人类对地球的新认识，本文主要内容关键词为：地球论文,人类论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
地球具有非常明显的分层结构，以人类眼光看来非常坚固的地面，从整个地球来看，只是薄薄的一层。地球半径为6300多公里，而地球的表层地壳一般只有30公里左右，地球上最高的喜玛拉雅山处的地壳也只有60多公里，地壳就像一个容易破碎的鸡蛋壳。地壳下面厚厚的一层是地幔，其流动性比较大。地幔之下是地核，在幔核边界上有着强烈的物质的上升和下降。地核又可分为液态的外核和固态的内核，内核中含有丰富的铁元素，随着地球的旋转便产生了很强的地磁场。
自然灾害及其预测与防御
生长在地球上的人类不可避免地要遇到各种各样的自然灾害，如1998年，我国南北方所遭受的百年一遇的大洪水，中美洲的风灾，以及世界各地的气温异常等。
厄尔尼诺(EI Nino)事件
厄尔尼诺事件是指，由于太平洋赤道带海水表面温度异常和海平面高度异常，而引起的全球气候的变化。最近20多年来全球发生过数次厄尔尼诺事件，比较强的两次发生在1982-1983年和1997-1998年，而1986-1987年、1991-1992年、1994-1995年的三次则比较弱。海洋测高卫星的资料表明，1997年1月，在西太平洋赤道附近海平面有一升高点，然后此升高点逐渐向东移动，并扩展向北，而原来西太平洋的海面反而降低了。由于厄尔尼诺事件，海平面上的空气受热流动，改变了大气循环，使全球气候受到很大影响。例如，1997年，我国东北地区、北京市出现罕见的酷暑；1998年，我国大部分地区夏季出现持续高温天气等。
在太平洋上，有一个叫暖池(Warmpool)的地方，地幔对流非常显著，地幔的温度比地面要高得多，由于那里有一个大的裂缝，地幔的热气通过裂缝而散发出来，影响了海水的温度。地幔、海洋、大气的相互作用，可能是厄尔尼诺的成因。
厄尔尼诺事件也可能是由于地球的自转速度变化而引起的。当地球自转较快时，地球内的物质向赤道处集中，造成了此处能量的富集，影响了海水的温度。地球旋转速度的变化又反映在地球的日长变化上，日长的年际变化与赤道太平洋海温变化一致，从而可通过日长的变化来预报厄尔尼诺事件。上海天文台曾在英国《自然》杂志上发表有关的研究成果，并成功预测了1990年的厄尔尼诺事件，以后的三次也都预报成功。进一步的研究将有可能做到提前半年预报厄尔尼诺事件。
厄尔尼诺事件源于固体地球、海洋与大气的相互作用，大气和海洋的运动对地球自转有影响，同时地球自转又反过来影响海洋与大气的运动，使得预测的难度增加。关于厄尔尼诺事件具体如何影响世界各地区的气候，其机制尚未完全明了。厄尔尼诺事件将是21世纪人类要解决的一个重要难题。
旱涝灾害
旱灾与涝灾是两个极端，指某个地区由于水的极多和极少，而对许多方面造成负面影响。为了能及时准确预报旱涝灾害，先要了解全球的降水过程。过去，气象台一般通过高空气球测得大气中的水汽含量后，再预测是否有降水，但高空气球一天只能放一次或者两次，而且成本很高。
上海天文台向上海市提出的一项合作计划，是通过现有的全球定位系统(GPS)来预测降水。现在利用GPS来预报降水，是通过地面的GPS接收站，观测电磁波经过大气的折射率情况，从而计算大气中水汽含量。另外一种较新的方法，是将GPS接收机放在卫星上，然后测出各个GPS卫星在掩星现象时，经过地球大气时折射率的变化。对于携带GPS接收机的卫星，其视野要比地面上的GPS观测站大得多。GPS卫星在运行轨道上有时被地球挡住，然后又从地球背面出现，这种现象称为掩星。在发生掩星现象时，从GPS卫星发出的电磁波在到达星载接收机过程中，有一段穿过了大气层，由于大气中的水汽含量不同，使得直线传播的电磁波进入大气层后受到曲折，由电磁波的到达时间可以计算出大气中不同高度的水汽含量，从而判断降水的可能。掩星每天能利用500多次，可以代替500个气象站，可见效率之高。最近美国和中国台湾合作，计划在2001年发射8个携带GPS接收机的卫星，覆盖全球，由此可以对人迹罕至的沙漠、冰川、海洋和高山进行高空大气水汽含量的观测。上海天文台还进一步提出，使携带GPS接收机的卫星较长期固定在同一地区的计划，可以用来监测特别重要的降水区，如淮河等。
