地球
太陽系中距離太陽第三近的行星 / 维基百科,自由的 encyclopedia
地球是目前太阳系中已知由内及外的第三颗行星,距离太阳平均为149,597,870公里(1天文单位),是目前宇宙中人类已知唯一存在生命的天体[3],也是人类所居住的星球,共有大约80.5亿人口[22]。其质量约为5.97×1024千克,半径约6,371公里,平均密度5.5 g/cm3,是太阳系行星中最高的。地球同时进行自转和公转运动,分别产生了昼夜及四季的变化更替,一太阳日自转一周,一太阳年公转一周。自转轨道面称为赤道面,公转轨道面称为黄道面,两者之间的夹角称为黄赤交角。地球仅有一颗自然卫星月球。
轨道参数 | |||||||||||||||||
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历元 J2000[n 1] | |||||||||||||||||
远日点 | |||||||||||||||||
近日点 | 147,095,000 km(91,401,000 mi) (7011147094903845957♠0.9832687 AU) [n 2] | ||||||||||||||||
半长轴 | 149,598,023 km(92,955,902 mi) (7011149598022990632♠1.000001018 AU) [1] | ||||||||||||||||
离心率 | 6998167086000000000♠0.0167086[1] | ||||||||||||||||
轨道周期 | |||||||||||||||||
平均轨道速度 | |||||||||||||||||
平近点角 | 7002358617000000000♠358.617° | ||||||||||||||||
轨道倾角 |
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升交点黄经 | 2998887393600000000♠−11.26064°[3]至J2000黄道 | ||||||||||||||||
近日点参数 | 7002114207830000000♠114.20783°[3] | ||||||||||||||||
卫星 | 月球,以及多于1381个人造卫星[5][n 3] | ||||||||||||||||
物理特征 | |||||||||||||||||
平均半径 | 6,371.0 km(3,958.8 mi)[6] | ||||||||||||||||
赤道半径 | 6,378.1 km(3,963.2 mi)[7][8] | ||||||||||||||||
极半径 | 6,356.8 km(3,949.9 mi)[9] | ||||||||||||||||
扁率 | 6997335280000000000♠0.0033528[10] 1/298.257222101(ETRS89(英语:ETRS89)) | ||||||||||||||||
周长 | 40,075.017 km(24,901.461 mi)赤道 [8] 40,007.86 km(24,859.73 mi)子午线[11][n 4] | ||||||||||||||||
表面积 | 510,072,000 km2(196,940,000 sq mi) [12][13][n 5] | ||||||||||||||||
体积 | 7021108320999999999♠1.08321×1012 km3(英语:Volume of the Earth) (7011259876000000000♠2.59876×1011 cu mi)[3] | ||||||||||||||||
质量 | 7024597237000000000♠5.97237×1024 kg (7024597236001731600♠1.31668×1025 磅)[14] (6994300000000000000♠3.0×10−6 太阳质量) | ||||||||||||||||
平均密度 | 5.514 g/cm3(0.1992 lb/cu in)[3] | ||||||||||||||||
表面重力 | 9.807 m/s2(32.18 ft/s2)[15] (7000100000000000000♠1 g) | ||||||||||||||||
