第三节 地球
第三节 地球
我们所居住的星球，作为行星的一员，有资格在天体中谋得一席之地，即便它没有吸引我们注意的特别之处。虽然与宇宙中的大型天体相比，甚至与太阳系中4颗大行星相比，其体量是渺小的，但是在其所属的集团中它是最大的。其人类家园的称号毋庸置疑。
地球是什么？我们将对其进行最详细的描述，地球的直径将近8 000英里，在各部分相互引力的作用下成为一个球体。众所周知地球不是标准的球形，而在赤道处略为凸出。测定其形状和大小是一个极大的难题，我们不能说已经得到令人满意的答案。难度显而易见，因为无法跨越大洋测量距离，所以那些在大陆的海岸上看到的岛屿或者互相对望的岛屿测量起来不可避免地受到局限。测量也无法达至两极。因此，必须从跨越大陆和沿着大陆的测量中推断出地球的大小和形状。[1]鉴于此项工作的重要性，主要国家必须不时投入这项工作中。美国海岸和大地测量局（Coast and Geodetic Survey）已经完成了三角形中从大西洋至太平洋那条边的测量。北面在北冰洋沿岸的测量工作和南面在太平洋沿岸的测量工作已经启动，或正在进行中。英国不时在非洲进行同样的测量工作，俄国和德国则在各自的版图内进行测量工作。测量出的地球近似椭球体，其较小的直径是两极的连线。椭球体的尺寸如下：
极直径：7 899.6英里，或者12 713.0千米。
赤道直径：7 926.6英里，或者12 756.5千米。
由此可见，赤道直径比极直径长27英里或者43.5千米。
地球内部
我们通过直接观察所了解的基本上完全局限于地球表面。人类曾经挖掘的最深处相比球体的大小就像苹果皮之于苹果本身。
我请读者首先关注地球的重量、气压和引力。泥土是地球外表面的一部分，我们看一下1立方英尺的泥土。地球上层的这1立方英尺泥土施加在其底部的压力是自身的重量，可能是150磅。其下面的1立方英尺泥土与其重量相同，那么施加在其底部的压力就是这块泥土自身的重量加上它上面那块泥土的重量。越往地球深处压力也随之增加。地球内部每平方英尺面积上承受的压力等于1平方英尺面积上直至地球表面的柱形的重量。地球表面以下不超过几码压力便以吨计，1英里深处压力可能是30或40吨，100英里深处压力达数千吨，直至地心压力持续增加。在这样巨大的压力下，组成地球内部的物质被压缩至金属的密度。这个问题我们将按照内容安排在后面讲解。已知地球的平均密度是水的5.5倍，而其表层密度仅是水的两三倍。
地球最值得注意的情况之一是，随着深入地表，矿井深处温度持续升高。上升幅度在不同纬度和不同地区各有差异，通常平均每下降50或60英尺上升1华氏度。
首先出现的问题是，温度增加这个现象会深入地球内部多深呢？我们的回答是，这个现象不可能只在表层，因为如果只存在于表层，地球的外部早在很久以前就冷却了，在地表以下热量也不会显著增加。自地球存在以来热能保持不衰，这一事实说明这个现象一直到地心都一定仍然很剧烈，地表处温度增加的幅度肯定会在深入地球内部几英里后继续上升。
按照这个趋势，在地表下10或15英里深处，地球中的物质将是红热的，100或200英里深处，高温足以融化组成地壳的所有物质。这一事实使地质学家认为，我们的星球实际上是一团像熔化的铁一样熔融的物质，外面覆盖了一层几英里厚的冷却的硬壳，我们就生活在这层硬壳上。火山的存在和地震的发生增加了这个观点的说服力。地球内部构造见图15。
图15 地球内部(https://www.daowen.com)
但是近些年天文学家和物理学家所收集的证据表明，地球从地心到地表都是固体的，甚至比相同质量的钢还坚硬，这些证据之确凿如同证据本身一样毋庸置疑。凯尔文爵士（Lord Kelvin）最早对这个问题做了最全面的阐述。他指出，如果地球是包裹了一层硬壳的液体，月亮的作用就不会引起海洋的潮汐，而只会将整个地球向月球方向拉，并不改变地壳和水的相对位置。
