地球是如何形成的

    地球，我们美丽的家园。尽管它仅仅是太阳系中一颗普通的行星，但有很多方面确是独一无二的。比如，它是太阳系中上唯一一颗表面大部分被水覆盖的行星，也是目前所知唯一一颗有生命存在的星球。而且，地球地质活动的激烈程度，在行星中也是首屈一指的。大约170多万年前，人类在地球上诞生，但人类知道自己生存在一个不大、且极其普通的行星之上，却仅是近几百年的事。数千年来，人类对自己的生存空间产生过各种想象，也编织出了无数美丽的传说，比如盘古开天辟地、女娲补天等。

    自古以来，人类也以各种各样的方法探索着宇宙、星星，但至今为止，还没有确切地发现其他星球有生命存在。在太阳系与行星和它们的卫星中，只有地球有生命，地球也奉献出它所有的一切，无私地哺育着我们人类。

    地球与它的母亲

    在很久以前，太阳系是由一团星云收缩而成的。在收缩过程中，星云的中央部分温度增加，从而形成了最原始时期的太阳。当太阳的中心温度达到700万℃时，它就会发生氢聚变为氦的热核反应。这种剧烈且迸发巨大能量的反应，就产生了我们今天看到的太阳。

    然而，由于星云体积不断缩小，其自转速度也逐渐加快，离心力逐渐增大，因此在赤道面附近也逐渐形成了一个星云盘。星云盘上的物质经过不断的聚集，最后又演化为包括地球在内的8颗行星和其他小天体。太阳系是一个宠大的家族，内部包括太阳及围绕太阳旋转的8颗行星、50多颗围绕着不同行星旋转的卫星、数以万计的小行星以及彗星、流星体等。太阳系的空间范围很大。如果以太阳的轨道作为太阳系的边界，那么太阳系所占的空间直径可长达118亿千米。可是，太阳系也仅仅是银河系中极其微小的一部分而已。在庞大的银河系当中，类似太阳这样的恒星大约有1500亿颗，可见银河系的庞大至极！

    那么，太阳和地球有多少岁了呢？通常来说，年龄能通过多种不同的途径来确定。比如树木的年龄，我们就能根据树干的年轮纹数来计算，而太阳和地球的年龄，则可通过岩石中的放射性元素来计算。迄今为止，人类所发现的地球上最古老的岩石年龄约为35亿年，月球上岩石的年龄约为46亿年，而陨石的年龄基本都在47亿年之前。根据这种分析，再结合太阳系演化的研究，科学家们推断：太阳系的年龄应该为50亿年左右，而地球则是在距今46亿年前形成的。

    地球能给孕育生命，哺育人类，最大的功劳要归功于太阳。太阳比地球要大得多，其直径可达140万千米，约是地球的109倍；质量约为2000亿亿亿吨，相当于地球的33万倍。而且，太阳也是距离地球最近的一颗恒星，是太阳系中唯一能自身发光的恒星。

    每分钟，太阳辐射到地球表面的能量每可达8.16焦耳/厘米2，能使地表平均温度保持在14℃左右，适合生物的生存。如果没有太阳光的照射，那么地面温度会很快降到-273℃左右。

    太阳这些巨大的能量到底来自何处呢？

    研究发现，这些能量都来自于太阳的中心。太阳的中心属于一个高温、高压、高密度的环境。在这里，4个氢原子便可聚变为1个氦原子，同时释放出能量。而这种能量还要经历数千万年才能传到太阳表面，再辐射到周围空间，包括地球上。

    每秒钟，太阳会将大约6.3亿吨的氢转变为6.254亿吨的氦。这也就是说，太阳每秒钟就会失去460万吨的质量。而这些物质又会转化为辐射能量，就不再属于太阳了，所以我们可能会担心太阳有一天会因为“燃料”不足而熄灭。但事实上，太阳的质量是相当巨大的，即使在这种惊人的转化速度下，太阳仍有足够多的氢来保证这种燃烧过程持续进行。天文学家估算，从现今算起的50亿年后，太阳将进入一个氦核聚变的全新阶段。那时，地球上将热得难以忍受，海洋也会被烤干，生命将不复存在，甚至地球上也会被烧成灰烬。不过，这一切是要50亿年之后才可能发生的，现在担心还为时过早。

    地球的5个发展时期

    地球是人类的发源地，也是人类赖以生存和发展的行星，与人类关系密不可分。地球不仅以它无尽的宝藏养育着人类，为人类提供生殖繁衍的条件，甚至可以说就连人类本身也是地球发展到一定阶段的产物。正因为如此，古往今来不知有多少人在辛勤探索着地球的奥秘。

    如今，地球已有46亿年的历史，而人类的产生才仅仅300万年左右，人类文明史却只有6000年左右。因此，人类对地球的了解还是很少的。但是，地球也有其本身发展的规律及周期变化，人类根据地球上各种类型的岩石、化石、岩层变形的迹象、岩层或岩体之间关系等，利用各种方法和探测手段，将地球的演变发展分为5个时期。

    童年期：地球是太阳系的成员之一，与太阳系的起源密切相关。因此要探索地球的形成和早期演变史，肯定是离不开对太阳的探索了。而太阳系又是众多恒星中的一员，所以我们可根据恒星的演变规律推测太阳系以至地球的起源。

    通常来说，恒星演化大致可分为3个阶段：一是引力收缩阶段，即弥漫星云间的相互引力而聚集成一团团星云；二是核反应阶段，即原始星云间相互碰撞发热，内部进行剧烈的核反应；三是衰老阶段，即作为核聚变燃料氢和氮等逐步耗尽。

    根据这一规律我们可以推测，在距今50～60亿年以前，一团星云逐渐集中收缩，大部分物质逐渐进入中心，形成最初的太阳，并开始发光。此后，由于内部核反应产生的巨大能量，使得它时刻在发出光和热。

    最初时，地球可能就是由这些大小不一的星云团集聚而成的，但这时的地球还只是许多微星的集合体，此后在引力收缩和内部放射性元素衰变产生热的情况下不断受热，当内部温度达到一定程度时，便形成了地核和地幔。

    地球的童年应该从距今46亿年形成时期算起，大约延续到距今30亿年左右。

    少年期：从距今30亿年到5.7亿年这段时间，地球进入少年期，即前古生代时期。地球进入少年期是以最早出现的小块陆核为标志的，后来的大陆就是陆核扩大形成的。直到25亿年前，各大陆内相继形成稳定的小块陆地。到了距今17亿年左右，地球经历了一次稳定大陆形成事件，稳定大陆的面积才大大增加，大陆才差不多形成了它现在的规模。

    古生代期：古生代期的地层分早、晚两个时期，早期可分为寒武、奥陶、志留3个纪，晚期则包括泥盆、石炭、三叠3个纪。地球到了这个时期，已经历了几十亿年的演变，大气圈、水圈、岩石圈等都与今天地球的情况差不多。从石炭纪晚期开始，强烈的构造运动使地槽内的沉积岩和火山岩层发生剧烈褶皱，成为褶皱山系。这种构造运动不断进行，直到晚古生代末期才完成。这个运动也叫做华力西（阿尔卑斯山脉中的华力西山）运动。

    华力西运动使海水退去，大陆面积扩大，从而令生物界向大陆进军的进程又向前推进了一步。在古生代时期，植物界也从低等的水生藻类进化为较高等的陆生植物，动物界从低等的海洋无脊椎动物进化为鱼类和陆生爬行类动物，完成了向大陆的转化。中生代期：中生代期可分为三叠、侏罗、白垩3个纪，从距今2.3亿年起到6700万年前结束，延续时间约为1.6亿年。中生代开始后，地球出现了新的转折，各个陆块逐渐漂移到现代所处的位置，岩石圈也经历了一系列的变动。到了三叠纪末期，北美、南美间和欧亚、非洲间出现了较大的分裂，南部的几个陆块间也出现了分裂，并互相移开。到了侏罗纪晚期，陆块再次分裂，北美和欧亚大陆间，南美和非洲间，产生了一条南北方向的大裂隙，陆块向两边错开，海水浸入，这就是大西洋。到了白垩纪晚期，各大陆有继续移开，南大西洋有了明显的扩张。

