地球诞生之初

从 17 世纪开始，地球诞生之初的情况就已成为学者思考的课题。笛卡尔设想原初的地球也像太阳一样，是一个发光的球体，外围是太阳黑子似的斑点，它们随着地球的冷却转变成坚实的地壳。伯内特（T.Burnet）在其《神圣的地球》（1681 年）中认为，最初的地球仅仅是空气、水、油和土的混和物，后来按重量分离为重者在中，其次是水，最外是空气。莱布尼茨（1646

—1716）在其论文《原始地神》（1693 年）中认为原始地球是炽热的球体，由于冷却收缩而形成波质壳层。不仅这些都早已成为历史，当代兴起的数十种假说也多为过眼烟云。我们的叙述不可能考虑纷纭众说，只能按照自己的判断来选择。

地质圈层结构的形成

根据最古老的岩石推断，我们的地球诞生在 46 亿年前。地球如上节所述是由气体星云凝聚形成的。根据地球形成的星云—星子说，蒋志在其著作《地质体（运动理论及其应用））（1995 年）中计算估计，从星子吸积到形成原始地球所需时间约为 100 万年。这个时间同地球 46 亿年的地质史相比是相当短暂的。

这样由星子吸积诞生的地球，是一个由较小的固态的核心外面包着很厚的气体层以及夹在这两者中间的液态组成的系统。气圈当然是地球吸积的原始星云气体，由于它很厚并在地表处造成很高气压，从而使一部分气体，主要是氢气被压缩成液态。这时地球的固态核还没有形成一个固体表面，因此整个地球还是个流体状态的星球。随着易挥发性的较轻物质向外发散和非挥发性的较重物质向地心凝聚，导致地球体积的不断缩小，物质密度不断增大。

随着体积的收缩、放射性元素的蜕变以及重物质向地心移动等过程，地球内部温度逐渐升高，使地球由冷变热。一旦这样的增温达到能造成地球局部物质熔化以及其他部分成为可塑状态，地球内部物质在重力作用下的化学分异就开始发生。

在局部熔化和大部分可塑的地球状态下，由于不同物质成分的熔点和比重的差异而导致圈层的分化。铁和镍的熔点比大多数硅酸盐的熔点低些，它们先熔化成熔融态金属，硅酸盐也发生软化。于是铁和镍等较重的物质向地心移动，而硅酸盐等较轻的物质则向地表移动。在这种圈层分化过程中，由于释放的重力能转变为热能.又使地球的温度进一步升高。反复进行的这种过程，最终形成以铁、镍为主的原始地核和以硅酸盐为主的原始地幔。地幔的温度高到不稳状态时，钠、钾、钙、铝等轻元素以及易挥发物质便向地表运动，最后喷发到地表并凝固起来形成原始的岩石圈，其中的气体和水则分异而形成原始大气圈和原始水圈。

地球形状的变化

古人凭直观经验很难想象人类居住的大地是个球体。中国古人猜测大地

是漂浮在水上的方形或圆形的板块状物体。在古希腊的哲学家阿那克西曼德

（公元前 610—约公元前 545）猜测大地是个圆柱体，阿那克西美尼（盛年约在公元前 545 年）猜想大地是飘浮在空气中的扁平体。毕达哥拉斯（约公元前 560—公元前 480）出于美学的考虑，设想大地的形状是球体。

第一个测量地球大小的是古希腊天文学家埃拉托斯特尼（约公元前 276

—公元前 195）。他依据大地是球体的观念，利用两个不同地点太阳正午时距和纬度差推算地球的周长。他选择的两个地点是塞恩（今阿斯旺）和亚里山大城。夏至这天，塞恩中午的太阳正巧过中天，阳光可直射井底：而在其北约 800 公里的亚里山大城的太阳在中午时天顶距为圆周的 1/50。埃拉托斯特尼据此断言，地球的周长是此两地纬度差的 50 倍，即 39625 公里。其后100 年，波西当尼（约公元前 135—公元前 51）利用老人星在洛德和亚里山大城中天时的地平高度差，确定两地的纬度差并推算出地球的周长为 28530 公里。

大地球形的观念还激励了航海家冒险环球航行。意大利威尼斯商人马可·波罗（1254—1324）的《马可·波罗游记》所描绘的富庶的东方，一度激起欧洲人去东方冒险的热情。由于奥斯曼帝国灭亡了东罗马帝国（1453 年）并控制了东西方传统贸易的通道，醉心于到东方发财的商人不得不开辟新航线。葡萄牙人首先发起大规模的航海探险活动。享利亲王首创航海学校，发展航海技术，派遣船队探险非洲西海岸，发现好望角，到达印度，开辟了通往东方的新航线。这时的意大利航海家哥伦布（1446—1506）依据大地球形的观念坚信沿大西洋西行可以到达东方，他作为西班牙王室的船队的成员随船队于 1492 年 8 月起航，向西航行 70 天到达华特林岛，又继续航行到古巴、海地等中美洲地区，“发现了新大陆”。哥伦布的事业激励了更多人继续探险。葡萄牙航海家麦哲伦（1480—1572）在西班牙王室的支持下，于 1519

