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不可不知的地球知識(shí)

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地球是太陽系內(nèi)的一顆普通又很特殊的行星。它的特殊性在于，地球適宜的質(zhì)量、到太陽的適當(dāng)距離并因而具有的表面溫度，以及地球上氧氣與水的存在等因素構(gòu)成了生物生存和人類宜居的環(huán)境。

成為大行星須滿足的條件

在太陽系家族中，除了太陽，八顆行星也是重要的成員，通常被大家稱為“大行星”。要想成為大行星，必須滿足幾大要求。

條件一：它得沿著環(huán)繞太陽的軌道運(yùn)行，也就是，這些大行星都有自己的橢圓軌道；

條件二：它得具有足夠質(zhì)量來維持自己近乎球體的形狀，可憐的小行星就因?yàn)樘?dǎo)致形狀無法達(dá)標(biāo)而與大行星無緣；

條件三：它得是自己區(qū)域內(nèi)質(zhì)量最大的天體，如此才能讓軌道兩側(cè)附近的其他天體臣服于它的強(qiáng)大引力，俯身甘為它的衛(wèi)星?？蓱z的冥王星就是因?yàn)樽约翰粔驈?qiáng)大，未能清空其軌道附近的近鄰天體，才落得被逐出大行星的隊(duì)伍。

圖1 “行星星子假說”模型示意圖。圖片來源：http://www.phys.boun.edu.tr/～semiz/universe/ near/18ext/planet_formation.gif

太陽系內(nèi)的行星是如何形成的？

多年來，不少天文學(xué)家一直活躍在這個(gè)研究領(lǐng)域——行星的形成。關(guān)于這個(gè)問題，目前提出了不少模型。其中一個(gè)得到多數(shù)認(rèn)可的模型被稱為 “星子假說”或“盤吸積”模型。它的主要觀點(diǎn)是：看不見摸不著的引力，是行星形成的關(guān)鍵因素。該模型認(rèn)為，太陽系中大行星的形成大致分為如下幾個(gè)階段。

原恒星和原恒星盤形成：

約50億年前，引力使得一團(tuán)既有氣體又有塵埃的原始星云發(fā)生塌縮，如圖1a。因?yàn)樽陨淼霓D(zhuǎn)動(dòng)帶來的離心作用，星云慢慢變扁，未來的恒星從中央的大團(tuán)物質(zhì)演化形成；塵埃物質(zhì)落在赤道平面上，形成被稱為“原恒星盤”的塵埃盤，如圖1b。（約持續(xù)10萬～100萬年）

星子形成：

借著恒星和塵埃物質(zhì)的引力及其塵埃物質(zhì)之間的相互作用，原恒星盤形成一個(gè)個(gè)軌道。接著，塵埃物質(zhì)慢慢聚集、碰撞和粘合，形成大小約1～10千米的星子，如圖1c。星子的演化會(huì)慢慢清空軌道周圍的物質(zhì)，軌道慢慢穩(wěn)定，如圖1d。（約持續(xù)100～10000年）

行星胚胎誕生：

星子碰撞并和，形成類地行星胚胎和類木行星核，大小約1000千米量級(jí)。（約持續(xù)10～100萬年以上）

類木行星形成，原恒星盤消失：

類木行星核與盤之間相互作用，最終，類木行星形成，原恒星盤消失，如圖1e。（時(shí)間小于1千萬年）

大行星系統(tǒng)的形成：

長(zhǎng)達(dá)上億年的多體引力相互作用和長(zhǎng)期的動(dòng)力學(xué)演化，終于有了今天的太陽系家族中的八大行星，如圖1f。

當(dāng)然上述過程中，還有不少物理細(xì)節(jié)不太清楚，仍處于研究中。

地球內(nèi)部構(gòu)造

地球內(nèi)部分為地殼、地幔和地核，它們各自又分為多層。值得一提的是地核，地核分成內(nèi)核和外核。內(nèi)核比外核更熱，可是為什么內(nèi)核的物質(zhì)是固態(tài)而外核的物質(zhì)卻是液態(tài)的呢？這是因?yàn)檫€有一個(gè)決定物質(zhì)形態(tài)的因素——壓力。內(nèi)核物質(zhì)比外核物質(zhì)所受壓力更大，高壓將內(nèi)核物質(zhì)“壓”成了固態(tài)。另外，地核物質(zhì)是否含硫等輕元素，也是其是否為固態(tài)或液態(tài)的一個(gè)重要因素。

地殼里最多的物質(zhì)是類似于二氧化硅和三氧化二鋁之類的氧化物。氧是占據(jù)地幔最多的元素。地核主要由鐵鎳元素組成（鐵約占80%），還包含其它少量物質(zhì)。

