我們的家園——地球
地球是我們人類的故鄉，是太陽家族中一顆蔚藍色的行星。你可能了解了一些地球的知識，但我們這裏要介紹的內容是把地球作為一個普通的行星，放在行星隊伍中進行比較，看看它作為天體的特征。
首先，地球是我們觀察天體和認識宇宙的基地，地球的所有物理量都是我們衡量其他行星的尺子。比如，我們說水星公轉周期是88天，這裏所指的“天”就是以地球自轉定的天。冥王星繞太陽的公轉周期是248年，這裏的年也是以地球公轉作為計量單位的。地球的運動被當作天文計時器。
說到地球的形狀，你一定很熟悉。我們每天都可以看到中央電視台播放的地球形體。要知道，我們人類能看到自己所在星球的全貌，這還是近30多年的事。在此之前，人類還處於“不識廬山真麵目”的狀說。現在不僅知道地球是一個球體，還精確地測出地球形體的基本數據。地球赤道半徑平均為6378.139公裏，極半徑平均為6356.755公裏。兩者相差21公裏，地球的扁率為1／298.257。也就是說，地球的赤道周長比兩極方向的周長要長。同時，兩極方向的半徑也不是等長的。北極方向比正球體高出18.9米，南極方向比正球體凹進25.8米。地球的赤道也不是一個正圓，長半徑比短半徑長215米。長軸方向在西經35度左右。由此可見，地球的形狀不是一個正圓球體，精確地說，地球的形狀是一個略扁的旋轉橢球體。誇大點說，地球的形狀類似鴨梨。當然，恐怕憑我們眼睛是看不出來的。
地球作為類地行星的樣板，它的地貌結構是很重要的特征，地殼質量隻占整個地球質量的0.2％左右。大陸地殼平均厚約35公裏，已發現大陸最古老的岩石年齡為38億年，平均密度為每立方厘米2.7～2.8克。大洋的地殼平均厚度約7公裏(包括海水)，大洋地殼岩石年齡不超過2億年，平均密度為每立方厘米3～3.1克。大陸占整個地球表麵5.1億平方公裏表麵的29％，海洋占71％，可以說，地球是富水的行星。地球表麵絕大部分都被茫茫的積水(海洋、河流和湖泊)和連綿不斷的植被所覆蓋。這是其他行星所無法比擬的。
類地行星的大氣特征是多種多樣的。地球大氣層有1000多公裏厚，90％的大氣質量都集中在距地麵15公裏之內。根據大氣的物理性質，將地球大氣從下向上分為對流層、平流層、中間層和電離層。地球大氣的成分受地表生物的影響很大，氮占78％，氧占21％，還有其他少量的氣體和水分。而水星所謂的大氣主要受太陽風的作用，包含氫和氦的成分。金星和火星的大氣成分主要是二氧化碳。
一般認為，行星上有適宜的溫度、有合適的大氣成分和比較豐富的水，這個行星上就很可能有生物圈存在。地球上到處是生機勃勃，氣象萬千。目前生存著大約150萬種動物，30多萬種植物，形成一個以人類為主宰的大生物圈。這是其他行星所望塵莫及的。
地球的年齡
地球和我們的關係十分密切，它不僅孕育了人類，而且構成了人類的生存環境，向人類提供了各種資源和發展文明的物質基礎。熱愛它的人都稱地球為人類的母親。然而，人類對於地球母親的了解卻是太少太少了，不能作出確切的答複，對於人類來說，地球究竟高壽幾何卻是一個謎，一個許多人感興趣的謎。
在科學並不發達的過去，猶太學者根據《聖經》的上帝創世說，推算出地球的曆史不過6000年左右。而我國古人則推測：“自開辟至於獲麟(指公元前481年)，凡三百二十六萬七千年。”
以上的推測雖然都認為天地自形成以來經曆了一段漫長的年月，但是，對地球的起源及地球的年齡的推測不超過2500萬年。
1862年，英國著名物理學家湯姆森，根據地球形成時是一個熾熱火球的設想，並考慮了熱帶岩石中的傳導和地麵散熱的快慢，認為如果地球上沒有其他熱的來源，那麽，地球從早期熾熱狀態冷卻到現在這樣，至少不會少於2000萬年，最多不會多於4億年。
