地球

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“阿波罗”17号在宇宙空间拍摄的地球照片(据美国国家航空航天局)
地球自转示意动画
美国国家航空航天局(NASA)最新公布的地球东半球照片
美国国家航空航天局(NASA)最新公布的地球西半球照片
被地球大气层局部笼罩的月球
从月球上看到的地球

  地球汉语拼音:Diqiu;英语:Earth),太阳系八个行星之一,按离太阳由近及远的次序为第三颗。是人类所在的行星。它有一个天然卫星——月球,二者组成一个天体系统——地月系统。地球大约有46亿年的历史。不管是地球的整体,还是它的大气海洋地壳或内部,从形成以来就始终处于不断变化和运动之中。在一系列的演化阶段,它保持着一种动力学平衡状态。

  地球是太阳系中直径质量密度最大的类地行星。住在地球上的人类又常称呼地球为世界。形状像球,略扁,表面是陆地和海洋。赤道半径约6378.2千米,极半径约6356.8千米。自转一周的时间是一昼夜,绕太阳转一周的时间是一年。它是太阳系类地行星中最大的一颗,也是现代科学目前确证唯一存在生命的行星。

  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。理论上称它为板块说。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,其中一个的边缘部份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SanAndreas断层),大洲板块间也有碰撞(如印度洋板块与亚欧板块)。目前有八大板块:   

  1. 北美洲板块——北美洲,西北大西洋格陵兰岛
  2. 南美洲板块——南美洲及西南大西洋
  3. 南极洲板块——南极洲及沿海
  4. 亚欧板块——东北大西洋,欧洲及除印度外的亚洲
  5. 非洲板块——非洲,东南大西洋及西印度洋
  6. 印度与澳洲板块——印度,澳大利亚新西兰及大部分印度洋
  7. Nazca板块——东太平洋及毗连南美部分地区
  8. 太平洋板块——大部分太平洋(及加利福尼亚南岸)

     还有超过20个小板块,如阿拉伯,菲律宾板块。地震经常在这些板块交界处发生。

  地球只有一个自然卫星——月球。但是数千人造卫星被安置在了地球轨道上。

基本资料

  • 轨道资料
    • 远日点 152,097,701 km (1.016 710 333 5 AU)
    • 近日点 147,098,074 km (0.983 289 891 2 AU)
    • 半长轴 149,597,887.5 km (1.000 000 112 4 AU)
    • 离心率 0.016 710 219
    • 平均轨道速度 29.783 km/s (107,218 km/h)
    • 轨道倾角 0 (7.25°至太阳赤道)
    • 升交点黄经 348.739 36°
    • 近心点幅角 114.207 83°
    • 卫星 1个(月球)
  • 物理特征
    • 平均半径 6,372.797 km
    • 赤道半径 6,378.137 km
    • 两极半径 6,356.752 km
    • 表面积 510,065,600 km²
    • 体积 1.083 207 3×1012 km³
    • 质量 5.9742×1024 kg
    • 平均密度 5,515.3 kg/m³
    • 赤道表面重力 9.780 1 m/s² (0.997 32 g)
    • 宇宙速度 11.186 km/s (39,600 km/h)
    • 恒星自转周期 0.997 258 d(23.934 h)
    • 赤道自转速率 465.11 m/s
    • 转轴倾角 23.439 281°
    • 北极赤经 未定义
    • 北极赤纬 +90°
    • 反照率 0.367
    • 表面温度
      • 热力学温标 184 K(最小)   287 K(平均)  331 K(最大)
      • 摄氏温标  -89.2 ℃(最小)  14 ℃(平均)  57.7 ℃(最大)
  • 大气
    • 表面压力 101.3 kPa(海平面)
    • 大气组成 78.084% 氮  20.946% 氧  0.934% 氩  0.0381% 二氧化碳  水蒸气(依气温而有所不同)

概述

地球的形状

  地球是球形这一概念最先是公元前五、六世纪的古希腊哲学家毕达哥拉斯(Pythagoras)提出的。但是他的这种信念仅是因为他认为圆球在所有几何形体中最完美,而不是根据任何客观事实得出的。以后,亚里士多德根据月食时月面出现的地影是圆形的,给出了地球是球形的第一个科学证据。公元前3世纪,古希腊地理学家埃拉托色尼(约前276~约前194)成功地用三角测量法测定了阿斯旺和亚历山大城之间的子午线长度。中国唐代南宫说于724年在今河南省选定同一条子午线上的13个地点进行大地测量,经天文学家一行(683~727)归算,求出子午线1°的长度。1622年葡萄牙航海家麦哲仑(Ferdinand Magellan)领导的环球航行证明了地球确实是球形的。17世纪末,牛顿研究了地球自转对地球形态的影响,认为地球应是一个赤道略为隆起,两极略为扁平的椭球体。1733年巴黎天文台派出两个考察队,分别前往南纬2°的秘鲁和北纬66°的拉普林进行大地测量,结果证明了牛顿的推测。

