地球是什么樣子的？有多大？有多重？

趣說(shuō)地質(zhì)學(xué)--認(rèn)識(shí)我們的地球

作者：王清晨/中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（已退休）

好奇心和求知欲是人類的本性，也是科學(xué)進(jìn)步的源動(dòng)力。

大詩(shī)人屈原身居楚國(guó)地，心在天地間，在兩千多年前就發(fā)出《天問(wèn)》，“圜則九重，孰營(yíng)度之？”“東西南北，其修孰多？”

他很好奇：天是圓的，有九層，怎么去度量呢？

地是方的，東西南北有多長(zhǎng)呢？

廬山很美，也很大。宋代大詩(shī)人蘇東坡和驢友們一起在山里轉(zhuǎn)，走到任何地方，都會(huì)看到不同的美景，“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”。驢友們問(wèn)他，廬山到底是什么樣子？

蘇東坡不知道，但他留下了一句貌似很有哲理的名言，“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中。”

“身在此山中”就不能認(rèn)識(shí)“廬山真面目”嗎？

詩(shī)人們不能，但科學(xué)家們能！

我們生活在地球上，地球是什么樣子的？有多大？有多重？

古今科學(xué)家們想了什么辦法去認(rèn)識(shí)地球的“真面目”？

01地球的形狀

屈原的《天問(wèn)》反映了我們中國(guó)古老的天地觀，叫“蓋天說(shuō)”，可能起源于殷末周初，認(rèn)為“天圓如張蓋，地方如棋局”。

據(jù)說(shuō)，孔子的學(xué)生曾子（公元前505～前435年）對(duì)此有疑問(wèn)，說(shuō)“如誠(chéng)天圓而地方，則是四角之不揜也”。

“揜”的意思是遮蔽，用圓形的天去蓋方形的地，會(huì)露出四個(gè)角吧？

于是，“蓋天說(shuō)”被改良了。

公元前1世紀(jì)成書(shū)的《周髀算經(jīng)》提出，天是穹狀的，地也是穹狀的，兩者都是同心圓狀的半球，天和地間相距8萬(wàn)里。

落下閎和他發(fā)明的渾天儀（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

當(dāng)然，也出現(xiàn)了革命性的觀點(diǎn)，認(rèn)為天和地是球形的。

漢武帝時(shí)的落下閎（公元前156～前87年）發(fā)明了球形的“渾天儀”，用來(lái)觀測(cè)天象。

東漢的天文學(xué)家張衡（78年～139年）是“渾天說(shuō)”的代表人物。

《張衡渾儀注》中說(shuō)得很明確：“渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)，天大而地小。”

張衡認(rèn)為，天是一個(gè)大圓球，地被天包在其中，就像雞蛋黃被包在雞蛋里一樣。張衡還對(duì)落下閎的渾天儀進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)明了“漏水轉(zhuǎn)渾天儀”。

張衡和他改進(jìn)的渾天儀（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

希臘人開(kāi)啟了西方哲學(xué)。他們的哲學(xué)開(kāi)始時(shí)主要是關(guān)注自然界，尋求自然現(xiàn)象的規(guī)律，因此，他們同時(shí)也開(kāi)啟了自然科學(xué)。

公元前5世紀(jì)前后，希臘人中涌現(xiàn)出一大批哲學(xué)家和科學(xué)家。

西方第一個(gè)自然哲學(xué)家泰勒斯（生卒年不詳）曾準(zhǔn)確預(yù)言了公元前584年的日食。

泰勒斯的學(xué)生阿那克西曼德（Anaximander，約公元前610～前546年）提出，大地是圓柱形的，大地的表面呈曲線形，天空是一個(gè)完整的球體。

畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras，公元前580～前500或490年）是提出圓球形地球概念的第一人。

不過(guò)，他沒(méi)有任何事實(shí)依據(jù)，僅僅是因?yàn)樗J(rèn)為圓球在所有幾何形體中最完美。

亞里士多德（Aristotle，公元前384～前322年）是用科學(xué)證據(jù)表明地球是球形的第一人。

他的證據(jù)是，月食時(shí)，月面出現(xiàn)的地影是圓形的。

月食（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

18世紀(jì)末，英國(guó)大科學(xué)家牛頓提出，地球由于繞軸自轉(zhuǎn)，因而不可能是正球體，應(yīng)該是一個(gè)兩極略扁、赤道微隆的橢球體。

