對地球的認知(上)

地球是太陽系中由內及外的第三顆行星，距離太陽約1.5億千米。地球是人類已知宇宙中唯一存在生命的天體，也是人類居住的星球，共有74.9億人口。地球品質約為5.97×1024千克，半徑約6,371千米，密度是太陽系中最高。地球同時進行自轉和公轉運動，分別產生了晝夜及四季的變化更替，一太陽日自轉一周，一太陽年公轉一周。自轉軌道面稱為赤道面，公轉軌道面稱為黃道面，兩者之間的夾角稱為黃赤交角。地球僅擁有一顆自然衛星，即月球。

地球表面有71%的面積被水覆蓋，稱為海洋或可以成為湖或河流，其餘是陸地板塊組成的大洲和島嶼，表面分佈河流和湖泊等水源。南極的冰蓋及北極存有冰。主體包括岩石圈、地幔、熔融態金屬的外地核以及固態金屬的內地核。擁有由外地核產生的地磁場。外部被氣體包圍，稱為大氣層，主要成分為氮、氧、氬。

地球誕生於約45.4億年前，42億年前開始形成海洋。並在35億年前的海洋中出現生命，之後逐步涉足地表和大氣，並分化為好氧生物和厭氧生物。早期生命跡象產生的具體證據包括格陵蘭島西南部變質沉積岩中擁有約37億年的歷史的生源石墨，以及澳大利亞大陸西部岩石中約41億年前的早期生物遺骸。此後除去數次生物集群滅絕事件，生物種類不斷增多。根據學界測定，地球曾存在過的50億種物種中，已經絕滅者占約99%，據統計，現今存活的物種大約有1,200至1,400萬個，其中有記錄證實存活的物種120萬個，而餘下的86%尚未被正式發現。2016年5月，有科學家認為現今地球上大概共出現過1萬億種物種，其中人類正式發現的僅占十萬分之一。2016年7月，科學家稱現存的生物共祖中共存在有355種基因。地球上有約74億人口，分成了約200個國家和地區，借由外交、旅遊、貿易、傳媒或戰爭相互聯繫。

地球的英文名“Earth”源自中古英語，其歷史可追溯到古英語（時常作“eorðe”），在日爾曼語族諸語中都有同源詞，其原始日爾曼語詞根構擬為“*erþō”。拉丁文稱之為“Terra”，此為古羅馬神話中大地女神之名。希臘文中則稱之為“Γαῖα”（Gaia），這個名稱是希臘神話中大地女神蓋亞的名字。

中文“地球”一詞最早出現於明朝的西學東漸時期，最早引入該詞的是義大利傳教士利瑪竇（Matteo Ricci，1552－1610），他於《坤輿萬國全圖》中使用了該詞。清朝後期，西方近代科學引入中國，地圓說逐漸為中國人所接受，“地球”一詞（亦作“地毬”）被廣泛使用，申報在創刊首月即登載《地球說》一文。

根據放射性定年法的測量結果，太陽系大約在45.6±0.08億年前形成，而原生地球大約形成於45.4±0.04億年前。從理論上講，太陽的形成始於46億年前一片巨大氫分子雲的引力坍縮，坍縮的品質大多集中在中心，形成了太陽；其餘部分一邊旋轉一邊攤平，形成了一個原行星盤，繼而形成了行星、衛星、流星體和其他太陽系小天體。星雲假說主張，地球這樣的微行星起源於吸積坍縮後剩下的由氣體、冰粒、塵埃形成的直徑為一至十千米的塊狀物。根據該理論，組成原生地球的物質的直徑大約為10–20 密爾，這些物質經過1000至2000萬年的生長，最終形成原生地球。初生的地球表面是由岩漿組成的“海洋”。

月球大約形成於45.3億年期，關於月球起源的研究目前還沒有定論，目前最受歡迎的一個假說是大碰撞說。該假說認為，有一顆叫做忒伊亞的天體與地球發生了碰撞，這顆天體的尺寸和火星差不多，其品質為地球的10%，碰撞引發了巨大的爆炸，爆裂出的物質飛到了太空中，經吸積作用形成了月球，而忒伊亞的一部分品質也熔入了地球。在大約41億至38億年前這段時間，地月系統進入了後期重轟炸期，無數小行星撞擊了月球的表面，使月球表面發生了巨大的改變，可以推測出，當時的地球也遭遇了很多的撞擊。