还有一个奇特的现象同样不容置疑，即地球表面纬度的变化，这个问题我们马上就要讲到。内部柔软的星球不能像地球这样转动，不仅如此，甚至硬度不大于钢的星球也不能像地球这样转动。
接下来，我们如何合理地解释极高的温度和固态并存呢？似乎只有一个合理的解释：地球内部的物质因为巨大的压力而保持固体。实验证明，大多数类似地球中的石头的物质温度升高至熔点时受到巨大的压力，在压力的作用下这些物质会再次成为固体。由此可见，温度升高的同时只要增大压力就可以使地球中的物质保持固体。因此，问题的答案就是，随着向地球内部深入，压力增加的幅度大于温度升高的幅度，如此整个球体便一直保持固体。
地球的引力和密度
关于地球的另一个有趣的问题是地球的密度。我们知道，铅块比相同体积的铁块重，铁块比相同体积的木头重。如果从巨大的地球深处取出1立方英尺，那么有什么办法测量其重量吗？如果有，我们便能够测量整个地球的实际重量。取得问题的结果取决于物质的引力。
每一个小孩从开始走路的时候就熟悉引力，但是最渊博的哲学家也不知其缘故，科学家也未发现有任何东西遵守它，除了些许普遍的事实。这些事实中最广为流传并且最具普遍意义的就是艾萨克·牛顿爵士的万有引力理论，这个理论据说涵盖了所有问题。根据这个理论，地球表面上的所有物体都在这个神秘力量的作用下向地心的方向掉落，这个神秘的力量不只存在于地心，而是源于组成我们这个星球的物质的每一个粒子所施加的吸引力。起初，事实是否如此尚待考证。甚至惠更斯（Huyghens）这样伟大的哲学家和物理学家也认为这个力只存在于地心，而不是如牛顿所认为的存在于每一个粒子。而牛顿却进一步发展他的理论，指出现已查明的宇宙中的物质，其每一个粒子都在这个力的作用下吸引其他粒子，而这个力随着距离的平方的增加而减弱。这意味着，距离加倍引力就要用4去除，距离是3倍引力就要用9除，距离是4倍引力就要用16除，以此类推。
清楚了以上问题，另一个问题随之而来。我们周围的所有物体都有各自的引力，那么我们能够用实验揭示这个力，测量出这个力的值吗？数学理论表明，球体可以凭借与其直径相称的力吸引在其表面上的小物体。一个直径2英尺的球体，与地球比重相同，其引力是地球引力的 1/20 000 000。
有几个物理学家成功地测量了直径在1英尺左右的铅球的引力。这项测量工作的精细程度和难度前所未有，所达到的精度似乎是从前难以想象的。所使用的设备原理都是最简单的。一个重量非常轻的杆子用一根最细的线水平吊在球的正中间，这根线是用所能找到的柔韧性最好的材料做成的；在杆子的两端各加一个小球以保持杆子的平衡。所测量的是这个铅球施加在这两个小球上的引力。铅球放置的位置要能使铅球的引力集中作用在杆子上，使杆子在水平面上发生非常小的扭动。为了说明这项测量的难度，我们必须想到这个引力可能还不及这两个小球重量的1/100 000 000。寻找重量不超过这个力的物体是非常困难的。用一只苍蝇的重量和这个力做比较就像用一头公牛的重量和一剂药做比较。不要说一只蚊子的重量，就连蚊子最细的一条腿也可能超过要测量的这个力。把蚊子放在显微镜下，专业操作人员可以从一条触须上切下一小片，小到足以代表要测量的这个力。
美国度量衡标准局的赫尔（Heyl）测算出万有引力的常数。他测算的结果是，地球的平均密度是水的密度的5.5倍略多一点。这个结果比铁的密度稍小，但是比任何普通的石头都大很多。由于地壳的平均密度也就是这个数值的一半，从而可以推断地心的密度一定被压缩得不仅远远大于铁的密度，而且很有可能超过铅的密度。
早在100多年前就已经测量出了山的引力。1775年，马斯基林（Maskelyne）首次揭示了苏格兰的舍哈连山的引力。可以很明显地看出，对所有高山进行的密度测量都是在垂直线上进行的。