1735～1744年，法國(guó)巴黎科學(xué)院派出兩個(gè)測(cè)量隊(duì)，分別到北歐和南美進(jìn)行弧度測(cè)量。

測(cè)量結(jié)果證實(shí)，地球確實(shí)是個(gè)橢球體。

沒(méi)有水的地球地球的衛(wèi)星照片

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

20世紀(jì)，發(fā)達(dá)的科學(xué)手段為地球測(cè)量提供了多種途徑。

最新的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，地球的平均赤道半徑為6378.38公里，極半徑為6356.89公里，二者相差了21.49公里。

測(cè)量還發(fā)現(xiàn)，和地球的參考橢球面相比，北極地區(qū)高出約19米，南極地區(qū)低下去24～30米。

可以夸張地說(shuō)，地球形狀像個(gè)大鴨梨，赤道部分鼓起是“梨身”，北極凸起像“梨蒂”，南極凹進(jìn)像“梨臍”。

不過(guò)，和地球6千多公里的半徑比起來(lái)，南北極的幾十米高差太小了，完全可以忽略不計(jì)。

倒是應(yīng)該感謝地球的水圈，給地球穿上了一身漂亮的藍(lán)色外衣，遮住了她凹凸不平的形體。

02地球的周長(zhǎng)

既然地球是圓形的，那么，周長(zhǎng)是多少？

感謝希臘人，他們不僅開(kāi)啟了哲學(xué)和自然科學(xué)，而且創(chuàng)造了把握自然規(guī)律的數(shù)學(xué)。

剛才提到的泰勒斯曾為演繹幾何學(xué)作出開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，畢達(dá)哥拉斯則提出了數(shù)學(xué)哲學(xué)觀，主張“數(shù)即萬(wàn)物”，把事物所具有的量看成事物的本質(zhì)和原因。希臘人成功地把天文學(xué)、地理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域數(shù)學(xué)化。

古希臘愛(ài)奧尼亞學(xué)者攸多克索（Eudoxe，公元前395～前342年）和亞里士多德是同代人，贊同地球是圓球的觀點(diǎn)。

他進(jìn)一步指出，如果地球是圓的，那么應(yīng)該能測(cè)出地球的周長(zhǎng)。

于是，他想出了一種***，根據(jù)同一子午線上兩個(gè)地點(diǎn)的緯度差來(lái)估算地球的周長(zhǎng)。

南天上有一顆很亮的星叫“老人星”，在我國(guó)長(zhǎng)江以南的地區(qū)才有機(jī)會(huì)見(jiàn)到。

我們中國(guó)人認(rèn)為這是一顆吉星，號(hào)稱“南極仙翁”。

在攸多克索出生的克利德，老人星緊貼著地平線，但在埃及，它高懸在天空。

于是，攸多克索就根據(jù)克利德和埃及觀測(cè)到的老人星的高度差，計(jì)算出了兩地的緯度差，再測(cè)算了兩地的實(shí)際距離，推算出地球圓周長(zhǎng)為40萬(wàn)古希臘里。

按照埃及的長(zhǎng)度單位，1希臘里等于157.5米，換算出的地球周長(zhǎng)是6.3萬(wàn)公里。

這個(gè)數(shù)值和地球子午線的實(shí)際周長(zhǎng)4.0008萬(wàn)公里相比，差得有點(diǎn)多。

但攸多克索提出的這種估算***很有價(jià)值，啟發(fā)了后人做出更精確的測(cè)算。

古希臘的埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前275～前193年）被西方地理學(xué)家推崇為“地理學(xué)之父”。

他寫了本書(shū)，叫《地球大小的修正》，其中的精華部分就是關(guān)于地球圓周的計(jì)算。

埃拉托色尼設(shè)想，可以在夏至那天在同一子午線上的兩地同時(shí)觀察太陽(yáng)的位置，測(cè)量?jī)傻靥?yáng)陰影的長(zhǎng)度差，就能計(jì)算出地球的周長(zhǎng)。

埃拉托色尼的測(cè)量***

在西恩納（Syene，今天的阿斯旺）附近，尼羅河的一個(gè)河心島上有一口深井，夏至那天太陽(yáng)光可直射井底，表明太陽(yáng)在夏至那天正好位于天頂。

這一現(xiàn)象聞名已久，吸引著許多旅行家去觀賞奇景。

埃拉托色尼居住的亞歷山大里亞有一個(gè)很高的方尖塔，等到夏至那天，他測(cè)量了塔的陰影長(zhǎng)度，并測(cè)出方尖塔與太陽(yáng)光射線之間的角度為7°12′。