太古宙起地球表面開始冷卻凝固，形成堅硬的岩石，火山爆發所釋放的氣體形成了次生大氣。最初的大氣可能由水汽、二氧化碳、氮組成，水汽的蒸發加速了地表的冷卻，待到充分冷卻後，暴雨連續下了成千上萬年，雨水灌滿了盆地，形成了海洋。暴雨在減少空氣中水汽含量的同時，也洗去了大氣中的很多二氧化碳。此外，小行星、原行星和彗星上的水和冰也對是水的來源之一。暗淡太陽悖論指出，雖然早期太陽光照強度大約只有現在的7/10，但大氣中的溫室氣體足以使海洋裏的液態水免於結冰。約35億年前，地球磁場出現，有助於阻止大氣被太陽風剝離。其外層冷卻凝固，並在大氣層水汽的作用下形成地殼。陸地的形成有兩種模型解釋，一種認為陸地持續增長至今，另一種更可能的模型認為地球歷史早期陸地即迅速生成，然後保持到現在。內部的熱量不斷散失，驅動板塊構造運動形成大陸，經過數億年，超大陸經歷三次分分合合。大約7.5億年前，最早的超大陸之一——羅迪尼亞大陸開始分裂，又在6至4.5億年前合併成潘諾西亞大陸，然後合併成盤古大陸，最後於約1.8億年前分裂。目前地球處於258萬年前開始的更新世大冰期中，高緯度地區經歷了數輪冰封與解凍，每40到10,000年迴圈一次。最後一次大陸冰封在約10,000年前。

地球提供了目前已知唯一能夠維持生命進化的環境。人們認為約40億年前的高能化學反應產生了能夠自我複製的分子，又過了5億年則出現了所有生命的共同祖先，而後分化出細菌與古菌。早期生命形態發展出光合作用的能力，可直接利用太陽能，並向大氣中釋放氧氣。大氣中積累的氧氣受到太陽發出的紫外線作用，在上層大氣形成臭氧（O3），進而出現了臭氧層。早期的生命以原核生物的形態存在。根據共生體學說，在生命進化過程中，部分小細胞被吞進大細胞，並內共生於大細胞之中，成為大細胞的細胞器，從而形成結構相對複雜的真核細胞。此後，細胞群落內部各部分的細胞逐漸分化出不同的功能，形成了真正的多細胞生物。由於臭氧層吸收了太陽發出的有害紫外線，陸地變得適合生命生存，生命開始在陸地上繁衍。目前已知生命留下的最早化石證據有西澳大利亞州砂岩裏34.8億年前的微生物墊化石，西格林蘭變質碎屑岩裏37億年前的生源石墨，以及西澳大利亞州岩石裏41億年前的生物質殘骸。

1960年代起， 人們猜測7.5億年到5.8億年前的新元古代成冰紀大冰期時，強烈的冰川活動使地球表面大部分處於冰封之下，是為“雪球地球”假說。5.42億年前發生了埃迪卡拉紀末期滅絕事件，緊接著就出現了寒武紀生命大爆發，地球上的多細胞生物種類猛增（如：節肢動物三葉蟲、奇蝦等）。在5億年前的奧陶紀出現了脊椎動物甲胄魚。寒武紀大爆發之後，地球又經歷了5次生物集群滅絕事件。其中，發生在2.51億年前的二疊紀－三疊紀滅絕事件是已知地質歷史上最大規模的物種滅絕事件；而距今最近的滅絕事件是發生於6600萬年前的白堊紀－第三紀滅絕事件，小行星的撞擊使不會飛行的恐龍和其他大型爬行動物滅絕，但一些小型動物逃過一劫，例如那時還像鼩鼱一樣的哺乳動物。在過去的6600萬年中，哺乳動物持續分化。數百萬年前非洲的類猿動物（如圖根原人）學會了直立。由此它們得以更好地使用工具、互相交流，從而獲得更多營養與刺激，大腦也越來越發達，最後進化成人類。人類借助農業和文明的發展享受到了地球上任何其他物種都未曾達到的生活品質，也反過來影響了地球和自然環境。