  现在,根据大地测量、重力测量、地球动力测量和空间测量的综合研究,在国际天文学联合会公布的天文常数系统中,地球赤道半径为6,378千米,扁率为1/298。地球不是正球体而是三轴椭球体,赤道半径比极半径约长21千米。地球内部物质分布的不均匀性,致使地球表面形状也不均匀。地球质量(包括大气圈等)为5.976×1024千克,地球体积为1.083×1021立方米,平均密度为5.52克/厘米3

  20世纪60年代后人造卫星上天,为大地测量添加了新的手段。现已精确地测出地球的平均赤道半径为6378.14千米,极半径为6356.76千米,赤道周长和子午线周长分别为40075千米和39941千米,北极地区约高出18.9米,南极地区低下去24~3米。有人说地球像一只倒放着的大鸭梨。其实,地球的这些不规则部分对地球来说是微不足道的。从人造地球卫星拍摄的地球照片来看,它更像是一个标准的圆球。

地球的表面

从月球上看到的地球

  在地球上海洋占了地球表面积的70%以上,在剩下的不到30%的陆地上也分布着纵横交错的江河湖泊,地表以下的土壤和岩层间还有连续不断的地下水。

  海水、地表水和地下水构成了一个完整的水圈。在太阳的控制下,大气水和地表水永不停息地循环,创造了人类生存的环境。地球上最大的海洋是太平洋,几乎占地球整个水面面积的一半。

  地球表面(包括地表以上一定高度和地表以下一定深度的范围),生活着150多万种动物、30多万种植物。所有生物相互影响,生物与环境相互作用,建立了一个称为“生物圈”的大系统。人类在生物圈内繁衍生息,发展了灿烂的文明,但也给这个系统内的平衡带来了威胁。

  地球的表面十分年轻。在50亿年的短周期中(天文学标准),不断重复着侵蚀与构造的过程,地球的大部分表面被一次又一次地形成和破坏,这样一来,除去了大部分原始的地理痕迹(比如星体撞击产生的火山口)。这样一来,地球上早期历史都被清除了。地球至今已存在了45到46亿年,但已知的最古老的石头只有40亿年,连超过30亿年的石头都屈指可数。最早的生物化石则小于39亿年。没有任何确定的记录表明生命真正开始的时刻。

  地球是行星中唯一一颗能在表面存在有液态水(虽然在土卫六的表面存在有液态乙烷甲烷,木卫二的地下有液态水)。液态水是生命存在的重要条件。海洋的热容量也是保持地球气温相对稳定的重要条件。液态水也造成了地表侵蚀及大洲气候的多样化,目前这是在太阳系中独一无二的过程(很早以前,火星上也许也有这种情况)。

  地球的大气由77%的氮,21%氧,微量的氩、二氧化碳和水组成。地球初步形成时,大气中可能存在大量的二氧化碳,但是几乎都被组合成了碳酸盐岩石,少部分溶入了海洋或给活着的植物消耗了。现在板块构造与生物活动维持了大气中二氧化碳到其他场所再返回的不停流动。大气中稳定存在的少量二氧化碳通过温室效应对维持地表气温有极其深远的重要性。温室效应使平均表面气温提高了35摄氏度(从冻人的-21℃升到了适人的14℃);没有它海洋将会结冰,而生命将不可能存在。

  丰富的氧气的存在从化学观点看是很值得注意的。氧气是很活泼的气体,一般环境下易和其他物质快速结合。地球大气中的氧的产生和维持由生物活动完成。没有生命就没有充足的氧气。

海陆分布与演变

  地球表面的形态是复杂的,有绵亘的高山,有广袤的海盆以及各种尺度的构造。大陆上的最高处是珠穆朗玛峰,海拔达8,844.43米,最低点为死海,湖面比海平面低416米;海底最深处马里亚纳海沟,深度达到11,034米。地球的总表面积为5.100×108平方千米,其中大陆面积约为1.48×108平方千米,约占地表总面积的29%。地球是太阳系中唯一在表面和深部存在液态水的星体。海洋面积约为3.62×108平方千米,约占71%。海面之下,大陆有一个陡峭的边缘。以平均海平面为标准,地球表面上的高度统计有两组数值分布最为广泛:一组在海拔0~1,000米之间,占地球总面积的21%以上;另一组则在海平面以下4,000~5,000米之间,占22%以上。在地球表面水的总量约为1.4×109立方千米,其中淡水为3.5×107立方千米,只占总水量的2.5%。

