認(rèn)識(shí)地球科普認(rèn)識(shí)我們的地球 _地球

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地球是什么樣子的？有多大？有多重？
趣說地質(zhì)學(xué)--認(rèn)識(shí)我們的地球
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》， “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》反映了我們中國(guó)古老的天地觀，叫“蓋天說” ，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，孔子的學(xué)生曾子（公元前505～前435年）對(duì)此有疑問，說“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”被改良了。
公元前1世紀(jì)成書的《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8萬里。

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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

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希臘人開啟了西方哲學(xué) 。他們的哲學(xué)開始時(shí)主要是

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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。
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沒有水的地球地球的衛(wèi)星照片
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，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，和地球6千多公里的半徑比起來，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，他想出了一種方法，根據(jù)同一子午線上兩個(gè)地點(diǎn)的緯度差來估算地球的周長(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40萬古希臘里。
按照埃及的長(zhǎng)度單位， 1希臘里等于

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埃拉托色尼的測(cè)量方法
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，夏至那天太陽光可直射井底，表明太陽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，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25萬希臘里，按1希臘里等于

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我國(guó)發(fā)行的僧一行紀(jì)念郵票

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烏茲別克斯坦發(fā)行的花剌子模紀(jì)念郵票
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。
【認(rèn)識(shí)地球科普認(rèn)識(shí)我們的地球】0、1、2、3、…這些印度數(shù)字就是通過花剌子模的著作傳播到西方的，結(jié)果被誤稱為阿拉伯?dāng)?shù)字。
據(jù)說花剌子模在公元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

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牛頓的萬有引力定律
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)萬有引力定律的公式計(jì)算出來了。
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，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)方法，精心設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn) ，可惜都失敗了。
他經(jīng)過粗略的推算發(fā)現(xiàn) ，一般物體之間的引力太微小了，根本測(cè)不出來。
牛頓沒有去嘗試“鉛垂線偏向法” 。他去世以后，不斷有人去嘗試這一方法。
例如，

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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

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卡文迪許在古老城堡里進(jìn)行觀測(cè)
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)過幾年的觀測(cè)和計(jì)算， 1

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維歇特的雙層地球模型
說到地震觀測(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” ，改良了渾天儀，而且還在公元

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候風(fēng)地動(dòng)儀的模型

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維歇特地震儀， 20世紀(jì)初德國(guó)生產(chǎn)3套
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

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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；右圖是記錄下來的地震圖
1906年，奧爾德姆發(fā)現(xiàn) ，地震波穿行到一定深處后速度開始降低。
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0.7

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P波穿越莫霍面（Mohorovicic discontinuity）的波速變化
德國(guó)地球物理學(xué)家古登堡（Beno Gutenberg ， 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13.6 km/s突然降低到7.98 km/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， 2900 km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。

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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。

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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) 。
1936年，丹麥地震學(xué)家萊曼（Inge Lehman ，

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地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)
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)是沒有止境的。
相對(duì)于人來說，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