1.3 地球像鸡蛋？

地球和月亮可以说是“先结婚、后恋爱”。因为一次偶然的机会它们相遇（撞）了，相撞的结果构成了地月系，也就是组成了一个家庭。但是地球也好、月亮也好，都要在今后的日子里经历考验。

1.3.1 地球经历了“月球灾难”

看到这个题目，你可不要理解为“嫁给”地球的月亮对地球发脾气、使小性子啦。之所以称之为“月球灾难”，是因为这一事件首先是从月亮开始的。看看下面（见图1.11）这张月球的“身份照”，你能察觉出月亮的正面和背面有什么样的差异吗？当然，首先要提醒你，由于地球的引力使得月亮的自转周期等于她的公转周期。也就是说她的自转、公转的周期都是29.5天，或者说——月亮很害羞，总是将她的正面给地球。

同样是月球表面，为什么有这样大的差异呢？我们知道，月亮上的那些“麻子坑”实际上多是陨石坑，而据考察，它们大多数都是在距今38亿～41亿年期间产生的，是小行星（星子）撞击的结果。也就是说，在地月系刚刚形成时，月亮就遭遇了一场天文学家称之为“后期重轰炸”的密集的小行星撞击。事件发生在距今38亿～41亿年之间，这是美国人的“阿波罗计划”采集的陨石样品的放射性同位素测定得出的结论。这一事件只损伤了月球吗？实际上，包括地球在内的所有类地行星都遭遇了这场空前规模的“大轰炸”，而地球上的“证据”早就被海洋和大气所抹杀了，近似真空环境的月球则保留下了这些陨石坑。

“大轰炸”发生的原因是类木行星在那一时间段还没有形成，不能产生足够的引力吸引住众多的星子。这些距离太阳比较远的类木行星，由于组成它们的物质较轻（密度较小）、受太阳的引力相对较小，所以它们的形成要晚于类地行星。而在类地行星和类木行星之间的“小行星带”，由于太阳引力、本身质量和木星牵引的关系，不能聚合形成大行星。而大行星，尤其是天王星、海王星形成时，对太阳系引力的结构产生了一定的影响，使得一些接近它们（主要是木星）的小行星被“踢走”，许多是被踢向了太阳，去“轰炸”火星、地球、金星、水星这些早期形成的类地行星了，当然也包括月亮。

那么，这次“大轰炸”与我们早期地球的形成有什么关系吗？我们要说关系很大！前面提到，月亮的出现使得地球的物质发生了“重组”，尤其是使得地球的自转速度明显变慢了，这就使得地球表面的温度下降，据推测应该是从之前的1000K降低到了400K左右。这样，最初的地壳就得以形成。但是此时被地壳包裹起来的地球物质，分布还是很不均匀的，没有目前所具有的很明显的“圈层”结构。而“大轰炸”不仅为地球带来了进一步物质重组所需要的能量，还把地球表面炸出了一个个直通地球内部的坑（洞），促进了圈层地球的构建。

有人做过测算，“大轰炸”应该持续了10亿年左右，从月球陨石坑形成的频率来看，“大轰炸”在刚刚形成的地球表面可以形成：

直径超过20km的撞击坑≥22000个；

直径约1000km的撞击盆地≥240个；

直径约5000km的撞击盆地≤10个。

一般假设地球在约38亿年前是处于熔融态的。全球所有已知的最古老的岩石都可以追溯至此年代，未能发现更早期的岩石，仿佛这个年代就是一个“分水岭”。利用不同方法测得的岩石的“年龄”大致上都只能追溯到这个年代，包括最为准确及受干扰最少的锆石铀铅测年法。所以，我们估计“大轰炸”应该是给地球表面做了一次彻底的“整容”，在38亿年以前形成的岩石都被重新熔化了，当然在现在的地球表面就找不到它了。

1.3.2 火山爆发造就了均衡的地球

火山爆发（见图1.12）我们理解为是地球发脾气了，火山爆发造成的灾难有目共睹。可是，很少有人知道，最早期的火山爆发造就了均衡的地球圈层结构；接下来的火山爆发产生了最早的地球大气层；再接下来的火山爆发为地球生命的起源带来了能量和适宜的环境。甚至有的理论认为生命是在火山喷发的岩浆中产生的。

我们知道，火山爆发会把地幔，甚至地心的热量带到地球表面。而最初形成的地球是急需这些热量的。第一，太阳刚刚形成时，她的发光能力要比现在低了大约30%，而地壳（表）是需要足够的热量来维持它的动态的，否则就会像土卫五一样是一个冰冻的星球；第二，持续、顺畅的热量交换，使得刚刚形成的地球不仅仅是能保持地壳（表）不会太冷，还能够通过热能的输出使得地心不至于过热，这样容易保持地球形态和运动的稳定性；第三，热能的传输是自下而上的，而由于早期地球表面很薄、很不稳定，也会有物质随着热流再返回到地下甚至地心，这样就形成了一个热流的循环过程，同时也是一个地球物质流的循环过程。循环的结果就是使地球的物质分布变得越来越均匀，力学结构也变得越来越合理，使地球从其结构和运动的角度来说越来越稳定，最终形成了目前这种稳定的圈层地球。

