人類源流——地球2

四、地球的結構

地球由於不同的化學成分與地震性質被分為不同的岩層（深度：千米）：

～40地殼

40～400 Upper mantle上地幔

400～650 Transition region過渡區域

650～2700 Lower mantle下地幔

2700～2890 D layer D"層

2890～5150 Outer core外核

5150～6378 Inner core內核

地殼的厚度不同，海洋處較薄，大洲下較厚。內核與地殼為實體；外核與地幔層為流體。不同的層由不連續斷面分割開，這由地震數據得到；其中最有名的要數地殼與上地幔間的莫霍面－不連續斷面。地球的大部分質量集中在地幔，剩下的大部分在地核；我們所居住的只是整體的一個小部分（下列數值×10e24千克）:

大氣= 0.0000051

海洋= 0.0014

地殼= 0.026

地幔= 4.043

外地核= 1.835

內地核= 0.09675

地核可能大多由鐵構成（或鎳/鐵），雖然也有可能是一些較輕的物質。地核中心的溫度可能高達7500K，比太陽表面還熱；下地幔可能由硅，鎂，氧和一些鐵，鈣，鋁構成；上地幔大多由olivene，pyroxene(鐵/鎂硅酸鹽)，鈣，鋁構成。我們知道這些金屬都來自於地震；上地幔的樣本到達了地表，就像火山噴出岩漿，但地球的大部分還是難以接近的。地殼主要由石英（硅的氧化物）和類長石的其它硅酸鹽構成。就整體看，地球的化學元素組成為：

34.6%鐵

29.5%氧

15.2%硅

12.7%鎂

2.4%鎳

1.9%硫

0.05%鈦

地球是太陽系中密度最大的星體。

其它的類地行星可能也有相似的結構與物質組成，當然也有一些區別：月球至少有一個小內核；水星有一個超大內核（相當於它的直徑）；火星與月球的地幔要厚得多；月球與水星可能沒有由不同化學元素構成的地殼；地球可能是唯一一顆有內核與外核的類地行星。值得注意的是，我們的有關行星內部構造的理論只是適用於地球。

不像其它類地行星，地球的地殼由幾個實體板塊構成，各自在熱地幔上漂浮。理論上稱它為板塊說。它被描繪為具有兩個過程：擴大和縮小。擴大發生在兩個板塊互相遠離，下面湧上來的岩漿形成新地殼時。縮小發生在兩個板塊相互碰撞，其中一個的邊緣部份伸入了另一個的下面，在熾熱的地幔中受熱而被破壞。在板塊分界處有許多斷層（比如加利福尼亞的San Andreas斷層），大洲板塊間也有碰撞（如印度洋板塊與亞歐板塊）。目前有八大板塊：

北美洲板塊－北美洲，西北大西洋及格陵蘭島

南美洲板塊－南美洲及西南大西洋

南極洲板塊－南極洲及沿海

亞歐板塊－東北大西洋，歐洲及除印度外的亞洲

非洲板塊－非洲，東南大西洋及西印度洋

印度與澳洲板塊－印度，澳大利亞，紐西蘭及大部分印度洋

Nazca板塊－東太平洋及毗連南美部分地區

太平洋板塊－大部分太平洋（及加利福尼亞南岸）

還有超過廿個小板塊，如阿拉伯，菲律賓板塊。地震經常在這些板塊交界處發生。繪成圖使得更容易地看清板塊邊界。

地球的表面十分年輕。在50億年的短周期中（天文學標準），不斷重複著侵蝕與構造的過程，地球的大部分表面被一次又一次地形成和破壞，這樣一來，除去了大部分原始的地理痕迹（比如星體撞擊產生的火山口）。這樣一來，地球上早期歷史都被清除了。地球至今已存在了45到46億年，但已知的最古老的石頭只有40億年，連超過30億年的石頭都屈指可數。最早的生物化石則小於39億年。沒有任何確定的記錄表明生命真正開始的時刻。71％的地球表面為水所覆蓋。地球是行星中唯一一顆能在表面存在有液態水（雖然在土衛六的表面存在有液態乙烷與甲烷，木衛二的地下有液態水）。我們知道，液態水是生命存在的重要條件。海洋的熱容量也是保持地球氣溫相對穩定的重要條件。液態水也造成了地表侵蝕及大洲氣候的多樣化，目前這是在太陽系中獨一無二的過程（很早以前，火星上也許也有這種情況）。

地球的大氣由77％的氮，21％氧，微量的氬、二氧化碳和水組成。地球初步形成時，大氣中可能存在大量的二氧化碳，但是幾乎都被組合成了碳酸鹽岩石，少部分溶入了海洋或給活著的植物消耗了。現在板塊構造與生物活動維持了大氣中二氧化碳到其它場所再返回的不停流動。大氣中穩定存在的少量二氧化碳通過溫室效應對維持地表氣溫有極其深遠的重要性。溫室效應使平均表面氣溫提高了35℃（從凍人的-21℃升到了適人的14℃）；沒有它海洋將會結冰，而生命將不可能存在。

