□ 左文文

不可不知的地球知識

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地球是太陽系內的一顆普通又很特殊的行星。它的特殊性在于，地球適宜的質量、到太陽的適當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：它得具有足夠質量來維持自己近乎球體的形狀，可憐的小行星就因為太小導致形狀無法達標而與大行星無緣；

條件三：它得是自己區(qū)域內質量最大的天體，如此才能讓軌道兩側附近的其他天體臣服于它的強大引力，俯身甘為它的衛(wèi)星。可憐的冥王星就是因為自己不夠強大，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

太陽系內的行星是如何形成的？

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

原恒星和原恒星盤形成：

約50億年前，引力使得一團既有氣體又有塵埃的原始星云發(fā)生塌縮，如圖1a。因為自身的轉動帶來的離心作用，星云慢慢變扁，未來的恒星從中央的大團物質演化形成；塵埃物質落在赤道平面上，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的引力及其塵埃物質之間的相互作用，原恒星盤形成一個個軌道。接著，塵埃物質慢慢聚集、碰撞和粘合，形成大小約1～10千米的星子，如圖1c。星子的演化會慢慢清空軌道周圍的物質，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。（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。（時間小于1千萬年）

大行星系統(tǒng)的形成：

長達上億年的多體引力相互作用和長期的動力學演化，終于有了今天的太陽系家族中的八大行星，如圖1f。

當然上述過程中，還有不少物理細節(jié)不太清楚，仍處于研究中。

地球內部構造

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

地殼里最多的物質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。

圖2 地球內部構造示意圖，圖片來源：wikipedia。

板塊學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景。巖石圈構成了地球的表層，包括地殼和部分上層地幔。根據(jù)板塊構造說這一地質學理論，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運動速度大小。

圖3 海底擴張示意圖。圖形來源：http://course.cug.edu.cn/21cn/地球科學概論（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。地幔中存在地幔對流，如圖3顯示，海洋板塊的洋中脊就對應于地幔對流上涌的位置，地幔的流動會向兩邊推動板塊，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；當海洋板塊運動至大陸邊緣時，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沉降并下插進入地幔中。如此便實現(xiàn)了海洋板塊與地幔物質的循環(huán)。而大陸板塊地殼整體密度較小，浮在地幔之上，結構穩(wěn)定，基本不參與和地球深部的物質循環(huán)。

除此之外，海洋板塊物質下插至大陸板塊下部，會擠壓大陸板塊，導致山脈隆起。殊不知，如果將示意圖中的海洋性板塊假設成印度洋板塊中的小版塊——印度板塊，再將最右側的大陸性板塊假設成歐亞大陸板塊，那它就簡單再現(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。

地幔對流背后的原因

要知道，實際上核幔對流得很慢，速度大約是每年2厘米，因此我們很難覺察到地幔對流。地幔對流的觀點最早是費希爾（O. Fisher）1881年提出的。1939年，英國地質學家霍姆斯（A. Holmes）闡釋了地幔對流的物理機制。

根據(jù)目前普遍認為的觀點，造成地幔物質流動的原因來自于地球內部蘊含能量的釋放。釋放的熱能引起的地幔物質體積增大、密度減小，從而上??；上層物質冷卻，密度增加，從而下降，形成熱幔對流。熱量的來源為地球內部放射性物質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流。當海洋板塊與大陸板塊相撞時，海洋板塊物質下插至大陸板塊下部，除了會帶來大陸板塊的擠壓上升，還會使得地幔物質摩擦產(chǎn)熱，最終使地幔物質噴出，形成火山。

圖4顯示了火山活動（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，對應的即是火山活動區(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。這使得地幔物質得以從地表噴涌出來，形成了板塊內的火山。板塊的運動讓火山如雨后春筍般，形成了板塊內部的火山鏈，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，也存在一些板塊內的火山活動。

地球磁場

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

作為帶給我們能量和光明的太陽，它會發(fā)出強大的太陽風（即帶電粒子流），產(chǎn)生巨大的壓力。如果沒有地磁場提供的保護層——地球磁層為我們抵擋住太陽風，我們的地球大氣將會被侵蝕，地球也將不再是適合我們生存的家園。太陽風的影響，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。