湯姆森的推論引起了各種爭論，莫衷一是。直到20世紀科學家發現了測定地球年齡的最佳方法——同位素地質測定法。科學家運用這種方法測定出岩石中某種現存放射性元素的含量，以及測出經蛻變分裂出來的元素的含量，再根據相應元素放射性蛻變關係，就可以計算出岩石的年齡。迄今，科學家找到的最古老的岩石，它有38億歲。然而，也有人認為，38億歲的岩石是地球冷卻下來形成堅硬地殼後保存下來的，它並不等於地殼的年齡。
那麽地球的年齡又是多大呢?20世紀60年代以後，人們在廣泛測量和分析那些以流星形式墜落地球的隕石年齡以後，發現大多數隕石在44～46億年。60年代末，美國阿波羅探月飛行，測取月球表麵岩石的年齡也在44～46億年。因此，在我們今天的教科書上，或一些科普讀物上，都將地球的年齡定為46億歲。
然而，對於地球46億歲的結論還有許多爭論。有人提出疑問，認為這個數據是基於地球、月球和隕石是由同一星雲、同一時間演變而來的前提下，而這一前提還是一個有爭議的假經曆46億年的歲月，地球依然生機盎然設。另外，認為放射性元素的蛻變率是不隨時間、環境等條件的變化而變化的假設也未必正確。
也有人主張地球可能有更大的年齡值。如我國地質學家李四光，認為地球大概在60億年前開始形成，至45億年前才成為一個地質實體。
前蘇聯學者施密特根根據他的“俘獲說”，從塵埃、隕石積成為地球的角度進行計算，結果獲得76億年的年齡值。
然而，眾多的結論都是依靠間接證據推測出的。人們至今也未在地球上找到它本身的超過40億年以上的岩石，因此，地球高壽幾何，還有待於作更深入的研究。46億年這個數字，隻是進一步研究的起點。
地球的形狀
作為圓球形體的地球被發現了。但它是怎樣的球形體?當時人們還是不很清楚。有人說地球應該是個滾瓜溜圓的正球體，因為圓是最完美的形態。有人說地球應該是雞蛋一樣的長球體，兩極處凸起，因為蛋是一切生命之源。而英國科學家牛頓則根據他的力學觀點，斷定地球是一個兩極較扁、腰部凸出的球體。
牛頓的論斷是由一次偶然發現引發的。1672年，法國的一位天文工作者到南美洲圭亞那(西經52.5°，北緯5°)做天文觀測，發現從法國巴黎(東經2.2°，北緯48.8°)帶來的一架最準確的擺鍾走慢了。開始，他還以為是擺鍾出了毛病，但後來，當他回到巴黎後，這架擺鍾卻又恢複了正常，經檢查，擺鍾沒有任何毛病。既然不是擺鍾本身的毛病，那為什麽會出現這種情況呢?
牛頓認為，地球自轉產生慣性離心力，越靠近赤道，則慣性離心力也就越大，地球物質便有向赤道部分移動的趨勢。正像我們轉動傘柄，傘就會自動張開那樣。結果，地球就形成赤道部分向外凸出的橢球體。正因為地球是這樣的橢球體，赤道附近的圭亞那比北緯48.8°的巴黎距離地球中心較遠，這樣，擺鍾被帶到圭亞那後，它所受的重力減小了，擺鍾的擺動周期便會延長，所以擺鍾就走慢了。
這種見解很有道理，但它畢竟屬於思辯性的推斷，不能作為一種科學定論公之於眾。為了證實這種結論的正確性，後來法國科學院派出兩支測量隊，分別到北極圈附近的瑞典拉普蘭地區和赤道附近的秘魯地區實測子午線(即經線)弧段的長度。其結果是，北極圈附近的一度子午線弧段較赤道附近的一度子午線弧段稍長。這就證明了牛頓的見解是正確的。事實上，赤道半徑較兩極半徑長21.5公裏。