    新生代期：新生代期是地质历史时期中最年轻的一个时代，包括现代在内的整个新生代大约为6700万年。虽然时间较短，但这个时期地球表面的海陆分布、气候状况及生物界面貌等，都逐渐演变为现代的样子。

    新生代期，非洲与欧洲的接近和印巴次大陆与亚洲的相撞，使得一部分岩石圈上层物质相互推挤，形成了南北半球之间绵延几乎达地球半周的雄伟的山系和高原，如阿特拉斯山、阿尔卑斯山、喀尔巴阡山、高加索山、帕米尔高原和山地、喜马拉雅山和青藏高原等等。这就是阿尔卑斯山造山运动和喜马拉雅山造山运动的产物。

    此外，在大陆边缘各种作用和岩石圈物质运动的作用下，互相挤压再次出现，从而形成了现在的许多山地、高原、盆地和平原。

    在新生代时期，各种动物也陆续出现，生物经过几十亿年的进化，也走过了从无到有、从低级到高级的发展阶段，并最终的新地质历史时期产生了人类。

    地球的形状

    关于地球的形状，从古到今人类就在不断探索。公元前五六世纪，古希腊哲学家认为地球是球形的。而到了公元前350年前后，古希腊学者亚里士多德根据月球上地影是个圆形，第一次科学地论证了地球是个球体。到了1519年，葡萄牙航海家麦哲伦完成了第一次环绕地球的航行，从而证实了地球是球形的观点。从此，人类就一直将自己所在的世界称为“地球”。

    那么地球有多大呢？最早算出地球大小的是希腊地理学家埃拉托斯特尼。他在公元前3世纪用三角测量法测量了阿斯旺和亚历山大城间的子午线长，得出地球的周长约25万希腊里（39600千米），与实际长度只差340千米。

    到了1672年，法国天文学家李希通过测定，发现地球赤道的重力比其他地方小，从而认为地球应该是扁球形的。到了17世纪末，英国科学家牛顿也研究了地球自转对地球形态的影响，理论上认为地球并非一个很圆的球形，而是个赤道处略隆起，两极略扁平的椭球体，赤道半径比两极半径长20多千米。到了18世纪中期，法国巴黎科学院又证实地球确实为椭球体。

    随着科技的发展，20世纪50年代后，很多种途径都可以测量地球的形状，尤其是人造卫星上天，再加上电子计算机的运用，人们可以更精确地测量地球的大小和形状了。通过实测和分析，确切的数据显示：地球的平均赤道半径为6738.14千米，极半径为6356.76千米，赤道周长和子午线方向的周长分别为40075千米和39941千米。测量还发现，北极地区约高出18.9米，而南极地区则低24～30米。

    通过数据我们可以得知，地球的形状类似一个梨：赤道部分鼓起，是“梨身”；北极有点尖，像“梨蒂”；南极有点凹进去，像“梨脐”。整个地球则像个梨形的旋转体，因此人们称它为“梨形地球”。其实更确切地说，地球应该是一个三轴的椭球体。

    相关链接——地球的变化与生命的出现

    地球大约诞生于46亿年前，刚刚诞生时的地球与今天也大有不同。根据推断，地球刚刚形成时是个由炽热液体物质（主要为岩浆）组成的炽热火球。随着时间的推移，地表温度不断下降，固态地核逐渐形成。同时，密度大的物质会逐渐向地心移动，密度小的物质（岩石等）则浮在地球表面，从而形成了今天这样一个表面主要由岩石组成的地球。

    自从诞生以来，地球就不断向外释放能量。由高温岩浆喷发释放的水蒸气、二氧化碳等气体，组成了稀薄的原始大气。后来，随着原始大气中的水蒸气不断增加，越来越多的水蒸气凝结为小水滴，再汇聚成雨水落入地表，这就形成了最初的海洋。

    海洋的形成为生命的诞生提供了条件。约38亿年前，最原始的生命体在海洋中诞生。此后，生命就不断向更复杂、更高级的方向进化。1859年，达尔文的《物种起源》解释了生命进化的原因。他认为，任何生命都存在变异和遗传，正因为变异和遗传，拥有差异的生物个体之间才越来越多。在自然条件下，不适应环境的生物种群会逐渐被淘汰，而适应环境的生物种群则得以生存繁衍。生命也是不断变异、繁衍和淘汰，从而令地球上的生命种类发展到今天数百万种。

    地球内部之谜

    陆地、海洋、高山、平原……是我们可以看得见的地球的外貌。可是，在地球的内部，究竟是什么样的呢？热的，或是冷的？固态，还是液态？空心，抑或实体？

    有意思的是，1818年，一位美国人，名叫西姆斯，他宣称地球内部是空的并且很适宜人类居住。人们要想走进地球里面，需要通过开在地球南极和北极附近的两扇大门。当时，居然有人对这种荒谬的说法信以为真，甚至为此组织了一支专门的探险队，乘船去南极洲寻找那扇通向地球里边的大门。当然，探险队最后肯定是失望而归了。

    其实，如果真有一扇像西姆斯说的“入地之门”，可以让我们知道地球内部的模样就好了。那我们就能直接进去瞧一瞧。可是，人类却是入地无门，因为迄今为止，最深的钻井也不过能钻11千米深，相对于半径为6371千米的地球来说，这个数字连一层皮都算不上。

    科学家们最后终于找到了利用地震波来揭开地球深处的奥秘这个办法。原来，巨大的地震使地球产生震动时会传出音波，如同巨锤撞击铜一样。这种音波不但有回声，还可以弯曲，碰到地底下不同物质时，会发出不同的音调。利用这种办法，科学家们就基本摸清了地球内部的组成结构，并根据不同深度的理化性能等，把地球分为三个部分，即地壳、地幔和地核。

    地壳

    地球最外面的一层是地壳。如果我们把整个地球比喻为一个蛋的话，那么地壳就好比是蛋壳。地壳厚度各地不同，高山地区比较厚，海洋地区比较薄，整个地壳平均厚度约18千米（大陆部分平均35千米）。

    我们可以把地壳分为上下两层。上层以氧、硅、铝这些化学成分主，因其平均化学组成和花岗岩相似，故将之称为花岗岩层，也有人叫它“硅铝层”。该层在海洋底部特别是在大洋盆底地区很薄，在太平洋中部甚至缺失，是不连续圈层。下层含硅和镁丰富，平均化学组成和玄武岩类似，故称为玄武岩层，也有人称之为“硅镁层”，在大陆和海洋均有分布，是连续圈层。

    氧是地壳中含量最多的化学元素，在地壳总重量中占48.6%；其次是硅，占26.3%；以下依次为铝、铁、钙、钠、钾、镁。砹和钫丰度最低，约占1/1023。以上8种元素在地壳总重量中占98.04%，其余80多种元素共占1.96%。

    地幔

    地幔位于地壳和地核之间的中间层，也就是从地壳向下到约2900千米深的地方，相当于鸡蛋的蛋白。地幔呈固态状，但又具有一定可塑性，在短时间内可保持一定形状，但如果放久了，就会变形。地幔的主要构成成分是铁和镁的硅酸盐类。

