不可不知的地球知识

□ 左文文

不可不知的地球知识

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地球是太阳系内的一颗普通又很特殊的行星。它的特殊性在于，地球适宜的质量、到太阳的适当距离并因而具有的表面温度，以及地球上氧气与水的存在等因素构成了生物生存和人类宜居的环境。

成为大行星须满足的条件

在太阳系家族中，除了太阳，八颗行星也是重要的成员，通常被大家称为“大行星”。要想成为大行星，必须满足几大要求。

条件一：它得沿着环绕太阳的轨道运行，也就是，这些大行星都有自己的椭圆轨道；

条件二：它得具有足够质量来维持自己近乎球体的形状，可怜的小行星就因为太小导致形状无法达标而与大行星无缘；

条件三：它得是自己区域内质量最大的天体，如此才能让轨道两侧附近的其他天体臣服于它的强大引力，俯身甘为它的卫星。可怜的冥王星就是因为自己不够强大，未能清空其轨道附近的近邻天体，才落得被逐出大行星的队伍。

图1 “行星星子假说”模型示意图。图片来源：http://www.phys.boun.edu.tr/～semiz/universe/ near/18ext/planet_formation.gif

太阳系内的行星是如何形成的？

多年来，不少天文学家一直活跃在这个研究领域——行星的形成。关于这个问题，目前提出了不少模型。其中一个得到多数认可的模型被称为 “星子假说”或“盘吸积”模型。它的主要观点是：看不见摸不着的引力，是行星形成的关键因素。该模型认为，太阳系中大行星的形成大致分为如下几个阶段。

原恒星和原恒星盘形成：

约50亿年前，引力使得一团既有气体又有尘埃的原始星云发生塌缩，如图1a。因为自身的转动带来的离心作用，星云慢慢变扁，未来的恒星从中央的大团物质演化形成；尘埃物质落在赤道平面上，形成被称为“原恒星盘”的尘埃盘，如图1b。（约持续10万～100万年）

星子形成：

借着恒星和尘埃物质的引力及其尘埃物质之间的相互作用，原恒星盘形成一个个轨道。接着，尘埃物质慢慢聚集、碰撞和粘合，形成大小约1～10千米的星子，如图1c。星子的演化会慢慢清空轨道周围的物质，轨道慢慢稳定，如图1d。（约持续100～10000年）

行星胚胎诞生：

星子碰撞并和，形成类地行星胚胎和类木行星核，大小约1000千米量级。（约持续10～100万年以上）

类木行星形成，原恒星盘消失：

类木行星核与盘之间相互作用，最终，类木行星形成，原恒星盘消失，如图1e。（时间小于1千万年）

大行星系统的形成：

长达上亿年的多体引力相互作用和长期的动力学演化，终于有了今天的太阳系家族中的八大行星，如图1f。

当然上述过程中，还有不少物理细节不太清楚，仍处于研究中。

地球内部构造

地球内部分为地壳、地幔和地核，它们各自又分为多层。值得一提的是地核，地核分成内核和外核。内核比外核更热，可是为什么内核的物质是固态而外核的物质却是液态的呢？这是因为还有一个决定物质形态的因素——压力。内核物质比外核物质所受压力更大，高压将内核物质“压”成了固态。另外，地核物质是否含硫等轻元素，也是其是否为固态或液态的一个重要因素。

地壳里最多的物质是类似于二氧化硅和三氧化二铝之类的氧化物。氧是占据地幔最多的元素。地核主要由铁镍元素组成（铁约占80%），还包含其它少量物质。

图2 地球内部构造示意图，图片来源：wikipedia。

板块学说与喜马拉雅山的产生

看似平静的地表之下是另外一番热闹的场景。岩石圈构成了地球的表层，包括地壳和部分上层地幔。根据板块构造说这一地质学理论，地球的岩石圈是由许多板块拼合而成。根据板块的成分，分类成海洋板块和大陆板块。1968年，法国科学家勒皮雄（Xavier Le Pichon）广泛收集资料，将全球划分成六大板块：太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块。板块边界的划分，取决于相邻板块之间的相对运动速度大小。

