8.1: 全球视角

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述地球内部的组成部分并解释科学家是如何确定其结构的
指定地球磁场的起源、大小和范围

地球是一颗中型行星，直径约为12,760千米（图\(\PageIndex{1}\)）。作为内行星或陆地行星之一，它主要由铁、硅和氧气等重元素组成，与太阳和恒星的组成截然不同，后者以氢气和氦气为主。地球的轨道几乎是圆形的，地球足够温暖，足以支撑其表面的液态水。它是我们太阳系中唯一一颗既不太热也不太冷的行星，但是 “恰到好处” 适合我们所知道的生命的发展。表中总结了地球的一些基本特性\(\PageIndex{1}\)。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)：蓝色大理石。这张由阿波罗17号宇航员从太空拍摄的地球照片被称为 “蓝色大理石”。这是在阿波罗计划期间拍摄的罕见的完整地球图像之一；大多数图像仅在阳光下显示地球圆盘的一部分。（来源：美国宇航局对作品的修改）

表\(\PageIndex{1}\)：地球的一些特性
财产	测量
半长轴	1.00 AU
时期	1.00 年
弥撒	5.98×10 ²⁴ 千克
直径	12,756 km
半径	6378 km
逃生速度	11.2 km/s
轮换周期	23 h 56 m 4 s
表面积	5.1×10 ⁸ km ²
密度	5.514 g/cm ³
大气压力	1.00 bar

地球内部

行星的内部，甚至是我们自己的地球，都很难研究，其组成和结构必须间接确定。我们唯一的直接体验是接触地壳最外层的皮肤，一层深度不超过几千米。重要的是要记住，在许多方面，我们对脚下5公里处行星的了解要少于对金星和火星表面的了解。

地球主要由金属和硅酸盐岩组成（参见 “行星的组成和结构” 部分）。这种材料大部分处于固态状态，但其中一些足够热，可以熔化。通过测量地震波在地球上的传输，已经对地球内部的物质结构进行了相当详细的探测。这些波浪从地震或爆炸现场传播到地球内部。

地震波穿过行星，就像声波穿过敲响的钟声一样。正如声频因钟形的材质和构造方式而异，因此行星的反应取决于其组成和结构。通过监测不同地点的地震波，科学家可以了解海浪传播的各个层。其中一些振动沿着表面传播；另一些则直接穿过内部。地震研究表明，地球内部由几个具有不同成分的不同层组成，如图所示\(\PageIndex{1}\)。当波浪穿过地球内部的不同材料时，波浪（就像望远镜镜头中的光波一样）会弯曲（或折射），因此地球上的某些地震站接收波浪，而另一些则处于 “阴影” 中。在地震仪网络中探测波浪有助于科学家构建地球内部模型，显示液体和固体层。这种类型的地震成像与超声波中使用的地震成像没有什么不同，超声波是一种用于观察人体内部的成像。

alt — 图\(\PageIndex{2}\)：地球的内部结构。地震研究表明，地壳、地幔以及内核和外核（分别为固体和液体）。

顶层是地壳，这是我们最了解的地球部分（图\(\PageIndex{3}\)）。大洋地壳覆盖了地球表面的55％，大部分被海底淹没。它通常厚约 6 千米，由称为玄武岩的火山岩组成。玄武岩由火山熔岩冷却产生，主要由硅、氧、铁、铝和镁元素制成。大陆地壳占地表的45％，其中一些也位于海底。大陆地壳厚度为 20 至 70 千米，主要由另一种称为花岗岩的硅酸盐火山构成（由硅和氧气构成的岩石）。这些地壳岩石，包括海洋岩石和大陆岩石，密度通常约为 3 g/cm ³。（相比之下，水的密度为 1 g/cm ³。）地壳是地质学家最容易研究的地层，但它仅占地球总质量的0.3％左右。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)：地壳。这张计算机生成的图像显示了根据卫星图像和海底雷达测绘确定的地壳表面。海洋和湖泊以蓝色显示，较暗的区域代表深度。旱地以绿色和棕色阴影显示，格陵兰岛和南极冰盖以白色阴影描绘。