那么，这么多的热量是从哪里来的呢？刚刚说了，是从地心而来。那地心的热量又是从哪里来的呢？一般认为来源于地球本体的有两个，一个是球体地球形成时，引力势能的收缩转化为热能；另一个我们前面提到过，太阳属于第二代恒星，包含了足够多的重元素，其中就有许多的放射性同位素，它们的质量很大，在地球形成时被沉降到了地心周围，而它们放射性衰变所释放的热能就是地心热量的第二个来源。

小行星频繁的撞击使动能转化为热能，也为早期的地球带来一定的热量。当然，最重要的热量来源依然是太阳。

1.3.3 地心（核）地幔 地壳

地球包括地心（核）、地幔、地壳。地球的结构（见图1.13）真的就像一个鸡蛋吗？

《地心漫游》是伟大的科普作家凡尔纳的经典作品，它是作家的幻想和猜测。实际上，对于神秘的、距离我们可以说是比天外的恒星要近得多的地心，我们对它的了解和认识要比恒星还少。大概也只能是靠幻想和猜测了，因为遥远的恒星还会带给我们它发出的电磁波，而研究地球内部的结构，目前最多的办法就是依靠地震波。

1．地心（核）

由地球的总体密度来推测，地核的密度应该很大。我们知道地球的平均密度大约是5.5g/cm3，而我们能测量、接触到的地壳的密度也就是3.8g/cm3左右，这样来说，地核的密度要很大才是。

据推测，地核可分为内核和外核，其物质组成以铁、镍为主。内核是由在极高压力（最少350万atm（1atm=101325Pa））下结晶的固态铁镍合金组成，温度很高（约为6000℃），密度为10.5～15.5g/cm3。外核可能由液态铁组成，其密度为9～11g/cm3。

地核的存在为地球的运转持续地提供着热能，而输送热能所携带的电子流正是产生地球磁场的重要原因。

2．地幔

地幔和地核之间的分界靠的是对地震波的测速，而且我们通过这种方法也把厚度才不到2900km的地幔分成了下地幔和上地幔两个部分。它们之间的分界线位于地下1000km左右。大部分“深源地震”的震源就是位于这样的深度上，而“浅源地震”的震源多是在70～100km深处，基本上是上地幔和地壳的交界处。

岩浆是地幔的主要组成，由火山爆发时喷出的岩浆冷却后就变成了岩石，比如火成岩等。岩浆的形态在接近地壳时是一种类似流体的熔融态，所以在给地球分层时，也会有一个“软流圈”存在，而大部分的岩浆物质呈现出一种可塑性很强的固态。

整个地幔的温度都很高，范围在1000～3000℃之间，相对温度更高的则是接近地壳的“软流圈”的部分，因为除去地心，这里被认为聚集了更多的放射性物质。整个地幔的压强约为50万～150万atm。在这样大的压力下物质的熔点会升高，所以地幔物质呈现为可塑性固态或者是熔融态。地幔物质的密度为3.4～4.7g/cm3，一直到9.0g/cm3之间，基本上是梯次变化的，体现了圈层地球物质分布的均衡性。

3．地壳

相对地心、地幔来说，对地壳我们可以说是很熟悉了。如果说地心的构成和形态我们需要依靠理论推测，地幔的情况我们主要依赖于地震波，那么对地壳的研究方法就丰富得多了。也可以这样比喻，了解地心的信息我们基本上是靠传说；知道地幔的情况我们可以通过其他人或媒介的介绍；而认识地壳的知识我们就可以亲身考察，或者说就像是去了解一个经常走动的邻居的情况一样，能做到比较切实可行。

地壳就是地球表面，是地球的一个固体外壳，平均厚度约为17km。依据厚度和组成成分的差异，我们把地壳分为大陆地壳和海洋地壳两大类。前者的平均厚度约33km，高原地区可达60km以上；后者的平均厚度不到10km。

构成地壳的物质就是岩石了，它们主要有花岗岩、玄武岩、沉积岩3种。花岗岩的密度较小，玄武岩的密度较大，而沉积岩的密度依赖于组成它的沉积物。较重的玄武岩构成了海洋地壳的主要部分，由于它们主要由硅－镁氧化物构成，也称为硅镁层。较轻的花岗岩叠加在玄武岩之上，构成了大陆地壳的主要部分，由于它们主要由硅－铝氧化物构成，也称为硅铝层。沉积岩一般附着在花岗岩之上，不过海洋地壳几乎很少有这样的分布，基本上都是沉积岩直接附着在玄武岩之上，而且厚度比大陆地壳要大。