    地幔又可分为两层，即上地幔和下地幔。上地幔顶部存在一个层（莫霍面），地震波的传播速度会在此减慢，岩石圈（岩石圈指地壳和上层地幔顶部）以下部分称为软流层。据推测，由于放射性元素大量集中，蜕变放热，高温软化岩石，并局部熔融，由此形成了软流层。岩浆的发源地很可能在此。位于软流层以上的地幔是岩石圈的构成部分。在温度、压力和密度均有所增大的下地幔，物质呈可塑性固态。

    地核

    地球的中心部分是地核，相当于蛋黄。地核可分为两部分，即外核和内核。外核由液态镍铁组成，厚约2213千米，呈液态状；内核由固态镍铁组成，厚约1300千米，呈固态。

    地核内部不仅有很大的压力，而且有估计可达2000～5000℃的高温，物质的密度也很高。在这种高温、高压和高密度的情况下，“固态”或“液态”这种我们平常所说的概念已经不适用了，因为地核内的物质既有钢铁那样的“钢性”，又有像白蜡、沥青那样的“柔性”。这种物质不但坚硬于钢铁十几倍，而且还能慢慢变形而不至于发生断裂。

    当然，由于人类目前科学技术水平的限制，对地球内部的了解还是十分有限的。随着科学水平的提高，相信人类对地球内部情况的了解将越来越清楚。

    点击谜团——地心之谜

    地壳、地幔、地核是地球的三个部分组成，这是众所周知的，然而这种认识应说是很肤浅的。因为按照目前的科技水平，人类的钻井深度不过三五千米，对比于足有6300多千米的地球半径，最深的勘探井也只有12千米。那么再往底下是什么呢？

    从地球的火山活动，我们可以得知地下有炽热的岩浆。根据流到地球表面的岩浆，人们把地下的岩浆分成酸性岩浆和碱性岩浆。前者含硅酸盐较多，后者含硅酸盐较少。但岩浆也只是来自地下并不很深的地方，那么地下更深处是什么呢？

    人们注意到了这样一种现象：随着深度的增高，火山喷出的熔岩的温度也随之增高。即温度随深度而增加。根据这一速率计算，地心竟有高达10万℃左右的温度。在如此高温下，即使地心具有极高的压力，任何物质也都会化为气态，许多研究者于是就提出了“气态地核说”。

    但对于这一学说，许多学者认为并不可信。人们在19世纪末，通过重力测量求出地球密度值为5.52克／厘米3，大于地表任何岩石的密度，由此推想一定有密度更大的东西存在于地球内部。

    20世纪初期，在探索地球内部的奥秘上，地震波研究为其提供了帮助。经探索，发现在地表下面33千米处，地震波的传播速度存在一个不连续的跳跃，说明上下物质的密度在这一深度相差很大。后来，经科学家们确证，这个球面为地壳和地幔的分界面。1914年，地震专家又发现，地震波的传播速度在地表下面2900千米处也发生了急剧改变。而此处正是地幔和地核的分界面。

    人们通过进一步的研究，知道了地幔的物质具有固态特征，上部由超基性岩组成，含二氧化硅24％～45％，与橄榄岩性质类似，因此被称为橄榄岩层；同时，它又富含硅和镁元素，故又被称为硅镁层。

    1936年，经丹麦地质学家发现，地核可分为两部分，即内核和外核。其分界处在地表下5100千米处，地震波横波在外核中不能通过，因此推测外核是液态的。而横波到了内核，又重新出现，这说明内核是固态的。由于在整个地核中地震波的传播速度等同于它在高压状态下的铁中的传播速度，所以人们很自然地想到地核的构成可能是高压状态下的铁、镍一类物质。

    然而，对于上述观点，并非所有学者都同意，因此又有“金属氢地核说”、“金属氢化合物地核说”、“铁硫地核说”、“铁硅地核说”、“铁氧地核说”等先后被人提出。当然，所有这些学说，人类都无法直接用肉眼去证实。而只是用智慧对地球内部情形的间接“窥视”，所以关于地球中心究竟为何物，至今仍是一个谜。

    地球板块是否在漂移

    每逢北国初春之际，大地、河流刚刚复苏、解冻时，大块大块的河面上的冰块就会相互碰撞、移动。这些冰块的运动动力来自于其下流动的河水，我们所居住的地球表面是否也和这种情况类似呢？

    实际上，我们所居住的大地看似一望无际，但并非真如铁板一块，而是由许多小块拼凑而成的，而且与河流上流动的大冰块一样，也是在不断地移动、撞击着，只不过这种运动非常缓慢，无法用肉眼看出来。比如，每年海平面都上升1厘米，如果不用测量仪器就观测不到。如果过1000年，那就会上升1米！也许此时，一些沿海的大城市就要被淹没了。

    大陆漂移假说的提出

    早在19世纪，就出现了大陆漂移这一设想，其最初的提出是为了对大西洋两岸明显的对应性进行解释。直到1915年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳所着的《大陆与海洋的形成》一书问世，才使地质界为之震动。魏格纳在这本着作中，根据大量证据如拟合大陆的外形、古生物学、古气候学、地质学、古地极迁移等，提出中生代地球表面有一个泛大陆存在，这个超级大陆后来分裂并经过2亿多年的漂移形成了现在的陆地和海洋。

    魏格纳提出的大陆漂移观点，对古气候的研究为他提供了很多证据。他注意到，各大陆上都有某个地质时期形成的岩石类型存在，且在现代条件下，并不应该出现。如古珊瑚礁和热带植物化石在极地区有分布；而古代的冰层发现于赤道地区。魏格纳运用将今论古的原则，把冰川活动的中心放在当时的旋转极附近，把珊瑚礁和蒸发岩分布的地带放在赤道附近，以该方法对各大陆当时的古纬度进行了确定。通过比较古纬度和现代纬度，得出了大陆漂移的结论。但当时，大多数学者都反对或非难魏格纳的学说，此后这一学说就渐渐被遗忘了。

    古地磁对大陆漂移的证实

    20世纪60年代，古地磁的研究成果使大陆漂移假说重新唤醒人们的记忆，这一学说得到多数学者的承认并对其进行了深入研究。

    古地磁究竟是什么呢？地球磁场存在的时间很长，在非常古远的年代，岩石中的铁磁性物质会被地磁场磁化。比如，在火成岩（火山喷发时喷出的岩浆）的冷却过程中，地磁场就会将其磁化。保留到现在这部分剩余磁场，就北称作天然剩磁。对天然剩磁进行放射性方法测量，就可以测出其地质年龄，再用微磁力仪对剩磁的大小、方向进行测量，就能够得知当时的地磁场。古地磁学就是用这种方法对磁场进行研究的科学。

    1954年，英国的地球物理学家布莱克特和他的小组于1954年对英格兰地区的三叠纪（距今约2亿多年）红色砂岩的化石磁件进行研究后，发现的结果令人惊喜。他们经过计算，得出当时地磁极位置竟然会与地球的地理极有达30°之多的偏离；同时还测出了三叠纪英格兰地区的磁倾角约为34°，较之于目前该地区的65°倾角，有30°之多的减小。对此，我们只能用英格兰本身的移动来解释该地区当前与三叠纪的相对位置的巨大差异。这种解释非常接近于魏格纳当年提出的大陆漂移假说。

    与布莱克特的研究方法相反，以郎克恩为代表的另一批古地磁学家以每一块大陆作为固定的参照物，对古地磁极移的情况运用古地磁的研究方法进行探索。但无情的事实迫使他们不得不对最初的假定——大陆位置不变作了放弃。他们经过多方探求，最后正式承认，只有魏格纳的大陆漂移学说能对他们的成果进行较为圆满的解释。