11.186 km/s(6.951 mi/s)[3] | |||||||||||||||||
恒星周期 | |||||||||||||||||
赤道自转速度 | 1,674.4 km/h(1,040.4 mph)[17] | ||||||||||||||||
转轴倾角 | 23.4392811°[2] | ||||||||||||||||
反照率 | |||||||||||||||||
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大气特征 | |||||||||||||||||
表面气压 | 7005101325000000000♠101.325 kPa(MSL) | ||||||||||||||||
成分 |
地球表面约有71%的面积被水覆盖,称为海洋,湖或河流[23][24],其余是陆地板块组成的大洲和岛屿,表面分布河流和湖泊等水源。南极的冰盖及北极存有冰。主体包括岩石圈、地幔、熔融态金属的外地核以及固态金属的内地核。拥有由外地核产生的地磁场[25]。外部被气体包围,称为大气层,主要成分为氮、氧、二氧化碳、氩。
地球诞生于约45.4亿年前[26][27][28][29],42亿年前开始形成海洋[30][31],并在35亿年前的海洋中出现生命[32][33][34][35][36],之后逐步涉足地表和大气,并分化为好氧生物和厌氧生物。早期生命迹象产生的具体证据包括格陵兰岛西南部变质沉积岩(英语:Metasediment)中拥有约37亿年的历史的生源(英语:Biogenic substance)石墨,以及澳大利亚大陆西部岩石中约41亿年前的早期生物遗骸(英语:Biotic material)[37][38]。此后除去数次生物集群灭绝事件,生物种类不断增多[39]。根据科学界测定,地球曾存在过的50亿种物种中[40],已经灭绝的占约99%[41][42],据统计,现今存活的物种大约有1,200至1,400万个[43][44],其中有记录证实存活的物种120万个,而余下的86%尚未被正式发现[45]。2016年5月,有科学家认为现今地球上大概共出现过1万亿种物种,其中人类正式发现的仅占十万分之一[46]。2016年7月,研究团队在研究现存生物的基因后推断所有现存生物的共祖中共存在有355种基因[47][48]。地球上有约80.5 亿人口[49],分成了约200个国家和地区,借由外交、旅游、贸易、传媒或战争相互联系[50]。
地球的英文名“Earth”源自中古英语[n 6],其历史可追溯到古英语(时常作“eorðe”)[51],在日耳曼语族诸语中都有同源词,其原始日耳曼语词根构拟为“*erþō”。拉丁文称之为“Terra”,此为罗马神话中大地女神之名[52]。希腊文中则称之为“Γαῖα”(Gaia),这个名称是希腊神话中大地女神盖亚的名字[53]。
中文“地球”一词最早出现于明朝的西学东渐时期,最早引入该词的是意大利传教士利玛窦(Matteo Ricci),他于1602年刊行的《坤舆万国全图》中使用了该词[54][55]。清朝后期,西方近代科学引入中国,地圆说逐渐为中国人所接受,“地球”一词(亦作“地毬”)被广泛使用[56][57][58],《申报》在1872年创刊首月即登载《地球说》一文。[59]
根据放射性定年法的测量结果,太阳系大约在45.6±0.08亿年前形成[60],而原生地球大约形成于45.4±0.04亿年前[29]。从理论上讲,太阳的形成始于46亿年前一片巨大氢分子云的引力坍缩,坍缩的质量大多集中在中心,形成了太阳;其余部分一边旋转一边摊平,形成了一个原行星盘,继而形成了行星、卫星、流星体和其他太阳系小天体。星云假说主张,地球这样的微行星起源于吸积坍缩后剩下的由气体、冰粒、尘埃形成的直径为一至十公里的块状物。根据该理论,组成原生地球的物质的直径大约为10–7001200000000000000♠20 密尔,这些物质经过1000至2000万年的生长,最终形成原生地球[61]。初生的地球表面是由岩浆组成的“海洋”[62],而并非现在认知的水。
月球大约形成于45.3亿年前[63],关于月球起源的研究目前还没有定论,目前最受欢迎的一个假说是大碰撞说。[64][65]该假说认为,有一颗叫做忒伊亚的天体与地球发生了碰撞,这颗天体的尺寸和火星差不多,其质量为地球的10%,碰撞引发了巨大的爆炸,爆裂出的物质飞到了太空中,经吸积作用形成了月球,而忒伊亚的一部分质量也熔入了地球。在大约41亿至38亿年前这段时间,地月系统进入了后期重轰炸期,无数小行星撞击了月球的表面,使月球表面发生了巨大的改变,可以推测出,当时的地球也遭遇了很多的撞击[66]。
