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地心引力与地核

作者:地理人来源:未知 时间:2023-02-09 阅读: 字体: 在线投稿
  地心引力是什么 引力(gravitation)是一种力,来自质点(particle)。 我们不妨推想一下,物质在假说“大爆炸”以前早已存在,物质可以形成质 点。质点本身含有引力。质点与质点之间互相作用,就出现引力现象。这质 点有大有小。 牛顿创“万有引力”。他说,两物体间引力的大小与其距离的平方为反 比;与其质量的乘积为正比。地球星本身就是一个大质点,当然具有引力。 地球星表面上大小物体都是质点,因此,每一物体也各自有它自己的引力。 但由于物体太小的缘故,远不如地球星引力的强大,其结果地面以上的物体, 不论大小,一律落在地面之上,而不能飞入太空。一般书上所说的“地球重 力”,就是地心引力。如果地球星静止不动,引力与重力并无区别;如果地 球星有自转,地球重力就是指一种“合力”,这合力是指地心引力及地球星 因自转而产生的“离心力的合力”。因为这离心力的最大值尚不及地心引力 的 1%,因此,一般人就把地心引力同地球重力混为一谈,不作区别,尤其地 理方面是这样。 地心引力在地球星表面上并非处处相等。一方面与地球星表面有起伏有 关,另一方面与地面以下各部分质量的大小也有关系。地面上有平原、丘陵、 盆地、山岳;地面以下又有不同的岩层,这样就出现了不同的引力值。大气 层表面上的地心引力小于地面上的地心引力;地面上的地心引力又小于洋底 上的地心引力;同样的,洋底上的地心引力又小于地核表面上的地心引力。 地核位于地球星的中心,它本身就是一个大质点。它是地球星星体内最奇特 的一部分。所谓地心引力,是地球星体全部的引力,并不是由地球星几何学 上中心作出的引力,这一点必须先搞清楚。 质点何时开始具有引力?我认为自质点开始成立时,它就具有引力。这 引力永不衰竭,也永不消失。引力由质点向上下四方辐射而出,引力值各方 向并无差异。不论质点大或小,引力射出后,都可以到达无限远,遍及全宇 宙,没有终点。同样的情形,地球星的引力也可以射到无限远。各恒星的引 力包括太阳系各天体在内,也可以各自辐射到无限远。虽然引力受距离大小 的影响(即距离愈远,引力愈小)。只是愈远愈小,甚至可略而不计,但绝 对不是零。这就是说,引力有起点,无终点。这是我的看法。 地心引力眼不能见,耳不能闻,但可以觉察。例如雨水下降,雪片飘坠, 树叶、树枝及果实都向地面掉下来。这些现象都是地心引力所发生的作用。 地球星虽然有引力,然而太阳恒星的引力更大,太阳系内大小行星不论距日 远或近,必须绕日公转,不能逃走,就是太阳引力较大的缘故。 太阳恒星位于银河星系外围猎户臂内,受银河星系中心的引力,也有环 绕银河星系中心进行公转的现象。也可以说,这是银河星系全体自转。有人 把太阳恒星环绕银河星系中心一周,叫做一个太阳年(Solar Year)。这说 明很易和回归年(Tropical Year)混淆,因为也有人把回归年叫做太阳年。 为了清楚,最好废掉这个名词,只用回归年(即地球星绕日一周,是 365.2422 日或 365 日 5 小时 48 分 46 秒)。