  洋底岩石年龄小于2亿年,比陆地年轻得多,陆地上到处可以找到沉积岩,说明在地质时期这些地方可能是海洋。1912年A.L.魏格纳提出大陆漂移说,认为海洋和大陆的相对位置在地质时期是变化的。20世纪60年代初H.H.赫斯和R.S.迪茨提出海底扩张说,认为全球洋盆演化是洋底扩张的结果。此后板块构造说进一步解释了地球的运动。板块分裂造成大洋的形成,整个洋底在2亿年左右更新一次;板块挤压运动形成巨大的山系,如阿尔卑斯山喜马拉雅山等。

结构和组成

  地球是有生命行星,它由不同物质和不同物质状态组成的圈层构成,即由固体地球、表面水圈、大气圈和生物圈所组成。随着科学的发展,它们分别成为固体地球物理学地质学海洋科学大气科学生物学主要研究的对象。

地球内部结构

  根据地震波速度观测的结果,发现地球内部存在全球范围的速度间断面(如莫霍界面古登堡界面莱曼界面等)。用这些间断面可将地球分成不同的圈层。20世纪80年代,地震层析成像的研究发现地球内部结构有很大的横向非均匀性,但总体上是径向分层的。主要分成地壳、地幔和地核三个圈层。

  • 地壳 固体地球的最上层部分,其底部界面是莫霍面。大陆地壳和海洋地壳有明显的不同,而不同地区大陆地壳厚度相差也很大,从20多千米到70多千米;海洋地壳仅几千米。地壳还可进一步分成不同的层,横向变化也很大。
  • 地幔 地壳下由莫霍面到古登堡面之间的部分。地幔可以进一步分为许多层。目前已确定的全球性间断面有410千米间断面,是由橄榄石到β尖晶石的相变形成;660千米间断面,是由尖晶石到钙钛矿和镁方铁矿相变形成,660千米间断面是上、下地幔的分界面。
  • 地核 地心到古登堡界面之间的部分,又可分为外核和内核两部分,它们之间的分界面为莱曼界面,深度在5,149.5千米。地核主要由铁、镍及少量的硅、硫组成。外核为液态,内核为固态。

地球内部物质组成

  地震波的速度和物质密度分布提供了研究地球内部物质组成的约束条件。地核有约90%是由铁镍合金组成,但还含有约10%~20%的较轻物质,可能是硫或氧(但也有人认为地核含有21%的硅,11%的硫,7%的氧)。上地幔的主要矿物是橄榄石辉石石榴子石。在410千米的深处,橄榄石相变为尖晶石的结构,而辉石则相变为石榴子石。在520千米的深度,β尖晶石变为γ尖晶石,辉石分解为尖晶石和超石英。在660千米深度下,这些矿物都分解为钙钛矿和氧化物结构。在下地幔,矿物组成没有明显的变化,但在地幔最下的200千米中,物质密度有显著增加。这个区域是否有铁元素的富集还是一个有争议的问题。地壳中的岩石矿物是由地幔物质分异而成的。

地球总体成分

  地球质量的90%是由Fe、O、Si和Mg四种元素组成。含量超过1%的其他元素为Ni、Ca、Al和S。另外7种元素Na、K、Cr、Co、P、Mn和Ti的含量介于0.1%~1%之间。由此可知地球物质组成的某些特点。首先,由于元素与氧的不同亲和力(根据氧化物的生成自由能),MgO、SiO2、Al2O3、Na2O和CaO先于FeO而形成,在氧不足的条件下,绝大部分的铁和镍将呈金属状态存在。各种氧化物将结合成为硅酸盐,例如MgO和SiO2结合成MgSiO3(辉石),或者形成Mg2SiO4(橄榄石)。当达到一定的重力平衡状态,绝大部分致密物质向地心集中,并发生分层作用,形成致密的金属核和密度较小的硅酸盐地幔。丰度低的元素受到各种地球化学作用制约而在地球各圈层之间进行分配,如铂、金等倾向于同金属铁结合集中到地核,而亲氧元素铀等则同较轻的硅酸盐组合而集中在地球上部。其次,可以合理地设想,地球曾经被加热达到全部或部分熔融的状态,低熔点的挥发性组分(H2O、CO2、N2、Ar等)逸出,形成大气圈。地幔中富含SiO2、Al2O3、Na2O和K2O的易熔和较轻的物质上升到表层如地壳。因此,早期的地球分离为地核、地幔、地壳、海洋和大气等层圈构造。已有的证据表明,约在40亿年以前,地球就已经接近于现在的层状结构状况。