固体地球的最大部分称为地幔，从地壳底部向下延伸到2900千米的深度。地幔或多或少是坚固的，但在那里发现的温度和压力下，地幔岩会变形并缓慢流动。由于上覆物质的重量产生的压缩，地幔中的密度从大约 3.5 g/cm ³ 向下增加到 5 g/cm3 以上。上地幔物质样本偶尔会从火山喷出，从而可以对其化学成分进行详细分析。

从 2900 千米的深度开始，我们遇到了地球上密集的金属核心。我们的核心直径为 7000 千米，远远大于整个行星水星。外核是液体，但核心的最内层（直径约2400千米）可能是固体的。除铁外，铁芯可能还含有大量的镍和硫，所有这些都被压缩成非常高的密度。

将地球分成不同密度的层就是差异化的一个例子，差异是按密度对行星的主要组成部分进行分类的过程。地球与众不同的事实表明，它曾经足够温暖，内部可以融化，从而使较重的金属沉入中心并形成密集的核心。差异化的证据来自于将行星的体积密度（5.5 g/cm ³）与表面材料（3 g/cm ³）进行比较，得出必须将更密集的物质埋在地心中。

磁场和磁层

我们可以从地球的磁场中找到更多关于地球内部的线索。我们的星球在某些方面表现得好像里面有一块巨大的条形磁铁，与地球的旋转极大致对齐。这种磁场是由地球液态金属芯中的移动物质产生的。当地球内部的液态金属循环时，它会产生循环电流。当许多带电粒子像这样一起移动时，无论是在实验室还是在整个行星的规模上，它们都会产生磁场。

地球的磁场延伸到周围的空间。当带电粒子在太空中遇到磁场时，它就会被困在磁区中。在地球大气层之上，我们的场能够捕获少量的电子和其他原子粒子。这个区域被称为磁层，被定义为地球磁场在从太阳向外延伸的弱行星际磁场上占主导地位的区域（图\(\PageIndex{4}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{4}\)：地球的磁层。众多航天器任务揭示了我们的磁层（或磁影响区域）的横截面图。注意来自太阳的带电粒子的风如何像风袜一样向外 “吹” 磁场。

被困在我们磁层中的带电粒子来自哪里？它们从太阳的高温表面向外流动；这就是所谓的太阳风。它不仅为地球磁场提供粒子以捕获，而且还将我们的磁场向远离太阳的方向延伸。通常，地球的磁层向太阳方向延伸约 60,000 千米，即 10 个地球半径。但是，在远离太阳的方向上，磁场可以到达月球的轨道，有时甚至更远。

1958 年，美国第一颗地球卫星 Explorer 1 上的仪器发现了磁层，该卫星记录了捕获在其内部的离子（带电粒子）。磁层中的高能离子区域通常被称为范艾伦带，以表彰为 Explorer 1 建造科学仪器的爱荷华大学教授。自1958年以来，数百个航天器已经探索了磁层的各个区域。你可以在后面的章节中阅读更多关于它与太阳相互作用的信息。

关键概念和摘要

地球是原型陆地行星。它的内部组成和结构是使用地震波探测的。这些研究表明，地球有金属芯和硅酸盐地幔。外层或地壳主要由海洋玄武岩和大陆花岗岩组成。在核心中产生的全球磁场会产生地球的磁层，磁层可以捕获带电的原子粒子。

词汇表

玄武岩: 熔岩冷却产生的火成岩；构成地球大洋地壳的大部分，存在于其他经历过广泛火山活动的行星上

核心: 行星的中心部分；由更高密度的材料组成

地壳: 地球行星的外层

花岗岩: 一种构成地球大陆地壳大部分的火成硅酸盐岩

磁层: 行星周围的区域，其固有磁场在太阳风携带的行星际场中占主导地位；因此，行星磁场可以捕获带电粒子的区域

地幔: 地球内部最大的部分；位于地壳和核心之间

地震波: 穿过地球内部或任何其他物体的振动；在地球上，这些振动通常是由地震引起的