太古宙起地球表面开始冷却凝固,形成坚硬的岩石[67],火山爆发所释放的气体形成了次生大气。最初的大气可能由水汽、二氧化碳、氮组成,水汽的蒸发加速了地表的冷却,待到充分冷却后,暴雨连续下了成千上万年,雨水灌满了盆地,形成了海洋。暴雨在减少空气中水汽含量的同时,也洗去了大气中的很多二氧化碳[68]。此外,小行星、原行星和彗星上的水和冰也是对地球上水的来源之一[69]。暗淡太阳悖论(英语:faint young Sun paradox)指出,虽然早期太阳光照强度大约只有现在的7/10,但大气中的温室气体足以使海洋里的液态水免于结冰[70]。约35亿年前,地球磁场出现,有助于阻止大气被太阳风剥离[71]。其外层冷却凝固,并在大气层水汽的作用下形成地壳。陆地的形成有两种模型解释[72],一种认为陆地持续增长至今[73],另一种更可能的模型认为地球历史早期[74]陆地即迅速生成[75],然后保持到现在[76][77][78]。内部的热量不断散失,驱动板块构造运动形成大陆,经过数亿年,超大陆经历三次分分合合。大约7.5亿年前,最早的超大陆之一——罗迪尼亚大陆开始分裂,又在6至4.5亿年前合并成潘诺西亚大陆,然后合并成盘古大陆,最后于约1.8亿年前分裂[79]。目前地球处于258万年前开始的更新世大冰期中,高纬度地区经历了数轮冰封与解冻,每40到10,000年循环一次。最后一次大陆冰封在约10,000年前[80][81]。
地球提供了目前已知唯一能够维持生命进化的环境[82]。人们认为约40亿年前的高能化学反应产生了能够自我复制的分子,又过了5亿年则出现了所有生命的共同祖先,而后分化出细菌与古菌[83]。早期生命形态发展出光合作用的能力,可直接利用太阳能,并向大气中释放氧气[68]。大气中积累的氧气受到太阳发出的紫外线作用,在上层大气形成臭氧(O3),进而出现了臭氧层[84]。早期的生命以原核生物的形态存在。根据共生体学说,在生命进化过程中,部分小细胞被吞进大细胞,并内共生于大细胞之中,成为大细胞的细胞器,从而形成结构相对复杂的真核细胞[85]。此后,细胞群落内部各部分的细胞逐渐分化出不同的功能,形成了真正的多细胞生物。由于臭氧层吸收了太阳发出的有害紫外线,陆地变得适合生命生存,生命开始在陆地上繁衍[86]。目前已知生命留下的最早化石证据有西澳大利亚州砂岩里34.8亿年前的微生物垫(英语:microbial mat)化石[32][33][34][35][36],西格林兰(英语:Western Greenland)变质碎屑岩(英语:Metasediment)里37亿年前的生源石墨[87],以及西澳大利亚州岩石里41亿年前的生物质(英语:biotic material)残骸[37][38]。
约瑟夫·可西文克博士1992年首先提出猜测7.5亿年到5.8亿年前的新元古代初粒石大冰期时,强烈的冰川活动使地球表面大部分处于冰封之下,是为“雪球地球”假说。5.42亿年前发生了埃迪卡拉纪末期灭绝事件,紧接着就出现了寒武纪生命大爆发,地球上的多细胞生物种类猛增(如热气与、奇虾等)[88]。寒武纪大爆发之后,地球又经历了5次生物集群灭绝事件[89]。其中,发生在2.51亿年前的二叠纪-三叠纪灭绝事件是已知地质历史上最大规模的物种灭绝事件;而距今最近的大灭绝事件是发生于6600万年前的白垩纪-古近纪灭绝事件,小行星的撞击(英语:Chicxulub impactor)使非鸟恐龙和其他大型爬行动物灭绝,但一些小型动物逃过一劫,例如那时还像鼩鼱一样的哺乳动物。在过去的6600万年中,哺乳动物持续分化。数百万年前非洲的类猿动物(如图根原人)学会了直立[90]。由此它们得以更好地使用工具、互相交流,从而获得更多营养与刺激,大脑也越来越发达,最后进化成人类。人类借助农业和文明的发展享受到了地球上任何其他物种都未曾达到的生活品质,也反过来影响了地球和自然环境[91]。
