第一卷 第1章 我们生活的地球家园

地球的年龄。

我们知道地球形成于很久很久以前，但是究竟有多久，地球究竟多大年龄了呢？古往今来，人们一直在思索和探究这个问题。

最早尝试用科学方法探究地球年龄的是英国物理学家哈雷，他提出通过研究海洋里海水的盐度来推算地球的年龄。1854年，德国科学家赫尔姆霍茨根据他对太阳能量的估算，认为地球的年龄不超过2500万年。1862年，英国著名物理学家汤姆森根据地球从早期炽热状态冷却到如今的状态，推断地球存在的时间在2000万至4000万年之间。

20世纪，科学家们终于发现了测定地球年龄的最佳方法——同位素地质测定法。在地壳岩石中，微量的放射性元素普遍存在，在自然条件下，放射性元素会自行衰变，变成其他元素。因此，只要测出岩石中某种现存放射性元素的含量和衰变后分裂出来的元素的含量，再根据相应元素的衰变关系式，就可以计算出岩石年龄。根据这种办法，科学家们测出最古老的岩石大约有38亿岁。不过，38亿岁的岩石是地球冷却形成坚硬的地壳后保存下来的，并不能代表地球的年龄。

那么，地球的年龄到底是多大呢？20世纪60年代以后，科学家们通过测量和分析陨石年龄以及取自月球表面的岩石标本，发现大多数陨石和月球的年龄都在44—46亿年之间。根据这一发现，科学家们推测出地球的真实年龄是46亿岁左右。

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地球还可以活多久？

排除人为的不确定因素，单从太阳演化对地球的影响方面来说，地球还可以再活几十亿年。

目前我们所处的是太阳为主序星的阶段（意思是，太阳系中所有星体都是以太阳为中心的）。据推测，太阳作为主序星的时间大约能持续100亿年，现在已经过了46亿年左右。在今后的50亿—60亿年里，太阳核心中最主要的氦原子将继续消耗，导致其核心收缩、温度升高，届时太阳外层将会膨胀。当其核心温度升高到100000000K（开尔文温度）时，太阳将发生氦聚变，产生碳。而当太阳内的氦元素全部转化为碳后，太阳将不再发光，成为一颗死星。等到那时，地球可能就会不复存在。

在太阳还是主序星时，它会逐步变得更亮，表面温度缓慢上升。据推测，太阳温度的上升将在9亿年后导致地球表面温度升高，造成目前我们所知的生命无法生存。其后再过10亿年，地球表面的水将完全消失，那时，地球就不再适合人类生存了。

地球的形状与大小。

你肯定知道，我们生活的地球是个椭圆形的球体。但在很久以前，人类并不知道地球是椭圆形的。那时候，人类的活动范围很有限，无法看到地球的全貌，所以不同地方的人们对地球的形状有着不同的认识，例如中国古人认为天是圆的，地是方的，而古巴比伦人则认为地球是座驮在海龟背上的山。

地球是一个球体的概念最早是由古希腊人提出来的，不过他们的依据是球体是几何图形中最完美的形状，而并没有任何客观证据。公元前350年左右，古希腊哲学家亚里士多德通过观察月食，根据月球上地影是一个圆形，第一次科学地论证了地球是个球体。16世纪，葡萄牙航海家麦哲伦完成了人类历史上第一次环球航行，证实地球为球体，但这个球体是圆的还是扁的，当时的人们还是无法判断。

17世纪末，牛顿经过研究后认为地球应该是一个赤道略为隆起、两极略为扁平的椭球体。18世纪30年代，法国派出两支考察队，分别在赤道和北极附近进行测量，证明了牛顿的推测。

最早测量出地球大小的是古希腊天文学家埃拉托斯特尼，他计算出地球的周长约为39600千米，这与地球的实际周长只差475千米。

随着科技的进步，现在人们可以利用人造卫星给地球拍照片，可以乘宇宙飞船或航天飞机进入太空。通过这些途径，人们精确地测量出了地球的形状和大小：地球是一个赤道处略为隆起，两极略为扁平的球体，赤道半径为6738.14千米，周长为40075千米，极半径为6356.76千米。

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麦哲伦。

麦哲伦是葡萄牙著名的航海家和探险家，全名叫做费迪南德·麦哲伦。1480年，他出生于一个贵族家庭，16岁进入国家航海事务厅。1519年9月6日，麦哲伦在西班牙国王的资助下，率领一支由5艘帆船265人组成的探险队，从西班牙桑卢卡尔港起航，开始了他名垂青史的环球航行。

他横渡大西洋，在南美洲发现了麦哲伦海峡，进而穿过麦哲伦海峡进入太平洋。此时，船队已处于缺粮断炊的艰难境地，水手们忍饥挨饿，甚至用桅杆上的皮带充饥，顽强地推进航行。在途经菲律宾群岛时，探险队与岛上的土著人发生冲突，麦哲伦受伤身亡。