  太阳恒星环绕银河星系中心公转,改称“银 河自转”,比较清楚。 整个银河星系受银心的引力而进行自转,事实上引力最强大的部分应该 在银核。银核虽然有引力,但银河自转并非类似一个钢体的旋转,银河内部 旋转的角速度比外部为大。太阳恒星附近旋转一周,为 2.2 亿年。平均速度 每秒为 220 公里。银河自转时,它的引力可以带动银河星系内所有的恒星、 星团、星云、星气,一律跟着转动。如果放大视野来看,这银河星系也受更 大的引力,伴同其他星系,环绕更远的引力中心。宇宙空间没有边际,不可 能有自转。然而宇宙空间以内的物质有运动,空间不动,但跟着时间变易。 宇宙空间内物质如何动?试看武仙座内,有许多奇形怪状的星云,各有 运动,彼此不碰撞。据说银河星系附近有十一座星系,其中包括银河星系、 仙女座星系、大麦哲伦云和小麦哲伦云,彼此之间也无冲突。什么力量使它 们彼此相距很远,互不相撞?试看那些球形星团,其中恒星密布,却能彼此 界限分明,这又是什么道理?从理论上来说,这是因为有“作用力”和“反 作用力”。引力是作用力,也是向心力;反作用力是离心力。是否还有另一 种为人类目前尚未知的力? 地球星引力最强的部分是地核上文已述,地核是一个大质点。这个质点 才是现今地球星的引力中心。几何学上的地球星中心,无长、宽、厚,类似 几何学上的一个点,引力不可能很大。地球星密度最大的部分是地核。地核 界面(即地幔与外地核之间的分界面)应该是地球星引力最强的部分。 试想地球星是近似圆球的星体,地壳以下引力加强,愈向下引力愈强, 到达外地核表面时,引力最强。因为外地核表面以下由于引力累积太多,已 由内地核发出反作用力,与作用力(引力)相遇于外地核界面。由这个界面 向外,直达地壳及地壳以外,愈向外引力愈小。由这个界面向内,直达地球 星中心,愈向内引力也愈小。可以说,地球星中心的引力已减为零。我可以 这样说,地心引力最强的部分实际是地核的引力。我们不能只顾作用力(引 力),而忘掉了反作用力。虽然地核是地球星的引力中心,但本书依旧使用 通俗的名词“地心引力”,以求读者易于接受。 地心引力在地球星上永远存在。然而地球星有自转运动,这地心引力就 被改变,其中约有不及 1%的引力化为离心力(Centrifugal Force)。这离 心力由于地球星连续自转,也叫做惯性力(Inertia Force),应该叫做离心 惯性力(Centrifugal Inertia Force)。地球星自转时,沿着假设的地轴自 转。当地轴在自转时,轴上每一个点也同样地作圆周运动,其中包括北极和 南极,地心也在内,它们都作圆周式转动。地壳表面上每一个点也同样地作 圆周运动。每一个点所画出的圆面,都与地轴以直角相交。离心力前进的方 向是以直线式离开地轴。地球星赤道部膨胀,土星、木星和太阳恒星的赤道 部也都向外膨胀,全由于离心力作怪。 又地球星表面重力值并非处处相等,这对于地面、水体及大气都有关系。 一般人把地心引力在地壳表面上作用的现象,叫做重力。重力值各地不同。 因为地球星表面与几何学上圆球的表示并不类似。一般说来,两极地面重力 最大,重力值为 983 厘米/秒 2。赤道地面最小,重力值为 978 厘米/秒 2。主 要原因,极半径较短,有 6356 公里长(实际是 6356.755 公里)。赤道半径 较长,有 6378 公里长(实际是 6378.140 公里)。前者因为较短,接近地心, 引力较强。后者较长,距地心较远,引力较弱。数学上地球星半径平均为 6371 公里长。平均地面重力值为 980 厘米/秒 2。这样的重力值出现于纬度 45°地 面。
  据说,地球星的形状象似一个梨,有人就把地球星改称“地梨”。这说 法不能成立。据人造卫星实测,北极地面不正常,地面向上凸起有十米多; 南极地面也不正常,地面向下陷,达 108 米深。这些轻微变化,对于地面重 力值的影响,微不足道,可以略去不计。我常常想,南极大陆冰盖很厚,由 数百米到一、二千米,冰块压力也真够大,因此,南极大陆才被冰盖压低 100 多米的。北极地面隆起十米多,南极北极一升一降,似乎有关系,事实上绝 对无关。然而南极大陆陷落 100 多米,可能压迫地下岩浆由南向北流,导致 板块移动。