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世界科技全景百卷书: 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。地球的运动被当作天文计时器。 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。 漫游火星世界 火星是一颗红色的行星，它缓慢地在众星之间穿行，时而顺行，时而又逆行，亮度常有变化，最暗的时候视星等约为+1.5等，最亮的时候比天狼星还亮得多，令人迷惑，所以，中国古代称为“荧惑”。 火星是一颗最具传奇色彩的行星，有着许多令人神往的故事，然而，它并不像人们想象的那样美好。在干燥的火星表面上遍地都是红色的土壤和岩石。由于不断受到风沙作用，火星表面到处可以看到沙丘和类似河床的地形。这种河床地形分布在南半球及赤道附近，表明了距今大约30亿年前火星上曾有过像地球上一样的河川，有水流动。 火星表面满目荒凉，是赤色的不毛之地。大气中的微尘使天空呈现橙红色。火星的红色之谜一直困扰着人们。通过对火星泥土的分析，我们知道原来火星土壤中含有大量氧化铁，由于长期受紫外线的照射，铁就生成了一层红色和黄色的氧化物。夸张一点说，整个火星就像是一个生了锈的世界。 火星的运动 火星离太阳最近时只有2.065亿公里，最远时为2.491亿公里；绕太阳公转轨道的偏心率为0.09。在九大行星中，除冥王星外，火星的偏心率最大，其公转轨道为椭圆形。火星的轨道半长径约为1.52个天文距离单位，它绕太阳公转一周要686.98日，差不多比地球的一年长一倍；自转周期为24小时37分23秒，其一天的长度几乎和地球相同。火星的自转轴也有一个25°的倾角，与地球的23.5°差不多。因此，火星上也有四季变化，每季长度约相当于地球上两个季节的长度。 火星在椭圆轨道上运行时，与地球的距离有较大的变化。火星与地球的会合周期是779.87天，即大约每隔两年两个月，火星接近地球一次。当地球和火星运行到太阳的同一侧，并差不多排列在一条直线时，称为火星冲日。冲日前后火星与地球的距离最为接近，但每次的距离又各不相同，在 5570万至 12000万公里之间变化。由于火星的椭圆轨道偏心率大，每隔15～17年有一次与地球相距特别近的冲，称为大冲，那时是观测火星的最佳时刻。 荒凉的火星世界 火星的赤道半径是3332公里，只有地球半径的一半，它的体积只有地球的1／7，质量为地球的1／9；表面重力加速度为地球的2／5。在火星上，以每秒5公里的速度抛出的物体就能脱离火星。由于火星上物体的脱离速度小，火星难以束缚住许多大气分子，因而火星大气非常稀薄。火星大气的主要成分是二氧化碳，约占 95％，其余是氮、氩、一氧化碳、氧、臭氧和氢；水汽的数量很少，平均约为大气总量的 0.01％。表面大气压为7.5百帕，相当于地球30～40公里高处的大气压。 火星上受到的太阳辐射只有地球上受到的40％，因而火星的表面温度比地球要低30℃以上，昼夜温差超过100℃。在火星赤道附近，中午的温度也只升到20℃左右，晚上又下降到-50℃以下；在两极地区的夏季气温只有-70℃，冬季可下降到-139℃。望远镜发明以后，17世纪，荷兰学者惠更斯发现火星的南北两极都有白色的极冠，其大小随着季节不同而变化。当北半球是冬天时，北极冠增大；此时南半球是夏天，南极冠减少。当北半球到了夏天，北极冠的面积也随之缩减，和地球上的冰雪在夏季融化的情况一样。 100年前，意大利天文学家乔·斯基亚巴雷利在观测了1877年火星大冲后宣称，他在望远镜中观测到火星表面有几百条“河流”样的黑暗条纹，并发表了手绘的火面图。在将意大利文的“河流”翻译成英文时，被译成了“运河”。在以后的几十年内，观察火星表面的“运河”成了火星研究的重要课题。本世纪50年代，前苏联有位天文学家从颜色变化上认为火星表面一些地区的光谱从地球上高寒地带某些植物的分光特征相似，从而推论火星上有耐寒植物。这些都曾使科学幻想作家的思维插上了翅膀。在他们的笔下，栩栩如生的怪物——“火星人”跃然纸上。 为了探测火星的真面目，1962年以来，美国和前苏联先后发射了15个火星探测器，其中美国发射了8个，前苏联发射了7个，对火星进行了就近观察、就近探测和实验，取得了许多珍贵的科学成果。 1965年7月14日，美国的“水手4号”飞掠火星，第一次实现了人类就近一瞥红色近邻的夙愿。“水手4号”在离火星9600公里处拍摄了22幅电视图片。它发回来的图片显示出火星表面分布有许多环形山、火山和沙漠。