最后，这支船队只剩下一艘船。这艘船驶至南非好望角，再北上驶抵西班牙，实现了从西方向西航行到达东方的计划，于1522年9月6日返回西班牙塞维利亚港，完成了历时3年的环球航行。

麦哲伦船队的环球航行，用实践证明了地球是一个球体，不管是从西往东，还是从东往西，都可以环绕我们这个星球一周回到原地，麦哲伦因而被世界公认为是第一个环球航行的人。

地球的内部结构。

如果想知道煮熟的鸡蛋里面是什么样子，把它切开就能看清楚了。但如果想知道我们生活的地球里面是什么样子，那该怎么办呢？

地球的内部结构我们无法直接观察到，不过在19世纪中期到20世纪初期，有关地震波的研究则为人们探索地球内部的奥秘提供了有力的支持。1910年，南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇意外地发现，地震波在传到地下33千米处时存在一个不连续的跳跃，他认为这里可能存在着一个地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年，德国地震学家古登堡发现，在地下2900千米处，存在着另一个不同物质的分界面。

后来，人们就将这两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”，并根据这两个面把地球分为地壳、地幔和地核三层。地壳与地幔以莫霍面为分界，地幔与地核之间则以古登堡面分隔。如果把地球比做一个鸡蛋，那么最外部薄薄的地壳就好比蛋壳，地幔就是裹着蛋黄的蛋白，位于中心部位的地核就是蛋黄。

地壳是地球的固体外壳，厚度很不均匀，大陆地壳平均厚度约30多千米，而海洋地壳厚度仅5—8千米。地壳包括两层：上层是花岗岩层，它构成了大陆的主体，下层是连续的玄武岩层。

地壳的下面一层是地球的中间层——地幔，位于莫霍面和古登堡面之间，厚度为2900千米。地幔是地球内部体积最大、质量最大的一层。

地幔的下面是地核，平均厚度约3400千米，由铁、镍组成，温度超高，约有4000度—6000度。它是地球的核心部分，占整个地球质量的31.5%，体积占整个地球的16.2%，而且密度非常大，即使最坚硬的金刚石，在这里也会被压得像黄油一样软。

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地震波。

地震波是由天然地震或通过人工激发的地震而产生的弹性振动波，在地球中由介质的质点依次向外围传播。

地震波在从震源向四处辐射扩散的过程中，速度会发生几次突变，分别在莫霍面和古登堡面，而地球也借此由外而内分成了地壳、地幔和地核三个圈层。

地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。其中，纵波（P波）是推进波，在地壳中传播速度为5.5—7千米/秒，最先到达震中，使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波（S波）是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2—4.0千米/秒，第二个到达震中，使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波（L波）则是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长大、振幅强，只能沿地球表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

地球上生命的起源。

如今的地球上生活着形形色色、种类繁多的生物。可是你有没有想过，这些生命最初是怎样在地球上出现的呢？

早期的地球是炽热的，上面的一切元素都以气体状态存在，此时生命并不存在。研究认为，生命起源于非生命物质，并且经历了一个极为漫长的演化过程。

原始地球的大气中含有许多有机元素，包括碳、氢、氮、氧、硫等，这些元素在自然界各种射线、雷电等条件的影响和作用下，形成了许多与生命有关的简单的有机物。有机物又通过雨水作用，经湖泊、河流汇集到原始海洋中。在原始海洋中，这些有机物不断相互作用，经过漫长的岁月，进一步生成了较为复杂的有机物，如蛋白质、核酸等。

后来，这些有机物又在漫长的岁月中通过各种变化逐渐形成了具有原始新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命体。这些原始生命体既能从周围环境中吸取营养，又能将废物排出体外。原始生命体再经过极其漫长的历程，才逐步进化成如今丰富多彩的生物世界。

生命的起源是一个相当复杂的过程，需要各种资源进行综合作用，再经过长期的演化才能产生。

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地球上到底有多少种生物。

科学家曾经估计世界上的生物物种有150万，但随着科学研究的不断深入，这个数字目前已上升到3000万—5000万。热带雨林的生物多样性最为突出，在那里生活着全世界半数以上的物种。在我国，生物多样性突出体现在广东、广西、福建、云南、四川等地区。

生物多样性具有很高的价值，它不仅为工业提供原料，还可以为人类提供特殊的基因，如耐寒抗病基因，使培植动植物新品种成为可能。此外，许多野生动植物还是珍贵的药材，为治疗疑难病症提供了可能。

