對地球的認知(中)

地球表面積總計約5.1億平方千米，約70.8%的表面積由水覆蓋，大部分地殼表面（3.6113億平方千米）在海平面以下。海底的地殼表面具有多山的特徵，包括一個全球性的中洋脊系統，以及海底火山、海溝、海底峽谷、海底高原和深海平原。其餘的29.2%（1億4894萬平方千米，或5751萬平方英里）為不被水覆蓋的地方，包括山地、盆地、平原、高原等地形。

地球的地表受到構造和侵蝕作用，經歷了長時間的重塑。板塊構造運動會改變地貌，大風、降水、熱迴圈和化學作用對地表的侵蝕也會改變地貌。冰川作用、海岸侵蝕、珊瑚礁的形成，以及大型隕石的撞擊都會對地貌的重塑產生影響。

地球表面的岩石按照成因大致可分為三類：火成岩、沉積岩和變質岩。火成岩是由上升至地表的岩漿或熔岩冷卻凝固而形成的一種岩石，又稱岩漿岩，是構成地殼主要岩石。火成岩按照成因又可分大致分為兩類：一是岩漿侵入地表形成的侵入岩，按照形成位置的不同可分為深成岩和淺成岩，常見的花崗岩就是一種侵入岩。二是岩漿噴出地表形成的噴出岩，又名火山岩，例如安山岩、玄武岩。大陸地殼主要由密度較低的花崗岩，安山岩構成，海洋地殼主要由緻密的玄武岩構成。沉積岩是由堆積、埋藏並緊密結合在一起的沉積物形成的。近75%的大陸表面被沉積岩覆蓋，雖然他們只形成了約5%的地殼，變質岩是從原有的岩石通過高壓高溫的環境變質而形成的一種岩石，如大理石。

地球表面最豐富的矽酸鹽礦物有石英、長石、角閃石、雲母、輝石和橄欖石等。常見的碳酸鹽礦物有方解石（發現於石灰石和白雲石）等。

土壤圈是地球陸地表面的最外層，由土壤所組成，並為土壤形成過程所影響。耕地占地表總面積的10.9%，其中1.3%是永久耕地。接近40%的地表用於農田和牧場，包括1.3×107平方千米的農田和3.4×107平方千米的牧場。

地表最低處位於西亞的死海，海拔約為-420米，海拔最高點位於中國和尼泊爾邊境的喜馬拉雅山脈的珠穆朗瑪蜂，海拔超過8848米。海平面以上的平均海拔為840米。

傳統上，地球表面被分為七大洲、四大洋和不同的海域。也會以極點為中心將地球分為南半球和北半球兩個半球，以經度分為東半球和西半球，或大致按照海陸分佈分為水半球和陸半球。

在太陽系中，表面為大面積的水域所覆蓋是地球有別於其他行星的顯著特徵之一，地球的別稱“藍色星球”便是由此而來的。地球上的水圈主要由海洋組成，而陸海、湖泊、河川以及可低至2,000米深的地下水也占了一定的比例。位於太平洋馬里亞納海溝的挑戰者深淵深達10,911.4米，是海洋最深處。

地球上海洋的總品質約為1.35×1018噸，相當於地球總品質的1/4400。海洋覆蓋面積為3.618×108平方千米，平均深度為3,682米，總體積約為1.332×109立方千米。如果地球上的所有地表海拔高度相同，而且是個平滑的球面，則地球上的海洋平均深度會是2.7~2.8千米。

地球上的水約有97.5%為海水，2.5%為淡水。而68.7%的淡水以冰帽和冰川等形式存在。

地球上海洋的平均鹽度約為3.5%，即每千克的海水約有35克的鹽。大部分鹽在火山的作用和冷卻的火成岩中產生。海洋也是溶解大氣氣體的的貯存器，這對於許多水生生命體的生存是不可或缺的。海洋是一個大型儲熱庫，其海水對全球氣候造成了顯著的影響。海洋溫度分佈的變化可能會對天氣變化造成很大的影響，例如厄爾尼諾-南方振盪現象。受到地球行星風系等因素的影響，地球上的海洋有相對穩定的洋流，洋流主要分為“暖流”和“寒流”，暖流主要對流經的附近地區的氣候起到“增溫增濕”的效果，寒流的反之。

地球表面的平均氣壓為101.325千帕，大氣標高約8.5千米。地球的大氣層為由78%的氮氣、21%的氧氣、混合微量的水蒸氣、二氧化碳以及其他的氣態分子所構成。對流層的高度隨著緯度的變化而異，位於赤道附近的對流層高度則高達17千米，而位於兩極附近的對流層高度僅8千米，對流層的高度也會隨著天氣及季節因素而變化。