在15至45亿年后,地球的转轴倾角可能出现最多90度的变化。据推测,从现在起算,地球表面的复杂生命发展还算年轻,活动能够继续达到极盛,维持约5到10亿年,不过如果大气中氮气完全消失,这个时间将会延长到23亿年[92][93][94]。地球在遥远未来的命运与太阳的进化紧密相连,随着太阳核心的氢持续核聚变生成氦,太阳光度将持续会缓慢增加,在11亿年后增加10%,35亿年后则增加40%之多[95],太阳释放热量的速度也将持续增长。根据气候模型,地球表面最终将会受到太阳辐射上升会产生严重后果,最初只是极冠变为热带地区,但长久下去,海洋将会汽化并消失[96]。
地球表面温度上升会加快无机碳循环,降低大气二氧化碳含量。大约5至9亿年后,大气中二氧化碳含量逐渐会低到10ppm,若没有进化出新的方法,连C4类植物都无法生存[92]。植被的缺失会使地球大气含氧量下降,地球上的动植物就会在数百万年内灭绝[97]。此后预计再过十几亿年,地表水就会消失殆尽,地球平均温度也将上升到70 °C(158 °F)[97]。即使太阳永远保持稳定,因为大洋中脊冒出的蒸气减少,约10亿年后,27%的海水会进入地幔[98],海水的减少使得温度变化剧烈而不利复杂生命。
50亿年后,太阳进化成为红巨星,地球表面此时将不能形成复杂的分子。模型预测太阳将膨胀至约目前半径的250倍,大约1 AU(150,000,000 km)[95][99],地球的命运目前仍尚不明确。成为红巨星时,太阳会失去30%的质量。因此若不考虑潮汐的影响,当太阳体积最大时,地球会移动到约距太阳1.7 AU(250,000,000 km)远处,将摆脱落入膨胀太阳的外层大气内的命运;然而即使真是如此,太阳亮度峰值将是目前的5,000倍,地球上剩余的生物也难逃被阳光摧毁的命运[95]。2008年进行的一个模拟显示,地球的轨道会因为潮汐效应的拖曳而衰减,使其落入已成为红巨星的太阳大气层而蒸发掉[99]。
地球大致呈椭球形。地球自转的效应使得沿贯穿两极的地轴方向稍扁,赤道附近略有隆起[101]。从地心出发,地球赤道半径比极半径高了43千米(27英里)。[102]因此,地球表面离地球质心最远之处并非海拔最高的珠穆朗玛峰,而是位于赤道上的厄瓜多尔钦博拉索山的山峰[103][104][105][106]。地球的参考椭球体平均直径约为12,742千米(7,918英里),约等于(40,000 km)/π,这个整数并非巧合,而是因为长度单位米的最初定义是经过法国巴黎的经线上赤道与北极点距离的一千万分之一[107]。
由于局部地势有所起伏,地球与理想椭球体略有偏离,不过从行星尺度看,这些起伏和地球半径相比很小,最大偏离也只有0.17%,位于海平面以下10,911米(35,797英尺)的马里亚纳海沟与海拔8,844米(29,016英尺)的珠穆朗玛峰只产生0.14%的偏离。若把地球缩到台球大小,地球上像大型山脉和海沟那样的地方摸上去就像微小瑕疵一样,而其他大部分地区,包括北美大平原和深海平原摸上去则更加光滑[108]。
地球的总质量约为7024597000000000000♠5.97×1024 Kg,即是5,970尧克(Yg)。构成地球的主要化学元素有铁(32.1%)、氧(30.1%)、硅 (15.1%)、镁(13.9%)、硫(2.9%)、镍(1.8%)、钙(1.5%)、铝(1.4%);剩下的1.2%是其他微量元素,例如钨、金、汞、氟、硼、氙等。由于质量层化(质量较高者向中心集中)的缘故,据估算,构成地核的主要化学元素是铁(88.8%),其他构成地核的元素包括镍(5.8%)和硫(4.5%),以及质量合共少于1%的微量元素。构成地幔的主要矿物质则包括辉石(化学式为(Mg,Fe,Ca,Na)(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6)、橄榄石(化学式为(Mg,Fe)2SiO4)等[109]。
至于地壳的化学构成,氧是地壳内丰度最高的元素,占了46%[110]。地壳中的含氧化合物包括水、二氧化硅、硫酸钙、碳酸钙、氧化铝等,而地壳内含量最高的10种化合物、绝大部分构成地壳常见岩石的化合物均是含氧化合物[111][112]。有些岩石则是氟化物、硫化物和氯化物,但氟、硫和氯在任何地方岩层中的总含量通常远少于1%。占地壳浅表90%以上体积的火成岩主要由二氧化硅及硅酸盐构成。地球化学家法兰克·维格氏维尔·克拉克(英语:Frank Wigglesworth)基于1,672个对各种岩石的分析进行计算,推论出99.22%的岩石是以下表列出的氧化物构成,亦有其他含量较少的成分[112]。