    从完全不同的出发点进行研究，布莱克特与郎克恩两个古地磁研究小组，最终得到的结论几乎完全一致：大陆发生过漂移。

    板块运动的动力何在

    既然地球大陆板块时刻都在进行漂移已得以证实，那么板块运动的动力从哪儿来的呢？这需要我们深入地壳以下去看一看。

    相对于地壳的刚性来说，地幔上部有一个“软流层”存在。在海洋下面，这层“较流层”在海洋下开始于大约60千米的深度；而在大陆下面，地幔对流始于120千米，并一直延伸到200～250千米的深处。在“软流层”中，下面的热物质会自下而上升起、扩散进而冷却，最后形成比较致密的物质下沉。这样的环流将把地幔上部的刚性表皮及地壳从热的上升区带到较冷的下沉区，从而使对流体系形成。产生板块运动之动力的也正是这种对流。而板块在运动过程中，或张拉裂开，或碰撞压缩，或平移相错，这些不同的相互运动方式和与之相应产生的各种活动带，恰恰对全球岩石圈运动和演化的基本格局进行着控制。

    无可否认，板块学说的出现，是近代地球科学的巨大进步和伟大成就，也是当之无愧的地质科学的第二次革命。

    相关链接——岩石圈板块的划分

    1968年，根据多方资料，法国地质学家勒皮顺首先把全球岩石圈划分为太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块，共6大板块。其中有5大板块既包括大块陆地，又包括大片海洋，只有太平洋板块几乎全都是海洋。随着研究的不断进展，大板块又被进一步划分许多小板块，如将美洲板块分为北美和南美板块，印度洋板块分为印度和澳大利亚板块，单独把东太平洋划分成一个板块，在欧亚板块中分出东南亚板块以及菲律宾、阿拉伯、土耳其、爱琴等小板块。

    这些板块都是可以活动的，以太平洋板块为例，新生长于太平洋东部中隆生长脊新的大洋壳，每年平均以5厘米的速度向西移动，亿年内可以有10000千米的移动。从东太平洋中隆至马里亚纳海沟的消亡带正好为约为10000千米，而马里亚纳及其附近海底岩石年龄也正好为1.5～2亿年。这无可辩驳地说明，大约每2亿年太平洋底就会进行一次更新。

    探索地球的磁场现象

    地球磁场相当于在地球中心放了一个磁铁棒，大体上使它的N极对着南极而产生的磁场形状。当然，并没有什么磁铁棒在地球中心，磁场的产生缘自电流在导电液体核中流动的发电机效应。

    地球磁场的结构

    地球磁场并不是孤立存在的，而是受很多外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到存在着太阳风。太阳风是一种高温高速低密度的粒子流，从太阳日冕层向行星际空间抛射而出，电离氢和电离氦是其主要成分。由于太阳风是一种等离子体，因此也有磁场。地球磁场被太阳风磁场施加作用，仿佛要被其从地球上吹走似的。尽管如此，面对太阳风的长驱直入，地球磁场仍对其进行了有效的阻止。太阳风在地球磁场的反抗下绕过地球磁场，向前继续运动，于是形成了一个地球磁场区域，即磁层。它被太阳风包围，呈彗星状。

    位于地面600～1000千米高处的地球磁层，其外边界是离地面5～7万千米的磁层顶。地球磁力线在太阳风的压缩下，会朝背向太阳一面的空间延伸很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在距离磁赤道附近，还有一个特殊的界面。在该界面两边，磁力线会突然改变方向，人们把这个界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，大约有1000千米的厚度。中性片将磁尾部分成两个部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。

    科学家于1967年发现，在中性片两侧充满了密度较大的等离子体，这一区域约有10个地球半径的范围，因此该区域被称为等离子体片。当太阳剧烈活动时，等离子片中的高能粒子就会增多，并沿磁力线向地球极区快速地沉降，于是便出现了绚丽多彩、千姿百态的极光。因为太阳风是以高速接近地球磁场的边缘，由此便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。在波阵面和磁层顶之间的过渡区域叫磁鞘，约有3～4个地球半径的厚度。

    地球磁极的形成原因

    关于地球磁场的存在原因，目前还不为人所知，普遍的观点认为是由地核内液态铁的流动而引起的。其中“发电机理论”是最具代表性的假说。根据磁流体发电机的原理，物理学家埃尔萨塞认为，当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动时，就会产生电流，如同磁流体发电机一样；而电流的磁场又会增强原来的弱磁场。磁场增加到一定程度就会稳定下来，从而形成了现在的地磁场。

    还有一种假说认为：在770℃（居里温度）的高温中，铁磁质的磁性就会完全消失。铁在地层深处的高温状态下，会达到并超过自身的熔点而呈液态，此时地球磁场决不会形成。而应该用“磁现象的电本质”来进行解释，认为按照物理学研究结果，物质在高温、高压下，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。因此，在高达6000K的温度和360万个大气压的环境中，会有大量的电子逃逸出地核，在地幔之间形成负电层。依据麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，地球南北极式的磁场若要形成，就必然要有旋转的电场形成；而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场也就由此而生了。

    不过，这些假说目前还没有找到有力的证据证明，因此还需要科学家的进一步研究探索。

    为何会发生磁极倒转现象

    地球在通常情况下也不是稳定的，而经常根据地球内部变化的磁场，也在进行着相应的调整。这种变化非常缓慢。但是科学家们近百年来发现，磁场正在减弱。这是否是对磁极倒转的征兆呢？

    其实法国的古地磁学家布容早在1916年就发现，古老岩石的化石中磁场（古地磁场所造成的岩石的永久磁性）所指示的磁场方向相反。后来，又有一系列类似的发现。许多科学家对此大为不解，因为当时没有人敢作出地磁的南北极会互换位置的设想，多数科学家都将注意力放在了研究岩石冷却时是怎样获得磁性的，以及在这个过程中是否可能会产生与外界磁性相反的磁场。到了20世纪50年代，科学家们又发现了一些类似的特殊矿场，这就迫使科学家开始寻求新的解释方法。于是，地磁南北极曾互易位置的大胆假设也就出现了。

    科学家根据各年代地球岩石被地球磁场磁化的方向，认为地磁曾经多次发生过磁极倒转。这是一些基性岩浆岩，是“冻结”了少量地球磁场磁力而形成的。大约从6亿年前的前寒武纪末期到约摸5.4亿年前的中寒武世，地球磁场是反向磁场；而再到3.8亿年前的中泥盆世，磁场则是正向。地磁场在过去的450万年里曾发生过两次磁极倒转。

    目前对于磁极换位的原因有两种猜想：偶然现象和必然现象。在地球的地核中，只有内地核是固体（高压导致），其余均为液体，是液态铁质。由于上文提到，“铁液循环流动产生电磁”这一猜想是磁场产生的原因，那么由于某些对流可能突发导致回路，回路衍生到地表产生反回路，最后致使整个磁场发生倒转。全部过程3～100万年不等，首先，地磁场完全混乱，而后历经1万年左右消退，继而在反方向增强。也有人认为，在几千年内，这个问题就能解决。但是，还有人认为磁场换位是必然的，是有规律、可预见的，只是人类还未掌握而已。美国科学家通过对明尼苏达湖底的沉积岩的研究表明，地球未发生磁极变化已有70万年了。但磁场在近4000年正在急剧变弱，有一半强度损失。由此可见，地球现在已进入磁场倒转的前夕。

    至于地球磁极发生倒转的原因，现在还没有确定的答案。地球从产生到目前，磁场方向一直在变，只不过相对缓慢罢了。不过现在对产生磁极倒转的原因有很多说法，占主流的主要有：由于地球位于银河系这个大磁场里，地球磁极的倒转是以银河的磁极倒转为转变依据的；也有的认为，因为地球内部的物质不断碰撞致使地球内部的磁场不断变化产生磁极倒转；还有的认为，磁场发生转变的原因是陨石撞击地球造成的。但不管是何种说法，现在都还只是猜想，人类对地球的探索将不会停歇。