規則的橢球體，其經線圈都是橢圓，而緯線圈都是正圓。但後來發現，地球不是規則的橢球體，即它的緯線圈和赤道並非正圓。赤道直徑，在東經15°到西經165°方向為長軸，在東經105°到西經75°方向為短軸。但二者相差隻有430米，這和地球半徑相比是微不足道的。這樣，通過地心到地表就有3根不等長的軸，所以人們又稱地球是三軸橢球體。現在根據人造地球衛星測得的地球形狀，是它的南北兩半球也不對稱。北半球較為瘦長，北極略高出理想橢球體18.9米；南半球較為胖短，南極略低於理想橢球體25.8米。地球又有點像“梨形”。不過，這個差異就更小，南北極兩半徑僅相差40餘米。
因此，總的說來，地球是一個不太規則的橢球體，它什麽也不像。人們根據它獨特的形狀，就叫它“地球體”。
地球的大小
自從有人相信大地是個圓球，關於它的大小，便是人們渴望知道的問題了。最早測量地球大小的是古希臘天文學家埃拉特色尼。當時，他居住在現今的埃及亞曆山大港附近。在亞曆山大港正南方有個地方叫塞恩，即今天的阿斯旺，兩地基本上在同一條子午線上。在兩地之間，有一條通商大道，駱駝隊來往不絕。兩地的距離大約相當今天的800公裏。塞恩有一口很深的枯井，夏至這一天正午，陽光可以直射井底，說明這一天正午太陽恰好在頭頂上。可是同一天的正午，在亞曆山大港，太陽卻是偏南的。根據測量，知道陽光照射的方向和豎直木樁呈7.2°的夾角。這個夾角，就是從亞曆山大港到塞恩兩地間子午線弧長所對應的圓心角。埃拉特色尼根據比例關係，輕而易舉地計算出了地球的周長：
地球周長：800公裏=360°∶7.2°
計算結果，地球周長約為40000公裏，這和我們今天所知道的數值極為接近。
埃拉特色尼的方法是正確的。至今，天文大地的測量工作，也還是根據這一原理進行的。不過，精確的測量不是靠太陽，而是靠某恒星的高度和方位來進行測量和推算的。
後來，又有人重做埃拉特色尼的實驗，由於儀器精度不高所測得的結果為28800公裏。但當時，人們迷信儀器的測量，相信這個與實際長度誤差很大的數字。所以，一直到15世紀以前，西方人一直認為地球的周長隻有28800公裏。哥倫布采用的也是這個較小的數值。他錯誤地估計，隻要向西航行幾千公裏就可以到達亞洲的東部。如果他當時知道了地球的真實大小也許就不會做那次冒險的航行了。
在近代大地的測量中，是利用恒星來測定地球某兩地間子午線弧長的。隻要精確測知一段子午線弧長，便會很容易地計算出地球的周長。這同埃拉特色尼的方法基本一致。
近年來，由人造地球衛星測得的地球大小更為精確。目前所采用的有關數值是：
地球赤道半徑(a)6378.140公裏
地球極半徑(b)6356.755公裏
地球扁率(a-ba)1／298.257
地球平均半徑R(3a2b)6371.004公裏
赤道周長(2πa)40075公裏
地球麵積(4πR2)510100934平方公裏
地球體積(34πR3)10820億立方公裏
認識地球的基本形狀和大小，在生產和科學研究上具有重大的實際意義。譬如，在大地測量中，高精度坐標係統的建立；在空間技術應用中，導彈和人造衛星飛行軌道的確定；在對地球內部結構和地球表麵一些物理現象的認識，以及天體物理研究等方麵，都必須掌握地球有關方麵的各種精確數值方能進行。
地球的“體溫”
人們常說，太陽帶給我們光明和溫暖。地球上的光明固然歸功於太陽，但地球上的溫暖卻不都是由太陽那裏得到的。地球和人一樣，也有自己的“體溫”。
我們都知道，由於陽光的照射，地表溫度會隨晝夜和季節而發生變化，從而使地球表麵和表層受到影響。但是，在地球深處，太陽熱量所產生的影響越來越小，以至消失。實驗證明，太陽的照射隻能影響地下十幾米以內的溫度，這部分地層叫做變溫層。十幾米以下的地層不再隨晝夜和季節而變化，被稱做恒溫層。
那麽，如果我們再往地層深處去，溫度又會怎樣呢?是不是還會繼續保持恒溫呢?