根據(jù)泰勒斯的幾何學(xué)定律，一條射線穿過(guò)兩條平行線時(shí)，它們的對(duì)頂角相等，同位角也相等。

這就是說(shuō)，兩地與地心連線的夾角也是7°12′，相當(dāng)于圓周角360°的1/50。

這一角度對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，也就是從西恩納到亞歷山大里亞的距離，應(yīng)相當(dāng)于地球周長(zhǎng)的1/50。

OK啦！

埃拉托色尼翻閱了皇家測(cè)量員的測(cè)地資料，知道這兩地的距離是5000希臘里。

乘以50，地球周長(zhǎng)是25萬(wàn)希臘里，按1希臘里等于157.5米，折合39375公里。

和地球子午線的實(shí)際周長(zhǎng)4.0008萬(wàn)公里相比，這一結(jié)果的誤差只有1.6%，很靠譜！

我國(guó)唐代有個(gè)僧人，法號(hào)一行（683年～727年），是著名的天文學(xué)家。

開(kāi)元九年（公元721年），唐玄宗命僧一行主持修編新歷。

于是，僧一行從開(kāi)元十二年（公元724年）起，啟動(dòng)了全國(guó)范圍內(nèi)的大規(guī)模天文大地測(cè)量工作。

僧一行選擇了13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，北到北緯51度左右的鐵勒回紇部（今蒙古烏蘭巴托西南），南到北緯18度左右的林邑（今越南的中部）。

他派人實(shí)地觀測(cè)，自己則在長(zhǎng)安坐鎮(zhèn)，統(tǒng)籌指揮。

其中，負(fù)責(zé)在河南進(jìn)行觀測(cè)的南宮說(shuō)等人所測(cè)得的數(shù)據(jù)最有科學(xué)意義。

他們管轄的4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在黃河兩岸平原地區(qū)，由北向南設(shè)在今天的河南滑縣、開(kāi)封西北、河南扶溝和河南上蔡，都介于東經(jīng)114.2度—114.5度之間，差不多在同一子午線上。

四地分別測(cè)量了當(dāng)?shù)氐谋睒O星高度，冬至、夏至和春分、秋分四天正午時(shí)日影的長(zhǎng)度。

四地間的距離是已知的。

僧一行把所有這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，最終得出結(jié)論，北極星高度差一度，南北兩地相距351.27里。

這個(gè)“里”是唐代的長(zhǎng)度單位，折合現(xiàn)在的公里是129.2公里。

和今天測(cè)知的1度長(zhǎng)111.1公里相比，僧一行的測(cè)量誤差是16%。

不過(guò)，這畢竟是世界上第一次用科學(xué)***進(jìn)行的子午線實(shí)測(cè)，中國(guó)科技史專家李約瑟對(duì)此進(jìn)行了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為僧一行組織的子午線長(zhǎng)度測(cè)量是“科學(xué)史上劃時(shí)代的創(chuàng)舉”。

我國(guó)發(fā)行的僧一行紀(jì)念郵票

烏茲別克斯坦發(fā)行的花剌子模紀(jì)念郵票

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

阿爾·花剌子模（約780～850年）。出生于波斯帝國(guó)的花剌子模，是代數(shù)和算術(shù)的創(chuàng)立人，被譽(yù)為“代數(shù)之父”。

他寫的《花剌子模算術(shù)》和《代數(shù)學(xué)》兩部著作綜合了古巴比倫、希臘和印度的數(shù)學(xué)成果，成為今天全人類的共同財(cái)富。

0、1、2、3、…這些印度數(shù)字就是通過(guò)花剌子模的著作傳播到西方的，結(jié)果被誤稱為***數(shù)字。

據(jù)說(shuō)花剌子模在公元814年參與了在幼發(fā)拉底河平原進(jìn)行的一次大地測(cè)量，他們給出的結(jié)果是，地球的周長(zhǎng)是6.4萬(wàn)公里。

花剌子模編寫了一部《地球形狀》，其中附有一張世界地圖，記載了數(shù)百個(gè)地點(diǎn)的地名和經(jīng)緯度。

現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)大大提高了地球周長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)1980年公布的數(shù)據(jù)，地球子午線周長(zhǎng)為40008.08km，赤道周長(zhǎng)為40075.7km。

03地球的重量

歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)后，自然科學(xué)飛速發(fā)展，同時(shí)也面臨著不少要回答的科學(xué)難題。

其中，最著名的一個(gè)就是“稱出地球的質(zhì)量”。當(dāng)時(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算已經(jīng)知道：地球的表面積是5.1×108平方公里，地球的體積約為1.08×1014立方公里。

人們都非常想知道：地球的質(zhì)量是多少呢？

問(wèn)題似乎不難，只要知道地球的密度就可行了，質(zhì)量=體積×密度。

然而，地球各組成部分的密度并不相同，差別很大。另外，地球中心的密度根本沒(méi)辦法知道。

所以有人斷言，“人類永遠(yuǎn)不會(huì)知道地球的質(zhì)量!”