圖2 地球內(nèi)部構(gòu)造示意圖，圖片來源：wikipedia。

板塊學(xué)說與喜馬拉雅山的產(chǎn)生

看似平靜的地表之下是另外一番熱鬧的場(chǎng)景。巖石圈構(gòu)成了地球的表層，包括地殼和部分上層地幔。根據(jù)板塊構(gòu)造說這一地質(zhì)學(xué)理論，地球的巖石圈是由許多板塊拼合而成。根據(jù)板塊的成分，分類成海洋板塊和大陸板塊。1968年，法國科學(xué)家勒皮雄（Xavier Le Pichon）廣泛收集資料，將全球劃分成六大板塊：太平洋板塊、歐亞板塊、印度洋板塊、非洲板塊、美洲板塊和南極洲板塊。板塊邊界的劃分，取決于相鄰板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小。

圖3 海底擴(kuò)張示意圖。圖形來源：http://course.cug.edu.cn/21cn/地球科學(xué)概論（北大）/IMAGE9/convection.jpg

地殼和地幔并非是固定不變，而是不斷發(fā)展變化的。地幔中存在地幔對(duì)流，如圖3顯示，海洋板塊的洋中脊就對(duì)應(yīng)于地幔對(duì)流上涌的位置，地幔的流動(dòng)會(huì)向兩邊推動(dòng)板塊，熾熱的地幔流體從板塊破裂之處噴涌出來，冷卻后形成新的海洋板塊；當(dāng)海洋板塊運(yùn)動(dòng)至大陸邊緣時(shí)，由于海洋板塊（密度是3.0～3.3g/cm3）比大陸板塊（密度是2.7～3.0 g/cm3）密度更大，使得這些海洋板塊會(huì)沉降并下插進(jìn)入地幔中。如此便實(shí)現(xiàn)了海洋板塊與地幔物質(zhì)的循環(huán)。而大陸板塊地殼整體密度較小，浮在地幔之上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，基本不參與和地球深部的物質(zhì)循環(huán)。

除此之外，海洋板塊物質(zhì)下插至大陸板塊下部，會(huì)擠壓大陸板塊，導(dǎo)致山脈隆起。殊不知，如果將示意圖中的海洋性板塊假設(shè)成印度洋板塊中的小版塊——印度板塊，再將最右側(cè)的大陸性板塊假設(shè)成歐亞大陸板塊，那它就簡(jiǎn)單再現(xiàn)了喜馬拉雅山和青藏高原的形成。同樣，如果將它們各自假設(shè)成太平洋板塊和美洲大陸板塊，彼此的相遇創(chuàng)造出安第斯山脈和洛基山。

地幔對(duì)流背后的原因

要知道，實(shí)際上核幔對(duì)流得很慢，速度大約是每年2厘米，因此我們很難覺察到地幔對(duì)流。地幔對(duì)流的觀點(diǎn)最早是費(fèi)希爾（O. Fisher）1881年提出的。1939年，英國地質(zhì)學(xué)家霍姆斯（A. Holmes）闡釋了地幔對(duì)流的物理機(jī)制。

根據(jù)目前普遍認(rèn)為的觀點(diǎn)，造成地幔物質(zhì)流動(dòng)的原因來自于地球內(nèi)部蘊(yùn)含能量的釋放。釋放的熱能引起的地幔物質(zhì)體積增大、密度減小，從而上浮；上層物質(zhì)冷卻，密度增加，從而下降，形成熱幔對(duì)流。熱量的來源為地球內(nèi)部放射性物質(zhì)的衰變及重力能的釋放等。

圖4 全球板塊分布圖，圖片來源：http://www.dakepu.org/popular_science/0_6 beba1b62e124a3aa1fa8549a9273690.html

火山的產(chǎn)生

火山的產(chǎn)生同樣源于地幔的對(duì)流。當(dāng)海洋板塊與大陸板塊相撞時(shí)，海洋板塊物質(zhì)下插至大陸板塊下部，除了會(huì)帶來大陸板塊的擠壓上升，還會(huì)使得地幔物質(zhì)摩擦產(chǎn)熱，最終使地幔物質(zhì)噴出，形成火山。

圖4顯示了火山活動(dòng)（紅色）與地震區(qū)域（黃色）?？梢钥吹教窖蟀鍓K的西邊有一片紅色區(qū)域，對(duì)應(yīng)的即是火山活動(dòng)區(qū)域?；鹕絽^(qū)域大部分集中于板塊邊緣。大部分地震區(qū)域也位于板塊或亞板塊（板塊內(nèi)部的小版塊）的邊緣。

