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· 正 · 文 · 来 · 啦 · 同学们好！ 下面，我们专门来讨论一下地球的物理性质。 我们一般称地球是个圆球体，但如果精确一些，会说是实心椭球体，因为它的赤道半径比两极半径要长一些。这张图上显示的赤道半径平均长度为6378千米，两极半径为6357千米，其实相差并不是很大，作为这么大一个球体来说，看成圆球体并不过分。不过倒是有一些不对称性，比如北极比旋转椭球体凸出14m，南极却凹进了24m。中纬度地区，在北半球稍稍凹进一些，而在南半球则稍稍凸出一些，不过都不到10m。 现在我们知道地球的质量是59 7600亿亿吨，算了，还是用科学计数法吧，是5.976×1024千克。然而，十七世纪的权威人士断言：人类永远不会知道地球的质量，因为在当时的条件下，要知道地球的质量必须用体积和密度相乘计算出来，而地球的构成相当复杂，各部的密度差异很大，无法求出它的平均密度，所以无法得出地球的质量。到十七世纪末，物理学家牛顿发现了万有引力定律。他想用测定引力的办法来计算地球的质量，但最终没能成功，因为那个时候缺一个关键参数——引力常数G。1750年，法国科学家布格尔认为利用我们这张图的原理可以测定引力常数，他千里迢迢来到了南美洲的厄瓜多尔，他爬上了陡峭的山顶，沿著悬崖垂下一根长线，线的下端拴著一个铅球。他想先测量出垂线下的铅球受到山的引力而偏离的距离，再根据山的密度和体积算出山的质量，进而求出万有引力常数G来。可是，由于引力实在太小了，铅垂线偏离的距离几乎测量不出来，即使测出来也很不精确，布格尔的实验仍然没有成功。后来，英国物理学家卡文迪许，他通过两个铁球和一根石英丝做成的扭称测量了引力常数G。他具体是如何做到的呢？这个故事很长，希望同学们自己找资料看看，记住他的名字，卡文迪许。找找看吧！ 地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力，从这张图我们可以看到，在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外核部分增长得较快。 地球以海平面为界，可分为海洋和陆地两大地理单元。其中海洋面积占70.8%，陆地面积占29.2%其中海洋的平均深度为3729m，最深的地方是马里亚纳海沟，为11034m，陆地的平均海拔为875m，最高点是珠穆朗玛峰，为8844.43m。 海洋勘察表明，被海水覆盖的海底地形与大陆地形一样复杂多样，既有高山深谷，也有平原丘陵，而且规模非常庞大，外貌也更为奇特壮观。根据海底地形的总体特征，海底大致可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三个大型地形单元，其中大洋盆地的面积约占海洋面积的1/2，大洋中脊约占1/3。大陆边缘又包括大陆架、大陆坡、大陆基，以及海沟和岛屿。 地球的陆地表面，大的陆块叫大陆、小的叫岛屿。按照高程和起伏特征，陆地地形可分为山地、丘陵、平原、高原和盆地等类型。其中山地是海拔高度在500m以上且切割度大于200米的区域，其中高于500，不到1000米的叫低山、1000m以上称为中山，3500m以上的才叫高山。所以我们平时所说的高山大多数时候是错误的。山体线状延伸就构成了山脉，如果若干山脉相邻，在成因上还有些联系，这整体就称为山系。丘陵是指海拔小于500m、顶部浑圆、坡度较缓、坡脚不明显的低矮山丘。平原是海拔低于200m、宽广平坦，或者略有起伏的地区，我国长江中下游平原就有这样非常典型的特征。高原是海拔高程500m以上、与山地相比，高原面积大、顶面是平坦的或者略有起伏。我国青藏高原海拔4000m以上，是世界上最高的高原。如果一个地形四周被山地或高地包围，而中央低平，外形似盆，就称为盆地，如我国的四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等。一些中、小型盆地中如果有积水，还可能成为湖泊或洼地。 下面来说说地球的物性。什么是物性呢？我们说人有人性，物体嘛，也应该有个物性，开个玩笑呀，其实呢也大致是这个意思。