为了解决我国的旱涝灾害问题，科学家提出了许多设想，最突出的就是南水北调，希望能从长江调水去支援北方的少水地区，并已有实施方案。另一设想是对旱与涝地区的降水量进行调节，从空中输运水汽。但其具体的实施也要到21世纪才能实现。
海平面升降
以上海为例，如果海平面上升得很高，则上海市内的污水就无法排入海里，日常的污水都需要用水泵来解决。还会产生海水入侵、地表积水等问题。这对大城市来说，是一个严重问题。
温室效应造成海平面上升，会给太平洋上的一些小岛带来灭顶之灾。为了及时了解海平面的升降，全球建立了许多候潮站。由于各个候潮站建立的时间不同，有的甚至已有100多年历史，为了更好地利用各站资料，计划在21世纪将全球各个候潮站通过GPS互联起来，使候潮站与陆地上的基准站联系，扣除大陆自身的升降，从而可以更及时、准确地预测全球海平面的升降变化。另外，用海洋测高卫星能快速准确地得到当前的海平面变化，与候潮站上百年的资料联用，可以充分利用历史资料进行细微的研究。
地震、火山爆发、泥石流
海平面的变化对人类的影响是一个长期的过程，而地震、火山爆发、泥石流却是一个短期、甚至瞬间的过程。20世纪六七十年代，中国曾经谈震色变，可见地震造成灾害的严重性。
全球强地震区域主要分布在环太平洋带，约有1/3的地震发生在中国。地震、火山爆发、泥石流的发生都是由于地壳运动引起的。由于地壳的破裂，形成了许多独立的板块，各个板块在地幔上滑动，即板块运动。板块之内也有各种断裂或者小块，引起局部的地壳运动。
日本、美国、东南亚和中国都在作地壳运动的监测。由于日本处在环太平洋地震带上，前几年，日本在政府的支持下，建立了一个全世界最密集的，且能连续观测的GPS监测网，其网点有900多处，网点与网点的间距为20公里左右。其首都东京除了GPS网外，还采用人造卫星激光测距、射电望远镜干涉的技术来监测地壳运动。
东南亚国家一共建立了38个网点，由德国帮助代建。在中国，连续进行观测的一共有25个网点，其分布密度比日本低得多。从全国来说，在上海不仅使用了GPS，还采用了射电天文的干涉技术、人造卫星激光测距技术和类似于GPS的德国测速测距(PRARE)监测工具，因而监测的精确度最高。在全球同时拥有4种观测技术的只有6个站，长春、北京、乌鲁木齐、武汉、昆明也采用了除GPS外的其他技术，形成了一个比较坚固的支架，可以精确测出中国的地壳运动。由国家地震局牵头的“中国地壳运动监测网络”，是国家大科学工程中最先批准的三个项目之一。监测网络除利用25个基准站每天观测外，还建立了56个基本站，每隔两三年观测一次，1998年已建成并进行了第一次观测。1999年还将建1000个区域站，主要分布在重要城市和主要地震带周围，并随地震的预警而随时进行观测。
预报地震，必须准确预报出地震发生的时间、地点、震级三要素。地震究竟能不能进行预报，至今还没有统一看法。美国的一些科学家认为，地震根本不可能预报，因为至今还没有一次地震，是成功预报出三要素的。我认为地震是可以预报的，但需要逐步试验和改进，由于地震的原因在于深层的地壳运动，几十年、上百年才发生一次，以及震源不在地面、累积的数据有限等原因，现在准确预报地震还有一定的困难，但随着科学技术的进步，地震一定是可以预报的。就如天气预报，几百年前，人们眼里的气候变化莫测，今天却能基本准确地预报出来。
地外冲击
小行星、彗星碰撞地球造成的损失是难以想象的，但其概率也非常低，大约为亿年一遇。由于木星质量庞大，替地球挡住了很多的小行星和彗星，若无木星遮挡，估计地球发生灾害的机会将增加1000倍。尽管如此，地球还是不可避免受到地外物体的冲击，大约6500万年前，一颗小行星撞击地球，使得地球发生了一系列变化，造成大量生物灭绝。1996年，彗星撞击木星是一次引人注目的天体撞击事件。为防患于未然，美国议会作出决定，要求天文界查出地球附近的小天体，并指明哪些将可能对地球产生威胁。从而可以在小行星冲击地球之前，有充分的时间利用各种手段来改变小行星轨道，避免灾害的发生。
地球的其他待解决问题
除了自然灾害外，关于地球还有一些对人类有影响的问题，需要在21世纪得到解决。