所有的火山都發(fā)生在板塊之間嗎？

除了有大范圍的地幔對(duì)流，還有小尺度的地幔熱柱（mantle plume）。地幔熱柱比較穩(wěn)定。情景應(yīng)該是這樣的：一根起源于核幔邊界（地核和地幔的邊界）的熱流柱慢慢向上流至地表，由于流柱的溫度較高，“燒通”了地表。這使得地幔物質(zhì)得以從地表噴涌出來，形成了板塊內(nèi)的火山。板塊的運(yùn)動(dòng)讓火山如雨后春筍般，形成了板塊內(nèi)部的火山鏈，如夏威夷火山鏈。因此，并非所有的火山都發(fā)生在板塊之間，也存在一些板塊內(nèi)的火山活動(dòng)。

地球磁場(chǎng)

地磁場(chǎng)類似于一個(gè)偶極場(chǎng)，就像一條磁鐵或者由通著電流的導(dǎo)電螺旋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)有南、北極，地磁場(chǎng)的南極位于地球地理的北極附近，而地磁場(chǎng)北極位于地理南極附近。地磁場(chǎng)的南極會(huì)吸引平常所使用指南針的指北極，人們便將磁場(chǎng)的南極稱為磁北極，而將磁場(chǎng)的北極稱為磁南極。這種稱呼已成大家默認(rèn)的慣例，未曾改變。如果在磁場(chǎng)南極與北極之間連一根線，這根線與地球的自轉(zhuǎn)軸并非完全重合，而是存在約11.3度的夾角。磁場(chǎng)強(qiáng)度大概是0.25～0.65高斯，要知道，我們常用的冰箱磁貼的強(qiáng)度約100高斯。

作為帶給我們能量和光明的太陽，它會(huì)發(fā)出強(qiáng)大的太陽風(fēng)（即帶電粒子流），產(chǎn)生巨大的壓力。如果沒有地磁場(chǎng)提供的保護(hù)層——地球磁層為我們抵擋住太陽風(fēng)，我們的地球大氣將會(huì)被侵蝕，地球也將不再是適合我們生存的家園。太陽風(fēng)的影響，使得面向太陽的地球磁層受到擠壓，而背向太陽的地球磁層往外延伸出，就像彗星的尾巴。

天文學(xué)家和地學(xué)家喜歡用類似于圖7之類的地球磁場(chǎng)分布圖來分析地球磁場(chǎng)的空間分布情況。紅黃色區(qū)域指的是方向朝內(nèi)進(jìn)去的磁力線（磁場(chǎng)南極）的強(qiáng)度，藍(lán)色區(qū)域是方向朝外出去的磁力線（磁場(chǎng)北極）的強(qiáng)度?？梢钥吹奖卑肭蛑饕菍?duì)應(yīng)于磁場(chǎng)南極的紅黃色區(qū)域，但局部地區(qū)也存在對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)方向相反的藍(lán)色部分；而南半球主要是對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)北極的藍(lán)色區(qū)域，但局部地區(qū)也存在對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)方向相反的黃色部分。這說明地球磁場(chǎng)并不是一個(gè)完全理想化的偶極磁場(chǎng)。

地球磁場(chǎng)的方向會(huì)發(fā)生變化嗎？

大量事實(shí)和證據(jù)表明，地球磁場(chǎng)方向曾經(jīng)互換過，也叫地磁極性倒轉(zhuǎn)。對(duì)此現(xiàn)象，示意圖8很好地說明了這種現(xiàn)象。

圖5 地球附近地磁場(chǎng)示意圖。圖片來源：http://iwbag.com/wp-content/uploads/2014/07/earths-magnetic-field.jpg

圖6 地球磁層示意圖, 太陽風(fēng)從左往右吹。圖片來源：http://a0.att.hudong.com/37/99/01300000246938132321990445924.gif

圖7 核幔邊界處的地球徑向磁場(chǎng)的分布圖。圖片來源：http://www.gfz-potsdam.de/en/section/earths-magnetic-field/topics/ sources-of-the-earths-magnetic-field/core-field/

圖8 地球磁場(chǎng)方向的翻轉(zhuǎn)示意圖。圖片來源：h t t p://thewestsidestory.net/wp-content/uploads/2014/10/earth-magneticfield-might-flip.png