在15至45億年後，地球的轉軸傾角可能出現最多90度的變化。據推測，從現在起算，地球表面的複雜生命發展還算年輕，活動能夠繼續達到極盛，維持約5到10億年，不過如果大氣中氮氣完全消失，這個時間將會延長到23億年。地球在遙遠未來的命運與太陽的進化緊密相連，隨著太陽核心的氫持續核聚變生成氦，太陽光度將持續會緩慢增加，在11億年後增加10%，35億年後則增加40%之多，太陽釋放熱量的速度也將持續增長。根據氣候模型，地球表面最終將會受到太陽輻射上升會產生嚴重後果，最初只是熱帶地區改到極冠，長久下去，海洋將會汽化並消失。

地球表面溫度上升會加快無機碳迴圈，降低大氣二氧化碳含量。大約5至9億年後，大氣中二氧化碳含量逐漸會低到10ppm，若沒有進化出新的方法，連C4類植物都無法生存。植被的缺失會使地球大氣含氧量下降，地球上的動物就會在數百萬年內滅絕。此後預計再過十幾億年，地表水就會消失殆盡，地球平均溫度也將上升到70 °C（158 °F）。即使太陽永遠保持穩定，因為大洋中脊冒出的蒸氣減少，約10億年後，27%的海水會進入地幔，海水的減少使得溫度變化劇烈而不利複雜生命。

50億年後，太陽進化成為紅巨星，地球表面此時已經不能形成複雜的分子了。模型預測太陽將膨脹至約目前半徑的250倍，也就是大約1 AU（150,000,000 km），地球的命運目前仍尚不明確。成為紅巨星時，太陽會失去30%的品質。因此若不考慮潮汐的影響，當太陽體積最大時，地球會移動到約距太陽1.7 AU（250,000,000 km）遠處，擺脫了落入膨脹太陽的外層大氣內的命運；然而即使真是如此，太陽亮度峰值將是目前的5,000倍，地球上剩餘的生物也難逃被陽光摧毀的命運。2008年進行的一個類比顯示，地球的軌道會因為潮汐效應的拖曳而衰減，使其落入已成為紅巨星的太陽大氣層而蒸發掉。

地球大致呈橢球形。地球自轉的效應使得沿貫穿兩極的地軸方向稍扁，赤道附近略有隆起。地球赤道半徑比極半徑大了43千米（27英里）。因此，地球表面離地球質心最遠之處並非海拔最高的珠穆朗瑪峰，而是位於赤道上的厄瓜多爾欽博拉索山的山峰。地球的參考橢球體平均直徑約為12,742千米（7,918英里），約等於(40,000 km)/π，這個整數並非巧合，而是因為長度單位米的最初定義是經過法國巴黎的經線上赤道與北極點距離的一千萬分之一。

由於局部地勢有所起伏，地球與理想橢球體略有偏離，不過從行星尺度看，這些起伏和地球半徑相比很小，最大偏離也只有0.17%，位於海平面以下10,911米（35,797英尺）的馬里亞納海溝與海拔8,844米（29,016英尺）的珠穆朗瑪峰只產生0.14%的偏離。若把地球縮到檯球大小，地球上像大型山脈和海溝那樣的地方摸上去就像微小瑕疵一樣，而其他大部分地區，包括北美大平原和深海平原摸上去則更加光滑。

地球的總品質約為5.97×1024 Kg，即是5,970堯克（Yg）。構成地球的主要化學元素有鐵（32.1%）、氧（30.1%）、矽 （15.1%）、鎂（13.9%）、硫（2.9%）、鎳（1.8%）、鈣（1.5%）、鋁（1.4%）；剩下的1.2%是其他微量元素，例如鎢、金、汞、氟、硼、氙等。由於品質層化（品質較高者向中心集中）的緣故，據估算，構成地核的主要化學元素是鐵（88.8%），其他構成地核的元素包括鎳（5.8%）和硫（4.5%），以及品質合共少於1%的微量元素。構成地幔的主要礦物質則包括輝石（化學式為(Mg,Fe,Ca,Na)(Mg，Fe,Al)(Si,Al)2O6）、橄欖石（化學式為(Mg,Fe)2SiO4）等。

至於地殼的化學構成，氧是地殼內豐度最高的元素，占了46%。地殼中的含氧化合物包括水、二氧化矽、硫酸鈣、碳酸鈣、氧化鋁等，而地殼內含量最高的10種化合物、絕大部分構成地殼常見岩石的化合物均是含氧化合物。有些岩石則是氟化物、硫化物和氯化物，但氟、硫和氯在任何地方岩層中的總含量通常遠少於1%。占地殼淺表90%以上體積的火成岩主要由二氧化矽及矽酸鹽構成。地球化學家法蘭克·維格氏維爾·克拉克基於1,672個對各種岩石的分析進行計算，推論出99.22%的岩石是以下表列出的氧化物構成，亦有其他含量較少的成分。

