· 正 · 文 · 来 · 啦 ·
同学们好！我们这一章的内容是：地球的物理性质和圈层结构。为什么是这样一个怪怪的题目呢？到后面我们就会知道，这个题目并不怪，因为地球的物理性质和圈层结构是互为因果的，它们对地球的运动和演化有着决定性的制约作用。在研究地球物理性质的历史中，产生了许多优美的科学传奇，我们从中可以领略到人类是如何巧妙地揭开地球内部奥秘的，有时候真的需要开很大的脑洞。
那么，我们现在先来探索一下地球的内部。这句话说起来容易，但真想做，却难道了一大批人，到目前为止甚至都不能认为已经解决了。
在我们形容一个人进退两难的境地的时候，我们一般会说“上天无路，入地无门”，这源于宋代的这么一个典故：“进前即触途成滞，退后即噎气填胸，直得上天无路，入地无门。”
不过，人们认为上有天堂，有美好的东西，下有地狱，是邪恶之处，中间是人间，这本身也是一个层次结构。所以在形容某人不知好歹，敬酒不吃吃罚酒，自寻死路时，会说一句“上天有路你不走，入地无门偏进来”。
现在，我们源于认识论，其起点是眼见为实，所有的经验积累和科学研究设计都必须符合这一逻辑。如今的人类，载人宇宙飞船已经可以遨游太空，深海探测器已经可以下潜到万米深的马里亚纳海沟；人类已经可以预报天气，但却无力预报地震。因为我们抬头可看见天上几十米，甚至上百米空间，可低头哪怕是望穿土层几厘米，甚至几毫米也不可能。真可谓是“上天有路，下海有法，入地无门”呀。
即使我们到了世界上最深的地方，也不可能看到地球的内部是什么，这张照片是美国深海探测器在世界上最深的地方，马里亚纳海沟进行探测。
那么，地球内部究竟是什么样子呢？是否像传说中那样有十八层呢？目前人类研究地球内部圈层结构的主要手段是什么？这都是值得我们深思的问题。
曾经有人想象出地球内部是空心的，或称为“地球空心论”，出现至今已有三、四百年了。尽管现代科学已经证明地球是一个圆形的实体，但空心地球理论也并非是违反科学、荒诞不经的妄言臆断，其实它恰恰源于十分严肃的科学研究。第一个提出“空心地球”设想的正是大名鼎鼎的、发现了哈雷彗星的英国天文学家哈雷。哈雷认为空心的地球里面还有三个层层相套的球体，就像俄罗斯套娃一样，该理论的确是基于实际的观察研究，是为了解释地球多个磁场的位置和强度不断变化的问题，这一发现导致“磁偏角”理论的确立和陀螺仪的发明，至今仍然对航海、航空、航天发挥着重要影响。
1838年，美国的一支探险队发现了南极洲，开始被认为是进入地心的入口。几百年来，以“空心地球”、“地心人类”为背景的各类作品层出不穷、绵绵不断，成为最热门的题材之一。迄今为止，“地球空心论的信仰者”们虽然未找到“空心地球”的直接证据，却先于科学家们表达了部分真理。他们真正关心的问题是：地球内部究竟长什么样?
比如，相关的作品，远的有十九世纪法国科幻作家儒勒·凡尔纳大作《地心游记》。
近的，有最近几年热播的电影《地心历险记》，都已经拍了三集了。大家是否看过呢？这几部电影，总体还属于硬科幻的，至少是我喜欢的类型。有关电影的详情呢，我不想在这里介绍，有兴趣的可以找来看看。
现在我们知道，46亿年前，太阳星云分化形成原始地球，那个时候温度较低，轻重元素浑然一体，尚无圈层分异。原始地球一旦形成，就有利于吸集更多星子，使其体积和重量迅速增加，同时因重力分异、放射性元素蜕变以及星体撞击等因素，导致原始地球迅速增温。当原始地球内部温度达到熔融状态时，亲铁元素比重大就下沉形成了铁镍地核，亲石元素上浮组成地幔和地壳。更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始大气圈、水圈。这个时间约在42亿年前。
地球最初分异出来的是地核和地幔，并没有地壳，地壳是后来从地幔里面长出来的。地壳和地幔的成分有很大的差异，主要就是地幔岩石的SiO2的含量比地壳要低。地球形成早期是非常热的，在高温的驱动下，物质开始分异，重的下沉，轻的上升。最后一次大撞击更是在地表形成了一个非常深的岩浆海，更是加剧了分异。这时候的地表可能非常恐怖：一方面是表层冷，岩浆会有一部分凝固，另一方面，内部热，岩浆又会源源不断的涌出。大家看到的这两幅图，左边是早期地球的想象图，右边是位于埃塞俄比亚一个火山顶部的岩浆湖。这个岩浆湖自1906年以来就存在，是目前世界上存在时间最长的岩浆湖，地球的早期可能就像这个岩浆湖。