在洋中脊兩邊的大洋板塊，就記錄著能揭示地球磁場(chǎng)方向改變的信息。天文愛好者們也許不知道，科學(xué)家們就是通過地質(zhì)考察，發(fā)現(xiàn)了多次地球磁場(chǎng)方向倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。圖9中，各種顏色條紋展示了不同時(shí)刻由熱的地幔物質(zhì)往上涌出地表之后，隨著溫度降至500攝氏度以下時(shí)，冷卻凝固所記錄下的表征當(dāng)時(shí)磁場(chǎng)方向的信息。其中紅黃色條紋表示的是與現(xiàn)在磁場(chǎng)同向的磁場(chǎng)信息；白色條紋表示反向的磁場(chǎng)信息。從a圖到c圖，可以看到隨著時(shí)間的推移，記錄磁場(chǎng)方向的條紋越來越多。圖9下方子圖的黑色豎紋表示的是與現(xiàn)在有著相同磁場(chǎng)方向?qū)?yīng)的時(shí)刻，白色豎紋表示了與現(xiàn)在有著相反磁場(chǎng)方向所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)字指的是距今多少百萬年。像鋼琴黑白鍵的這些豎紋，告訴我們一個(gè)地球磁場(chǎng)方向每隔幾十萬年就改變一次的故事。

圖9 上圖是由海底擴(kuò)張記錄的磁極倒轉(zhuǎn)示意圖。下圖是磁極倒轉(zhuǎn)的年代記錄。圖片來源：wikipedia。

目前科學(xué)家們基于磁流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬可以重現(xiàn)出地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但由于地球磁場(chǎng)非常復(fù)雜，現(xiàn)在的模型還不能精確預(yù)測(cè)地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的時(shí)間。

為什么地球磁場(chǎng)的方向會(huì)發(fā)生改變呢？

地球磁場(chǎng)方向發(fā)生改變應(yīng)該是天體中旋轉(zhuǎn)磁流體動(dòng)力學(xué)的固有現(xiàn)象，比如太陽磁場(chǎng)方向每隔11年就會(huì)發(fā)生一次倒轉(zhuǎn)。至于這種倒轉(zhuǎn)發(fā)生的頻率以及磁場(chǎng)的強(qiáng)度、磁場(chǎng)的形態(tài)與天體的自轉(zhuǎn)速度、物性、動(dòng)力學(xué)參數(shù)等因素的關(guān)系，目前正在深入研究中。

地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生

還記得前面我們已經(jīng)了解到的關(guān)于地球地核的知識(shí)吧？地球地核可以分為內(nèi)核和外核，內(nèi)核和外核分別是由固態(tài)和液態(tài)的物質(zhì)組成，主要物質(zhì)是鐵鎳。

圖10 地球發(fā)電機(jī)（地球磁場(chǎng)產(chǎn)生原理）示意圖。圖片來源：http://all-geo.org/ highlyallochthonous/wp-content/uploads/2010/07/dynamo.jpg

磁能生電，電能生磁。地磁場(chǎng)就是一個(gè)能生動(dòng)詮釋它們的大型實(shí)驗(yàn)。要能生磁，首先必須得有電。要有電，必須得有磁。那最初的磁來自于哪里？目前普遍認(rèn)為，最初的磁場(chǎng)是宇宙中的磁場(chǎng)。接著，磁生電的主角是地球外核中的液態(tài)物體——導(dǎo)電鐵流體。導(dǎo)電鐵流體在地球外核中產(chǎn)生對(duì)流（圖10中橙線所示）；導(dǎo)電流體在宇宙初始磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流；該電流會(huì)激發(fā)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)（圖中藍(lán)線示意的是磁場(chǎng)的磁力線）；電流和新產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成的洛倫茲力（電磁力）又會(huì)反過來影響著導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)（專業(yè)上稱之為，運(yùn)動(dòng)與產(chǎn)生的場(chǎng)之間的耦合），從而形成一個(gè)可拋開初始磁場(chǎng)、能夠自維持的“地球發(fā)電機(jī)”。這個(gè)觀點(diǎn)最早是1919年由英國科學(xué)家拉莫爾（Joseph Larmor）提出，已獲得廣泛的認(rèn)可，但是由于地球磁場(chǎng)在形態(tài)和演化上很復(fù)雜，而且地球內(nèi)部的物理參數(shù)非常極端，要精確重構(gòu)地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化，還需要更多深入的細(xì)致研究。

因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)，地球外核中導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)情況（圖10中橙線所示），看起來就像一個(gè)個(gè)圍繞內(nèi)核分布的線圈。線圈中心軸的方向與地球自轉(zhuǎn)軸平行。也正因?yàn)樽赞D(zhuǎn)，我們可以看到較規(guī)則的偶極磁場(chǎng)?？梢韵胂笙?，如果地球沒有自轉(zhuǎn)，將會(huì)在地表出現(xiàn)多個(gè)南北極，在地球上的各個(gè)緯度將有可能看到極光現(xiàn)象。不過，還有一種可能，地磁場(chǎng)無法形成。

（本文基于上海天文臺(tái)李力剛老師的科普?qǐng)?bào)告及后續(xù)采訪完成）

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）