年率 265 人的船队经 3 年的努力，终于实现了环球航行，证实了大地是球形的。

其实大地并非理想的球形。1667 年，皮卡德（1620—1682）在法国北部测得 1 弧度对应的经线长为 112801 米，后来他与卡西尼（1625—1712）和伊

尔（1640—1718）在法国南部测得的则是 113054 米，于是断言地球是两极伸长的椭球体。1671 年让·里歇（1630—1696）发现在法国巴黎校准的摆钟到南美洲圭亚那的卡宴（北纬 4°46′）变慢了 2 分 28 秒，他把这解释为重力减小，并断言地球是两极扁平的椭球。这个矛盾摆在法国科学家面前。1687 年牛顿的《自然哲学数学原理》出版，并很快被介绍到法国。按牛顿的重力理论，地球应是扁椭球，支持让·里歇的断言。掌管法国天文台的卡西尼家族不肯放弃长椭球的观点，但争论并不曾止息。为了解决这个凝难，他们组织了两个测量队，一队由博格（1698—1758）和拉孔达米纳（1701—1774）率领，于 1735 年奔赴秘鲁的基多。另一队由克莱尔（1713—1765）和莫破丢

（1698—1759）率领，于 1736 年奔赴拉普兰的托尔尼欧。测量的结果是，对

应一弧度的经线长，在南部秘鲁是 112371 米，比法国本土值小，而在北部拉

普兰是 113727 米，比法国本土值大。于是，“地球是扁椭球”的说法被肯定。当代精确的测量表明，地球的极赤半径比ε=0.99665。在地球上空的人

造卫星测得的地球是似梨形的，北极的洋面凸出 14 米，而南极大陆凹陷 24 米，且从赤道到北纬 45°的地区低于基准面，而从赤道到南纬 60°的地区又高于基准面。就地球重力场的等势面说，海上测量结果与卫星测量结果相反，

地球是倒梨形的。总之，地球是三轴不对称的椭球体。

那么，地球的形状在它诞生之初就是这样吗？不是的。理论上的推测认为，地球最初是长椭球，后来变成扁椭球，现在正在由椭球向圆球转变。这是由地球演化的三个过程决定的。地球形成的第一阶段是吸积，而且是在旋转的过程中吸积，所以它的等势面应是个长椭球面，即极半径大于赤半径。以这样的等势吸积形成的地球必是长椭球，其极赤比是随时间而变化的，一直增大到ε=1.27，这都发生在 45 亿年前。其后，由于地球自转和重力的作用，产生来自两极的挤压力，使地球由长椭球变成ε=0.995 的扁椭球。这个过程大约经历了 27 亿年，即前 45 亿年到前 18 亿年。这时地球已演化到与自转和引力相适应的阶段，随着地球自转的变慢又开始了由椭圆向圆转变的缓慢过程。

地球脉动的大周期

地质研究所获得的经验资料表明，地球的演化有大时间尺度的周期性，这表现在气候的冷暖、岩浆活动和生物进化等方面。地质学家认为，这种周期性是可以用对数螺旋线表示的。对数螺旋线图表明，凡在ψ为π的整数倍时，地球处于冷期，以基性、超基性岩浆活动力主；凡ψ为π的半整数倍时，地球处于暖期，以中酸性岩浆活动为主，这些大的时间段对应于古生物进化的大阶段。

是什么力量主宰着这种变化呢？这只有从地球内部和地球的宇宙环境中去找。地质学家们的分析表明，亿年以上的周期可能来自银河系的影响，而十万年或万年级的周期来自太阳的影响。

地球随太阳绕银心运动肯定受到一定的影响。太阳以大约 250 公里/秒的

速度绕银心作椭圆运动，大约 3 亿年绕行一周。但这种运动轨迹并不是一个封闭的轨道，人们假定它以螺旋线的方式趋向中心。这样，从最近的银河年为 2.88 亿年可推知其前的银河年当稍大。有的天文学家估算，以此向前推算的银河年依次为 3.15 亿年、3.42 亿年、3.63 亿年、3.78 亿年、3.89 亿年、

3.95 亿年、3.98 亿年，银河年的差依次为 0.35 亿年、0.27 亿年、0.21 亿年、

0.15 亿年、0.11 亿年、0.06 亿年、0.03 亿年。而且太阳绕银心运动轨道的扁率也在变化，依太阳现在的银心距推算的最近的一个银河年内，太阳轨道的扁率 e=0.080 往前推，其扁率依次为 0.133、0.186、0.239、0.239。可见几亿年来，太阳的轨道越来越扁，其银河年也越来越短。此外，不容忽视的是，太阳绕银心运动还往复穿过银道面。现在太阳位于银道面上方 20 光年的地方，估计它穿过银道面再回到原位置附近约需 2.38 亿年。太阳的轨道面在银道面上下各 20 光年的范围内波动，其周期也并不整齐，大约往返三次轨道有一定的对称性，更好的重复约需 9.18 亿年，但方向却相反了。

太阳对地球的长周期影响，地球轨道扁率、黄赤交角和岁差等周期性变化是重要的因素。地球轨道扁率的变化周期约为 10 万年，黄赤交角的变化周

期约为 4 万年，岁差的周期约为 2 万年。这些轨道参量的周期性变化造成地球日照量的周期性变化，从而影响气候。