是:地球大范围固体表面的海拔越高,地壳越厚;海拔越低,地壳越薄。地壳由90多种元素组成,它们多以化合物的形态存在。氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁8种元素的质量占地壳总质量的98.04%。其中氧几乎占1/2,硅占1/4。硅酸盐类矿物在地壳中分布最广。

地幔

地幔,位于地壳的下面,是地球的中间层。地幔的厚度约为2865千米,主要由致密的造岩物质构成,是地球内部体积最大、质量最大的一层。

地幔分成上地幔和下地幔两层。上地幔顶部存在一个软流层,推测是由于放射元素大量集中,蜕变放热,将岩石熔融后造成的,可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔部分和和地壳共同组成了岩石圈。下地幔温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性固态。

地幔上层物质具有固态特征,主要由铁、镁的硅酸盐类矿物组成,由上而下,铁、镁的含量逐渐增加。

地核

地核,位于地幔的下面,它的平均厚度约为3400千米。地核分为外地核、过渡层和内地核三层。外地核厚度约为2080千米,物质大致呈液态,可流动;过渡层的厚度约为140千米;内地核是一个半径为1250千米的球心,物质大概呈固态,主要由铁、镍等金属元素构成。

地核的温度和压力都很高,估计温度在5000摄氏度以上,压力达1.32亿千帕以上,密度为每立方厘米13克。经推算,地幔与核交界处的温度为3500摄氏度以上,外核与内核交界处温度为6300摄氏度,核心温度约6600摄氏度。

地震

地震一般发生在地壳之中。地壳内部在不停地变化,由此而产生力的作用,使地壳岩层变形、断裂、错动,于是便发生地震。超级地震指的是指震波极其强烈的大地震。但其发生占总地震7~21%,破坏程度是原子弹的数倍,所以超级地震影响十分广泛,也是十分具破坏力。

地震就是地球表层的快速振动,在古代又称为地动。它就象刮风、下雨、闪电、一样,是地球上经常发生的一种自然现象。大地振动是地震最直观、最普遍的表现。在海底或滨海地区发生的强烈地震,能引起巨大的波浪,称为海啸。地震是极其频繁的,全球每年发生地震约500万次。

今天探测器可以遨游太阳系外层空间,但对人类脚下的地球内部却鞭长莫及。目前世界上最深的钻孔也不过12千米,连地壳都没有穿透。科学家只能通过研究地震波、地磁波和火山爆发来提示地球内部的秘密。

地球的运动形式

我们所生活的地球,之所以一天中有昼夜之分,一年里有四季,其实这些都是地球运动的结果。地球的运动形式主要有自转、公转和进动三种。

斜着身子自转的地球

地球的自转好像是围绕着一根假设的自转轴进行的。地球围绕太阳公转,轨道平面与赤道平面之间有着一个23°20′的夹角,所以地球是斜着身子自转的。因为地球是自西向东自转的,所以造成了太阳、月亮和星星的东升西落现象。地球自转时向着太阳的半个球面为昼半球,背着太阳的半个球为夜半球。这就是地球自转产生的昼夜交替现象。

越转越慢的地球

地球的自转周期并不是固定不变的,它会受各种因素影响而发生改变。研究表明,每经过100年,地球自转长期减慢近2毫秒(1毫秒=千分之一秒),它主要是由潮汐摩擦引起的。此外,由于潮汐摩擦,使地球自转角动量变小,从而引起月球以每年3~4厘米的速度远离地球,使月球绕地球公转的周期变长。除潮汐摩擦原因外,地球半径的可能变化、地球内部地核和地幔的耦合、地球表面物质分布的改变等也会引起地球自转长期变化。

时快时慢的地球自转

地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化,月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。周年周期变化,也称为季节性变化,是20世纪30年代发现的,它表现为春天地球自转变慢,秋天地球自转加快,其中还带有半年周期的变化。周年变化的振幅为20~25毫秒,主要由风的季节性变化引起。半年变化的振幅为8~9毫秒,主要由太阳潮汐作用引起的。此外,月周期和半月周期变化的振幅约为±1毫秒,是由月亮潮汐力引起的。地球自转具有周日和半周日变化是在最近的一些年中才被发现并得到证实的,振幅只有约0.1毫秒,主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。