地球自转隐含的角动量变化 地球自转的变化是一种很丰富的信息资源。地球的自转变化是指地球总系统的角动量的变化。总系统包含大气、海洋、地壳、地幔、地核等，无论哪部分发生变化，最后都影响到地球的自转变化。高频自转速度变化的60%～70%是由于大气环流变化引起的。此外是风和地面的磨擦，洋流、冰雪和水的分布变化，核幔之间的摩擦，以及月球、太阳引起的潮汐摩擦等引起的。
天文观测得出的日长变化与厄尔尼诺事件的关系 a为全球日长变化总趋势；b为去掉季节性的变化，然后放大得到的年与年之间的变化；c为太平洋赤道上海面的温度的变化。从图中可以看出，海温高的时候也就是日长变长的时候，由此便可预测厄尔尼诺事件，并可以提前半年以上预测厄尔尼诺事件。
地球的极移 地球的北极并不是固定的。北极在地面上会有一些短期的移动，移动的范围大约为一个篮球场大小，同时北极还有一个长期的移动。极移和地球转速变化都是地球自转变化的分量，其机制也都源于各圈层的相互作用，所不同者，非轴对称的物质运动引起极移，轴对称的物质运动则引起转速的变化。地球自转速度变化是目前观测精度最高的地球物理现象，可以由此探索大气、海洋、地壳、地幔、地核各圈层的关系，下世纪将会有更精细的图象。
地磁场倒转 另外一个待解决问题是地磁场的倒转问题。在历史上，北磁极有时会变为南磁极，地磁场会在几百年内突然变化。对于地磁场的变化，一种看法是，由于地核的内核主要由铁元素构成，旋转以后产生磁场。随着地幔的运动，一些东西可能从地幔中分离出来，进入地核中，扰乱了地核的状态，最后影响到核心并产生混乱，使得地磁场发生倒转。
内核转速及其变化 随着地球的旋转，地核的内核也在不停旋转，但它与地球的转速有着一定的差异，并且其速度也不是固定不变的。中国学者宋晓东，在美国通过地震波的反射，推导出了地球内核转速差异的结论，他的结论在美国引起轰动，同时也遭到一些外国地球物理学家的反对。现在认为，地球的内核转速并不固定，但比地球自转速度要快，每年大约快1度到3度。
地幔对流 地幔之中存在许多热柱，形成一个个不断循环的对流团，热的物质被不断带上来，冷的物质不断落下去，即地幔对流。地幔对流对找矿很有帮助，在海底的裂缝中有许多特殊矿产，现在认为这些矿产正是由于地幔对流把地幔中的物质带上来而形成的。
地球形态变化 地球的整体形状并不是球形的，形象地说，像一个梨，相对而言北半球尖且小，南半球大。并且地球的形态也不是固定的，一直在不断的变化之中，南半球膨胀，北半球收缩。上海天文台和其他的单位曾作过这方面的探讨，从南北半球各取一圆，用最新的观测资料计算它的圆周，可以发现，北半球每年的缩小不到1厘米，南半球每年的扩大为1厘米多。这是个极其初步的结论，有待更多的观测验证。尽管1厘米相对于4万公里的地球半径来说只是小小的一点，但若能弄清楚地球形态变化的机制，对地学的帮助将是很大的。
地球质量中心的运动 尽管地球如此之大，但其质量中心并不是固定的。通过激光卫星的观测结果，质量中心的变化大概在几厘米的范围内。利用质量中心的变化来找出地球内部的物质运动的规律，已成为许多科学家的研究内容。
白垩纪事件 在距今0.65～1.4亿年前的白垩纪，地球上发生了许多令人费解的事件：地磁场突然倒转：出现许多黑色岩系，说明此时岩浆活动非常剧烈；大洋洋底裂开：大气温度比现今温度高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO[,2]的含量十倍于现在；陨石增多；造山运动弱，夷平作用大。对于这些事件的解释可能是，由于一颗小行星撞击了地球。另外此时的太阳系处在一个特殊的位置，位于银河系中的远银心点。对于白垩纪发生的这些事件，国际上已研究了20年，随着人类进入21世纪，将会得到更系统的研究。
上海天文台GPS站测得的大气水汽含量 图中“·”是由上海天文台通过GPS测得的大气水汽含量，“×”是由上海气象台通过高空气球测得的大气水汽含量，可见两者符合得很好。图下方的一些“△”是指大气中大的降水，降水高峰时正是大气中水汽含量的峰值处。可见用GPS来预测降水是可能的。
搜索太阳系以外的恒星系统与地外文明
银河系中已知的恒星约有1000亿颗，其中单个恒星大概500亿颗，与太阳相类似的恒星大概有100亿颗。因而银河系中理应有许多类似太阳系的行星系和类似地球的行星。