從很深的礦井和鑽孔得到的資料表明，地球深處的溫度是隨著深度而增高的。從地殼深處冒出的溫泉，水溫可高達百度；而從地幔噴出的岩漿，溫度則高達千度。我們把每深入地下100米，地溫增加多少度，即溫度隨深度而增加的變化速度叫做“地溫梯度”。
如果按照這個增溫速度推算，地下100公裏深處的溫度將是3000℃，1000公裏深處將是3萬度，地心的溫度則會高達20萬度。地球如果真有這樣的高溫是不堪設想的。因為那樣的高溫條件，地球將不再是固體球，而會被汽化。多數人認為，地球內部溫度最高不超過4000℃。還有人指出，地心溫度必須小於8000℃，因為若超過這個溫度，無論壓力情況如何，地核的鐵都會變成氣體狀態。所以，前麵所列舉的地溫梯度的數值，隻適用於一定深度。隨著深度的增加，地溫梯度值會不斷減小。
至於地球內部的熱能從何而來，對於這個問題，目前尚有爭議。但一般認為可能來源於三個方麵：第一，在地球形成過程中，由於塵埃和隕石物質積聚，位能(即勢能)轉化為熱能而保存至今。第二，在地球分層過程中，由於較重元素如鐵，不斷滲入地心，重力位能轉變為熱能，而保存下來。第三，地球內部有鐳、鈾、釷等放射性元素，會在緩慢蛻變過程中釋放熱能，為地球不斷補充“體溫”。不管哪種意見，都認為地球靠它自身可以產生熱能。
有人計算過，地球自身每年散出的熱量，相當於燃燒370億噸煤的熱量，這個數字是目前世界產煤量的12倍。還有人估計，在地下10公裏深的範圍內蘊藏著300×10２７卡熱量，相當於目前世界年產煤所含熱量的2000倍。
地球蘊藏著這麽多的熱量，如果用它發電、取暖，造福人類，豈不是天大的好事!這的確是很誘人的課題，目前很多國家已把開發地熱能列入日程。
地球的裏麵
在這向你們講述的是關於地球裏麵的事情。說得清楚一點的話，就是地球裏都有些什麽東西，這些東西處在一種什麽狀態下，它們是怎樣分布的等等，即有關地球內部的結構、成分和環境等。
怎樣才能了解地球內部的情況呢？最好的辦法，就是鑽到地球裏頭看一看，就像法國科幻小說作家凡爾納寫的《地心遊記》那樣。可惜科學幻想小說畢竟代替不了現實，到目前為止，人們還沒有能力自由自在地鑽到地球中心去活動。
按照目前的科學技術水平，我們采掘的礦井，最深能達到一兩千米，我們的鑽井一般深度也隻有三五千米。為了特殊的目標打的超深鑽井，最大鑽探深度也不過萬米左右。
可是，地球的半徑有多少呢？足有6300多千米!對於6000多千米半徑來說，一兩千米、最多隻有10千米的深度，就像我們吃蘋果時，用刀子劃破了的薄薄的蘋果皮。蘋果皮自然不能代替整個蘋果，所以我們今天真的無法確切地知道地心深處到底是什麽。
當然，人們也不是對地球一無所知。因為地球總是每時每刻在活動。人們運用自己已經掌握的知識，對許多來自地下深處的信息進行分析判斷，可以推測出地下大概的情形。
地球上的火山活動告訴人們，地下有熾熱的岩漿。人們還根據已經流到地球表麵上的岩漿，把地下的岩漿分成含矽酸鹽比較多的酸性岩漿和含矽酸鹽比較少的堿性岩漿。但是，岩漿來源於地下並不是很深的地方，最多也不過幾十到幾百千米。那麽再深的地下是什麽呢?