首先向這句話發(fā)起挑戰(zhàn)的是大科學(xué)家艾薩克·牛頓（IsaacNewton，1643～1727年）。

1687年，他提出了萬(wàn)有引力定律：“任何兩個(gè)物體都是互相吸引的，引力大小與這兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與它們中心距離的平方成反比。”

牛頓的萬(wàn)有引力定律

理論上講，可以預(yù)先設(shè)定一個(gè)物體的質(zhì)量m1，并預(yù)設(shè)這個(gè)物體和地球的距離r，如果能測(cè)出地球和這個(gè)物體間的引力F1=F2，地球的質(zhì)量就可以根據(jù)萬(wàn)有引力定律的公式計(jì)算出來(lái)了。

然而，在公式中還含有一個(gè)比例系數(shù)G，被稱為“引力常數(shù)”。

如果確定不了引力常數(shù)G，這一計(jì)算是沒(méi)有辦法完成的。

顯然，要“稱出地球的質(zhì)量”，關(guān)鍵是先要確定引力常數(shù)G。

那么，怎樣去確定這個(gè)引力常數(shù)G呢？

至少有兩個(gè)辦法，一個(gè)辦法是預(yù)設(shè)兩個(gè)物體的質(zhì)量（m1、m2）和距離r，再直接測(cè)定這兩個(gè)物體間的引力F1=F2，就能確定引力常數(shù)G。

另一個(gè)辦法是“鉛垂線偏向法”，測(cè)定大山附近鉛垂線在引力作用下的偏轉(zhuǎn)角度，也就是說(shuō)，確定r的變化，這樣也能確定引力常數(shù)G。

牛頓采用第一個(gè)***，精心設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，可惜都失敗了。

他經(jīng)過(guò)粗略的推算發(fā)現(xiàn)，一般物體之間的引力太微小了，根本測(cè)不出來(lái)。

牛頓沒(méi)有去嘗試“鉛垂線偏向法”。他去世以后，不斷有人去嘗試這一***。

例如，1750年，法國(guó)科學(xué)家布格爾到厄瓜多爾的琴玻拉錯(cuò)山進(jìn)行測(cè)量；

1774年，英國(guó)科學(xué)家馬斯基林在柏斯郡的一座陡峭懸崖上進(jìn)行測(cè)量。

但由于山風(fēng)和各種振動(dòng)的影響都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)山體和鉛球之間的微小引力，他們的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有取得任何有意義的數(shù)據(jù)。

英國(guó)科學(xué)家米歇爾（JohnMichell，1724～1793年）對(duì)天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、光學(xué)和重力研究都十分熱衷。為了測(cè)定物體間的引力，他在晚年時(shí)設(shè)計(jì)了一臺(tái)扭稱。

然而，沒(méi)等開(kāi)始實(shí)測(cè)，他就去世了。去世前，他把這臺(tái)扭稱送給了好朋友亨利·卡文迪許（HenryCavendish，1731～1810年）。

他知道，卡文迪許也在想辦法測(cè)量引力。

米歇爾設(shè)計(jì)的扭稱示意圖卡文迪許改進(jìn)的扭稱示意圖

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

卡文迪許在古老城堡里進(jìn)行觀測(cè)（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

英國(guó)科學(xué)家卡文迪許熱衷于化學(xué)和物理學(xué)研究，做了很多著名的實(shí)驗(yàn)，如制取氫氣、燃燒氫氣得到水等。

他從米歇爾那里得到扭稱后，進(jìn)行了改造，增加了一個(gè)反光鏡，可以測(cè)到扭稱的微小轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了避免環(huán)境干擾，卡文迪許把扭稱安裝在一個(gè)古老城堡里，并從屋外進(jìn)行觀測(cè)。

經(jīng)過(guò)幾年的觀測(cè)和計(jì)算，1798年，卡文迪許公布了他測(cè)定的引力常數(shù)值，G=6.67×10?11N·m2/kg2，然后他計(jì)算出了地球的質(zhì)量是

