地球：从内部结构到外部环境的全面解析

地球：从内部结构到外部环境的全面解析

地球是人类赖以生存的唯一家园，它不仅是一个物理实体，更是一个复杂的自然系统。从内部结构到外部环境，从形成演化到未来命运，地球的每一个方面都充满了科学的魅力。本文将带你深入了解地球的方方面面，探索这个蓝色星球的奥秘。

基本信息

地球是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序排第三，距离太阳约 1.5 亿公里，其公转轨道呈椭圆形，公转周期约 365.24 天，自转周期约 23 小时 56 分钟 4 秒。地球呈椭球体形状，平均直径是 12,742 千米，赤道处凸出，赤道处直径比两极的直径长 43 千米。质量约为 5.972×10²⁴千克，是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星。

内部结构

地球内部由地核、地幔、地壳三层结构组成：

• 地壳：是地球的表面层，也是地球上绝大多数有机生命生存和从事各种生产活动的场所，由多组断裂的、很多大小不等的块体组成，其外部呈现出高低起伏的形态，因而地壳的厚度并不均匀，大陆下的地壳平均厚度约 35 公里，海洋下的地壳厚度仅约 5-10 公里，整个地壳的平均厚度约 17 公里。

• 地幔：位于地壳之下，厚度约 2900 千米，主要由致密的造岩物质构成，又可分成上地幔和下地幔两层，一般认为上地幔顶部存在一个软流层，可能是岩浆的发源地，下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。

• 地核：是地球的最内层，平均厚度约 3400 千米，还可分为外地核、过渡层和内陆核三层，外地核厚度约 2080 公里，物质大致成液态，可流动；过渡层的厚度约 140 公里；内陆核是一个半径为 1250 公里的球心，物质大概是固态的，主要由铁、镍等金属元素构成。

外部圈层

• 大气层：地球具有含有氢、氧成分的大气层，可产生压力吸收大部分流星体和来自太阳的紫外线辐射，并且可通过温室效应使生命和液态水存在于地球表面，其自下而上可分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。

• 水圈：是地球表面和接近地球表面的各种形态的水的总称，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、地下水等，其中海洋是地球上最大的水体，覆盖了地球表面约 70.8% 的面积。

• 生物圈：是地球上所有生物及其生存环境的总称，包括大气圈的下层、水圈和岩石圈的上部，是地球上最大的生态系统，生物圈内的生物与环境相互作用，共同构成了地球上丰富多彩的生态系统。

形成与演化

• 形成：太阳系大约在 45.6±0.08 亿年前形成，原生地球大约形成于 45.4±0.04 亿年前，是由早期太阳系中的气体和尘埃通过引力坍缩、吸积等过程逐渐形成的。

• 地质演变：太古宙时期地球表面开始冷却凝固，形成岩石与大陆板；35 亿年前，地球磁场形成；元古代至少有四次冰川作用；古生代陆地被分成大量相对较小的大陆，末期形成盘古大陆；中生代恐龙繁盛；新生代哺乳动物多样化发展，人类出现。

地理特征

• 地形地貌：地球地形因地壳不规则复杂多变，地壳由缓慢移动的构造板块组成，它们相互作用产生山脉、火山和地震，地形以山地、高原、沙漠、平原、海沟、海底峡谷与火山等为主。

• 气候类型：地球的气候有湿润热带、干旱、湿润中纬度、大陆性和冷极地五大类型，降水主要是通过表面蒸发产生的水蒸气经过大气中的循环模式输送，然后返回海洋或湖泊，形成水循环，维持地球生命活动。

生命与人类

• 生命起源与进化：大约 40 亿年前，化学反应产生了第一个自我复制的分子，5 亿年后，所有当前生命的最后一个共同祖先出现，之后生命不断演化，从原核生物到真核生物，从单细胞生物到多细胞生物，经历了多次生物灭绝和演化事件。

• 人类文明：几百万年前，一种非洲猿类获得了直立的能力，促进了工具的使用并增强了交流，为大脑提供了所需的营养和刺激，从而导致人类的进化，人类逐渐发展出农业和文明，对地球以及其他生命形式的性质和数量造成了深远的影响。

地球的未来

根据模型预测，大约 50 亿年后太阳将膨胀约一个天文单位，将失去大约 30% 的质量，地球的最终命运取决于会发生什么，在 10¹⁵年的时间尺度上，太阳系中剩余的行星将因与其他天体的碰撞而被摧毁或被抛出太阳系。

地球内部的温度变化

• 总体趋势：地球内部的温度总体上是随着深度的增加而升高的。从地壳到地幔再到地核，温度不断上升，地心的温度不低于 2000℃，但也不超过 10000℃。

• 不同圈层温度变化：地壳部分，由于受太阳辐射和地表热交换的影响，温度变化较大，一般每千米增温约 25℃。地幔中，在 700 千米深处温度接近于熔点，2900 千米处的地幔地核分界面温度约为 3700℃。地核部分，外核温度高于物质的熔点处于流体状态，内核温度一般认为超过地幔温度 400-500℃，5100 千米处的内、外地核分界面温度约为 4300℃。