    相关链接——地磁场对生物活动的影响

    我们知道，众多迁徙动物如海龟、鲸鱼、候鸟等，每年都要“走南闯北”，作上千千米的旅行，往往还要在中途越过汪洋大海，可是对于位置，它们却能进行准确地测定。科学家们对此认为，这些动物之所以能不迷失方向，主要是通过地球磁场和太阳及其他星体的位置来对方向进行辨别。但对迁徙中的海龟来说，只凭“方向感”是远远不够的，它们可能还有一张“地图”，用来帮助自己对地理位置进行确认，最终到达某个特定的目的地。通过研究，研究人员发现，绿海龟对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，它们能通过地磁场为自己绘制一张地图。

    而信鸽也是得益于磁场的帮助，才能从能遥远的地方飞回却又不迷失方向。

    地磁场的强弱叫地磁感（应）强度，地磁场的磁子午线与地理子午线之间的夹角叫磁偏角，地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角。人们把这3个物理量称作“地磁三要素”。但是，地磁要素的变化从地球的一处到邻近的另一处一般都十分微小。

    地磁要素的变化通常都很小，但是磁暴这种和太阳活动有密切联系的现象，却发生得十分突然。这是因为，太阳黑子剧烈活动时，能放出相当于于几十万颗氢弹爆炸时的能量威力，与此同时，还会有大量的带电粒子喷射出来。这些射到地球上的带电粒子形成的强大磁场迭加到地磁场上，使正常情况下的地磁要素发生急剧变化，引起“磁暴”。当磁暴发生时，地球上就会有很多奇异的现象发生。在北极漆黑的上空，会有美丽的极光出现；指南针会摇摆不定；无线电短波广播突然中断；而凭借地磁场为其“导航”的鸽子，也会由此迷失方向，四处乱飞；……

    实际上，地磁场可以对宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子进行阻挡，对地球形成一个“保护盾”，以此来减少太空宇宙射线对其造成的侵袭，从而使地球上生物的生存滋长得到保证。这个保护盾如果没有了，最初出现在地球上的生命幼苗就会被外来的宇宙射线会全部杀死，根本不能在地球上滋生。

    在强烈地震发生之前，地磁的三要素也都会发生改变，使地磁局部产生异常的“震磁效应”。这是由于地壳中有很多具有磁性的岩石，当它们受力变形时，其磁性也会随之发生变化，从而可以较正确地做出“震前预报”。

    地光是从哪里来

    地光，作为地震前后常见的一种自然现象，早在《诗经》里就有记载。近年来，我国发生的海城、邢台、唐山、松潘等大地震中，也屡有地光出现。根据观察，地光的形态可谓多种多样，有白色、红色、粉红色、橙红色、绿色和蓝色等颜色，形状有闪电状、朦胧弥漫状、条带状、柱状、信号弹状、散射状和火球状等。

    地光现象伴随地震而生

    地光的来临，往往预示着大地震即将来临。此时若能迅速果断地采取一些措施避震，躲开地震灾害是有可能的。

    1975年2月4日，在海城地震前，一列客车在从大连开往北京的途中，司机突然发现有大片紫红色的耀眼亮光出现在列车前方，马上联想到可能是地光，于是果断采取措施，紧急停车。车刚停稳就发生了大地震，从而使一场车翻人亡的重大事故得以避免。

    1976年7月28日，在唐山大地震发生前，一些人因故连夜赶往城里，却于城外却看到最为明亮的蓝白色地光，因此没有贸然进入唐山。结果不到10秒钟，便发生了山崩地裂，震惊世界的唐山大地震，而这些没有进城的人却幸运逃生。

    另外，地光也指在地震来临之前，土地上的植物发生大面积衰败、枯萎、死亡的现象，整块地只有地皮露出，地光由此得名。

    地光的成因

    科学界关于地光形成的原因，说法不一，主要有以下几种说法：

    摩擦生热说：由米尔恩在1898年首先提出，它源于锤子敲击岩石迸溅火星的启发，认为地光是一种发光现象，由地震时岩块相对运动发生摩擦而产生。但是，这一理论却不能解释地光的各种现象，如为什么会有发生在半空中的地光，有伴随着日光灯式自动闪烁的地光，以及地光以球形和柱形出现等。

    水的毛细管电位理论：由日本学者寺田寅彦根据物理学原理在1931年提出。他认为，一场强烈的地震所影响的深度可与地面上波及的范围相当。在地震影响的深度范围内，地下水受到挤压，便通过许多毛细管般的岩石孔隙向上移动，产生流动电位。寺田推测地下水所受的压力，相当于100千米厚的岩柱所产生的压力，根据流动电位的计算公式可得出，地下水流动所产生的电位差达到300万伏。显然，如此巨大的电位差足可导致产生高空放电形成地光。但也有人对此观点提出质疑，认为地光并不都发生在高空，而且对其计算结果也表示怀疑。

    压电效应理论：物理学实验发现，许多受到挤压或拉伸的晶体，会在2个平面上产生相反的电荷，这种现象叫做“压电效应”。1970年，芬克尔斯坦和波威尔指出：当石英在地壳岩层中作有规律排列时（如果无规律，则产生的压电效应将互相抵消），如果沿长轴排列的石英晶体的总长度相当于地震波的波长（近于2千米）时，就会产生地震电效应。如果地震压力的压强达到30～300帕，就可能有500～5000伏／厘米的平均电场产生。而这个电场足以引起类似暴风雨时闪电般的低空放电现象，产生地光。这与地光在强震区当中不论其地下岩石性质如何都与广泛出现的实际情况显然不相吻合。但是，这种理论却没能对在一些震区有时可以观察到的“电子暴”现象进行解释。

    低空大气发光理论：1961年，由日本学者安井丰提出，在地震区常常会有以氢为主要成分的放射性物，被从地里“抖”到大气中。大气中的氢含量尤其是在中、酸性岩石分布区和断层附近，将有显着提高，这也将使大气增强电离化，增加导电率。受芬克尔斯坦的启发，安井认为，假若这时地面有一个可由压电效应产生天然电场存在，那就会向空中大规模地放电，使地光闪烁起来。目前，在解释地光形成原因的许多假说中，这一理论也是比较成功的一个。

    但是，要彻底揭开地光产生的原因，还需科学家进一步加强对地光的观察与记录，还要用现代的先进技术装备及时地捕捉有关地光的各种信号，并对不同的地光类型进行仔细区分。可以相信，随着探索和研究的深入，我们终将洞悉地光的秘密。

    点击谜团——为何地球南北两极很少发生地震

    在地震史上，从来没有任何级别的地震发生在地球的南北两级。这一奇特的地质现象在地质学界一直是一个未解之谜。

    经过多年观测研究，美国的科学家认为，北极格陵兰岛内陆地区和南极大陆从未发生过任何地震的主要原因在于巨大的冰层。根据多年来的观测和统计，南极大陆和格陵兰岛分别达到90％和80％的冰雪覆盖面，并且冰层有很大的厚度。在冰层的压力下，其底部近乎处于“熔融”状态；此外，因为冰层的面积大且比较重，在垂直方向产生强烈的压缩，而这种冰层形成的巨大压力与地层构造的挤压力达到了平衡，所以不会导致倾斜和弯曲的发生，使地壳的形变得以分散和减弱，因而南北极不可能发生地震。