地球圈层结构

地球内部圈层结构

  人们对于地球的结构直到最近才有了比较清楚的认识。整个地球不是一个均质体,而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。在天文学中,研究地球内部结构对于了解地球的运动、起源和演化,探讨其它行星的结构,以至于整个太阳系起源和演化问题,都具有十分重要的意义。

  地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150千米处。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈,目前主要用地球物理的方法,例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近,各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。

地球辐射带与磁层

  20世纪初有人提出太阳在不停地发出带电粒子,这些粒子地球磁场俘获,在地球上空形成一个带电粒子带。50年代末60年代初,美国科学家范·艾伦(James Alfred Van Allen)根据宇宙探测器探险者1号、3号和4号的观测,证明了带电粒子带的存在。

  地球辐射带分为两层,形状有点像是砸开成两半的核桃壳。离地球较近的辐射带称为内辐射带,较远的称为外辐射带,也分别称为内、外范·艾伦带。辐射带从四面把地球包围了起来,而在两极处留下了空隙,也就是说,地球的南极和北极上空不存在辐射带。最近两年有消息说,美国和俄罗斯的天文学家在内外辐射带之间又发现了第三条辐射带。

  过去人们一直认为地球磁场和一根大磁棒的磁场一样,磁力线对称分布,逐渐消失在星际空间。人造卫星的探测结果纠正了人们的错误认识,绘出了全新的地球磁场图象:当太阳风到达地球附近空间时,地球磁层太阳风与地球的偶极磁场发生作用,把地球磁场压缩在一个固定的区域里,这个区域就叫磁层。磁层像一个头朝太阳的蛋形物,它的外壳叫做磁层顶。地球的磁力线被压在“壳”内。在背着太阳的一面,壳拉长,尾端呈开放状,磁力线像小姑娘的长发,“飘散”到二百万千米以外。磁层好像一道防护林,保护着地球上的生物免受太阳风的袭击。地球的磁层是个非常复杂的问题,其中许多物理机制需要进一步的研究和探讨。最近十年,科学家已经把磁层的概念扩展到其它的一些行星,甚至发现宇宙中的中子星、活动星系核电具有磁层结构的特征。

地球重力场

  地球重力作用的空间。作用在地球表面上的重力是地球质量产生的引力和地球自转产生的惯性离心力共同作用的结果。离心力对重力的影响随纬度的不同而呈有规则的变化,在赤道上最强。同时,由于地球不同部位的密度分布不均,也会引起重力的变化和异常。因此,重力异常可以提供地球不同部分密度变化的信息。

地球磁场和磁层

  地球具有磁性,它周围的磁场犹如一个位于地心的磁棒(磁偶极子)所产生的磁场。这个从地心至磁层边界的空间范围内的磁场称为地磁场。地磁场是非常弱的磁场,其强度在地面两极附近最强,还不到10-4特[斯拉];赤道附近最弱。通常将地磁场看成是一偶极磁场,连接南北两极的轴线称为磁轴,目前磁轴与地轴的交角大约11°。磁轴与地面的交点称为地磁极,磁极的位置具有长期变化,目前北磁极的坐标在北纬78.5°、西经69.0°附近。

  实际上地磁场的形态是很复杂的,它有显著的时间变化。变化可以分为长期的和短期的。地磁场长期变化来源于地球内部的物质运动;短期变化来源于电离层的潮汐运动和太阳活动的变化。电离层中的电流体系可引起地磁场的日变化,极区高层大气受带电粒子的冲击而产生极光和磁暴。太阳和地球中间有称为太阳风的等离子体。地球磁场在向太阳的一面受太阳风的作用而压缩,在背太阳的一面则被拉伸,从而使地球磁场在地球周围被局限在一个狭长的称为磁层的区域内。由此可见,磁层是在地球周围被太阳风包围,并受地磁场控制的区域。磁层的外边界则称为磁层顶边界层。磁场的强度和方向不仅因地而异,也因时间不同而有变化。在地质历史时期磁极曾多次倒转。地磁场主要起源于地球内部,来自空间的成分不足总量的1%。地球磁场的起源和它在地史期间的变化,与地核的结构和物质的相对运动所产生的电流有关。

  地球磁场的存在使地球免受太阳风的直接影响,磁层的存在对大气的成分和地面气候起重大的作用,并因此而影响到地球上生命的发展。

地球内部温度和能源

  地面从太阳接收的辐射能量每年约有1025焦[耳],但绝大部分又向空间辐射回去,只有极小一部分影响地下很浅的地方。浅层的地下温度梯度约为深度每增加30米,温度升高1℃,但各地的差别很大。由温度梯度和岩石的热导率可以计算热流。由地面流出的总热量为4.20×1013瓦[特]。