地球的公转

地球在自转的同时,其自身还围绕着太阳旋转。地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道半长径为149597870千米,轨道的偏心率为0.0167,公转的平均轨道速度为每秒29.79千米;公转的轨道面(黄道面)与地球赤道面的交角为23°27′,称为黄赤交角。地球公转及黄赤交角的存在造成了四季的交替。

从地球上看,太阳沿黄道逆时针运动,黄道和赤道在天球上存在相距180°的两个交点,其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点,称为春分点,与春分点相隔180°的另一点,称为秋分点,太阳分别在每年的春分(3月21日前后)和秋分(9月23日前后)通过春分点和秋分点。对居住的北半球的人来说,当太阳分别经过春分点和秋分点时,就意味着已是春季或是秋季时节。太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点,与之相差180°的另一点称为冬至点,太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。对于居住在北半球的人,当太阳在夏至点和冬至点附近时,就意味着已进入夏季和冬季时节。上述情况,对于居住在南半球的人则正好相反。

地球的进动

地球还存在着一种不为人们直接感知的运动形式,这就好像陀螺在作旋转运动的同时,又作圆锥运动,这就叫进动,地球的进动方向和自转方向相反,它的周期大约为25800年。

地球进动产生的原因是月球和太阳对地球引力产生的力矩,使地球赤道面向黄道面趋近。由于地球不断自转,按照陀螺运动原理,自转轴必然绕着黄道轴旋进。当地球自转轴旋进时,春分点西移,地球公转不到360°即可两次经过春分点,恒星年和回归年便产生了一个差值,这就是岁差。

地轴进动表现为天极的周期性圆运动。在北半球看起来,北天极以北黄极为中心,以23°26′为半径,由东向西作圆周运动,每年移动50.29″,历25800年完成一周。随之而来的是北极星的变迁。北极星就是最靠近天北极的亮星,它必然随天北极的移动而轮番替换。

地球的极移

地极移动,简称为极移,是地球自转轴在地球本体内的运动。1765年,欧拉最先从力学上预言了极移的存在。1888年,德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移。1899年成立了国际纬度服务,组织全球的光学天文望远镜专门从事纬度观测,测定极移。随着观测技术的发展,从20世纪60年代后期开始,国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全球定位系统测定极移,测定的精度有了数量级的提高。

地球的体温

了解地球

地球是太阳系从内到外的第三颗行星,也是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星。赤道半径为6378.2千米,其大小在行星中排列第五位。地球有大气层和磁场,表面的71%被水覆盖,其余部分是陆地,是一个蓝色星球。地球是包括人类在内上百万种生物的家园,也是目前人类所知宇宙中唯一存在生命的天体。地球已有46亿岁,有一颗天然卫星月球围绕着地球以27.32天的周期旋转,而地球自西向东旋转,以近24小时的周期自转并且以一年的周期绕太阳公转。

地球这个名字来源于对大地形状的认识,最早可以追溯到古希腊学者亚里士多德从球体哲学上”完美性“和数学上的”均衡性“提出”地球“这个名称和概念。

地球的表面被分成几个坚硬的部分,或者叫板块,它们以地质年代为周期在地球表面移动。地球表面大约71%是海洋,剩下的部分被分成洲和岛屿。地球的内部仍然非常活跃,有一层很厚的地幔,一个液态外核和一个固态铁的内核。

地球的温度

人们常说,太阳带给我们光明和温暖。地球上的光明固然归功于太阳,但地球上的温暖却不都是由太阳那里得到的。地球和人一样,也有自己的”体温“。

我们都知道,由于阳光的照射,地表温度会随昼夜和季节而发生变化,从而使地球表面和表层受到影响。但是,在地球深处,太阳热量所产生的影响越来越小,以至消失。实验证明,太阳的照射只能影响地下十几米以内的温度,这部分地层叫做变温层。十几米以下的地层不再随昼夜和季节而变化,被称做恒温层。

那么,如果我们再往地层深处去,温度又会怎样呢?是不是还会继续保持恒温呢?