• 热量来源与变化：地球内部的热量来源主要包括地球形成初期小行星撞击等产生的热量以及地球内部放射性物质裂变产生的能量。在过去的漫长时间里，地球内部温度在逐步上升，但地球也存在如 “硅酸盐风化” 等 “稳定反馈” 机制来调节温度，使其在一定地质时间尺度上保持相对稳定。

地球的磁场是如何产生的

地球的磁场主要是由地球内部的液态外核运动产生的：

• 液态外核的环流：地球内部的熔融外核是由铁和镍等金属组成的液态物质，具有高导电性和高热导性。地球自转和热对流会使熔融外核产生旋转，形成环流。

• 电流系统的形成：环流中的电子在熔融外核中移动形成巨大的电流系统。

• 磁场的产生：这个电流系统产生的磁场穿透地球的表面并形成了地球的磁场。同时，地球自转产生的自转磁场与地球内部涡流产生的磁场叠加，形成了地球的总磁场。

地球的大气层是如何形成的

地球大气层的形成与地球的演化过程密切相关，大致经过以下三个阶段：

• 地球形成阶段：大约在 45 亿年前，宇宙星云中的物质在引力的作用下聚集成地球，其外面包围着一层原始大气，主要成分是氢气、氦气，并含有氮气、水蒸气和二氧化碳等。随着地球逐渐冷却凝固，表面形成了地壳，被吸附或包藏在地球内部的一些液体和气体则通过火山活动的形式逸出地球表面，形成了以甲烷、氢气为主要成分，水蒸气、氮气、氨等为次要成分的还原性大气。

• 大气圈由还原性气氛变为氧化性气氛阶段：随着大气中的水蒸气持续凝结入海洋，二氧化碳与地壳矿物反应，当氢气分压降到很低时，还原性气体化合物如甲烷、氨开始氧化成二氧化碳、氮气，惰性大的氮气积聚起来。同时，单细胞生物开始出现并进行光合作用产生氧气，但所产生的氧气继续被地面岩石或水中沉积物俘获，大气的成分由还原性转化为氧化性。

• 生命形成阶段：这一阶段与平流层中臭氧层的形成密切相关，臭氧可以吸收大量的短波太阳辐射而分解，或与原子氧作用，形成氧气，在平流层高度形成臭氧分子浓度相对较高的臭氧层，使得地球表面生物分子能够稳定存在，逐渐形成了如今大气层的面貌。

地球磁场对人类生活和技术系统的影响

• 对日常生活的影响：地球磁场的存在使得地球上的生命免受大量高能宇宙射线的直接轰击，为生物的生存和繁衍提供了相对稳定的环境。如果地球磁场突然消失或大幅减弱，人体免疫系统可能会受到影响，患癌症等疾病的风险可能增加，还可能会对生物的生理节律产生干扰，影响睡眠和其他生理活动。

• 对技术系统的影响：

• 通信领域：地球磁场的波动可能会干扰无线电信号的传播，导致卫星通信、手机信号、电视信号等出现中断或干扰，影响人们的信息交流和娱乐生活。在磁暴期间，通信卫星可能会受到高能粒子的轰击，造成卫星故障或信号衰减，从而影响全球通信网络的正常运行。

• 电力系统：强地磁暴可能会在电网中感应出强大的电流，导致变压器、输电线路等电力设备过载、短路甚至损坏，引发大规模停电事故，给人们的生活和生产带来极大的不便，甚至可能危及医院、交通枢纽等重要场所的正常运转。

• 导航系统：全球定位系统（GPS）等卫星导航技术依赖地球磁场来确定精确位置，地磁暴的扰动可能导致定位误差增大，使飞机偏离航线、船只迷失方向、地面交通出现混乱等，对交通运输安全构成严重威胁。

• 航空航天活动：地球磁场的变化会增加宇航员在太空中遭受辐射的风险，对航空航天设备也可能造成损害，如卫星的电子元件被高能粒子轰击而失效等，影响航空航天活动的安全和顺利进行。

地球的大气层如何保护地球上的生命

• 阻挡宇宙射线和小天体撞击：大气层可以部分吸收和阻挡宇宙射线，减少宇宙射线对地球和生物的伤害。当小天体如陨石、宇宙碎片等进入地球大气层时，会与大气分子发生剧烈摩擦和碰撞，使其在大气层高层燃烧和破碎，从而减少其对地表的撞击，降低了对生命的威胁。如果没有大气层的保护，地球表面将频繁遭受小天体的撞击，生命将难以生存和发展。

• 吸收和散射太阳辐射：地球大气层中的臭氧层能够吸收太阳紫外线辐射，保护生物免受紫外线的伤害。此外，大气层还可以吸收和散射太阳的可见光和短波辐射，减少这些辐射直接照射到地表，防止地表温度过高，使地球的气候稳定在适宜生命生存的范围内。如果没有大气层的吸收和散射作用，太阳辐射将直接照射到地球表面，导致地表温度过高，生物无法生存。