  地球内部的一部分能源来自岩石所含的铀、钍、钾等元素的放射性同位素。估计地球现在由长寿命的放射性元素所释放的热量约为3.14×1013瓦,少于地面热流的损失。放射性生热少于地球的热损失可能有使地球逐渐变冷的趋势。

  另一种能源是地球形成时的引力势能。假定地球是由太阳系中的弥漫物质积聚而成的,这部分能量估计有2.5×1032焦,但在积聚过程中有一大部分能量消失在地球以外的空间,有约1×1032焦的一小部分能量,由于地球的绝热压缩而积蓄为地球物质的弹性能。假设地球形成时最初是相当均匀的,以后才演变成为现在的层状结构,这样就会释放出一部分引力势能,估计约为2×1030焦,这将导致地球的加温。地球是越转越慢的,地球自形成以来,旋转能的消失估计大约有1.5×1031焦,还有火山喷发和地震释放的能量,但其数量级都要小得多。

  地面附近的温度梯度不能外推到几十千米深度以下。地球内部自有热源,所以地下越深则越热。地下深处的传热机制是极其复杂的。在岩石层,传热的主要机制是热传导;而在地幔及外核,主要的传热机制是热对流,当然,这其中还包含其他的传热机制。根据其他地球物理现象的考虑,地球内部某些特定深度的温度是可以估计的:在100千米的深度,温度接近该处岩石的熔点,约为1,100~1,200℃;在410千米和660千米的深度,岩石发生相变,温度各约在1,400℃和1,700℃;在核幔边界,温度在铁的熔点之上,但在地幔物质的熔点之下,约为3,400℃;在外核与内核边界,温度约为4,600℃,地球中心的温度约为4,800℃。

  有了这些特定深度的温度估计,就可以根据主要的传热机制推论球对称地球模型下的温度分布。地球内部温度的分布对研究地球的演化和运动是极其重要的,是迫切需要解决的问题。

地球的运动

  1543年,N.哥白尼在《天体运行论》一书中首先完整地提出了地球自转和公转的概念。此后,大量的观测和实验都证明了地球自西向东自转,同时围绕太阳公转。1851年,法国物理学家傅科在巴黎成功地进行了一次著名的实验(傅科摆试验),证明地球的自转。地球自转周期约为23时56分4秒平太阳时(1恒星日)。地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道的长半径为149,597,870千米(1天文单位),轨道偏心率为0.016,7,公转周期为1恒星年(365.25个平太阳日),公转平均速度为每秒29.79千米,黄道与赤道交角(黄赤交角)为23°27′。地球自转和公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替、四季变化和五带(热带、南北温带和南北寒带)的区分。地球自转的速度是不均匀的,有长期变化、季节性变化和不规则变化。同时,由于日、月、行星的引力作用以及大气、海洋和地球内部物质的各种作用,使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都产生变化,即岁差和章动、极移和黄赤交角变化。

地球自转

  地球沿着贯穿北极至南极的一条轴自西向东旋转一周(1个恒星日)平均需要花时23小时56分4.09894秒。这就是为什么在地球上主要天体(大气中的流星和低轨道卫星除外)一日内向西的视运动是15°/小时(即15'/分钟)-即2分钟一个太阳或月亮的视直径的大小。

  在惯性参考坐标系中,地轴运动还包括一个缓慢的岁差运动。这个运动的大周期大约是25800年一个循环,每一次小的章动周期是18.6年。对处于参考坐标系中的地球、太阳与月亮对地球的微小吸引在这些运动的影响下造成地球赤道隆起,并形成类椭圆形的扁球。

  地球的自转也是有轻微的扰动的。这称为极运动。极运动是准周期性的,所谓的准周期包括一个一年的晃动周期和一个被称为钱德勒摆动的14个月周期。自转速度也会相应改变。这个现象被称为日长改变。

地球公转

  公转周期为365.2564个平太阳日(即1个恒星年)。地球的公转使得太阳相对其他恒星的视运动大约是1°/日-这就相当于每12小时一个太阳或月亮直径的大小。公转造成的视运动效果与自转造成的正好相反。

  地球公转轨道速度是30 km/s,即每7分钟经过一个地球直径,每4小时经过一个地月距离。

地球所在的天体系统

  地球唯一的天然卫星是月球。其围绕地球旋转一周需要用时一恒星月(27又1/3日)。因此从地球上看来月球的视运动相对太阳大约是12°/日-即每小时一个月球直径,方向同样与自转效果相反。