地温梯度

从很深的矿井和钻孔得到的资料表明,地球深处的温度是随着深度而增高的。从地壳深处冒出的温泉,水温可高达百度;而从地幔喷出的岩浆,温度则高达千度。我们把每深入地下100米,地温增加多少度,即温度随深度而增加的变化速度叫做”地温梯度“。

如果按照这个增温速度推算,地下100千米深处的温度将是3000摄氏度,1000千米深处将是3万度,地心的温度则会高达20万度。地球如果真有这样的高温是不堪设想的。因为那样的高温条件,地球将不再是固体球,而会被汽化。多数人认为,地球内部温度最高不超过4000摄氏度。还有人指出,地心温度必须小于8000摄氏度,因为若超过这个温度,无论压力情况如何,地核的铁都会变成气体状态。所以,前面所列举的地温梯度的数值,只适用于一定深度。随着深度的增加,地温梯度值会不断减小。

地球内部热能来源

至于地球内部的热能从何而来,对于这个问题,目前尚有争议。但一般认为可能来源于三个方面:

1.在地球形成过程中,由于尘埃和陨石物质积聚,能量转化为热能而保存至今。

2.在地球分层过程中,由于较重元素如铁,不断渗入地心,重力能量转变为热能,而保存下来。

3.地球内部有镭、铀、钍等放射性元素,会在缓慢蜕变过程中释放热能,为地球不断补充”体温“。不管哪种意见,都认为地球靠它自身可以产生热能。

地球的经线和纬线

经纬线的概念

经线和纬线是人们为了在地球上确定位置和方向,在地球仪和地图上画出来的,地面上并没有画着经纬线。

经线:连接南北两极的并同纬线垂直相交线,也称本初子午线。经线指示南北方向;所有经线都呈半圆状且长度相等;两条正相对的经线形成一个经线圈;任何一个经线圈都能把地球平分为两个半球。

纬线:在地球仪上,顺着东西方向,环绕地球仪一周的圆圈,叫做纬线。所有的纬线都相互平行,并与经线垂直,纬线指示东西方向。纬线圈的大小不等,赤道为最大的纬线圈,从赤道向两极纬线圈逐渐缩小,到南、北两极缩小为点。

经线和纬线互相垂直、交织,构成经纬网。经线和纬线也可以把地球划分成几个不同的半球。把地球沿赤道切开,赤道以北的半球,叫北半球;赤道以南的半球叫南半球。如沿西经20°和东经160°经线把地球切开,由西经20°向东到东经160°的半球叫东半球;以西的半球叫西半球。

经纬线的来历

公元前334年,亚历山大渡海南侵,继而东征,准备绘制一幅”世界地图“的随军地理学家尼尔库斯发现沿着亚历山大东征的路线,由西向东,无论季节变换与日照长短都很相仿。于是第一次在地球上划出了一条纬线。后来,担任埃及亚历山大图书馆馆长的埃拉托斯又画了一张有7条经线和6条纬线的世界地图。

公元120年,克罗狄斯·托勒密综合前人的研究成果,认为绘制地图应根据已知经纬度的定点做根据,提出地图上绘制经纬度线网的概念。为此,托勒密测量了地中海一带重要城市和观测点的经纬度,编写了8卷地理学著作,其中包括8000个地方的经纬度。为使地球上的经纬线能在平面上描绘出来,他设法把经纬绘成简单的扇形,从而绘制出一幅著名的”托勒密地图“。15世纪初,航海家亨利开始把”托勒密地图“付诸实践。

地球上的水圈

在地球上,上至高层大气,下至地壳深处,几乎处处都有水的踪迹和水的影响。世界大洋、江河湖沼以及地下水等互相连通,共同构成了地球上所特有的”水圈“。

水圈的形成

在地球上的总水量中,海水约占97%,其余3%存在于冰川、江河、湖沼、地下和大气中。如果我们把地表看做是很平坦的,将地球水均匀覆盖其上,那么全球将成为一个平均水深2745米的水球。

地球上的水并不是从来就有的,它是地球发展的产物。最初,绝大部分水是以结晶水的形式存在于地球的岩石之中的。目前,江河湖海中的水都来自于地球内部的地下岩石,但它们的直接来源则是靠大气降水集聚而成的。随着地球内部温度的升高,岩石之中的结晶水会析出形成水汽。这些水汽主要是通过火山活动跑出地表而进入大气,再遇冷凝结成水滴降落在地面,形成最初的水圈。

海水含盐量高的原因