科學家們又找到另一種了解地下情況的武器：地震。我們知道，一年之內地球上大震小震不斷。地震時產生的地震波可以在地下傳播很遠，地震波在地下傳播時，傳播速度與地層深度有一定關係。人們發現，地球內部有兩個引起地震波變化的深度，一個在地下33千米處，一個在地下2900千米處。在33千米深處，地震波傳播速度突然加速；到地下2900千米深處，地震波速度突然下降。
為什麽地震波傳播速度會發生變化呢?原來，地震波傳播速度的快慢與通過的物質狀態有關。如果是在固態物質中傳播，速度就慢；如果在液態物質中傳播，速度就快些。據此，科學家判斷，在地表33千米以內，一定是固態的物質，就是我們可以看得見的各種各樣的岩石，科學家稱這一層為“地殼”。由33千米到2900千米，地震波速度與在地殼內的傳播速度相比明顯加快。科學家推斷，這裏可能存在著一種近似於液態的岩漿物質，科學家稱這一層為“地幔”。當地震波傳到地下2900千米以下，一直到地心，又再次減慢，於是科學家推測，這一部分可能又變成固態物質，因此把它稱之為“地核”。就這樣，地球劃分出地殼、地幔、地核3個圈層。
打個不怎麽恰當的比方，地球就好比一隻雞蛋，有蛋殼、蛋清和蛋黃三部分那樣。雖然誰也沒有親自到地下看到地幔和地核到底是什麽模樣，但是，這種判斷是有充分的科學根據的，因此，得到科學界的普遍認可。
人們早就知道，地下溫度較高，每往下100米，地溫要增加3℃。這是指地殼部分的情況，地幔以下地溫增加就要慢下來。到了6300千米的地心，地溫要達到3000℃以上。不但地下的溫度特別高，而且壓力還特別大。有人估計，如果以地麵大氣壓做標準，地心的壓力要達到300多萬個大氣壓。當然，這些數據都是科學家們的推測，不一定那麽準確，但是，地下這是地球的橫切麵，顯示了地球的各主要層。我們生活在十分薄的地殼上麵是一個高溫高壓的環境大概不會有問題。
再一個問題要回答的是，地球內部都是由什麽元素組成的。
今天，我們在地球上已經發現有一百零幾種元素。實際上，這些元素在地球裏並不是平均存在的。有的元素特別多，有的元素特別少。以地殼(地殼研究得比較清楚)為例，氧、矽、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦這10種元素占去了地殼99％以上，其餘的八九十種元素隻不過占1％以下。在上麵提到的10種元素中，氧的含量最多，約占地殼總量的一半。其次是矽，占地殼的四分之一強。再次是鋁，占地殼的十三分之一。這3種元素占去了地殼總量的80％。
那麽，地殼以下都有什麽東西呢?是不是與地殼的元素分配完全相同呢?
應該承認，我們對地下的物質組成知之甚少。人們大略可以這樣估計：在地幔層，氧和矽的含量會比地殼有所減少，鐵與鎂的成分有所增加；在地核部分，大概鐵與鎳有明顯增加，所以有人把地核又叫做“鐵鎳核心”。
當然所有這些說法都沒有得到進一步的證實，隻停留在假說階段。
圈層結構
地球具有圈層結構。其內部有地殼、地幔和地核；其外部有水圈、大氣圈和生物圈。地球的圈層結構不是在誕生時形成的，而是在誕生之後逐漸演化而來的。
在地球之初還是“混沌一團”的時候，各種物質混雜在一起，地球並不呈現明顯的圈層構造。隻是後來在地球重力作用下，“輕而清者”上升，“重而濁者”下沉，經過這樣長期的物質分化過程，才產生了圈層結構。
地球在漫長的形成過程中，不斷吸引周圍的物質，體積逐漸增大，保存熱量的能力不斷增強。同時，由於放射性物質、地球自身收縮，隕星的降落和地球自轉速度減慢而產生的熱能不斷積累，溫度不斷升高，使地球內部物質具有越來越高的可塑性，甚至某些低熔點的物質被熔融為液態。在這種情況下，較重的物質緩慢下沉，較輕的物質緩慢上升，地球的圈層分化才成為可能。