通过直接探测这些类太阳系的行星系和类地球的行星非常困难，用一架现有的望远镜想既能看到恒星，又能看到其周围的行星是不可能的，因为恒星与行星的光度相差太大，以太阳系为例，在可见光区，太阳与任一行星的光度差为10[7]～10[8]倍，即使在红外区，也相差10[6]倍。另外，恒星和我们相距太远，即使最近的恒星也和我们相距4.3光年，造成角分辨率很低，用现代的技术和最好的望远镜，都很难进行直接探测。
尽管直接探测很困难，但可以通过间接探测方法来寻找这些行星。
方法之一是，由于行星围绕着恒星旋转，所以它在旋转过程中有一段时间要挡住恒星的光线，此时看到的恒星上有一黑点，恒星的亮度在整体上有所减弱，这个过程称为“凌”。以太阳系为例，地球的凌日过程大概为半天，每年有一次，太阳光变为9.4×10[-5]星等。通过行星凌恒星时恒星的光变时间、周期，可判断是否存在行星。
第二个方法是，当行星绕恒星旋转时，恒星也会绕全系统质量中心转动，由于万有引力的作用，随着行星绕恒星公转，恒星也会相应地向靠近行星的方向移动，这个过程叫做“摄动”。因此，尽管看不到行星，但可通过恒星位置的改变来判断是否有行星。然而这个改变非常小，若将太阳系放到35光年处，木星对太阳造成的摄动也不过5×10[-4]角秒。
第三个方法是利用恒星的视线速度来探测行星，由于行星的摄动，恒星绕行星系质量中心，沿我们的视线方向稍微有靠近和远离的运动。在恒星的光谱线上就反映为向紫外端或红外端的偏移，即其视线速度有周期变化。目前的观测精度只能检测像木星那样的大型行星。
第四个方法是利用脉冲星，即中子星（老龄的恒星，由于引力塌缩以后，形成密度非常大的恒星，旋转得很快，发出周期性脉冲），通过计算脉冲到达地球的时间，排除各种干扰因素，再用模型分解后则可得出是否存在行星。有两个天文台各自观测脉冲星1275+12，认为可能有三个行星，周期在25天至100天之间。
上述的间接探测，都会遇到变化周期很长，需要积累多年观测才能判定的情况。例如，木星绕太阳的周期约12年，天王星约84年。尽管如此，有些天文台已经从1987年开始观测，近年来也陆续有找到行星的报道，下一世纪将会有更多的发现。
除间接观测之外，最好是提高观测分辨率，直接找到行星绕恒星的图象。美国有个21世纪探测计划，在1990年建立了TOPS(Toward Other Planetary System)工作组。计划之一是通过地面的设备来搜寻木星类行星。在夏威夷建立口径为10米的光学望远镜Keck I（现已建成）、KeckII及四个1.5～2.0米的望远镜组成干涉仪，观测精度为10[-4]角秒。计划之二是使用中型空间设备，搜寻天王星类行星，已提出三种空间光干涉仪，观测精度为10[-5]角秒，观测太阳附近100～1000个星。计划之三是使用放置在月面或空间的大型设备，搜寻地球类行星，观测精度为10[-6]角秒。
至于寻找地外文明，其概率更小，地球离太阳距离适中，稍近则来自太阳的光和热太多，水将全部蒸发，稍远些则温度太低，使大气成分改变。另外，地磁场和大气都保护着生物，所以，即使有许多行星系，也只有很少的行星能有生物，而且相距甚远，即使有智慧生物也难以相遇。但是，搜寻地外文明将是人类文明的一大创举。1992年，美国航空航天局(NASA)建立地外文明搜索(SETI)计划，该计划尽管于1993年被美国参议院取消，但SETI研究所仍受私人捐款支持，21世纪可能再由NASA立项。SETI已建有分辨率很高的10亿通道的频谱仪，使用了大型望远镜来搜索地外文明信号。1995年，SETI曾与澳大利亚合作，在NASA新的2000-2020年计划中，仍有搜寻行星系与地外文明的计划。
1998年，建立空间站、重返月球和火星登陆计划，逐步现实化。月球、木卫二、木卫四都可能有水，月球将是新的能源基地，月球表面土壤中丰富的氦3将是新的能源，月球更是优异的天文观测基地，对下一世纪搜寻类地行星和地外文明将有很大帮助。
（本文据作者1998年11月19日在'98上海科技论坛上的报告录音整理成文，并经作者审阅定稿。）
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