印度板块向北移,撞入亚洲板块南缘,可能受地下岩浆北流的影 响。但是,是否真是如此,我这里暂且不谈。我要进一步说明的是地核在地 球星星体内所扮演的着实重要的角色。 地核的形象和引力 这里先说明地核的大小。地核比月球大,地核是地球 星星体内一颗大铁球,除含少量镍元素外,全是铁。地核直径为 5648 公里, 是月球直径(月球直径为 3476 公里)的 1.6 倍。地核周围全是地幔,由岩石 物质组成。地核与地幔不仅化学元素不同,物态也不同。地幔是普通的固态, 其中含有岩浆,地核的内部是液内的固态;震波中的次波可以通过地幔,但 不能通过地核。 地核的外部叫做“外地核”(Outer Core),简称外核,是一个层圈, 其中大部分是铁;内部叫做“内地核”(InnerCore),简称内核,是一个钢 性的铁球。内核中心就是地球星的中心。内核直径有 2400 公里(半径为 1200 公里)。内核的铁,虽然高温,已达 6000℃,但不流动,铁原子被压得扁扁 的。外核的铁,可以流动,因为有流动,震波中的次波(或横波,也叫做 S 波),就不能通过。外核的液可以流入地幔;地幔的液,可以流入较流层, 或进入地壳的下层。流动很慢,每年可能流动 0.5 厘米或 1 厘米的距离,显 示外核与地幔是动的,而非静止的。地幔内完成一次对流,需要许多万年。 假如把地球星用大刀沿地轴切开为两半,可以看到地壳是深暗的;软流 层及上地幔是淡红的;下地幔及外核是亮红色的;内核是耀眼的亮。内核由 于高压高温,液态已成为高温的固态。上文所述地心温度为 6000℃是推测 的,并非实测,不可全信。 地心引力不是来自地心,上文已述。引力从何而来,我的看法,是来自 整个地球星星体,地核由于密度特大,在引力作用中它已成为主要的角色。 读者千万不可相信地心引力是由地心发出来的。它是来自地球星整个部分。 这整个部分可视为一个大质点。 地球星不是由星云浓缩而成的。它是由太空内或星云内无数的小质点合 并累积而成。地核是最早累积起来的。一般而论,宇宙空间内质点具有两种 力:一种是由内向外的辐射压力;另一种是由外向内的吸引压力。当两个质 点相距很近时,辐射压力如彼此完全相同,而吸引压力又彼此有差异,这时 候,那个吸引压力较大的,就会把那个吸引压力较小的拖过来,彼此合并, 成为另一个质点,使其质量较大。依据这个方式,早先位于地心附近的一些 质点,彼此合并累积而成为内核,那时候很松散,密度不大,引力也不高。 后来,以内核为中心,又吸收太空内更多的质点,累积合并成为外核。这外 核覆在内核表面之上,形成一个更大的地核。它的表面高高低低,并非浑圆 的球形,各部分半径长短不一。后来又继续累积,出现地幔层圈、软流层圈 及地壳层圈。层圈愈多,压力愈大,内部密度愈高。了解这些后,再说说我 的看法。 内核在内层,受压力最大,密度也最大,它最初期时引力值并不高,但 为最初期地球星的引力中心。后来以外核(包括内核的外核)为引力中心; 后来又以地幔(包括整个地核)为引力中心;最后又以地壳(包括地幔及其 以下部分)为引力中心。通常所说的地心引力,是指地球星整个星体所作用 的引力,而非来自地心。地心在几何学上没有长、宽、厚,如何会产生引力? 因此,我的看法,地心引力就是地球星的引力。由地面上任何一点作一铅垂 线,直到地心,这条铅垂线就是一条引力线。地球星表面由无数的小点集合 而成,每一小点都有一条引力线向下直达地球星中心。这一条引力线上每一 质点都有引力。距地心愈近,引力线分布愈密,引力也愈强。反之,引力线 分布愈稀,引力也愈弱。 地球星表面以上的物体,受了地心引力而产生重量。距地面愈高,重量 愈小。珠穆朗玛峰上的引力值小于中国沿海陆地地面的引力值。由地面向下, 矿坑愈深,引力愈大,到了地核表面,引力最大。