这么热的地球，水肯定是无法存在的，那么地表的海洋又是从哪里来的呢？
在地球形成的早期，从宇宙中带来的原始气体——氢与氦就已散失了。后来地球上的大气圈，是从地幔物质中分离出来而逐渐形成的，起先的大气成分主要是水蒸气，还有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等，没有现在那么多的氮气和氧气。直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的。随着地球上的温度逐渐降低（<100摄氏度），大气中的水蒸气陆续凝结出来，才形成了广阔的海洋。不过那个时候的海水仍然缺少氧，还含有许多酸性物质。这样的说法，是认为地球刚一形成时便已存在足够的水。
但是，有科学家提出质疑，地球诞生初期温度很高，能蒸发掉任何液态水。那么最大的可能是地表温度降下来之后，彗星带来的水或者冰变成了世界上第一批海洋。也就是说，海洋源于彗星撞击。丹麦科学家后来证明了这种可能性：大约38.5亿年前，撞击地球的“肇事者”是冰质彗星而非岩质小行星，这个研究成果发表于2015年的《国际太阳系研究》这个杂志中。
目前，人们普遍认同的地球内部圈层结构是这样的一个模型，包括地球内部圈层结构和地球外部圈层结构两部分。其中内部圈层结构从里向外分别是地核、地幔和地壳；外部圈层结构从地表向上分别是水圈、生物圈和大气圈。当然，这些圈层之间有很多是相互渗透的。
在地球的内部圈层中，我们往往还将地核分成内陆核和外地核，因为后来的研究发现，二者的物质形态不一样，由于引力的影响，地球内核的压力最大，温度也最高，高到可以与太阳表面相媲美，比重高的铁和镍元素都沉到了这里，在强大的压力下，这些元素的原子挤在了极小的空间里，形成了特殊的高温固体。外地核呢，温度也非常高，但因为没有了强大的压力，所以呈液态。继续往上，温度降低，地幔的重元素没有那么多了，因为温度也很高，所以呈熔融态或者固态。再到地壳，温度就比较低了，生物圈在这一层就开始出现了。
咦，这个结构怎么这么像鸡蛋呢？蛋壳、蛋白、蛋黄。那么我们不如来顺便做一个比较。我们可以看到，地球如果是鸡蛋，一定是一个软壳蛋，因为它的厚度只有对应鸡蛋壳的一半大小；蛋黄也要相应地要小一些。即便如此，人类目前向地心探索的进程还不及蛋壳的1/10呢。
能否通过深钻的方式来了解地球内部呢？在在1960年到1962年间的太空竞赛期间，考虑到经济利益与国家自信心的结合，促使前苏联科学家计划钻出一个“俄罗斯超深钻探”。这一工程耗时将近二十年，他们挖出的洞穴，垂直深度达到一万三千米，是世界上最深的已知洞窟。因为涉及高度军事机密，所以“地球望远镜”计划始终都在绝对封闭的状态下进行，外界很少有人知道其中的内幕。人类设计出了天文望远镜，可以用肉眼来窥探宇宙星空的秘密，但是人的眼睛却不能穿透地面，所以才将穿透地层的深渊，称为“地球望远镜”，可以借助它来直接观测地底物质。
也许大家还记得，在高中物理课上，我们做过一个穿越地心的题目：穿过地心，需要多久？具体来说，就是如果能挖一个穿越地心的洞，将地球两端连起来，一个人从洞的一头掉落到另一头出现所需的时间是多少？不过，做这个题目的时候，一般给出了一些先决条件：必须先建造出能承受高热和高压的隧道，人的身体也要能承受这种环境并能应对2万9千公里的最高速度。为了计算方便，一般还要忽略风阻，这样地心两边的用时是一样的。最后，大家可能都获得了计算结果：42分12秒。不过，来自加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的一位物理学毕业生AlexanderKlotz在这个问题较真，他认为，地球中的物质并不是匀质的，这对重力和加速度影响很大。他的计算结果是，如果将地球地层的不同密度考虑在内，穿越地心之旅应比预计快4分钟。他将这个结果发表在《美国天体物理学杂志》上。看来，高中物理题目如果认真研究，也是可以发表在高端科技杂志上的。