地球内部如同其他类地行星一样,可根据化学性质或物理(流变学)性质分为若干层。然而,地球的内、外核具有明显的区别,这是其他类地行星所没有的特征。地球外层是由硅酸盐矿物组成的地壳,下面又有一层黏稠固体组成的地幔。地幔和地壳之间的分界是莫氏不连续面。地壳的厚度随位置的不同而不同,从海底的6公里到陆地的30至50公里不等。地壳以及地幔较冷、较坚硬的上层合称为岩石圈,板块也是在这个区域形成的。岩石圈以下是黏度较低的软流圈,岩石圈就在软流圈上方滑动。地幔晶体结构的重大变化出现在地表以下410至660公里之间的位置,是分隔上地幔及下地幔的过渡区(英语:Transition zone (Earth))。在地幔以下,是分隔地幔和地核的核幔边界(古氏不连续面),再往下是黏度非常低的液体外地核,最里面是固体的内地核[114]。内地核旋转的角速度可能较地球其他部分要快一些,每年约领先0.1–0.5°[115]。内地核半径1,220公里[116],约为地球半径的1/5[117]。
同位素 | 产生热能 (瓦/每千克同位素) |
半衰期 (年) |
在地幔中的比例 (每千克同位素/每千克地幔) |
产生热能 (瓦/每千克地幔) |
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238U | 94.6 × 10−6 | 4.47 × 109 | 30.8 × 10−9 | 2.91 × 10−12 |
235U | 569 × 10−6 | 0.704 × 109 | 0.22 × 10−9 | 0.125 × 10−12 |
232Th | 26.4 × 10−6 | 14.0 × 109 | 124 × 10−9 | 3.27 × 10−12 |
40K | 29.2 × 10−6 | 1.25 × 109 | 36.9 × 10−9 | 1.08 × 10−12 |
地球内部产生的热量中,吸积残余热约占20%,放射性衰变热则占80%[121]。地球内的产热同位素主要有钾-40、铀-238、铀-235及钍-232[122]。地心的温度最高可达6,000 °C(10,830 °F)[123],压强可达7002360000000000000♠360 GPa[124]。因为许多地热是由放射性衰变而来,科学家推测在地球历史早期、在半衰期短的同位素尚未用尽之前,地球的内热可能产生得比现在更多,在30亿年前可能是现在的二倍[121]。因此当时延着地球半径的温度梯度会更大,地幔对流及板块构造的速率也更快,可能生成一些像科马提岩之类,以现在地质条件难以生成的岩石[125]。
地球表面平均散热功率密度为87 mW m−2,整个地球内部散热总功率为4.42 × 1013 W[126]。地核的部分热量通过高温熔岩向上涌升传到地壳,这种热对流叫做地幔热柱。因此地幔会出现热点及溢流玄武岩(英语:flood basalt)[127]。地球的热能还会在板块构造中通过地幔逐步上升到中洋脊而流失。另一种热能流失的主要方式是借由岩石圈的热传导,主要发生在海底,因为海底的地壳比陆地的要薄[128]。
位于地球外层的刚性岩石圈分成若干板块。这些板块是刚性的,板块之间的相对运动发生在以下三种边缘:其一是聚合板块边缘,在此二个板块互相靠近;其二是分离板块边缘,在此二个板块互相分离;其三是转形板块边缘,在此二个板块互相横向错动。在这些板块边缘上,会出现地震、火山活动、造山运动以及形成海沟[130]。这些板块漂浮在软流圈[n 10]之上[131]。
随着板块飘移,海洋板块俯冲到聚合板块边缘的前缘下方。同时,地幔物质于分离板块边缘上升至地壳,产生了中洋脊。这些过程使得海洋地壳一边从地幔中不断产生,一边不断地回收到地幔中,因此海洋地壳的年龄大多低于1亿岁。现今最古老的海洋地壳位于西太平洋地区,其年龄估计约为2亿岁[132][133]。相较之下,最古老的大陆地壳年龄约为40.3亿岁[134]。
目前地球的主要板块为太平洋板块、北美洲板块、欧亚大陆板块、非洲板块、南极洲板块、印度-澳大利亚板块以及南美洲板块。另外还有阿拉伯板块、加勒比板块、位于南美洲西海岸外的纳斯卡板块以及位于南大西洋的斯科舍板块等板块比较有名。印度-澳大利亚板块是澳大利亚板块与印度板块在5,000万至5,500万年前融合形成的。在这些板块中,大洋板块位移速率快,大陆板块移动速率慢:属于大洋板块的科科斯板块位移速率为每年75毫米[135],太平洋板块则以每年52至69毫米的速率位移;而属于大陆板块的欧亚大陆板块,平均以约每年21毫米的速率行进[136]。