纬度的变化
我们知道，地球的自转轴穿过地球中心与地球表面相交在两极。想象我们站在地球的一个极点上，拿着一根固定在地上的旗杆，我们将在地球自转的作用下每24小时围绕旗杆转动一周。我们之所以能感受到这个运动，是因为太阳和星星在周日运动的作用下看上去在地平圈上沿反方向运动。现在我们有了一个重大发现——纬度处于变化之中：地球的自转轴与地球表面的交点不是固定的，而是在沿着直径将近60英尺的圆周做不规则不固定的曲线运动。也就是说，站在北极点上日复一日地观察极点的位置，会发现极点每天或多或少移动几英寸，经过一段时间后，围绕一个圆心走出一条曲线，在这个过程中极点离圆心时远时近。这个不规则的圆周运动的周期是14个月。
既然我们从未到过极点，那么问题来了：这个现象是如何被发现的呢？答案是，通过天文观测，我们可以在任何一天的夜晚测量当地的垂直线和当日地轴的精确角度。为了进行这项观测，国际大地测量协会于1900年环绕地球建立了四个观测站。其中一个观测站在马里兰州盖瑟斯堡附近，另一个在太平洋沿岸，还有一个在日本，最后一个在意大利。在这些观测站建立以前，欧美的许多地方都进行过此项观测。
我们刚刚所讲的纬度变化现象最初是由德国的库斯特耐尔（Küstner）于1888年提出的，他是在大量的天文观测中意外发现这个现象的。从此便开始了旨在测定精确的曲线轨迹的科学研究。迄今为止的观测显示，这个变化在某些年份较大，在某些年份较小，1891年变化相当大，而1894年变化就非常小。观测显示，7年当中会有一年极点运行的圆圈较大，而3~4年之后，会有几个月极点几乎不离开圆心。
如果地球是由液体构成的，或者是由硬度相当于钢铁的物质构成的，那么地轴是不可能像这样运动的。因而，我们的星球一定比钢更坚硬。
大气层
无论在天文学意义上还是在物理学意义上，大气层都是地球最重要的要素之一。尽管它是我们生活中所必需的，但它依然是天文学家必须逾越的最大屏障之一。它对穿越其中的所有光线都或多或少地吸收了一些，因而我们所看到的天体的颜色是有些许改变的，即使在最晴朗的天气，也因此而略微暗淡。大气层还对穿越其中的光线产生折射，使光线画出略微弯曲的轨迹，凹面面向地球，而不是垂直射进天文学家的眼睛。这种现象使得星星看起来离地平线比实际略高。从天顶径直射下的星光不发生折射。星星离天顶越远折光越严重，然而即使离天顶45°远，折光之差也只有1′的弧度，这大约是肉眼能够清晰察觉的最小距离，对天文学家则意义重大。天体离地平线越近，折光率越大；折光率在地平线之上28°是在地平线之上45°的大约2倍；在地平线上眼见的天体由折光引起的升高已在半度以上，比太阳和月球的直径都要大。这种情况导致的结果是，当我们在日落或者日出看到太阳即将触到地平线时，太阳实际上已经全部在地平线以下。我们看到的完全是太阳光发生折光的结果。地平线附近折光率增大导致的另一个结果是，在地平线附近太阳明显看起来扁平，其垂直直径要比水平直径短一些。有机会在海上看日落便可以注意到这种现象，其产生的原因是太阳底部边缘的折光率大于太阳顶部边缘的折光率。
当太阳在热带晴朗的空气里慢慢落进大海的时候，会看到一种美丽的景象，而这种景象在我们所处的纬度这种能见度较低的空气中几乎从未出现过。这种景象的产生缘于大气层中各种光线不相等的折射率。大气层同三棱镜一样对红光的折射率最低，光谱中按照折射率由低到高排列，红色后面的颜色依次为黄色、绿色、蓝色和紫色。这种情况导致，当太阳的边缘渐渐沉入大海的时候，这些光线也依次相继消失。在太阳即将消失前两三秒钟，太阳的余晖变化颜色并迅速变得暗淡。最后一瞥是转瞬即逝的一道绿色的闪光。
[1]如今人造卫星技术能够更轻松地实现测量。——编者注