不仅可以做题目，还可以写科幻小说。刘慈欣的《地球大炮》就是以穿越地心为主题的科幻小说。该小说描述了一个称为“南极庭院工程”的设想，就是修一条从北京到南极穿过地心的隧道，于是花费的时间就比从北京去天津还快一些。不过，该工程带来了许多灾难，我们举一个例子吧，小说中称 螺栓失落灾难，就是列车上的一个螺栓不小心失落了，然后它就来回在隧道中穿梭，特别是在地心，碰到什么就砸烂什么，穿越隧道的交通服务不得不停止，人们将这些灾难归罪于工程的设计者。后来，剧情出现了反转。半个世纪以后，隧道被后人改造成用于普通人进行宇宙航行的发射基地。科幻作家凡尔纳曾经提到过一个登月大炮的设想，按照他的构想，加速度非常大，人是会被压成肉浆的。而实际上现在宇宙飞船是利用火箭逐步加速到第二或者第三宇宙速度的，即便如此，由于火箭加速的时间还是非常有限，因此短期内加速度也比较大，只有受到专门训练的宇航员才行。我们试想一下，如果有足够长的炮管，炮弹以温柔的加速度慢慢加速，这样人人不需要宇航员的身体就能遨游太空了。
正如那个较真穿越地心题目的学生所在乎的，地球中的物质并不是均质的，组成的物态也不是一致的，那么我们的根据是什么呢？那就是最基本的物理现象，波在介质中传播的速度与介质有关。具体来说，这里就是测定地震波速，地震波在岩石中传播的速度，通常与岩石类型、围限压力、岩石结构以及其他地质因素有关。地震波主要有两种传播形式：纵波和横波。它们有一些非常重要的特性，比如，纵波(P)能通过三态物质，横波(S)只能通过固态。所以，地震波通过不同密度介质时波速不同，在越过不同介质时还会发生折射现象，波速变化意味着介质密度和弹性性质发生变化。比如，这张图就是地球内部不同圈层的地震波速变化情况。
关于内部圈层的物理特性及变化，我们这里还列了一张表，大家可以暂停慢慢体会和比较一下各圈层的变化情况。注意在地幔与上、下层分别出现了两个不连续面，莫霍不连续面和古登堡不连续面。不连续面的存在，标志着地球内部物质在此层上下面有明显区别，因此成为地球内部圈层构造的界面。同样，在地核，也就是因为观察到利曼不连续面，才确定地核有两个非常不同的内核和外核。但总体上，我们应该记住的是地球内部的物态是固-液交替变化；密度、压力和温度随深度增加；而重力是随深度变化的，注意，我们这里没有说重力是随深度增加，为什么？
岩石圈，是指地球上部坚硬的岩石圈层，厚约60~120公里，为地震高波速带。包括地壳的全部和上部地幔的顶部（图上标注的地函，是地幔的另一种说法），岩石圈由花岗质岩、玄武质岩和超基性岩组成。超基性岩是一个地质学名称，指二氧化硅含量小于45%，铁、镁的含量高，并且不含石英。由于岩石圈包括了地壳和上部地幔，实际上与我们经常所说的板块概念是一样的。软流圈。是指岩石圈以下的上部地幔圈层，在地下60～250公里的地方。地震波的波速在这里明显下降，所以又称低速带。温度约1300℃左右，压力3万个大气压，接近岩石的熔点，以半粘性状态缓慢流动。在我们后面将要谈到的板块构造理论中的地幔对流运动，就是在软流圈中进行的。岩石圈板块也就漂浮在软流圈之上，并发生板块运动。
所谓板块运动，就是说由岩石组成的地球表层并不是整体一块，而是由板块拼合而成。全球大致分为六大板块，各大板块处于不断运动之中。由于它的运动，带来了大陆漂移和海底扩张。大陆漂移学说认为，所有大陆在中生代以前曾是统一的巨大陆块，称为泛大陆或联合古陆，中生代以后开始分裂并漂移，逐渐达到现在的位置。海底扩张学说认为，洋中脊热的地幔物质不断上涌，冷却后形成新洋底向两侧推移，扩张速度每年为数厘米，2亿年整个洋底将彻底更新一遍。这个是一简单数学问题，2亿年扩张了近10亿厘米，换算一下，就是1千万米，那就是一万公里左右。
传统观点认为，火星上没有类似地球的板块运动，是相对“平静”的。美国科学家借助火星探测飞船拍摄的图像进行了分析，否定了这个认识。“好奇”号火星车的调查发现火星与地球表面存在相似之处，正处于板块构造的最初阶段，可以借此了解地球早期的模样，以及地球板块构造的形成。最近研究又发现，地球和火星板块构造过程并不相同，它们之间存在重大差异。地球板块构造是在全球范围内进行的，而火星的板块仅仅表现出原始的局部性运动。
这一部分的内容到此结束，待会儿见。
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