天文學家和地學家喜歡用類似于圖7之類的地球磁場分布圖來分析地球磁場的空間分布情況。紅黃色區(qū)域指的是方向朝內進去的磁力線（磁場南極）的強度，藍色區(qū)域是方向朝外出去的磁力線（磁場北極）的強度?？梢钥吹奖卑肭蛑饕菍诖艌瞿蠘O的紅黃色區(qū)域，但局部地區(qū)也存在對應于磁場方向相反的藍色部分；而南半球主要是對應于磁場北極的藍色區(qū)域，但局部地區(qū)也存在對應于磁場方向相反的黃色部分。這說明地球磁場并不是一個完全理想化的偶極磁場。

地球磁場的方向會發(fā)生變化嗎？

大量事實和證據(jù)表明，地球磁場方向曾經(jīng)互換過，也叫地磁極性倒轉。對此現(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 地球磁場方向的翻轉示意圖。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方向改變的信息。天文愛好者們也許不知道，科學家們就是通過地質考察，發(fā)現(xiàn)了多次地球磁場方向倒轉的現(xiàn)象。圖9中，各種顏色條紋展示了不同時刻由熱的地幔物質往上涌出地表之后，隨著溫度降至500攝氏度以下時，冷卻凝固所記錄下的表征當時磁場方向的信息。其中紅黃色條紋表示的是與現(xiàn)在磁場同向的磁場信息；白色條紋表示反向的磁場信息。從a圖到c圖，可以看到隨著時間的推移，記錄磁場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)在有著相同磁場方向對應的時刻，白色豎紋表示了與現(xiàn)在有著相反磁場方向所對應的時刻。對應的橫坐標數(shù)字指的是距今多少百萬年。像鋼琴黑白鍵的這些豎紋，告訴我們一個地球磁場方向每隔幾十萬年就改變一次的故事。

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

目前科學家們基于磁流體動力學的數(shù)值模擬可以重現(xiàn)出地球磁場倒轉的現(xiàn)象，但由于地球磁場非常復雜，現(xiàn)在的模型還不能精確預測地球磁場倒轉的時間。

為什么地球磁場的方向會發(fā)生改變呢？

地球磁場方向發(fā)生改變應該是天體中旋轉磁流體動力學的固有現(xiàn)象，比如太陽磁場方向每隔11年就會發(fā)生一次倒轉。至于這種倒轉發(fā)生的頻率以及磁場的強度、磁場的形態(tài)與天體的自轉速度、物性、動力學參數(shù)等因素的關系，目前正在深入研究中。

地球磁場的產(chǎn)生

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

圖10 地球發(fā)電機（地球磁場產(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。地磁場就是一個能生動詮釋它們的大型實驗。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？目前普遍認為，最初的磁場是宇宙中的磁場。接著，磁生電的主角是地球外核中的液態(tài)物體——導電鐵流體。導電鐵流體在地球外核中產(chǎn)生對流（圖10中橙線所示）；導電流體在宇宙初始磁場中的運動產(chǎn)生電流；該電流會激發(fā)產(chǎn)生新的磁場（圖中藍線示意的是磁場的磁力線）；電流和新產(chǎn)生的磁場形成的洛倫茲力（電磁力）又會反過來影響著導電流體的運動（專業(yè)上稱之為，運動與產(chǎn)生的場之間的耦合），從而形成一個可拋開初始磁場、能夠自維持的“地球發(fā)電機”。這個觀點最早是1919年由英國科學家拉莫爾（Joseph Larmor）提出，已獲得廣泛的認可，但是由于地球磁場在形態(tài)和演化上很復雜，而且地球內部的物理參數(shù)非常極端，要精確重構地球磁場的產(chǎn)生和演化，還需要更多深入的細致研究。

因為地球的自轉，地球外核中導電流體的運動情況（圖10中橙線所示），看起來就像一個個圍繞內核分布的線圈。線圈中心軸的方向與地球自轉軸平行。也正因為自轉，我們可以看到較規(guī)則的偶極磁場?？梢韵胂笙?，如果地球沒有自轉，將會在地表出現(xiàn)多個南北極，在地球上的各個緯度將有可能看到極光現(xiàn)象。不過，還有一種可能，地磁場無法形成。

（本文基于上海天文臺李力剛老師的科普報告及后續(xù)采訪完成）

（責任編輯 張長喜）