• 保持适宜的温度：大气层在地球表面和外层太空之间形成了类似温室效应的现象，它可以阻止地球上的热量过快地散失，使地球表面的温度保持在适宜生物生存和繁衍的范围内，为生命的存在提供了稳定的热环境。如果没有大气层的保温作用，地球表面的昼夜温差将极大，不利于生命的生存。

• 提供呼吸氧气：地球的大气层中含有约 21% 的氧气，使得地球上的生物可以进行呼吸作用，为生物的生命活动提供了必要的物质基础。氧气是生物体内进行新陈代谢、能量转换等生理过程所必需的，大气层的存在使得地球成为了一个适宜生命生存的行星。

地球内部的压力是如何随深度变化的

地球内部的压力随深度的增加而增大，其变化规律大致如下：

• 地壳部分：在陆地上，地壳平均厚度约 33 千米，海洋地壳较薄，平均厚度约 6 千米。一般来说，地壳深度每增加 1 千米，压力增加 27.5 兆帕左右。在莫霍面附近，即地壳与地幔的分界面处，压力约为 1200 兆帕。

• 地幔部分：地幔厚度将近 2900 千米，随着深度的增加，压力迅速增大。在 2900 千米深处，即古登堡面附近，压力可达约 135,200 兆帕。下地幔的压力比上地幔更大，且由于深度的增加和岩石密度的进一步加大，压力增加得更快。

• 地核部分：地核中心的压力可达到 361,700 兆帕左右，相当于 360 万个大气压力。外地核是液态的，其压力在 2900 千米深处开始就已经很大，随着向地心深入，压力持续增加；内陆核虽然是固态，但处于极高的压力环境下，其压力也极为巨大。

地球的大气层组成

地球大气层的主要成分是氮气和氧气，除此之外还有氩气、二氧化碳、氖气、氦气、甲烷、氪气、氢气、氙气、臭氧以及水汽、尘埃等。按照体积分数分类，具体如下：

• 主要气体成分：氮气约占 78%、氧气约占 21%、氩气约占 0.93%、二氧化碳约占 0.03%、氖气约占 0.0018%。

• 其他气体成分：氦气约占 0.00052%、甲烷约占 0.0002%、氪气约占 0.0001%、氢气约占 0.00005%、氙气约占 0.000008%、臭氧约占 0.000001%，还有其他成分约占 0.001421%。

• 水汽和尘埃等：水汽在大气中的含量变化很大，平均约占 0.25%，尘埃、烟粒、盐粒、水滴、冰晶、花粉、孢子、细菌等固体和液体的气溶胶粒子也悬浮在大气中。

地球内部压力对地震等地质活动的影响

• 改变岩石的物理性质：地球内部压力随深度增加而增大，高压环境会使岩石的密度、硬度和强度等物理性质发生改变。在深部高温高压的地幔和地核区域，岩石处于塑性或熔融状态，具有一定的流动性。这种流动性的差异会导致岩石在不同深度和区域的变形和运动方式不同，当受到外力作用时，更容易发生破裂和滑动，从而引发地震等地质活动。

• 影响板块运动：地幔中的热对流是驱动板块构造运动的主要力量之一，而地球内部的压力分布不均会影响热对流的形式和强度。在板块的俯冲带，如太平洋板块向欧亚板块俯冲的区域，由于板块的碰撞和挤压，压力急剧增大，会使岩石发生变形和断裂，同时也会引发强烈的地震活动。此外，地核的膨胀和收缩也可能通过地幔影响到地壳板块的移动，进而引发地震。

• 引发火山活动：地球内部的高压环境使得岩浆在上升过程中需要克服巨大的阻力。当压力积累到一定程度，岩浆可能会寻找地壳中的薄弱地带喷发而出，形成火山。火山活动过程中，岩浆的上升和喷发会对周围的岩石产生巨大的压力，导致岩石断裂并引发地震，这类地震通常发生在火山喷发前后或喷发过程中。

地球磁场的强度随时间的变化

地球磁场的强度是会随着时间发生变化的，主要表现在以下两个方面：

• 长期变化：在过去几十亿年里，地球磁场强度经常会发生大幅度变化，其中下降幅度最大的现象就是 “地磁倒转”。在大约 38 亿年前，地球就已经拥有全球性的磁场，而在接下来的时间里，“地磁倒转” 事件已经发生了数百次，其中距今最近的一次，发生于大约 78 万年前，被称为 “松山 - 布容倒转”。在 “地磁倒转” 过程中，地球的磁场强度先是会不断下降，当降到一定程度时，磁场强度又会逐渐增强，在 “地磁倒转” 完成之后，磁场强度最终会恢复到正常水平。

• 短期变化：近 180 年以来，地球的磁场强度在整体上一直处于一种下降的趋势，与 180 年前相比，全球磁场强度已下降了 9% 左右，并且仍在持续下降，且在地球不同区域的减弱程度也不同，其中 “南大西洋异常区” 的磁场强度下降最为显著，甚至还表现出了磁场分裂的迹象。但科学家认为，这可能只是一种在过去反复出现的现象，并不意味着即将发生 “地磁倒转”，预计在大约 300 年之后，这种趋势就会停止，而 “南大西洋异常区” 也会消失。

本文原文来自360doc.com