    地质学家们预言，一旦南北两极地区的冰层融化，因缺少地表原有的压力，在地应力作用下，地下岩层也会发生倾斜或弯曲。到那时，南北两极地区也可能会有大地震发生。

    地球上的水来自何处

    从太空上看，地球是一个大部分为蓝色的圆球，那些蓝色部分便是水。在太阳系中，地球是唯一拥有液态水的天体。这让人们不禁想问：地球上的水到底来自何处？

    关于地球上水的来源问题，长期以来人们一直争论不休，并有两种完全相反的看法：一种认为水是从天上（雨雪）掉下来的；另一种认为，雨雪是地面上的水蒸发后才到了天上的。

    自生说

    自生说认为，水是地球自己产生的，主要有以下几种观点。

    第一种观点认为，地球从原始星云凝聚成行星后，由于内部温度变化和重力作用，物质发生了分异和对流，于是地球逐渐分化出圈层。在分化过程中，氢、氧等气体上浮到地表，再通过各种物理和化学作用，最后生成水。

    第二种观点认为，水产生于玄武岩先熔化后冷却形成原始地壳之时。最初，地球是个冰冷的球体，此后由于存在于地球内部的铀、钍等放射性元素开始衰变，释放出热能，因此地球内部物质也开始在高温下熔化，高熔点的物质下沉，易熔化的物质上升，从中分离出易挥发的物质，如氮、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸气等。试验证明当，1立方米花岗岩熔化时，可以释放出26升的水和许多完全可挥发的化合物。

    第三种观点认为，地下深处的岩浆中有丰富的水存在。实验证明，压力为15kpa，温度为1000℃的岩浆，可以溶解的水达30%。火山口处岩浆的平均有6%的含水量，有的可达到12%，并且含水量越往地球深处就越高。因此有人根据地球深处岩浆的数量推测，在地球存在的45亿年内，深部岩浆释放的水量可达现代全球大洋水的一半。

    第四种观点认为，大量的水是火山喷发释放出来的。根据现代的火山活动情况可以得知，几乎每次火山喷发喷出的水汽都大约在75%以上，维苏威火山于1906年喷发出高达1.3万米的纯水蒸气柱，喷发时间长达20个小时。位于阿拉斯加卡特迈火山区的万烟谷的天然水蒸气喷出孔也达成千上万个，平均每秒种可喷出97～645℃的水蒸汽和热水。有人据此认为，在整个地球史上，由火山抛出的固体物质总量占全部岩石圈的一半，由火山喷出的水在现代全球大洋水中也可占一半。

    第五种观点认为，地球内部矿物通过脱水使部分水得以分解出来，或一氧化碳、二氧化碳等气体释放出后，在高温下与氢作用生成水。此外，水也可以由碳氢化合物燃烧生成，在坚硬的火成岩中，结晶水和原始水的包裹体也存在一定的数量。

    外生说

    外生说的观点认为，地球上的水主要来自于太空，主要有两个观点。

    第一种观点认为，陨石是地球水的来源。研究发现，球粒陨石成分中有一定量的水存在，一般为0.5～5%，有的高达10%以上，而碳质球粒陨石有更多的含水量。在太阳系中，球粒陨石是最常见的一种陨石，在陨石总数中，约占86%。一般认为，原始太阳最早期的凝结物就是球粒陨石，地球和太阳系的其他行星均由这些球粒陨石凝聚而成。

    第二种观点认为，地球水来自于太阳风，是太阳风的杰作。这一观点首先由科学家托维利提出，他认为，太阳风一种粒子流，由太阳外层大气向外逸散出来。质子是太阳风的主要成分。托维利根据计算认为：地球从最初形成至今，已从太阳风中吸收了1.70×1023克的氢总量。而氢和氧结合后会生成水，若将这些氢和地球上的氧全部结合，就可产生水1.53×1024克。而地球现在有145亿吨的水总量，十分接近于这个数字。更重要的是，氢与氚在地球水中的含量之比为6700：1，这也十分接近太阳表面的氢氚比。托维利据此认为，这些计算和成分对比可以充分说明地球水来自太阳风。

    总之，关于地球水的来源问题至今仍是众说纷纭，观点不一，但每种观点又有其不足之处，但真相究竟如何，还有待于科学家们收集更多的客观证据，以揭开这个谜。

    延伸阅读——地球水资源概况

    地球上最丰富的一种化合物是水，约有3/4的全球面积都被水覆盖，总体积约为13亿8600万立方千米，其中分布在海洋的有96.5％，仅有3500立方千米左右为淡水。如果将无法取用的冰川和高山顶上的冰冠以及分布在盐碱湖和内海的水量扣除，陆地上河流和淡水湖的水量在地球总水量中不到1％。

    降落到地上的雨、雪水，被植物蒸腾和地面蒸发所消耗的占2/3左右，可供人均每年用于生活、生产的淡水资源约10000立方米。可是，因为人口分布与淡水资源在地球上的分布不成比例，再加上水资源污染和使用过程中的浪费，淡水资源紧张的情况存在于世界上许多国。很多国家和地区不惜昂贵的成本，采取设立海水淡化装置等措施来缓和淡水供应矛盾。人们对淡水的需求随经济的不断发展而增加，不久的将来，世界各国将普遍面临淡水资源紧缺的严峻问题。

    我国水资源短缺、水旱灾害频繁。虽然水资源总量在世界上位居第6位，但由于我国人口众多，人均只有2500立方米的水资源占有量，约为世界人均水量的1/4，在世界排第110位（按149个国家统计，统一采用联合国1990年人口统计结果），因此联合国已将我国列为13个贫水国家之一。

    地球上空气的源头

    空气、阳光和水被称为地球上生命的三大要素。然而在其中，对人类来说最最重要的当属空气。在没有阳光的地方，人可以活很久，在没有水的情况下也能生存5～10天。可是人如果没有空气，生命在几分钟内就会失去。

    实际上，我们呼吸的空气只是其中那部分氧气。生命活动的根本是氧气，它从呼吸道进入人体内，通过血氧交换达到全身各部，使得机体组织能够进行正常的新陈代谢以及生理活动。

    空气的组成

    空气在远古时代曾被认为是很简单的物质。直到梅猷曾在1699年根据蜡烛燃烧的实验，推断出空气有较为复杂的组成。德国科学家史达尔于1700年提出了一个普遍的化学理论，即“燃素学说”。他认为，在我们周围有一种看不见的存在于可燃物质内的所谓的燃素，比如蜡烛燃烧时燃素逸去，慢慢变小下塌并化为灰烬。据此他认为，燃烧失去燃素现象，即：蜡烛－燃素=灰烬。

    然而，自然界变化中有一些现象终究不能用“燃素学说”进行解释，这种学说存在着严重的矛盾。比如“燃素”的存在从未有人人见过；另外，既然金属燃烧后的质量有所增加，那么“燃素”就必然有负的质量，这简直是不可思议的。

    直到法国化学家拉瓦锡于1774年提出了燃烧的氧化学说，才将燃素学说否定。在进行铅、汞等金属的燃烧实验过程中，拉瓦锡发现有一部分金属变为有色的粉末，空气在钟罩内体积与原体积相比，减少了1/5，余下的空气不能支持燃烧，动物在其中会窒息。他把剩下的4/5气体叫做氮气（原文意思是不支持生命），在他证明了普利斯特里和舍勒从氧化汞分解制备出来的气体是氧气以后，才将氮和氧确定为空气的组成成分。

    空气中的氧气若按体积计算，约占21％；若按重量计算，约占23％。在空气中，氮气的含量最多，按体积计算可占78％，按重量计算可占75.5％。另外，空气中还有水蒸气、二氧化碳、氩、氖等气体。空气在标准状态下，每升重约1.29克，且举例地面越高么，空气越稀薄。

    空气是怎样形成的

    空气既然如此重要，那它最初又是怎样形成的呢？

    根据天文学家推测，行星的形成源自于一些巨大的气体和尘埃的旋转，而构成这些气尘云的各种元素比例，一般等同于它们通常在宇宙中占有的百分比。在行星中，约有90％的原子都是氢，还有9％是氦，剩下的则包括氖、氧、碳、氮、氩、硫、硅、镁、铁和铝等其他所有元素。