地球內部如同其他類地行星一樣，可根據化學性質或物理（流變學）性質分為若干層。然而，地球的內、外核具有明顯的區別，這是其他類地行星所沒有的特徵。地球外層是由矽酸鹽礦物組成的地殼，下面又有一層黏稠固體組成的地幔。地幔和地殼之間的分界是莫氏不連續面。地殼的厚度隨位置的不同而不同，從海底的6千米到陸地的30至50千米不等。地殼以及地幔較冷、較堅硬的上層合稱為岩石圈，板塊也是在這個區域形成的。岩石圈以下是黏度較低的軟流圈，岩石圈就在軟流圈上方滑動。地幔晶體結構的重大變化出現在地表以下410至660千米之間的位置，是分隔上地幔及下地幔的過渡區。在地幔以下，是分隔地幔和地核的核幔邊界（古氏不連續面），再往下是黏度非常低的液體外地核，最裏面是固體的內地核。內地核旋轉的角速度可能較地球其他部分要快一些，每年約領先0.1–0.5°。內地核半徑1,220千米，約為地球半徑的1/5。

地球內部產生的熱量中，吸積殘餘熱約占20%，放射性衰變熱則占80%。地球內的產熱同位素主要有鉀-40、鈾-238、鈾-235及釷-232。地心的溫度最高可達6,000 °C（10,830 °F），壓強可達360 GPa。因為許多地熱是由放射性衰變而來，科學家推測在地球歷史早期、在半衰期短的同位素尚未用盡之前，地球的內熱可能產生得比現在更多，在30億年前可能是現在的二倍。因此當時延著地球半徑的溫度梯度會更大，地幔對流及板塊構造的速率也更快，可能生成一些像科馬提岩之類，以現在地質條件難以生成的岩石。

地球表面平均散熱功率密度為87 mW m−2，整個地球內部散熱總功率為4.42 × 1013 W。地核的部分熱量通過高溫熔岩向上湧升傳到地殼，這種熱對流叫做地幔熱柱。因此地幔會出現熱點及溢流玄武岩。地球的熱能還會在板塊構造中通過地幔逐步上升到中洋脊而流失。另一種熱能流失的主要方式是借由岩石圈的熱傳導，主要發生在海底，因為海底的地殼比陸地的要薄。

位於地球外層的剛性岩石圈分成若干板塊。這些板塊是剛性的，板塊之間的相對運動發生在以下三種邊緣：其一是聚合板塊邊緣，在此二個板塊互相靠近；其二是分離板塊邊緣，在此二個板塊互相分離；其三是轉形板塊邊緣，在此二個板塊互相橫向錯動。在這些板塊邊緣上，會出現地震、火山活動、造山運動以及形成海溝。這些板塊漂浮在軟流圈之上。

隨著板塊飄移，海洋板塊俯衝到聚合板塊邊緣的前緣下方。同時，地幔物質於分離板塊邊緣上升至地殼，產生了中洋脊。這些過程使得海洋地殼一邊從地幔中不斷產生，一邊不斷地回收到地幔中，因此海洋地殼的年齡大多低於1億歲。現今最古老的海洋地殼位於西太平洋地區，其年齡估計約為2億歲。相較之下，最古老的大陸地殼年齡約為40.3億歲。

目前地球的主要板塊為太平洋板塊、北美洲板塊、歐亞大陸板塊、非洲板塊、南極洲板塊、印度-澳大利亞板塊以及南美洲板塊。另外還有阿拉伯板塊、加勒比板塊、位於南美洲西海岸外的納斯卡板塊以及位於南大西洋的斯科舍板塊等板塊比較有名。印度-澳大利亞板塊是澳大利亞板塊與印度板塊在5,000萬至5,500萬年前融合形成的。在這些板塊中，大洋板塊位移速率快，大陸板塊移動速率慢：屬於大洋板塊的科科斯板塊位移速率為每年75毫米，太平洋板塊則以每年52至69毫米的速率位移；而屬於大陸板塊的歐亞大陸板塊，平均以約每年21毫米的速率行進。(續)