1969年飞临火星的“水手6号”和“水手7号”不仅把地貌电视图片扩大到全球表面的10％，还用紫外分光仪器和红外分光仪器设备分析了火星的大气成分和表面结构。1971年发射的“水手9号”于11月进入环绕火星的轨道，成为火星的人造火星卫星，在环绕火星的轨道上观察火星及其卫星。1975年8月和9月，美国的“海盗1号”和“海盗2号”相继上天。它们的主要任务是探索火星上的生命之谜。 前苏联从1962年11月至1973年8月共发射了7个“火星号”探测器，并依次编号为“火星1号”、“火星2号”、……“火星5号”等。“火星号”探测器的主要任务是探测火星及其周围空间以及行星际空间。“火星2号”曾把刻有前苏联国徽图案的金属片投掷在火星表面；“火星3号”放出着陆舱，首次实现在火星表面软着陆；“火星2号”、“火星3号”和“火星5号”都先后进入环绕火星的轨道，成为火星的人造卫星。 探测器发回的探测结果表明，火星随季节变化的极冠既有水冰，又有干冰 （固体二氧化碳）。北极冠大部分由水冰构成，南极冠则是由冻结了的二氧化碳构成。据估计，极冠中大约保存有大气中20％的二氧化碳，而保存的水则比大气中的要多得多。极冠中的水冰，如果全部融化并均匀分布在火星表面，就会形成一个10米厚的水层。 火星大气中常有一种形状像黄云的尘暴。局部的尘暴经常出现，大的尘暴在地球上用望远镜可观测到；特别大的尘暴 （如 1971年的尘暴）能笼罩火星全球，并持续数月之久。尘暴是由火星低层大气中卷着尘粒的大风构成 8 10的。据估计，每次大尘暴覆盖在火星南半球的尘埃达10～10吨之多。 火星表面的 75％布满了沙漠，成分是硅酸盐、褐铁矿等铁氧化物，所以远远看去，火星是一个橙红和棕红的世界。火星的表面被划分成两个截然不同的半球，被一个大约倾斜于赤道30°的大圆所分开。大圆的南部半个球面崎岖不平，且布满环形山；最大的环形山直径约为1600公里；某些地区环形山的密度可以和月面相比；大圆的北部半个球面比较平坦，但也是满目荒芜，石块、沙丘和酷寒的山峰装点着它的表面。火星上还有一些火山和峡谷。最大的火山是一座称为“奥林匹斯之雪”的火山，其底部的直径约500公里，火山口的直径也有72公里，大约有25000米高，几乎是珠穆朗玛峰的3倍。火星上最大的峡谷是“水手9号”发现的水手谷，峡谷绵延5000多公里，宽200公里，比周围地面低6～7公里，谷壁十分陡峭，它比地球上最大的峡谷——科罗拉多河峡谷（长46公里、深约1.8公里）大得多。火星表面不存在液态水，但探测到数千条干涸的河床，最长的达1500公里，宽约60公里。主要的大河床分布在赤道地区，是由比熔岩流更少粘带性的液体造成的，说明火星从前曾有过水，美国“海盗号”探测器选择了生命存在可能性最大的地方着陆，对采取的土样进行实验和分析，结果表明火星表面上存在生命的可能性极其微小。 火星是一个冷酷的、没有生命的世界。其内部构造与地球相似，有核、幔和壳。核中含有硫，几乎全部的铁都成了硫化铁。核的半径约1300～2000公里。外壳由大量硅和铝及少量镁等所形成的较轻的岩石组成，厚约50公里。 干涸的火星 1877年，意大利天文学家斯基帕雷利，发现火星上有一些纵横交错的暗线条，并进一步观测到它们似乎还有季节性变化。消息传开之后，立即引起了极大的轰动。许多人认为它们是火星上的运河，是“火星人”为灌溉土地而特地开挖的。几乎在长达一个世纪里，都有不少人相信火星上有生命和大量的水。 观测表明，火星上确实存在着水，只是水量比地球上要少得多。如果把火星大气中所含的水蒸汽全部凝结成水，并把这水平均覆盖在表面上，这层水薄膜的厚度大致是1／100毫米。火星大气中也飘浮着云，云主要由水和二氧化碳组成。 火星大气非常稀薄，气压只有7个毫左右，大体相当于地球高空30～40公里处的大气压。在这样的环境中，水在0摄氏度就会沸腾，变为蒸汽逃逸掉。火星赤道附近的最高温度可以达到20摄氏度左右，那里有可能短时间内存在液态的水。火星表面的水主要集中在两极地区，那里常年的温度都在0摄氏度以下，极夜最低温度可以下降到零下139摄氏度，不用说水早已结成冰，就连二氧化碳也会凝结而成为干冰。两极极冠在极大时，可以一直扩展到纬度60度左右的地区，说明它们含有一定量的水，把这水平均铺在火星表面上的话，水层可有10米厚。 无疑水也会储存在火星表面以下各层中。在纬度高于45度的地区，表面以下的地层终年都是非常寒冷的，会形成冰层，类似于地球两极地区的永冻层。1973年，美国科学家发现，在赤道附近的“太阳湖”地区，日落后气温下降得比周围地区慢，夜间气温则显得略高。数年后，“海盗号”探测器发现这片地区上空大气中的水蒸汽含量，也比别的地方要多。有人认为，这片区域的地下可能存在着一个有着一定温度的液态水水库。 