地球的生物圈對地球大氣層影響顯著。在27億年前光合作用開始產生氧氣，最終形成現在主要由氮、氧組成的大氣。這一變化使好氧生物能夠繁殖，隨後大氣中的氧氣轉化為臭氧，形成臭氧層。臭氧層阻擋了太陽輻射中的紫外線，地球上的生命才得以存續。對生命而言，大氣層的重要作用還包括運送水汽，提供生命所需的氣體，讓流星體在落到地面之前燒毀，以及調節溫度等。大氣中某些微量氣體分子能夠吸收從地表散發的長波輻射，從而升高地球平均溫度，是為溫室效應。大氣中的溫室氣體主要有水蒸氣、二氧化碳、甲烷和臭氧。如果地球沒有溫室效應，則地表平均溫度將只有−18°C（現在是+15°C），生命就很可能不存在。

地球的大氣層並無明確邊界。離地表越遠，空氣越稀薄，最後消失在外太空。大氣層四分之三的品質集中在離地表11千米的對流層。來自太陽的能量將地表和上面對流層中的氣體加熱，空氣受熱膨脹，因密度減小而上升，周圍較冷、密度較高的氣體填補過來，形成了大氣環流。這使得熱量重新分佈，並產生各種天氣現象和氣候條件。

主要的大氣環流帶有緯度30°以下赤道地區的信風和緯度30°到60°之間的中緯度西風帶。決定氣候的重要因素還有洋流，尤其是將熱量從赤道海域帶往極地地區的溫鹽環流。

地表蒸發的水蒸氣也通過大氣環流來運送。如果大氣環境適合，溫暖濕潤的空氣上升，然後其中的水汽凝結，形成降水落回地面。降水中的大部分通過河流系統流向低海拔地區，通常會回到海洋中或者聚集在湖泊裏。這種水迴圈是地球能維持生命的重要原因，也是地表構造在漫長地質時期受到侵蝕的主要因素。各地降水量大相徑庭，從一年數千毫米到不到一毫米都有。一個地區的平均降水量由大氣環流、地貌特徵和氣溫差異共同決定。

地球表面獲得的太陽能量隨緯度增高而遞減。高緯度地區太陽照射地面的角度較小，陽光必須通過的大氣層較厚，因此年平均氣溫較低。緯度每增高1度，海平面處的年平均氣溫就降低大約0.4 °C變化（0.7 °F變化）。地球表面可分為氣候大致相似的若干緯度帶，從赤道到兩極依次是熱帶、亞熱帶、溫帶和極地氣候。根據各地氣溫和降水量的異同可以劃定不同的氣候類型。常用的柯本氣候分類法將全球氣候分為五大類：A類熱帶氣候，B類乾旱氣候，C類溫帶氣候，D類冷溫帶氣候，E類極地氣候和高山氣候，每個大類被進一步分為若干小類。

緯度並非決定氣候的唯一因素。由於水的比熱比岩土的比熱大，海洋性氣候往往比大陸性氣候更為溫和。事實上，南半球處於夏季時地球離太陽更近，導致南半球全年接受到的輻射總量比北半球多。若不是南半球的水域面積比北半球更大，多出的水域吸收了多餘的輻射，南半球的平均氣溫將比北半球高2.3 °C。大氣環流和洋流的影響同樣重要。在高緯度地區，受到暖流和西風的作用，大陸西岸的氣候往往比同緯度內陸及大陸東岸的氣候更為溫和。北歐北部處於北極圈內，氣候卻比較適宜。緯度較低的加拿大北部及俄羅斯遠東地區反而呈現寒冷的極地氣候。在南美洲低緯度地區的西岸，受到秘魯寒流的影響，夏季沒有酷暑。此外，氣候還與高度有關，海拔越高，氣候越寒冷。

1913年於美國加利福尼亞州死亡穀國家公園內的爐溪谷地所測得的56.7 °C（134.1 °F）為地球目前所測得的最高氣溫；而1983年於南極洲沃斯托克站所測得的−89.2 °C（−128.6 °F）為地球目前所測得的最低氣溫，但遙感衛星曾在東部南極洲測到低至−94.7 °C（−138.5 °F）的溫度。這些氣溫僅僅是自20世紀以來使用現代儀器測量到的，可能尚未完整體現地球氣溫的範圍。

在對流層的上方，相對高層的大氣層通常分為平流層、中間層、熱層和散逸層，每一層溫度隨高度的變化規律都不同。平流層上部是臭氧層，能部分吸收太陽射向地表的紫外線，這對地球上的生命很重要。這也使得平流層中溫度隨高度的增加而增加。中間層中溫度則隨高度增加而下降。在熱層中，由於氣體原子對太陽輻射中短波成分有強烈吸收，溫度隨高度的增加急劇上升。在熱層上部由於空氣稀薄，溫度較高，氣體分子會發生電離，形成等離子體，構成電離層。散逸層向外延伸，愈發稀薄，直到磁層，那裏是地磁場和太陽風相互作用的地方。距地表100 km的高空是卡門線，實踐中認為它是大氣層和外太空的分界。