豐富的氧氣的存在從化學觀點看是很值得注意的。氧氣是很活潑的氣體，一般環境下易和其它物質快速結合。地球大氣中的氧的產生和維持由生物活動完成。沒有生命就沒有充足的氧氣。

地球與月球的交互作用使地球的自轉每世紀減緩了2毫秒。當前的調查顯示出大約在9億年前，一年有481天又18小時。

地球有一個由內核電流形成的適度的磁場區。由於太陽風的交互作用，地球磁場和地球上層大氣引發了極光現象。這些因素的不定周期也引起了磁極在地表處相對地移動；北磁極現正在北加拿大。

五、地球的質量

地球並非是很規則的正球體。它的表面可以用一個扁率不大的旋轉橢球面來極好地逼近。扁率e為橢球長短軸之差與長軸之比，是表示地球形狀的一個重要參量。經過多年的幾何測量、天文測量以至人造地球衛星測量，它的數值已經達到很高的精度。這個橢球面不是真正的地球表面，而是對地面的一個更好的科學概括，用來作為全球各地大地測量的共同標準，所以也叫做參考橢球面。按照這個參考橢球面，子午圈上一平均度是111.1千米，赤道上一平均度是111.3千米。在參考橢球面上重力勢能是相等的，所以在它上面各點的重力加速度是可以計算的，公式如下：

g0＝9.780318（1＋0.0053024sin2j－0.0000059sin2j）米／秒2，式中g0是海拔為零時的重力加速度，j是地理緯度。知道了地球形狀、重力加速度和萬有引力常數G＝6.670×10-11牛頓·米2／千克2，可以計算出地球的質量M為5.976×1027克。

地球的赤道半徑ra=6378137m≈6.378×106m，極半徑rb=6356752m≈6.357×106m，扁率e=1/298.257,忽略地球非球形對稱，平均半徑r=6.371×106m。在赤道某海平面處重力加速度的值ga=9.780m/s2,在北極某海平面處的重力加速度的值gb=9.832m/s^2，全球通用的重力加速度標準值g=9.807m/s2，地球自轉周期為23小時56分4秒（恆星日），即T=8.616×104s。

六、地球的運動

(一)地球自轉

地球沿著貫串北極至南極的一條軸自西向東旋轉一周（1個恆星日）平均需要花時23小時56分4.09894秒。這就是為什麼在地球上主要天體（大氣中的流星和低軌道衛星除外）一日內向西的視運動是15°/小時（即15 /分鐘）－即2分鐘一個太陽或月亮的視直徑的大小。

在慣性參考坐標系中，地軸運動還包括一個緩慢的歲差運動。這個運動的大周期大約是25800年一個循環，每一次小的章動周期是18.6年。對處於參考坐標系中的地球、太陽與月亮對地球的微小吸引在這些運動的影響下造成地球赤道隆起，並形成類橢圓形的扁球。

地球的自轉也是有輕微的擾動的。這稱為極運動。極運動是准周期性的，所謂的准周期包括一個一年的晃動周期和一個被稱為錢德勒擺動的14個月周期。自轉速度也會相應改變。這個現象被稱為日長改變。

(二)地球公轉

公轉周期為365.2564個平太陽日（即1個恆星年）。地球的公轉使得太陽相對其它恆星的視運動大約是1°/日－這就相當於每12小時一個太陽或月亮直徑的大小。公轉造成的視運動效果與自轉造成的正好相反。

地球公轉軌道速度是30 km/s，即每7分鐘經過一個地球直徑，每4小時經過一個地月距離。

七、地球衛星

月球俗稱月亮，也稱太陰。在太陽系中是地球中唯一的天然衛星。月球是最明顯的天然衛星的例子。在太陽系裡，除水星和金星外，其它行星裡面都有天然衛星。月球的年齡大約有46億年。月球有殼、幔、核等分層結構。最外層的月殼平均厚度約為60-65公里。月殼下面到1000公里深度是月幔，它佔了月球的大部分體積。月幔下面是月核，月核的溫度約為1000度，很可能是熔融狀態的。月球直徑約3476公里，是地球的1/4。體積只有地球的1/49，質量約7350億億噸，相當於地球質量的1/81，月球表面的重力差不多是地球重力的1/6。

月球表面有陰暗的部分和明亮的區域。早期的天文學家在觀察月球時，以為發暗的地區都有海水覆蓋，因此把它們稱為「海」。著名的有雲海、濕海、靜海等。而明亮的部分是山脈，那裡層巒疊嶂，山脈縱橫，到處都是星羅棋布的環形山。位於南極附近的貝利環形山直徑295公里，可以把整個海南島裝進去。最深的山是牛頓環形山，深達8788米。除了環形山，月面上也有普通的山脈。高山和深谷疊現，別有一番風光。

月球的正面永遠都是向著地球。另外一面，除了在月面邊沿附近的區域因天秤動而中間可見以外，月球的背面絕大部分不能從地球看見。在沒有探測器的年代，月球的背面一直是個未知的世界。月球背面的一大特色是幾乎沒有月海這種較暗的月面特徵。而當人造探測器運行至月球背面時，它將無法與地球直接通訊。