    地球的固态球体本身就是各种岩石的混合物，其组成成分是通过化学力结合成紧密分子的镁、铁、铝的硅酸盐以及硫化物等。多余的铁会慢慢沉到岩层以下，形成炽热的金属核心。当地球上的这些固体成分汇聚于一起时，也会捕捉到一些气态物质，这些气体往往会在固体微粒之间存在，或和固体形成松散的化学结合。这些气体中有不会与其他元素化合的氮、氖、氩的原子，此外还存氢原子，氢可以与自身结合成氢分子（H2），也可与其他原子化合，比如与氧化合生成水（H2O），与氮化合生成氨（NH3），或与碳化合生成甲烷（CH4）。

    地球的压力随着构成地球物质的不断堆积会越来越大，火山的喷发也会愈发猛烈。此时，这些气体就会被挤压出来。而氢、氦和氖的分子由于太轻，不能被地球留住而得以迅速地逃逸掉。剩下来的气体，如水蒸汽、氨、甲烷等，还有一点儿氖，就组成了大气。水蒸汽的大部分（不是全部）冷凝下来，就形成了地球上的海洋。

    行星诸如木星和土星等也具有这种大气，只不过由于它们具有相当大的质量，所以能把氢、氦和氖等都保留下来。但是，内行星的大气层已经开始进入化学进化阶段了，来自距离很近太阳紫外线，就会把水蒸汽的分子破坏成氢和氧的分子。氢逃逸掉了，氧就留了下来并越聚越多，与氨和甲烷发生化合。氧与氨化合时，生成的是氮和水；氧与甲烷化合时，生成的是二氧化碳和水。，内行星大气层的成分久而久之就从氨和甲烷变成了氮和二氧化碳。今天，火星和金星仍具有这种氮和二氧化碳的大气层，据此推测，在几十亿年前，地球开始有生命出现之时，这种大气层一定也存在。

    相对来说，这种大气很稳定，一旦它形成，总有聚集起一部分当紫外线分解水蒸汽时生成的自由氧（其分子成为O2）。而且，这种氧还会被紫外线进一步变为臭氧（其分子式为O3）。臭氧将紫外线吸收并截住，使它几乎不能穿过臭氧层进入上层大气层去分解下层的水分子。因此，大气层的化学进化就逐渐终止了，直到后来又有新情况出现为止。

    这种新情况在地球上已经出现过了。有一些生命在在偶然情况下得以萌发，它们可以利用可见光来对水分子进行分解。而臭氧层对可见光的通过并不阻挡，因此上述过程（即光合作用）就会无限地进行下去。在光合作用下，二氧化碳被吸收，氧气得以释放，这大概始于5亿年前。从那时起，大气层就被转变为今天这种氮气加氧气的结构了。

    相关链接——地球磁气圈每年会带走6万吨气体

    在研究地球、金星和火星的大气时，科研人员发现，地球大气层每年会有6万吨的气体损失，这些气体的流失速度都比火星和金星要快。

    磁气圈是地球的磁场区域，能对地球生物起到保护作用，它可对来自太阳的带电粒子流形成阻碍，对太阳风的侵袭有进行效阻挡，而且能避免带电粒子流给大气层中的气体分子传输能量，从而使气体分子对地球的重力牵引无法逃离。因为地球具有较强的磁场，而火星和金星磁场弱到几乎可忽略不计，因此按照之前的观点，相对于金星和火星大气来说，地球大气应受到更多的防护。这可能意味着，地球磁场屏蔽不但不能对大气层起到防护作用，还对大气流失起到了“帮凶”作用。

    太阳风爆发时所释放出的带电粒子流就是导致此种情况发生的“肇事者”。而太阳风和地球磁场发生相互作用，地球的磁气圈较地球大气层要大得多。这就意味着从太阳风中，带有磁场的行星将从中吸引更多的能量。而这些额外的能量朝向地球磁极时将呈现漏斗状，因此，电离层的分子在地球极地上空就会加速逃逸。太阳风不仅使极光现象产生，而且能使地球大气层温度升高的程度足以导致大气层气体沿磁场线逃逸，太阳风还可将逃逸的气体捕获。

    对于这一点，也有研究在此之前曾发现过，欧洲宇航局恒星簇计划中显示每年逃逸，地球极地的离子数量是其他太阳行星的2倍。当我们承受于低太阳活动状态下，对年轻的地球和火星来说，强烈的太阳风在其早期大气层形成的过程中扮演着重要角色。经过瑞典基律纳市瑞典太空物理研究中心的斯塔斯-芭拉芭什的计算显示，地球大气层受磁气圈的影响，每年有6万吨气体损失。而这一损失量与地球大气层数千万亿吨的气体总重量对比起来，并不会对损害地球大气层。

    土壤是如何形成的

    在人们眼中，土壤平凡无奇，似乎随处可见。可是，土壤究竟是由什么组成的？又是如何组成的？如果我们将这些不起眼的东西放大数十上百倍就会发现，细小的碎石块是土壤的主要部分。此外，空气、水、微小生物等也是其重要组成部分。当然，还有一种最重要的部分，那就是腐殖质。

    那么，土壤到底是怎样形成的呢？

    基本来源——最细碎的石头

    “地球陆地表面能够生长绿色植物的疏松层”，这是科学家对于土壤的定义。土壤在地球上的分布很不平衡，从数厘米至两三米厚度不等，有的地方土很厚，有的地方基本上无土。在智利安第斯山顶的岩石高台，存在一种非常诡异的现象：那里有很多食肉的植物！这样的情况之所以会出现，就是因为那里的土壤层在流水的冲蚀下太薄了，植物无法从获取充足的养分。

    古希腊人认为，世界由四种元素土、水、火和空气组成，那么石头的构成当然是“元素土”。实际上地球上是先有石头后有土，土是由石头变成的，对于土壤来说，一小粒一小粒的石头就是它的主要成分。因为石头在火山、地震、风吹雨打、热胀冷缩以及植物根系的作用下，会逐渐碎裂化为小颗粒，由此形成了土壤的主体。

    那么，构成土壤的这些岩石颗粒到底有多小呢？其实，主要有三种矿物小颗粒存在于土壤之中：砂粒，直径在0.075～2毫米之间；粉砂，直径在0.005～0.075毫米之间；黏粒，直径小于0.005毫米。对人类来说，0.075毫米是能分辨的最小尺寸。也就是说，我们仅能看到单个砂粒，而最小的黏粒因其太小，加上互相之间还有非常强的分子力，以至于紧密地黏在一起，肉眼无法分辨。

    土壤是个复杂的生态系统

    地球上的土壤并非如铁板一块，虽然土粒就是我们通常所知道的土壤，但实际上还有大量的水和空气存在于土壤中。特别有趣的是，水与土壤结合在一起后，其密度就达到了1.2～2.4克/厘米，在高达105～200℃的温度下才会蒸发。由此看来，土壤是一个复杂系统，而并非矿物颗粒、空气和水的简单混合，土壤中除了这些简单的物质外，还有许多复杂有机物。

    比如，弹尾跳虫这种我们的肉眼能够看到的“土壤界的野兔”，就如同会瞬间移动的小米粒一样在土壤中跳来跳去；微小的蜈蚣则到处对它们追杀；偶尔露出头来的蚯蚓相比起来，就会显得巨大无比。我们在显微镜下，可以看到迈着8只脚走来走去的长得如同小甲虫那样微小的螨虫；像缩小的蚯蚓一样的线虫，可谓长着地球上最变态的嘴，看上去如同8台电锯一样；还有不慌不忙的阿米巴变形虫，用拥抱和消化液招待着周围一切比它小的生物；根瘤附在植物的根系周围，如同小气球一般。除此之外，还有各种各样的细菌和真菌，在仅有一小勺的土壤中，就存有亿万个细菌。研究发现，25克森林腐殖土中所包含的霉菌如果一个个地排列起来，能达到11千米的长度。