地球的圈層分化，首先是矽酸鹽(岩石物質)和鐵鎳的分化。論熔點，矽酸鹽較高，鐵鎳較低。當地內溫度升高到足以使鐵鎳熔化的時候，矽酸鹽仍然處於固體狀態。論密度，鐵鎳較高，矽酸鹽較低。處於熔融狀態的鐵鎳物質可以滲透過矽酸鹽物質，流向地球深處，形成原始地核。同時，處於地球深處的矽酸鹽物質，就浮到地球上部，成為原始地幔。在地球內部物質進行這種分化時，重力勢能不斷轉化為熱能，溫度進一步升高，這又加速了地球內部的物質分化。
其次是原始地幔分化成為現代的地殼和地幔。隨著地球溫度的繼續增高，原始地幔的可塑性不斷增大，其中含鐵和鎂較多的矽酸鹽由於密度較大，遂形成現在的地幔，它們是一種橄欖岩型的物質。而含矽鋁和矽鎂較多的矽酸鹽由於密度較小，浮於地幔之上形成現在的地殼。
同時，地球內部的每一個層次又都有進一步的分化。原始地核分化為內核和外核；地幔分化為下地幔和上地幔；地殼分化為較重的矽鎂層(又叫玄武岩層)和較輕的矽鋁層(又叫花崗岩層)。
地層的這種分布很有意思。較輕的地層總是浮在較重的地層之上，隻是這種分布並不均勻，特別是迄今人們所熟悉的地球的上層結構。我們知道，浮在地幔之上的地殼，各處的厚度是不一樣的。其規律是，厚度越大，浮得就越高；厚度越小，浮得就越低。這種現象，有如厚度不同的木塊浮在水中的情形。厚度較大的木塊，浮出水麵的部分就較高，同時，沒在水中的部分也較深。在地質學上，把岩層的這種保持平衡的趨勢叫做“地殼的均衡作用”。事實上也的確如此，洋底處地殼最薄，有的地方隻有幾公裏厚；陸地高原處地殼最厚，有的地方厚達60餘公裏。
但是，地殼的均衡作用過程並不像浮在水中的木塊那樣簡單。科學家通過測量地表各點的重力發現，地殼塊體還沒有完全達到平衡狀態。正是由於這個緣故，所以現代地球的有些地方還不穩定，還受到某些力量的推動作用而產生運動，如火山、地震的發生。因此，我們有理由斷定，今天的地球內部分化過程並沒有完結，仍然是相當活躍的。
大陸漂移學說和板塊學說
人們常用“堅如磐石”、“穩如泰山”來形容堅定和平穩。但事實上，岩石並不是堅不可摧的，在風吹、日曬、雨淋等外力作用下，它們也會慢慢變成碎屑。泰山也並不穩，近100萬年以來，泰山不斷運動，大約升高了500米左右。地球就是在這樣的外力和內力的聯合作用下，一直發生著滄桑巨變。
地殼有著緩慢的升降運動，舉世聞名的珠穆朗瑪峰，在幾千萬年前曾是魚蟲遊弋的洋底。人們在那裏發現，有的岩石有海相沉積，同時還發現了古老的魚龍化石。而在意大利波河入海口一帶的海水下麵，人們又找到了早已被淹沒的古代道路。
火山爆發和地震的不斷發生，更說明地球內部的活動一直在進行著。1943年的一天，墨西哥的一塊玉米地裏突然出現一個裂口，並從中不斷噴出火焰和岩漿，一個星期以後，便堆積成一座百米高的小山包。此後，這個小山包不斷增高，直到1946年，終於形成現在著名的海拔2700米的帕裏庫廷火山。顯然，地球內部的運動改變著岩層的麵貌。如果你有機會去深山旅行，不妨仔細觀察一下岩層的構造，本來應該是水平的沉積岩層，常常變得七扭八歪，這便是地球內部運動造成的後果。
蒼茫大地，誰主沉浮?至今，這仍然是個有爭議的問題。目前多數人認為大地的水平運動是主要的，它和地幔物質運動有關。也就是說，是地幔物質的運動造成了地球表麵形狀的變化。
隨著人們對洋底地貌研究的深入，有越來越多的證據表明，大約在兩億年前，大西洋還不曾存在，美洲與歐洲、非洲大陸的確是連在一起的。而且，南極大陸、澳洲大陸、印度半島和非洲大陸，也曾身為一體。例如，若把南美洲大陸向東推移，使之與非洲大陸相嵌合，在它們嵌合處的岩係和礦床可以相當準確地對得上口。後來，對古地磁、古生物和洋底結構的研究，也都為大陸漂移提供了證據。於是，人們才又想起曾經被遺忘了的大陸漂移說。不過，這次它是以板塊構造的新姿態出現的。