我们这里所说的物性其实就是指物理性质，相应地要用一些物性参数来表达，前面我们所说的地球的质量和密度肯定算个物性吧。除此之外，地球在宇宙中，会受到各种力的作用，我们在讨论地球受力发生形变的时候，会特别讨论这三个参数：弹性、塑性和粘性。所谓弹性，就是物体变形与受力成正比，这些外力必须在一定的限度内，外力撤消后物体能够恢复到原来的大小和形状；如果施加的压力大于弹性极限，物体便呈现出塑性，外力消失后不能恢复到初始状态，或者部分变形不能恢复，但其完整性并未受到破坏。还有一种变形，就是外力消失后变形不但不回复，范围还可能继续，这就是我们现在所说的粘性。具体来说，地球的弹性现象有固体潮、海洋潮汐、地震波。固体潮就是地球在太阳和月球引潮力的作用下，固体地球产生的周期形变的现象。地球的塑性呢，就是岩石在内营力的作用下产生的褶皱，地球的外形因各种力的作用而发生的变化。粘性呢，我们举一个例子。北欧斯堪底那维亚 半岛在第四纪最后一次冰期后不断抬升，最大达到每年抬升1厘米，其原因是冰盖消失使地表产生反弹，这与地质构造无关。
前面我们简单提到了一下地球的重力均衡，这里我们再来严格定义一下，就是：地球地势的起伏同莫霍面的起伏呈镜像关系。设想在地幔内部(很可能在软流圈内)的某一深度上可以找到一个水平面，称为补偿基面。在此面的单位面积上所承受的上覆岩块的总重量都相同。即是以此补偿基面为准，高山地区的地势虽高，但其下部地幔的厚度小；大洋地区的地势虽低，但其拥有的地幔厚度大，故两处岩块的总重量相等，从而能保持重力均衡。该图就是地球的重力均衡的一些实例。当然，这种均衡总是暂时的和相对的，因为高处易剥蚀，低处被填平，以及构造运动等因素都可能打破这种平衡。
地球上的重力究竟有多均衡呢？其实很多人对此表示怀疑。那么如何测地球各地的重力场呢？2002年，由美国航空航天局和德国航天局合作研制的重力反演与气候实验卫星，俗称GRACE双星发射升空，很好地解决了这个问题。GRACE的两颗卫星在同一个轨道平面上，彼此距离约220km。通过不断交换微波信号，两颗卫星之间可以精确地测量两者之间的距离。当这一对卫星在绕行地球时，地球上重力场较强的地区会先影响到前一颗卫星，把它拉得离后面的卫星远一点。然后当后面那颗卫星经过这重力异常的地区时，又会被拉向前一颗卫星一些。这些距离变化的改变是我们肉眼所无法察觉的，但GRACE上的微波测距系统可以精确的测量出两颗卫星之间距离的细微变化。由此造成的微小距离变化就可用来反演而计算出整个地球的重力场分布。根据这颗卫星获得的重力场，科学家绘制出了全球的重力场分布图，就是现在右图这个样子。这张图2012年在网上公布的时候，还制造了一个不大不小的乌龙，有人以为这是新测得的地球形状。在网上吐槽说，地球的素颜照并不是地球仪上的那个样子，而是一个形状极其怪异的东西，长满了青春痘，丑陋无比。许多网友看后，惊呼“毁三观”。现在看来，没知识还缺智商该是多么可怕。
地球的能量，有两个来源。一是从太阳吸收的能量，称为外部来源，其中1/3被大气圈和地球表面反射掉，2/3被地球表层系统吸收，再以各种方式转化为地球演化所需的能源。还有一个是内部来源，那就是地球岩石中放射性元素衰变所产生的能源，这也是地热的主要来源。同时，地球本身的重力作用也可转化出大量热能，还有地球自转的动能以及地球物质不断进行的化学作用等，都是地球能量的内部来源。
由于地核受到的压力较大，温度高达约6000°C，在这么高的温度下，内部大量的铁磁质物质变成离子体，并带有不同的电量，也就是说，原子中的电子在高温下挣脱了原子核的引力，变成了自由电子，又由于地核物质受着巨大的压力作用，自由电子趋于流向压力较低的地幔，使地核处于带正电状态，地幔附近处于带负电状态。随着地球的自转，电荷也做圆周运动，运动的电荷就是电流，电流就会产生磁场。其实，有关地磁产生的原因，并没有完全弄清楚，我刚才说的只是众多假说之一。
