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第4章 地球

地球的形状

地球是我们人类的故乡,是太阳家族中一颗蔚蓝色的行星。你可能了解了一些地球的知识,但我们这里要介绍的内容是把地球作为一个普通的行星,放在行星队伍中进行比较,看看它作为天体的特征。

首先,地球是我们观察天体和认识宇宙的基地,地球的所有物理量都是我们衡量其他行星的尺子。比如,我们说水星公转周期是88天,这里所指的“天”就是以地球自转定的天。冥王星绕太阳的公转周期是248年,这里的年也是以地球公转作为计量单位的。地球的运动被当做天文计时器。

说到地球的形状,你一定很熟悉。我们每天都可以看到中央电视台播放的地球形体。要知道,我们人类能看到自己所在星球的全貌,这还是近30多年的事。在此之前,人类还处于“不识庐山真面目”的状况。现在不仅知道地球是一个球体,还精确地测出地球形体的基本数据。地球赤道半径平均为6378.139公里,极半径平均为6356.755公里。两者相差21公里,地球的扁率为1/298.257。也就是说,地球的赤道周长比两极方向的周长要长。同时,两极方向的半径也不是等长的。北极方向比正球体高出18.9米,南极方向比正球体凹进25.8米。地球的赤道也不是一个正圆,长半径比短半径长215米。长轴方向在西经35度左右。由此可见,地球的形状不是一个正圆球体,精确地说,地球的形状是一个略扁的旋转椭球体。夸大点说,地球的形状类似鸭梨。当然,恐怕凭我们眼睛是看不出来的。

地貌和气候

地球作为类地行星的样板,它的地貌结构有很重要的特征。地壳质量只占整个地球质量的0.2%左右。大陆地壳平均厚约35公里,已发现大陆最古老的岩石年龄为38亿年,平均密度为每立方厘米2.7~2.8克。大洋的地壳平均厚度约7公里(包括海水),大洋地壳岩石年龄不超过2亿年,平均密度为每立方厘米3~3.1克。大陆占整个地球表面5.1亿平方公里表面的29%,海洋占71%,可以说,地球是富水的行星。地球表面绝大部分都被茫茫的积水(海洋、河流和湖泊)和连绵不断的植被所覆盖。这是其他行星所无法比拟的。

类地行星的大气特征是多种多样的。地球大气层有1000多公里厚,90%的大气质量都集中在距地面15公里之内。根据大气的物理性质,将地球大气从下向上分为对流层、平流层、中间层和电离层。地球大气的成分受地表生物的影响很大,氮占78%,氧占21%,还有其他少量的气体和水分。而水星所谓的大气主要受太阳风的作用,包含氢和氦的成分。金星和火星的大气成分主要是二氧化碳。

一般认为,行星上有适宜的温度、有合适的大气成分和比较丰富的水,这个行星上就很可能有生物圈存在。地球上到处是生机勃勃,气象万千。目前生存着大约150万种动物,30多万种植物,形成一个以人类为主宰的大生物圈。这是其他行星所望尘莫及的。

地辐射带

人造地球卫星发射成功后,获得的第一个重大发现便是在地球身边存在着由地磁捕获的大量的带电粒子组成的环状磁场,科学家们称它为地辐射带,也叫范爱伦带或范爱伦辐射带。范受伦是美国著名的空间物理学家,是美国第一颗人造地球卫星科学应用的设计者,又是地球辐射带的发现者。范爱伦是一位律师的儿子,从小受到严格的家庭教育。他在大学二年级时就参与对宇宙射线强度的测量工作。第二次世界大战后,德国的V-2火箭被美国运走。范爱伦领导一个小组利用这些火箭和气球开始了对近地空间的探测。1957年7月1日至1958年12月31日,这期间正是太阳活动峰年,被国际自然科学界定为“国际地球物理年”。美国和前苏联都表示要在此间发射人造地球卫星,借以显示自己的国威。结果,1957年10月4日,前苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。美国政府感到极不光彩,因此,加强对人造地球卫星的研制工作。这时,范爱伦正在去南极洲考察的船上。美国政府召他立即返回,参加人造地球卫星科学应用的设计工作。1958年1月31日,美国终于成功发射第一颗人造地球卫星,命名为“探险者1号”。范爱伦对探测宇宙射线有浓厚的兴趣,他在这颗卫星上安装了测量宇宙线的仪器。但是,仪器失灵,未获结果。在1958年3月发射的卫星上又携带了他这个仪器,但仍无结果。范爱伦经过通盘考虑后认为,测量仪器上的计数器停止计数,并不是空间没有带电粒子,恰恰相反,是由于空间带电粒子太多,使计数器无法工作所致。1958年7月26日美国发射第4颗人造卫星的再次探测,验证范爱伦的判断完全正确。范爱伦作出如此大胆,如此正确的判断一直为后人所称颂。

现在已经完全证实在地球的近地空间有辐射带和磁层包围着。地球在背着太阳的方向上还拖着一条长长的磁尾巴,这充分显示出作为行星的特征。为什么地球有辐射、磁层和磁尾呢?我们知道,在行星际空间存在着太阳风,地球强大的磁场很容易就俘虏了这些带电粒子流。这些粒子流在地球外围沿磁力线方向集聚,并不断辐射出电磁波,便在近地空间形成辐射带。辐射带又分内外两层辐射带。内辐射带在离地面高5000~12000公里;外辐射带位于离地面17000~24000公里。地球极区外围没有辐射带。太阳风的力量很大,它能使地磁场在朝着太阳的方向前沿形成一个被压缩的包层;而在背着太阳的方向却延伸很长。这个被太阳风包围的地球磁场区域,就叫地球的磁层。朝太阳方向的磁层顶离地面约60000公里;背着太阳方向的磁尾,由于太阳风不能施加压力,使地球磁层延长到上百万公里,叫地球的磁层,类似彗尾,现在已知在太阳家族中,水星、地球、木星和土星都有固定的磁场,且具有自己的空间环境特征。

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