与地球拥有的水相比，火星上的水量是微不足道的，但火星上毕竟有水，这是最主要的。 据估计，在火星的全部历史中，蒸发和逃逸了的水如果全部重新回到火星上来的话，火星表面将被笼罩在一圈50～100米厚的水层中。可是，火星现在所拥有的全部水却不多，那么，或者是大量的水都散逸掉了，或者是火星上从来就没有过那么多的水。 说火星上曾经有过大量的水有什么根据呢？ 科学家们认为，在地球发展的早期历史阶段，曾经有过频繁的火山喷发，而地球火山喷发出来的最丰富的气体是水和二氧化碳，地球上的水就是这样从内层深处释放出来和积累起来的。经过几十亿年的发展和演化，地球从内部向外这样释放水的过程早已结束。正因为如此，现在的火山喷发活动中，已经很难找到这种释放水了。 其他行星包括火星在内，它们的火山喷发情况大概也是这样，火星上的大量水想必也是从自己内部，通过其面上星罗棋布的火山而来到表面的。火星表面充满着火山频繁活动的证据，这是现在已经充分肯定了的，这些火山在已往的岁月里为火星大气提供了大量的水和其他挥发性物质，这是无可怀疑的。 1971年发射成功的“水手9号”火星探测器，所看到火星表面景象是一片荒凉，毫无生气。它没有探测到表面上有液态水，但却发现了许多蜿蜒的河床。这些河床与所谓的火星“运河”完全是两回事，也与地球上和月球上的熔岩河床不同。有充分的证据可证明，在火星历史的早期，频繁的火山活动等因素使得火星表面比较温暖的时候，液态水曾经在这些河床里流动，掀起阵阵波浪。也有人认为，那时火星绕轴自转的情况跟现在不一样，自转轴要比现在倾斜得多。这样，南北两极冠就有更多的机会融化成水，并蒸发成水蒸汽，水蒸汽后来又凝结成雨落在赤道地区，形成河流。至于极冠融化而产生的二氧化碳气体，则进入了大气。 从分布情况来看，河床也并不像假想的“运河”那样散布在整个火星面上，主要的大河床是在常年温度最高的赤道地区发现的。最大的河床长达1500公里，宽60公里甚至上百公里。大河床与众多分支流结合在一起，形成脉络分明、自然流畅的水道系统，而那些分支流几乎无例外地朝着大河床的下流方向流去。 有的大河床看来是由水的冲刷作用形成的。在火山活动而喷发出数量可观的水和二氧化碳等的同时，如果相应地区的地热把地下冰融化了，就会形成一股或者多股有相当威力的水流。在它们的冲刷下，火星表面会很自然地形成大小河床。 河床的形成原因可能有多种多样，但是，河床里流动着大量的水，基本都一样。我们要问，经过几十亿年的演变，现在火星面上竟然是涓涓小溪未见一股，潺潺水声未闻一声，它的浩森大水、万顷碧波究竟到哪里去了呢？ 前面曾提到过，火星大气、极冠和地下都保存着部分水。但是，尤其是大气和极冠，所保存的水量是极其有限的。 在火星表面火山活动减少之后的那段时期里，火山喷发出来的气体减少，并在太阳光的作用下逐渐分解。其中比较轻的元素就会成批地脱离火星大气，逃逸到空间去；而那些比较重的元素，则与有关成分结合。火星大气变得越来越稀薄、干燥、寒冷，留在地面上的水也就很快变成水蒸汽逃逸掉。这可能是火星水的一种去向。 其余没有逃到空间去而剩下来的那部分水，有的可能藏在火星表面长而深的裂痕中。火星大部分地区都散布着不少环形山，不论环形山的形成是由于火山喷发还是陨星袭击，都会在火星表面一定的深度范围内，造成若干空隙和裂痕，由此产生像地道网那样的多孔表层。真是这样的话，这无异是个地下大水库。 在赤道及其附近地区，由于温度有时较高，水冰有可能变成液态水，以河流、湖等形式存在于好几公里深的地下。在含盐量较多的地区，或者在有足够量放射性元素的地区，也可能出现这种情况。 由于长期的风吹日晒等作用，火星表面和组成火星壳层的各种岩石，都会受到破坏而发生所谓的风化作用，呈现出颗粒状结构，风化层的厚度达到1公里并不罕见。风化层是储水的好地方，而且在所有的纬度上都可以发现这样的风化层，都储存大量的水。 我们地球的大气中含有一种叫“氩”的化学元素，这是一种稀有的气体元素，在大气中的含量极少，不到 1％。氩几乎全都是从地球内部来的，据认为，它跟二氧化碳和水的释放量有一定的关系。现在知道，从地球内部释放出来的二氧化碳和水，分别是氩的2000倍和40000倍。1973年8月发射，半年之后到达火星区域的前苏联“火星6号”探测器，在进入火星大气层时，测得大气中氩的含量高达30％，如果所得到的数据是准确无误的话，那么从火星内部释放出来的二氧化碳和水蒸汽的数量，必定是非常之大。即使是有相当数量的水在过去的漫长岁月里散失到空间去了，火星的风化层中和表面下的地层中，有可能目前仍含着比一般估计的数量多得多的水。 |
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