  如果在地球北极进行观测,则地球的公转、月球运行以及地球自转都将是逆时针的。

  特洛伊小行星:在2010年10月美国国家航空航天局的广角红外巡天探测器(WISE)发现。加拿大亚伯达省阿萨巴斯卡大学天文学家康纳的团队分析数据并利用设于夏威夷的“加拿大/法国/夏威夷光学天文望远镜”(CFHT)观测2010 TKT ,发现其公转路径稳定,证实就是地球的特洛伊小行星。

  地球的轨道和轴位面并非是一致的:地轴倾斜与地日平面交角是23.5度,这产生了四季变化;地月平面与地日平面交角大约为5度,如果没有这个交角,则每月都会发生日蚀。

  地球的Hill大气层(大气影响范围)的半径大约为1.5 G米,这个范围足以覆盖月球的轨道了。

  在惯性参考坐标系中,地轴运动还包括一个缓慢的岁差运动。这个运动的大周期大约是25800年一个循环,每一次小的章动周期是18.6年。对处于参考坐标系中的地球、太阳与月亮对地球的微小吸引在这些运动的影响下造成地球赤道隆起,并形成类椭圆形的扁球。

  地球的自转也是有轻微的扰动的。这称为极运动。极运动是准周期性的,所谓的准周期包括一个一年的晃动周期和一个被称为钱德勒摆动的14个月周期。自转速度也会相应改变。这个现象被称为日长改变。

地球的自转与公转及四季

地球的倾斜产生了季节(这幅图片的说明文字适用于北半球)

  地球好比作一只陀螺,它绕着自转轴不停地旋转,每转一周就是一天。自转产生了昼夜交替的现象,昼夜示意图朝着太阳的一面是白天,背着太阳的一面是夜晚。当我们中国这里是白天的时候,处在地球另一侧的美国正好是夜晚;地球自转的方向是自西向东的,所以我们看到日月星辰从东方升起逐渐向西方降落。

  地球不但自转,同时也围绕太阳公转。地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道的半长径为149,597,870千米,轨道的偏心率为约0.0167,公转一周为一年,公转平均速度为每秒29.79千米,公转轨道面与赤道面的交角约为23°27’,且存在周期性变化。

  地球自转和公转运动的结合产生了地球上的昼夜交替、四季变化和五带(热带、南北温带和南北寒带)的区分。

  由于地球自转轴与公转轨道平面斜交成约66°33′的倾角,因此,在地球绕太阳公转的一年中,有时地球北半球倾向太阳,有时南半球倾向太阳。总之太阳的直射点总是在南北回归线之间移动,于是产生了昼夜长短的变化和四季的交替。

  在天文学中,四季分别以春分、夏至、秋分、冬至开始,但这样划分的季节,不能完全反映出各个地方每个季节的物候征。因此,我们祖先把一年分为24节气,每一节气又分成3候。气候还常用候(5天为一候)平均气温来划分四季:候平均气温<10℃为冬季;>22℃时为夏季;平均气温在10~22℃时为春、秋季。

时间与历法

  以地球自转为基础的时间计量系统称为世界时系统。日、月、年、世纪的时间计量属天文学中的历法范畴。以地球自转运动为基础的时间单位称为日,以月球绕地球公转运动为基础的时间单位称为月,以地球绕太阳公转运动为基础的时间单位称为年。

  天文学以恒星为标准量度地球自转的周期,叫做地球自转的恒星周期,也就是一个恒星日。1恒星日=平太阳日的23小时56分4秒,是地球真正的自转周期。以太阳为标准量度地球的自转周期叫做真太阳日。由于地球公转的原因,真太阳日并不等于地球自转一周所需的时间(恒星日),而是比恒星日约长3分56秒。又由于地球公转轨道是椭圆形的,在近日点的运动快于在远日点的运动,因此一年之内不同季节其运动并不是匀速,所以每个真太阳日的长短也不相等。我们生活中使用的是平太阳日(所谓平太阳是天球上一个假想的点,它按真太阳一年中运动的平均速度均匀运动)。

  地球公转的平均周期是恒星年,1恒星年=365日6时9分9.5秒。而我们通常所说的回归年是指地球从这一次春分日到下次春分日的平均时间间隔。1回归年=365日5时48分45.6秒,比1恒星年略短一些。因为气候的变化以回归年为周期,所以天文学家把历年的平均长度安排得尽可能接近回归年的长度。阳历把1年定为365日,所余的时间约每四年积累成一天,加在能被4除尽的公历年份的2月份里,如1992,1996年。但不能被400除尽的百年数则不加。加天的年叫闰年。农历把一年定为354日或355日,所余的时间约每三年积累成一个月,加在某一年里。