地壳的温度一般随深度的增加而逐步升高，平均深度每增加1km，温度就升高30℃。

1.3.4 水圈 大气圈 生物圈

一般我们把地球分为七个圈层：地心内核、地心外核、地幔、地壳、生物圈、水圈和大气圈，而只有生物圈、水圈和大气圈三者之间是连续分布而无明显分界的。

1．大气圈

如果我们把地壳看成是地球的固体的外衣（壳），那么大气圈就像是给地球披上的一层薄薄的婚纱（见图1.14（左）），只是它被披在了“新郎”而不是“新娘”的身上（月球没有大气层）。

我们这里只是从圈层地球结构的角度来介绍大气层，至于地球大气层的来历、演变、组成、作用我们将在下一章中详细介绍。

大气层（见图1.14（右））的厚度一般认为是500～800km，如果考虑到逃逸的大气成分也可以说这个数据会延伸到6400km。不过，大气质量的80%聚集在离地面12km左右的范围内，所以一般意义上的大气层也就是指存在于这个范围的对流层。

对流层之上延伸到约55km的高度是平流层，那里的大气相对稀薄，气流以“平流”运动为主。由于有比较稳定的大气环境，所以飞机多在平流层飞行。

55～85km段被称为中间层，它基本上是一个大气层的过渡带。在这里大气的密度和温度都是随高度而逐渐降低的。

从85km到约800km称为热层。这一层的温度随高度增加而迅速增加，层内温度很高，昼夜变化很大，热层下部尚有少量的水分存在，因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云，在卫星拍摄的地球大气层照片中清晰可见（见彩图2.1和彩图2.2）。

热层以上的大气层称为散逸层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生了电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。散逸层的空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球引力场进入太空。散逸层是地球大气的最外层，对于该层的上界在哪里还没有一致的看法。实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。散逸层的温度随高度增加而略有增加。

2．水圈

说到水圈，你一定会想到浩瀚的大海，那样的深、那样的一望无际；你可能也会说，“七大洲四大洋”，地球表面虽说海洋占了71%，但是还有陆地呀？

你的理解有误，我们说的是水圈（见图1.15），是在讨论地球的圈层结构，并不是在讨论海洋。在前面我们说大气圈时估计你就不会产生误解，因为地球的外表有着一层明显连续的气体圈层存在。而对于地球上的水，海水是很多，它占了地球总水量的97%，但它毕竟不是全部，还有河流、湖泊、沼泽，还有地下水，还有以各种不同形态存在的水。水，可以说是无孔不入，连续地覆盖着地球表面，构成了宇宙中可能是独一无二的水圈。

水圈中的水大部分是以液态的形式存在的。水的总体积约为13.86亿km3。其中，淡水占了2.53%，咸水占了97.47%。咸水主要存在于海洋中，淡水则主要存在于冰川、冰盖和永久性积雪中，如果它们全部融化的话，海平面将升高70m。如果我们能把地球“抹平”成为一个表面平坦的球体，那它将被2718m深的水所覆盖，那时的水圈是不是就明显啦？

洋流、河流、大气流是水圈中水分交换最活跃的水体（见图1.16），可以说它们主宰了地球的气候、气象和环境，也是地球演化的重要的影响因素。

3．生物圈

生物作为地球的一个圈层应该是最晚形成的。也许有人会问，地球上所有的地方都存在生物吗？它们能够构成一个完整的圈层吗？20世纪80年代，海底扩张理论处于争论的高峰期，研究者为了探测海底扩张的情况，对科学家称之为“海底黑烟囱”（见图1.17）的海底热源进行了有组织的探测。在研究采集回来的样本时，采样器中充满了管状蠕虫类生物，甚至还有蛤、蚌类等众多的动物。你要知道，在水深超过4000m的洋底，阳光不可能达到，氧气极其稀少，也就是说，它们不可能是通过光合作用来生存的，它们的能量来源主要是甲烷和硫化氢！这让科学家，也让整个世界大吃一惊，它不仅仅说明地球上生物无处不在，更重要的是，它为生命起源的研究开辟了新的思路。

生物圈是一个地球上所有生态系统的整体，是地球的一个完整圈层，其范围大约为海平面上下垂直10km。生物圈不仅仅包含各种生命体本身，它还是结合所有生物以及它们之间的关系的全球性的生态系统，包括生物与岩石圈、水圈和空气的相互作用。生物圈是一个封闭且能自我调控的系统。地球是整个宇宙中唯一已知的有生物生存的地方。一般认为，生物圈是从35亿年前生命起源后演化而来的。