  地核表面的物体重量增加 到最大限度。这样就可以了解地核的引力是地心引力最重要的一部分。地核 由于高温及高压,而且化学元素单纯,除少量镍元素外,全是铁,因此,它 的作用类似人体以内的心脏及头部以内的脑。 地核与地球星自转 地球星自转由西向东转动,在 24 小时内,赤道上某 一个地点要前进 4 万多公里。在纬度 40°要前进 3 万多公里。在纬度 89°处 要前进 700 多公里。在北极或南极,仅是一个点,自转一周就是一个昼夜, 但这自转一周并无实际距离。一般人认为地球星自转,必须有一根轴,叫做 地轴(Earth’s Axis)。这一条地轴是假设的,实际并不存在。 没有地幔及地壳时代的地球星,先由地核由西向东自转。有了地幔及地 壳以后,地球星依旧由西向东自转。这说明地核是地球星自转的原动力。当 只有地核时,地核自转一昼一夜所用的时间,比现今为短。有了地幔之后, 昼夜时间加长;有了地壳以后更长。现今地球星每次自转所需的时间,似乎 比往年更长,这由于地球星的星体逐渐加大的缘故。地球星自转的速度非常 规律,完全由于地核自转的规律。什么力量使它这样规律呢?可能是由于其 惯性。 地核与磁北极及磁南极 地核本身就是一个具有磁性的大铁球。磁性来自 太空内质点。质点累积合并而形成地核。其中的杂质,由于密度较小及质量 较低,都被排挤,进入地幔层圈以内,剩下的铁质形成磁性大铁球,进行由 西向东的自转。如问地核以内是否尚有一个磁轴?答案是:不需要。 磁轴与地轴不同。后者来自地核自转的力,这力不可能在地幔内或地壳 内被其他物质所改变。磁轴在地核内与地轴合一,是同一方向。可是当磁轴 伸入地幔后,受地幔层圈内对流性熔岩流(或岩浆流)所左右。因为岩浆里 物质含有铁元素,也有磁性,可以改变磁轴的方向。这种解释也是一种假说。 磁极可以颠倒;可以移位;有时可以出现单极;也可以消失成为无极。 总括来说,地核三大作用,引力最为重要;自转与磁场也不可忽视。 地心引力可使地面大环境改变 地心引力可使大气层内气流下降,出现对 流现象;可使大气有水平状流动而成风;可使雨雪冰雹降落;可使海水流动; 可使江河注入湖、海、大洋;也可使岩石崩坠,泥沙沉积。这一切现象,已 成为常态,无人感觉新奇。如果超越常态,变化剧烈,成为灾害,才会引起 人注意,例如大水灾、大风灾、大雹灾、大地震及火山爆发。 从大规模范围来看,地心引力可以导致板块运动;中规模范围也可以引 起造山运动,使岩层发生褶皱及断裂;小规模范围也可以出现小地貌,例如 冲积锥及冲积扇,冰川流动及冰碛,天然堤及三角洲等。 二 地心引力与板块运动 板块构造与板块分界线所谓板块(plate)就是地球星地壳本身所分成的 小块,接受地壳下方释放的能量而开始移动。有移动,必然有撞碰。其他板 块受了撞碰,必然造成强烈的震动,而酿成灾害。
  依据地质学家的研究,太平洋以东,不论海陆都是美洲板块,中美洲以 西的海面下是太平洋板块。这两个板块都是大板块。美洲板块包括南、北美 洲,也包括中美洲。与太平洋板块相遇的地方,在墨西哥共和国西岸,也在 中美洲地峡西岸。这一带叫做“板缝”,也译为“缝合线”。这一条线是西 北—东南向,在海底是一条海沟。与海沟平行的中美洲西岸,是跷起的一条 大山脉。这板缝以东包括中美洲地峡及加勒比海一带,虽然是美洲板块,一 般人却叫它是“加勒比板块”(Caribbean Plate)。 中美洲地峡以西是太平洋板块,其中接近中美洲地峡的一部分,因为地 壳下方岩浆活动,这一部分隆起,与太平洋板块分离,叫做“
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