地球的历史

  科学家已经能够重建地球过去有关的资料。太阳系的物质起源于45.672亿±60万年前,而大约在45.4亿年前(误差约1%) 地球和太阳系内的其他行星开始在太阳星云-太阳形成后残留下来的气体与尘埃形成的圆盘状-内形成。通过吸积的过程,地球经过1至2千万年的时间,大致上已经完全成形。从最初熔融的状态,地球的外层先冷却凝固成固体的地壳,水也开始在大气层中累积。月亮形成的较晚,大约是45.3亿年前,一颗火星大小,质量约为地球十分之一的天体(通常称为忒伊亚)与地球发生致命性的碰撞。这个天体的部分质量与地球结合,还有一部分飞溅入太空中,并且有足够的物质进入轨道形成了月球。

  释放出的气体和火山的活动产生原始的大气层,小行星、较大的原行星、彗星和海王星外天体等携带来的水,使地球的水份增加,冷凝的水产生海洋。 新形成的太阳光度只有目前太阳的70%,但是有证据显示早期的海洋依然是液态的,这称为微弱年轻太阳谬论矛盾。温室效应和较高太阳活动的组合,提高了地球表面的温度,阻止了海洋的凝结。

  有两个主要的理论提出大陆的成长:稳定的成长到现代和在早期的历史中快速的成长。 目前的研究显示第二种学说比较可能,早期的地壳是快速成长的,随后跟着长期稳定的大陆地区。在时间尺度上的最后数亿年间,表面不断的重塑自己,大陆持续的形成和分裂。在表面迁徙的大陆,偶尔会结成成超大陆。大约在7亿5千万年前,已知最早的一个超大陆罗迪尼亚开始分裂,稍后又在6亿至5亿4千万年时合并成潘诺西亚大陆,最后是1亿8千万年前开始分裂的盘古大陆。

地球年龄

  根据用多种同位素年代学方法测定陨石、月球和地球古老岩石的结果发现,太阳系各天体形成的年龄比较接近,形成先后的时间间隔约为1亿年,因此各种宇宙年代学测定的天体物质的年龄结果可以互相对比,并提高其可靠性。目前测得太阳系元素的合成年龄为62亿~77亿年,太阳星云凝聚成各行星,包括地球的年龄为45.4亿~46亿年。应用同位素地球化学定年方法还给出了地球演化历史中各地质时期的精确的时间坐标。

最初的大气成分

  最初的大气成分主要是水蒸汽,还有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等

  • 直到距今38亿年前,地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的
  • 随着时间的流逝,地球上的温度逐渐降低(低于100°C),大气中的水蒸汽陆续凝结出来,形成了广阔的海洋,海水中也缺少氧,而且也含有许多酸性物质

太古宙(38-25亿年前)

  • 38亿年前,海洋中开始有了生命的活动。从出现最原始的原核细胞生物--蓝绿藻
  • 32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖,后者能消耗二氧化碳,产生出氧气
  • 大约到27亿年前,游离氧在海洋中出现。绿色植物的大量繁殖,更加快了大气和海洋环境的变化,使其有利于高等喜氧生物的发展

元古宙(距今18亿年前到6亿年前)

  • 大陆不断扩大
  • 大气变成以二氧化碳为最多
  • 海洋里的生物最多的是菌藻植物,它们的活动促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合,碳酸钙镁等物质沉淀在海底,使大气中的二氧化碳减少,氧和氮的含量逐步增加

显生宙——古生代,中生代,新生代 最近6亿年来

  • 大气圈的成分渐渐接近目前的状况
  • 大气和海洋中,原为酸性的水在与岩石相互作用时,将硅酸盐物质中的钠,钾,钙,镁,铝,铁等金属元素夺取出来,形成多种盐类(以氯化物为主),海水的成分也慢慢变成与今天相近的了
  • 在这种环境中,生命加速发展,海洋中的生物迅速繁荣起来(化石证据较多)。