5.96×1024kg，約為60萬(wàn)億億噸。

這一數(shù)值非常接近現(xiàn)代的測(cè)量值：5.965×1024kg。

卡文迪許被譽(yù)為“第一個(gè)稱地球的人”。他還進(jìn)一步計(jì)算出地球的平均密度是5.448g/cm3。

04地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

德國(guó)物理學(xué)家維歇特（EmilJ.Wiechert，1861～1926年）在讀研究生期間就對(duì)物理學(xué)、地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)十分感興趣。

當(dāng)他知道卡文迪許測(cè)出地球的密度是5.448g/cm3以后，忽然想到，地球內(nèi)部是不是有密度更大的物質(zhì)呀？

他這樣想是因?yàn)椋谒磉吥芤?jiàn)到的巖石密度都不大，例如，花崗巖的密度是2.7g/cm3，玄武巖的密度是2.9g/cm3，橄欖巖的密度是3.3g/cm3。

他猜想，地球內(nèi)部一定有密度在8g/cm3左右的物質(zhì)，只有這樣，地球的平均密度才能到5.5g/cm3。

有一次，維歇特去參觀博物館，見(jiàn)到一塊鐵隕石，密度為8g/cm3。

這啟發(fā)他想到地球內(nèi)部應(yīng)該有一個(gè)鐵質(zhì)地核。于是，他提出，地球具有雙層結(jié)構(gòu)，并按照這個(gè)雙層模型進(jìn)行了計(jì)算。

他的計(jì)算結(jié)果表明，地球有一個(gè)密度為3.2g/cm3的地幔和一個(gè)密度為8.21g/cm3的地核，地核的半徑是地球半徑的0.779倍，地幔和地核的邊界在地下1408km處。

1897年，維歇特發(fā)表了自己的想法和計(jì)算結(jié)果。維歇特的假說(shuō)得到了后來(lái)地震觀測(cè)資料的修正。

維歇特的雙層地球模型

說(shuō)到地震觀測(cè)，必須要再提一下我國(guó)東漢時(shí)期的張衡。他不僅提出了“渾天說(shuō)”，改良了渾天儀，而且還在公元132年發(fā)明了監(jiān)測(cè)地震的“候風(fēng)地動(dòng)儀”。

這是世界上最早的地震儀。

近代地震儀19世紀(jì)中后期才出現(xiàn)，原理和張衡的地動(dòng)儀基本相似，也是利用一件懸掛重物的慣性去記錄地震，但時(shí)間卻晚了1700年。

候風(fēng)地動(dòng)儀的模型

維歇特地震儀，20世紀(jì)初德國(guó)生產(chǎn)3套

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

第一臺(tái)近代地震儀由意大利科學(xué)家盧伊吉·帕爾米里于1855年發(fā)明，第一臺(tái)精確的地震儀由英國(guó)地理學(xué)家約翰·米爾恩于1880年在日本發(fā)明。

這些儀器記錄下來(lái)的地震是一條具有不同起伏幅度的曲線，標(biāo)志著地震的強(qiáng)烈程度，稱為地震譜，又稱地震圖。

1897年，英國(guó)地質(zhì)學(xué)家?jiàn)W爾德姆（RichardD.Oldham，1858～1936年）首先在地震圖上識(shí)別出了P波、S波和面波，拉開(kāi)了用地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的帷幕。

P波是壓縮波，又稱縱波，傳播速度快，可以穿過(guò)固體和液體。

S波是剪切波，又稱橫波，傳播速度比P波慢，只能穿過(guò)固體，不能穿過(guò)液體。

地震波在地下傳播穿行時(shí)的這一特性幫助科學(xué)家們認(rèn)識(shí)了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

左圖是地震儀的工作原理，地面震動(dòng)后帶重錘的指針靠慣性劃出地震譜線；右圖是記錄下來(lái)的地震圖

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

1906年，奧爾德姆發(fā)現(xiàn)，地震波穿行到一定深處后速度開(kāi)始降低。

他提出，這表明地球內(nèi)部存在一個(gè)液態(tài)地核，地核的半徑約為地球半徑的0.4倍。

奧爾德姆的觀點(diǎn)和維歇特的模型不太一樣。在維歇特的模型中，地核的半徑是地球半徑的0.779倍。

1909年，克羅地亞地球物理學(xué)家莫霍洛維奇（A.Mohorovicic，1857～1936年）觀測(cè)到，在地下30～60公里深處存在一個(gè)地震波速度突增的界面，P波速度從6～7km/s躍增到8km/s以上，他把這個(gè)界面作為地殼和地幔的界面。