图3 海底扩张示意图。图形来源：http://course.cug.edu.cn/21cn/地球科学概论（北大）/IMAGE9/convection.jpg

地壳和地幔并非是固定不变，而是不断发展变化的。地幔中存在地幔对流，如图3显示，海洋板块的洋中脊就对应于地幔对流上涌的位置，地幔的流动会向两边推动板块，炽热的地幔流体从板块破裂之处喷涌出来，冷却后形成新的海洋板块；当海洋板块运动至大陆边缘时，由于海洋板块（密度是3.0～3.3g/cm3）比大陆板块（密度是2.7～3.0 g/cm3）密度更大，使得这些海洋板块会沉降并下插进入地幔中。如此便实现了海洋板块与地幔物质的循环。而大陆板块地壳整体密度较小，浮在地幔之上，结构稳定，基本不参与和地球深部的物质循环。

除此之外，海洋板块物质下插至大陆板块下部，会挤压大陆板块，导致山脉隆起。殊不知，如果将示意图中的海洋性板块假设成印度洋板块中的小版块——印度板块，再将最右侧的大陆性板块假设成欧亚大陆板块，那它就简单再现了喜马拉雅山和青藏高原的形成。同样，如果将它们各自假设成太平洋板块和美洲大陆板块，彼此的相遇创造出安第斯山脉和洛基山。

地幔对流背后的原因

要知道，实际上核幔对流得很慢，速度大约是每年2厘米，因此我们很难觉察到地幔对流。地幔对流的观点最早是费希尔（O. Fisher）1881年提出的。1939年，英国地质学家霍姆斯（A. Holmes）阐释了地幔对流的物理机制。

根据目前普遍认为的观点，造成地幔物质流动的原因来自于地球内部蕴含能量的释放。释放的热能引起的地幔物质体积增大、密度减小，从而上浮；上层物质冷却，密度增加，从而下降，形成热幔对流。热量的来源为地球内部放射性物质的衰变及重力能的释放等。

图4 全球板块分布图，图片来源：http://www.dakepu.org/popular_science/0_6 beba1b62e124a3aa1fa8549a9273690.html

火山的产生

火山的产生同样源于地幔的对流。当海洋板块与大陆板块相撞时，海洋板块物质下插至大陆板块下部，除了会带来大陆板块的挤压上升，还会使得地幔物质摩擦产热，最终使地幔物质喷出，形成火山。

图4显示了火山活动（红色）与地震区域（黄色）。可以看到太平洋板块的西边有一片红色区域，对应的即是火山活动区域。火山区域大部分集中于板块边缘。大部分地震区域也位于板块或亚板块（板块内部的小版块）的边缘。

所有的火山都发生在板块之间吗？

除了有大范围的地幔对流，还有小尺度的地幔热柱（mantle plume）。地幔热柱比较稳定。情景应该是这样的：一根起源于核幔边界（地核和地幔的边界）的热流柱慢慢向上流至地表，由于流柱的温度较高，“烧通”了地表。这使得地幔物质得以从地表喷涌出来，形成了板块内的火山。板块的运动让火山如雨后春笋般，形成了板块内部的火山链，如夏威夷火山链。因此，并非所有的火山都发生在板块之间，也存在一些板块内的火山活动。

地球磁场

地磁场类似于一个偶极场，就像一条磁铁或者由通着电流的导电螺旋线圈产生的磁场。地磁场有南、北极，地磁场的南极位于地球地理的北极附近，而地磁场北极位于地理南极附近。地磁场的南极会吸引平常所使用指南针的指北极，人们便将磁场的南极称为磁北极，而将磁场的北极称为磁南极。这种称呼已成大家默认的惯例，未曾改变。如果在磁场南极与北极之间连一根线，这根线与地球的自转轴并非完全重合，而是存在约11.3度的夹角。磁场强度大概是0.25～0.65高斯，要知道，我们常用的冰箱磁贴的强度约100高斯。

作为带给我们能量和光明的太阳，它会发出强大的太阳风（即带电粒子流），产生巨大的压力。如果没有地磁场提供的保护层——地球磁层为我们抵挡住太阳风，我们的地球大气将会被侵蚀，地球也将不再是适合我们生存的家园。太阳风的影响，使得面向太阳的地球磁层受到挤压，而背向太阳的地球磁层往外延伸出，就像彗星的尾巴。

天文学家和地学家喜欢用类似于图7之类的地球磁场分布图来分析地球磁场的空间分布情况。红黄色区域指的是方向朝内进去的磁力线（磁场南极）的强度，蓝色区域是方向朝外出去的磁力线（磁场北极）的强度。可以看到北半球主要是对应于磁场南极的红黄色区域，但局部地区也存在对应于磁场方向相反的蓝色部分；而南半球主要是对应于磁场北极的蓝色区域，但局部地区也存在对应于磁场方向相反的黄色部分。这说明地球磁场并不是一个完全理想化的偶极磁场。