地球上生命起源和发展

  地球是太阳系中唯一存在生命和人类活动的行星。地球上原始生物蓝藻、绿藻遗迹在年龄为35亿年的岩石中即有所发现。虽然地球上生命起源的问题并没有解决,但是大概可以追溯到40亿年前。地球早期的大气成分主要由水、二氧化碳、一氧化碳和氮气,以及由火山喷发出其他气体组成,在此情况下,生命必须由无氧的环境中开始,而氧进入大气则被认为是由于生物活动的结果。最初,氧在大气中的含量只能徐缓地增加,估计在距今20亿年时含量约为现在的1%。当大气中的氧增加到能够出现具有保护性臭氧层以后,生物才能在比较浅的水中生活。具有光合作用的生物的繁殖,又促进可以呼吸氧的动物的发展。多细胞生物的最初痕迹见于年龄约为10亿年的岩石中。在距今约7亿年时,复杂的动物,如水母、蠕虫以及原始的介壳类动物已经出现。到距今约5.7亿年,即前寒武纪和寒武纪之交,具有硬壳的动物大量出现,而使大量化石得以在岩石中保存。在此时期,海洋生物有突然的发展。鱼类出现在奥陶纪;志留纪晚期,陆地上已有植被覆盖。石炭纪海中出现两栖类。爬虫类和最初的哺乳类出现在三叠纪,但到新生代开始哺乳类才大量繁殖和扩散。生物的发展虽然表现有平稳的演化进程,但化石的纪录也显示了在整个显生宙时期有周期性的大量植物和动物种属大致在同一时期消失的现象。这种灾变的原因久经探讨,有些学者认为可能是由于陨石或小行星的撞击引起的(见撞击地球事件)。但是,也有学者指出并不是所有的生物都在同一时期受到影响。这个问题尚待进一步的研究。

地球的未来

  地球的未来与太阳有密切的关联,由于氦的灰烬在太阳的核心稳定的累积,太阳光度将缓慢的增加,在未来的11亿年中,太阳的光度将增加10%,之后的35亿年又将增加40%。气候模型显示抵达地球的辐射增加,可能会有可怕的后果,包括地球的海洋可能消失。

  地球表面温度的增加会加速无机的二氧化碳循环,使它的浓度在9亿年间还原至植物致死的水平(对C4光合作用是10 ppm)。缺乏植物会导致大气层中氧气的流失,那么动物也将在数百万年内绝种。而即使太阳是永恒和稳定的,地球内部持续的冷却,也会造成海洋和大气层的损失(由于火山活动降低)。在之后的十亿年,表面的水将完全消失,并且全球的平均温度将可能达到60°C。

  太阳,作为它的演化的一部分,在大约50亿年后将成为红巨星。模型预测届时的太阳直径将膨胀至现在的250倍,大约1天文单位(149,597,871千米)。地球的命运并不很清楚,当太阳成为红巨星时,大约已经流失了30%的质量,所以若不考虑潮汐的影响,当太阳达到最大半径时,地球会在距离太阳大约1.7天文单位(254,316,380千米)的轨道上,因此,地球会逃逸在太阳松散的大气层封包之外。然而,绝大部分(如果不是全部)现在的生物会因为与太阳过度的接近而被摧毁。可是,最近的模拟显示由于潮汐作用和拖曳将使地球的轨道衰减,也有可能将地球推出太阳系。

其他

空间探测地球

  1947年一个小型V–2火箭在160千米的高空取得第一幅自空间俯视地球的照片,成为地球空间探测的开端。1957年人造地球卫星上天后,从空间观测地球逐步成为地球科学的常规手段。地球约从46亿年前诞生以来,气候和环境一直在持续地变化,太阳演变、火山活动、地壳运动、天体陨击、大气和海洋形成和变化、生命出现等致使地球成为一个活跃的和动态的行星,空间探测有助于认识、了解和预测地球演化的走向和前景。

世界地球日

  世界地球日即每年的4月22日,是一项世界性的环境保护运动。最早的地球日活动是1970年代于美国校园兴起的环保运动,1990年代这项活动从美国走向世界,成为全世界环保主义者的节日和环境保护宣传日,在这天不同国籍的人们以各自不同的方式宣传和实践环境保护的观念。

  1969年美国民主党参议员盖洛德·尼尔森在美国各大学举行演讲会,筹划在次年的4月22日组织以反对越战为主题的校园运动,但是在1969年西雅图召开的筹备会议上,活动的组织者之一,哈佛大学法学院学生丹尼斯·海斯提出将运动定位在于全美国的,以环境保护为主题的草根运动。1970年4月22日在美国各地总共有超过2000万人参与了环境保护运动,这次运动的成功使得在每年4月22日组织环保活动成为一种惯例,在美国地球日这个名号也随之从春分日移动到了4月22日,地球日的主题也转而更加趋向于环境保护。

  现在人们普遍认为1970年4月22日在美国发生的第一届地球日活动是世界上最早的大规模群众性环境保护运动,这次运动催化了人类现代环境保护运动的发展,促进了发达国家环境保护立法的进程,并且直接催生了1972年联合国第一次人类环境会议。而1970年活动的组织者丹尼斯·海斯也被人们称为地球日之父。