由於熱運動，大氣層外緣的部分分子速度可以大到能夠擺脫地球引力。這會使大氣氣體緩慢但持續地散失到太空中。因為游離的氫分子量小，它更容易達到宇宙速度，散逸到外太空的速率也更快。其中在氫氣散失方面，是地球大氣以及表面從早期的還原性變為現在的氧化性的原因之一。雖然光合作用也提供了一部分氧氣，但是人們認為氫氣之類的還原劑消失是大氣中能夠廣泛積累氧氣的必要前提，因此也影響了地球上出現的生命形式。雖然大氣中的氧氣和氫氣可轉化為水，但其損失大部分皆來自甲烷在高層大氣的破壞。

地球內部及周圍空間中存在著靜磁場。根據靜磁場的多極展開，如果把地球近似看作一個磁偶極子，它的磁矩大小為7.91 × 1015 T m3，地磁軸方向與地軸近似重合但有少許偏離，兩者的夾角被稱為地磁偏角。在垂直平分地磁軸的平面和地球表面相交形成的“地磁赤道”圈上，磁感應強度約為3× 10−5 T，在地磁軸與地球表面相交形成的地磁極處，磁感應強度約為地磁赤道處的兩倍。根據發電機假說，地磁主要來自於地核中鐵、鎳構成的導電流體的運動。在地核的外核中，熾熱的導電流體在從中心向外對流的過程中受到地轉偏向力的作用形成渦流，產生磁場。而渦流產生的磁場又會對流體的流動產生反作用，使流體的運動乃至其產生的磁場近似保持穩定。但由於對流運動本身是不穩定的，地磁軸的方向會緩慢、無規律地發生變化，導致地磁逆轉。地磁逆轉的週期不固定，每一百萬年可能會發生數次逆轉，最近的一次則發生在78萬年前，被稱為布容尼斯－松山反轉。

地磁在太空的影響範圍稱為磁層。太陽風的離子與電子被磁層偏轉，因此無法直接襲擊地球。太陽風的壓強會把磁層靠近太陽的區域壓縮至10個地球半徑，而遠離太陽的區域會延伸成長尾狀。太陽風以超音速吹入磁層向陽面，形成弓形震波，太陽風速度因此減慢，一部分動能轉換為熱能，使得附近區域溫度升高。在電離層上方，磁層中的低能量帶電粒子形成等離子層，其運動受地磁場主導。由於地球的自轉會影響等離子的運動，因此等離子層會與地球共轉。磁層中能量居中的粒子繞地軸旋轉流動，形成環狀電流。帶電粒子除了沿著磁場線作螺旋運動外，還會在地磁場的梯度與曲率作用下產生定向漂移，電子向東漂移，正離子向西漂移，因此形成環狀電流:8, 31。範艾倫輻射帶是兩層狀似甜甜圈的輻射區域，內層主要是由高能量質子與電子所形成，而外層還含有氦等較重的離子。這些高能量粒子都被磁場俘獲於並且以螺旋形式沿著磁場線移動。當發生磁暴時，帶電粒子會從外磁層沿著磁場線方向偏轉進入電離層，並在這裏與大氣層原子發生碰撞，將它們激發與離子化，這時就產生了極光。

地球相對於太陽的平均自轉週期稱為一個平太陽日，定義為平太陽時86,400 秒（等於SI86,400.0025 秒）。因為潮汐減速的緣故，現在地球的太陽日已經比19世紀略長一些，每天要長0至2 SI ms。國際地球自轉服務（IERS），以國際單位制的秒為單位，測量了1623年至2005年和1962年至2005年的時長，確定了平均太陽日的長度。

地球相對於恒星的自轉週期，稱為一個恒星日，依據IERS的測量，1恒星日等於平太陽時（UT1）86,164.098903691 秒，即23h 56m 4.098903691s。天文學上常以地球相對于平春分點的自轉週期作為一個恒星日，在1982年是平太陽時（UT1）86,164.09053083288 秒，即23h 56m 4.09053083288s。由於春分點會因為歲差等原因而發生移動，這個恒星日比真正的恒星日短約8.4毫秒。

從地球上看，空中的天體都以每小時15°，也就是每分鐘15'的角速度向東移動（低軌道的人造衛星和大氣層內的流星除外）。靠近天球赤道的天體，每兩分鐘的移動距離相當於地球表面所見的月球或太陽的視直徑（兩者幾乎相同）。(續)