地球磁场的方向会发生变化吗？

大量事实和证据表明，地球磁场方向曾经互换过，也叫地磁极性倒转。对此现象，示意图8很好地说明了这种现象。

图5 地球附近地磁场示意图。图片来源：http://iwbag.com/wp-content/uploads/2014/07/earths-magnetic-field.jpg

图6 地球磁层示意图, 太阳风从左往右吹。图片来源：http://a0.att.hudong.com/37/99/01300000246938132321990445924.gif

图7 核幔边界处的地球径向磁场的分布图。图片来源：http://www.gfz-potsdam.de/en/section/earths-magnetic-field/topics/ sources-of-the-earths-magnetic-field/core-field/

图8 地球磁场方向的翻转示意图。图片来源：h t t p://thewestsidestory.net/wp-content/uploads/2014/10/earth-magneticfield-might-flip.png

在洋中脊两边的大洋板块，就记录着能揭示地球磁场方向改变的信息。天文爱好者们也许不知道，科学家们就是通过地质考察，发现了多次地球磁场方向倒转的现象。图9中，各种颜色条纹展示了不同时刻由热的地幔物质往上涌出地表之后，随着温度降至500摄氏度以下时，冷却凝固所记录下的表征当时磁场方向的信息。其中红黄色条纹表示的是与现在磁场同向的磁场信息；白色条纹表示反向的磁场信息。从a图到c图，可以看到随着时间的推移，记录磁场方向的条纹越来越多。图9下方子图的黑色竖纹表示的是与现在有着相同磁场方向对应的时刻，白色竖纹表示了与现在有着相反磁场方向所对应的时刻。对应的横坐标数字指的是距今多少百万年。像钢琴黑白键的这些竖纹，告诉我们一个地球磁场方向每隔几十万年就改变一次的故事。

图9 上图是由海底扩张记录的磁极倒转示意图。下图是磁极倒转的年代记录。图片来源：wikipedia。

目前科学家们基于磁流体动力学的数值模拟可以重现出地球磁场倒转的现象，但由于地球磁场非常复杂，现在的模型还不能精确预测地球磁场倒转的时间。

为什么地球磁场的方向会发生改变呢？

地球磁场方向发生改变应该是天体中旋转磁流体动力学的固有现象，比如太阳磁场方向每隔11年就会发生一次倒转。至于这种倒转发生的频率以及磁场的强度、磁场的形态与天体的自转速度、物性、动力学参数等因素的关系，目前正在深入研究中。

地球磁场的产生

还记得前面我们已经了解到的关于地球地核的知识吧？地球地核可以分为内核和外核，内核和外核分别是由固态和液态的物质组成，主要物质是铁镍。

图10 地球发电机（地球磁场产生原理）示意图。图片来源：http://all-geo.org/ highlyallochthonous/wp-content/uploads/2010/07/dynamo.jpg

磁能生电，电能生磁。地磁场就是一个能生动诠释它们的大型实验。要能生磁，首先必须得有电。要有电，必须得有磁。那最初的磁来自于哪里？目前普遍认为，最初的磁场是宇宙中的磁场。接着，磁生电的主角是地球外核中的液态物体——导电铁流体。导电铁流体在地球外核中产生对流（图10中橙线所示）；导电流体在宇宙初始磁场中的运动产生电流；该电流会激发产生新的磁场（图中蓝线示意的是磁场的磁力线）；电流和新产生的磁场形成的洛伦兹力（电磁力）又会反过来影响着导电流体的运动（专业上称之为，运动与产生的场之间的耦合），从而形成一个可抛开初始磁场、能够自维持的“地球发电机”。这个观点最早是1919年由英国科学家拉莫尔（Joseph Larmor）提出，已获得广泛的认可，但是由于地球磁场在形态和演化上很复杂，而且地球内部的物理参数非常极端，要精确重构地球磁场的产生和演化，还需要更多深入的细致研究。

因为地球的自转，地球外核中导电流体的运动情况（图10中橙线所示），看起来就像一个个围绕内核分布的线圈。线圈中心轴的方向与地球自转轴平行。也正因为自转，我们可以看到较规则的偶极磁场。可以想象下，如果地球没有自转，将会在地表出现多个南北极，在地球上的各个纬度将有可能看到极光现象。不过，还有一种可能，地磁场无法形成。

（本文基于上海天文台李力刚老师的科普报告及后续采访完成）

（责任编辑 张长喜）