后人以Mohorovicic的名字命名這個(gè)界面，稱為“莫霍（Moho）面”。

P波穿越莫霍面（Mohorovicicdiscontinuity）的波速變化

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

德國(guó)地球物理學(xué)家古登堡（BenoGutenberg，1889～1960年）是維歇特的學(xué)生。

1914年，他針對(duì)奧爾德姆和維歇特提出的兩個(gè)模型進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)在2900公里深處存在一個(gè)地震波速的間斷面，P波由13.6km/s突然降低到7.98km/s，而S波在界面下突然消失。

這些資料表明，地核的確是液態(tài)的，2900km深處的這個(gè)界面就是地幔和地核的邊界，地核的半徑是地球半徑的0.545倍。

后人把這個(gè)界面稱為“古登堡面”。

他們的觀測(cè)建立了地球的三層結(jié)構(gòu)模型。

地球的三層結(jié)構(gòu)模型

左圖示意P波穿越液態(tài)地核后產(chǎn)生折射，形成一個(gè)影子區(qū)；

右圖示意S波不能穿越液態(tài)地核。

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

地球的四層結(jié)構(gòu)模型

左圖示意P波影子區(qū)中新發(fā)現(xiàn)的P波震相，反映了地核內(nèi)部存在的波速間斷面；

右圖示意地球的四層結(jié)構(gòu)。

（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

1936年，丹麥地震學(xué)家萊曼（IngeLehman，1883～1993年）發(fā)現(xiàn)，在被認(rèn)為是液態(tài)地核中存在著一個(gè)前人沒(méi)有注意到的地震波速間斷面。

這一間斷面造成了P波影子區(qū)中的震相。萊曼的研究表明，地核不是單一的熔融球體，而是具有雙層結(jié)構(gòu)，外核為液態(tài)，內(nèi)核為固態(tài)。

內(nèi)、外地核的分界面在地下約5200km深處。

至此，地球物理學(xué)家們建立了地球的四層結(jié)構(gòu)模型，從地表向下依次是：地殼、地幔、外地核和內(nèi)地核。

地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：公共網(wǎng)絡(luò)）

05不是尾聲

人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)是沒(méi)有止境的。

相對(duì)于人來(lái)說(shuō)，地球太大了！

但人有思想，可以發(fā)揮想象力，可以進(jìn)行邏輯推理，可以根據(jù)遮住月亮的地影猜出地球的形狀，可以根據(jù)地震波在地下穿行速度的變化推測(cè)出地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

但是，人類并不滿足于此。人類要對(duì)自己的思想和推測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

于是，麥哲倫和他的船隊(duì)于1519年從西班牙出發(fā)，一路向西，經(jīng)歷千辛萬(wàn)苦，終于完成了環(huán)球航行，于1522年回到西班牙。

前蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐宇宙飛船于1961年4月12日上午起航，在最大高度為301公里的軌道上繞地球一周，歷時(shí)1小時(shí)48分鐘，安全返回。

他們見(jiàn)證了“地球是圓的”。

“莫霍面”是離地表最近的一個(gè)地球內(nèi)部圈層界面。1956年美國(guó)地球科學(xué)小組提出“莫霍計(jì)劃”，要用鉆頭穿透地殼，看看“莫霍面”。

他們于1961年在墨西哥海岸外開(kāi)鉆，在3600米深的海水之下鉆穿170米厚的沉積層，再鉆進(jìn)洋殼，取出14米長(zhǎng)的玄武巖樣品。

5年后，面對(duì)資金的不足，“莫霍計(jì)劃”被迫終止。前蘇聯(lián)科學(xué)家于1970年在科拉半島開(kāi)工，計(jì)劃鉆穿那里17公里厚的地殼。

他們用23年時(shí)間鉆了一個(gè)深達(dá)12.262公里的大鉆孔，終于也因經(jīng)費(fèi)不足而停工。

從1956年至今，已經(jīng)過(guò)去了六十多年，“莫霍面”至今沒(méi)被鉆穿。

但科學(xué)家們沒(méi)有放棄，“2023年后國(guó)際大洋鉆探科學(xué)計(jì)劃”仍在緊鑼密鼓地準(zhǔn)備著。

如果有一天鉆穿了“莫霍面”，那么，“古登堡面”呢？

科學(xué)家們雄心勃勃，人類認(rèn)知地球的腳步不會(huì)停止。

美編：杜欣雨

校對(duì)：張崧