那么，这里我再列举几个有关地磁的更多假说。虽然这些假说看似都能解释主要的问题，但都还存留一些明显与事实相悖的问题难于解释。比如，铁磁体假说，认为地核其组成就是一个磁化体，但问题是地核的温度已经高于居里点了，在这个温度下任何磁性都会消失。热电假说，认为是由于外核物质的热对流而在边界处产生了电流，进而产生了磁场。问题是，通过热对流，是否能产生足够强大的电流以形成地磁场？最后，这个双圆盘发电机假说，是目前为止获得最多支持的假说。但是仍然不能很好地解释地磁反转过程中出现好几个磁极，以及地磁异常区域等问题。那么我们前面所说的地球空心论呢大致就是想解释这些问题的。
刚才说到了地磁翻转。由于地球内部物质的状态和密度不同，地核的自转与地壳和地幔并不同步，这会产生一强大的交变电磁场，地球磁场的南北磁极因此发生一种低速变化，造成地球的南北磁极翻转。
这张图，反映的就是不同地层的磁场变化和翻转的情况。在距今约100万年前，地磁场的方向和现在完全相同，这一时期称作地磁场的正向期。但在更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，称其为反向期。
磁场的存在会导致岩石发生磁化，而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动，这称为极移，就是我们左边这张图。理论上，极移曲线只可能有一条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球极移曲线都应该一致。实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。
前面的内容呢，我们基本上在地球内部打转，因为越不清楚的东西，越有挖掘的欲望。而相对来说，地球的外部圈层是我们看得见，摸得着的，所以比较容易理解。
大气圈是环绕地球的有气体组成的圈层，是地球最外部的圈层。左边是大气圈中的元素对比图，现代大气圈主要由氮气和氧气组成。对流层在大气层的最低层，紧靠地球表面，对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等气象现象都发生在这一层内，水蒸气也几乎都在这一层内存在，还存在大部分的固体杂质。这一层的气温随高度的增加而降低，大约每升高1000米，温度下降5～6℃；动、植物的生存，人类的绝大部分活动，也在这一层内，因为这一层的空气对流很明显，故称对流层。对流层以上是平流层，大约距地球表面20至50千米。平流层的空气比较稳定，大气是平稳流动的，故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右，温度基本不变，在30千米至50千米内温度随高度增加而略微升高。平流层以上是中间层，大约距地球表面50至85千米，这里的空气已经很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，空气的垂直对流强烈。中间层以上是热层，大约距地球表面100至800千米，最突出的特征是当太阳光照射时，太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收，因此温度升高，故称暖层。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。
水圈是地球外圈中作用最为活跃的一个圈层，也是一个连续不规则的圈层。地球表层，几乎也能看成由各种形式存在的水所组成的圈层：海洋，湖泊，河流，冰盖，雪，冰川等等。水圈与大气圈、生物圈和地球内圈的相互作用，直接影响人类的活动和表层系统的演化。水圈也是外营力地质作用的主要介质，是塑造地球表面最重要的角色。
地球生物及其分布范围所构成的一个极其特殊又极其重要的圈层，叫生物圈。生物圈的范围是大气圈的底部、水圈大部和岩石圈表面，所以是与其他圈层混在在一起的。有关地球上的圈层呢，其实还有许多说法，比如生态圈、岩石圈，地理圈，冰冻圈等等，由于这些圈层相互重合度比较高，有时候难于区分，或者不同学者有不同的看法。比如，上面这两张图就是不同作者从不同角度对地球外部圈层的总结。你能看出什么门道吗？
那么，这一章的内容呢就全部结束了，同学们再见！
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