月球約一個農曆月繞地球運行一周，而每小時相對背景星空移動半度，即與月面的視直徑相若。與其它衛星不同，月球的軌道平面較接近黃道面，而不是在地球的赤道面附近。

相對於背景星空，月球圍繞地球運行(月球公轉)一周所需時間稱為一個恆星月；而新月與下一個新月（或兩個相同月相之間）所需的時間稱為一個朔望月。朔望月較恆星月長是因為地球在月球運行期間，本身也在繞日的軌道上前進了一段距離。

因為月球的自轉周期和它的公轉周期是完全一樣的，地球上只能看見月球永遠用同一面向著地球。自月球形成早期，地球便一直受到一個力矩的影響引致自轉速度減慢，這個過程稱為潮汐鎖定。亦因此，部分地球自轉的角動量轉變為月球繞地公轉的角動量，其結果是月球以每年約38毫米的速度遠離地球。同時地球的自轉越來越慢，一天的長度每年變長15微秒。

月球對地球所施的引力是潮汐現象的起因之一。月球圍繞地球的軌道為同步軌道，所謂的同步自轉並非嚴格。由於月球軌道為橢圓形，當月球處於近日點時，它的自轉速度便追不上公轉速度，因此我們可見月面東部達東經98度的地區，相反，當月處於遠日點時，自轉速度比公轉速度快，因此我們可見月面西部達西經98度的地區。這種現象稱為經天秤動。

嚴格來說，地球與月球圍繞共同質心運轉，共同質心距地心4700千米（即地球半徑的2/3處）。由於共同質心在地球表面以下，地球圍繞共同質心的運動好像是在「晃動」一般。從地球北極上空觀看，地球和月球均以迎時針方向自轉；而且月球也是以迎時針繞地運行；甚至地球也是以迎時針繞日公轉的。

很多人不明白為甚麼月球軌道傾角和月球自轉軸傾角的數值會有這麼大的變化。其實，軌道傾角是相對於中心天體（即地球）而言的，而自轉軸傾角則相對於衛星。

月球的軌道平面（白道面）與黃道面（地球的公轉軌道平面）保持著5.145 396°的夾角，而月球自轉軸則與黃道面的法線成1.5424°的夾角。因為地球並非完美球形，而是在赤道較為隆起，因此白道面在不斷進動（即與黃道的交點在順時針轉動），每6793.5天（18.5966年）完成一周。期間，白道面相對於地球赤道面（地球赤道面以23.45°傾斜於黃道面）的夾角會由28.60°（即23.45°+ 5.15°）至18.30°（即23.45°- 5.15°）之間變化。同樣地月球自轉軸與白道面的夾角亦會介乎6.69°（即5.15° + 1.54°）及3.60°（即5.15° - 1.54°）。月球軌道這些變化又會反過來影響地球自轉軸的傾角，使它出現±0.002 56°的擺動，稱為章動。

白道面與黃道面的兩個交點稱為月交點－－其中升交點（北點）指月球通過該點往黃道面以北；降交點（南點）則指月球通過該點往黃道以南。當新月剛好在月交點上時，便會發生日食；而當滿月剛好在月交點上時，便會發生月食。

月球背面的結構和正面差異較大。月海所佔面積較少，而環形山則較多。地形凹凸不平，起伏懸殊最長和最短的月球半徑都位於背面，有的地方比月球平均半徑長4公里，有的地方則短5公里（如范德格拉夫窪地）。背面未發現「質量瘤」。背面的月殼比正面厚，最厚處達150公里，而正面月殼厚度只有60公里左右。

月球本身並不發光，只反射太陽光。月球亮度隨日、月間角距離和地、月間距離的改變而變化。平均亮度為太陽亮度的1/465000，亮度變化幅度從1/630000至1/375000。滿月時亮度平均為-12.7等（見）。它給大地的照度平均為0.22勒克斯，相當於100瓦電燈在距離21米處的照度。月面不是一個良好的反光體，它的平均反照率只有7％，其餘93％均被月球吸收。月海的反照率更低，約為6％。月面高地和環形山的反照率為17％，看上去山地比月海明亮。月球的亮度隨而變化，下表以滿月亮度為100，列出不同月齡時的亮度值。從中可以看出，滿月時的亮度比上下弦要大十多倍。

由於月球上沒有大氣，再加上月面物質的熱容量和導熱率又很低，因而月球表面晝夜的溫差很大。白天，在陽光垂直照射的地方溫度高達+127℃；夜晚，溫度可降低到-183℃。這些數值，只表示月球表面的溫度。用射電觀測可以測定月面土壤中的溫度，這種測量表明，月面土壤中較深處的溫度很少變化，這正是由於月面物質導熱率低造成的。

從月震波的傳播了解到月球也有殼、幔、核等分層結構。最外層的月殼厚60～65公里。月殼下面到1,000公里深度是月幔，佔了月球大部分體積。月幔下面是月核。月核的溫度約1,000℃，很可能是熔融的，據推測大概是由Fe-Ni-S和榴輝岩物質構成。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！