    腐殖质是土壤的核心成分

    虽然形成土壤需要很长时间，但它并非地球所独有，土壤在月球和火星上也同样存在。因撞击而破碎的月岩和陨石是月球土壤中矿物颗粒的主要来源，它们是月球土壤的主要构成成份。在长期热胀冷缩的作用下，月岩本身会发生崩解。月球上火山爆发的火山灰和岩石碎屑等，也是月球土壤的来源之一。而对于火星土壤来说，除上述提到的意外，还要加上大气流动的风化作用。

    但是，地球上的土壤不同于月球或火星上的土壤。而是具有地球土壤特有的褐色、腥气以及黏质感。之所以会出现如此差异，主要在于地球土壤中有一种重要的物质——腐殖质存在。

    生物改造地球环境，同时又受益于被其改造的环境，腐殖质就是一个典型例子。土壤是包括落叶、动物尸体等在内的有机质，在微生物作用下形成的复杂而比较稳定的大分子有机化合物。碳、氢、氧、氮、硫、磷等是腐殖质的主要组成元素，因而腐殖质也成为地球上的植物能“吃进口”的“菜”。

    “胡敏酸”和“富里酸”是包含于腐殖质中的两种能溶于水的大分子酸性物质。通过吸水，植物可以将其吸进去，为自己的身体生长供给营养。腐殖质同时又是一种胶体状，它能让土壤更具黏性，从而增强土壤的吸水、保肥能力；腐殖质还是形成团粒结构的良好胶结剂，对提高黏重土壤的疏松度和通气性，改变砂土的松散状态起到了重要作用。

    此外，因其较深的颜色有利吸收阳光，所以还可提高土壤温度。

    土壤的形成“年头”

    经科学家研究发现，在典型的情况下，一般约需500年的时间才可形成1英寸（2.45厘米）的土壤。简单地说，假如明朝的正德皇帝在豹房嬉闹之余，突然灵光一闪想要保护陕西的环境，于是下令黄土高坡上禁止砍树放羊，再假设此后的嘉靖、崇祯、皇太极、康熙等一大堆人都对此政策加以执行，那么该地区至今也不过只有一英寸的新生土壤。如果现在要完全移除某地表层1英寸的土壤，则需要到2508年才可重新形成代替它们的土壤。此外，还有研究认为，从最初的风化开始，需要1万年的时间才能形成1毫米的土壤。

    由此可知，形成土壤的那些颗粒非常不易，而腐殖质更是弥足珍贵。也就是说，土壤是一种非常有用，同时又非常有限之物。我们有个专门的词来指代这类东西——“资源”。看似遍地都是的土壤其实也是一种资源，而且还是一种重要的战略资源，关乎人类的生存和国家的长治久安。

    相关链接——中国土壤的颜色及分布

    土壤在我国主要有以下几种颜色：黑土、白土、砖红壤、棕壤、黄土、红壤、塿土、粘土、砂土、暗棕攘、白浆土、灰漠土、黄绵土、红粘土、风沙土、紫色土、潮土（浅色草甸土）、沼泽土、水稻灌淤土和灌漠土等。

    在这些颜色各异的土壤中，质量最为优良的是黑土。它以其有机质含量高、土壤肥沃、土质疏松、最适农耕而闻名于世。从全球看，有三个地方能称为黑土区，即乌克兰大平原、密西西比河流域以及我国东北松辽流域。

    而我国南方地区多位于热带、亚热带地区，这里有各种红色或黄色的酸性土壤广泛分布，有砖红壤、燥红土（稀树草原土）、赤红壤（砖红壤化红壤）、红壤和黄壤等类型自南而北分布。

    我国分布面积最大的土壤是红壤，主要在长江以南的广阔低山丘陵地区分布，包括江西和湖南的大部分地区。此外，在云南、广西、广东、福建、台湾的北部以及浙江、四川、安徽、贵州的南部，也均有红壤分布。红壤于中亚热带气候条件下形成，常绿阔叶林是其自然植被。由于土壤脱硅富铝化作用和生物物质循环均较活跃，风化淋溶强烈，再加上较高的铁游离度，因而使土壤呈现红色。此外，因为红壤属酸性土壤，故适合茶叶种植。

    与红壤相比，黄壤形成的热量条件略差，但有较好的水湿条件，丰富的有机质来源，可是由于分解快，流失多的缘故，使得土壤中腐殖质比较少，土性较粘。

    黄棕壤主要在北部秦岭、淮河，南到大巴山和长江，西自青藏高原东南边缘分布，东至长江下游一带，属于黄红壤与棕壤之间的过渡型土类，既有黄壤与红壤富铝化作用的特点，又有棕壤粘化作用的特点，呈弱酸性反应，有较高的自然肥力。

    棕壤主要在山东半岛和辽东半岛有分布，土壤有较强的粘化作用，还会有比较明显的淋溶作用产生，使钾、钠、钙、镁淋失，粘粒向下淀积，因而有较厚的土层和较粘重的质地，表层有机质含量较高，呈微酸性反应。

    暗棕壤主要在东北地区大兴安岭东坡、小兴安岭、张广才岭和长白山等地分布，土壤呈酸性反应。与棕壤相比，它的表层有机质含有量较为丰富，积累的腐殖质量较多，是较肥沃的森林土壤。

    寒棕壤（漂灰土）在大兴安岭北段山地上部一带分布，北宽南窄。土壤有较大酸性，土层比较薄，有机质分解慢，缺少有效养。

    褐土在山西、河北、辽宁三省连接的丘陵低山地区以及陕西关中平原一带分布。由于淋溶程度不太强烈，故积淀了少量的碳酸钙。土壤呈中性、微碱性反应，积累了比较多的矿物质、有机质，有较厚的腐殖质、较高的肥力。

    黑钙土主要在大兴安岭中南段山地的东西两侧，东北松嫩平原的中部和松花江与辽河的分水岭地区有分布。有最丰富的腐殖质含量以及厚度比较大的腐殖质层，土壤呈中性至微碱性反应，有较多的钙、镁、钾、钠等无机养分，较高的土壤肥力。

    栗钙土在内蒙古高原东部和中部的广大草原地区有分布，是钙层土中面积最大的、分布最广的土类。较黑钙土来说，栗钙土的腐殖质积累程度弱一些，但也相当丰富，厚度也较大，土壤为栗色。土层呈弱碱性反应，局部地区有碱化现象。以细沙和粉沙为主要的土壤质地，在区内有较为严重的沙化现象。

    棕钙土在内蒙古高原的中西部、鄂尔多斯高原、新疆准噶尔盆地的北部、塔里木盆地的外缘有分布，是在钙层土中最为干旱并向荒漠地带过渡的一种土壤。

    黑垆土在陕西北部、宁夏南部、甘肃东部等黄土高原上土壤侵蚀较轻、地形较平坦的黄土源区有分布。它形成于黄土母质，无论是腐殖质的积累还是有机质得含量均不高，腐殖质层上半段为黄棕灰色，下半段为灰带褐色，上下有较大的颜色差别，好像黑垆土是被埋在下边的古土壤。

    荒漠土在内蒙古、甘肃的西部，以及新疆的大部、青海的柴达木盆地等地区有分布，面积很大，大概要占1/5的全国总面积。土壤腐殖质层基本不明显，疏松土质，水分少，土壤剖面几乎全部是砂砾，碳酸钙表聚、石膏和盐分聚积多，土壤发育程度差。

    高山漠土在藏北高原的西北部、昆仑山脉和帕米尔高原一带分布，呈碱性反应。其土层薄，石砾多，细土少，有机质含量非常低，土壤发育程度比较差。

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