但是，随着环境的污染与破坏，如森林砍伐、植被破坏、滥捕乱猎、滥采乱伐等，目前世界上的生物物种正在以每小时一种的速度消失。这是地球资源的重大损失，因为物种一旦消失，就永不再生。消失的物种不仅会使人类失去一种自然资源，还会通过食物链引起其他物种的消失。

20世纪80年代开始，国际社会开始意识到保护生物多样性的重要性，制定了一系列的国际公约，其中最重要的是《生物多样性公约》。1992年，我国成为世界上首先批准《生物多样性公约》的六个国家之一。

地球的自转和公转。

地球就像一个不停旋转的陀螺般日夜旋转，可是在很久以前，人们却认为地球是不会转动的。古人认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮和星星都在围绕地球旋转，一直到了16世纪，波兰科学家哥白尼才在《天体运行论》一书中完整地提出地球自转和公转的概念。1851年，法国物理学家傅科在巴黎成功地进行了一次著名的实验——傅科摆实验，有力地证明了地球是绕着地轴不停旋转的，这就是地球的自转。

地球自转的方向是自西向东的，自传一周需要的时间约为23小时56分。从地轴北端或者北极上空观察，地球呈逆时针方向旋转；从地轴南端或南极上空观察，地球呈顺时针方向旋转。因为有地球的自转，我们才能看到昼夜更替、日月星辰东升西落等自然现象。

地球在自转的同时，还绕着太阳公转，地球公转的路线叫做公转轨道，它是近似正圆的椭圆形轨道，太阳位于该椭圆的一个焦点上。每年1月初，地球运行到离太阳最近的位置，这个位置称为近日点；7月初，地球运行到距离太阳最远的位置，这个位置称为远日点。和地球自转方向一致，地球公转的方向也是自西向东，从北极上空看，地球沿逆时针方向绕太阳运转。地球公转一周所需的时间约为365.25天。

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傅科摆实验。

1851年，法国物理学家让·傅科在巴黎一个圆顶大厦大厅的穹顶上，悬挂了一条67米长的绳索，绳索的下面是一个重达28千克的摆锤，摆锤的下方是巨大的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上留下运动的轨迹。按照当时人们生活的经验，这个巨大的摆应该在沙盘上画出唯一一条轨迹。

但是，人们惊奇地发现，傅科设置的摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹（准确地说，在这个直径6米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约3毫米）。由此，人们开始认识到，地球是一个不断转动的球体，每一分每一秒都在绕着地轴旋转。

昼夜交替的形成。

当旭日东升，新的一天即将开始；当夕阳西下，黑夜即将来临。我们每天都经历着白天和黑夜的交替变化，但你知道昼夜更替是怎样形成的吗？

我们生活的地球本身并不会发光，而且是不透明的，地球上的光和热都来自太阳的照射。在同一时间内，太阳只能照亮地球的一半，所以阳光照射的地方就是白天，阳光照射的半球被称为昼半球，而背对太阳、阳光照射不到的地方就是黑夜，称为夜半球。昼半球和夜半球之间有一条分界线，像一个大圆圈，我们把它叫做晨昏圈。由于地球不停地绕地轴自西向东自转，昼半球和夜半球也在不停地互相交替变化，白天变成了黑夜，黑夜又变成了白天，从而形成了昼夜交替的现象。

在地球的南极和北极，还有一种奇特的昼夜交替现象。当北半球到了夏季，北极圈以内地区，太阳不再东升西落，而是一直挂在天空中，北极中心地带的白天甚至可以长达半年之久，这种现象叫做极昼；而此时的南极圈以内地区，太阳在很长一段时间内都不出现，一天24小时都是黑夜，这种现象叫做极夜。极昼与极夜的产生，是因为地球在自转时是倾斜的。当北半球的夏季来临时，北极总是朝向太阳，所以无论地球怎么转北极都是亮堂堂的。而到了北半球的冬季，北极就全都被黑暗笼罩，形成极夜，而与之遥相呼应的南极，此时就变成了极昼。

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北极区不同纬度外的极昼和极夜延续时间。

纵横交错的经纬线。

我们做这样一个假设：假如你在一望无际的沙漠或者大海中迷了路，该如何向别人报告你的位置呢？不用着急，只要你能利用相关的工具确定所处的经度和纬度，别人就会知道你所处的位置了。

无论是在地图还是地球仪上，都会有一条条纵横交错的线，这就是经纬线。经纬线在地球上是不存在的，是地球表面的假想线，不过对于我们来说，经纬线有着重要的作用，它标明了我们所处的地理位置。那么，经纬线究竟是如何确定的呢？

我们知道，地球绕着地轴自西向东转动，和经纬线一样，地轴（连接南北两极并穿过地球中心的线）也是人们假想出来的。如果我们在地球中心做一个和地轴垂直的平面，像切西瓜一样把地球切成两半，地球就分成了南半球和北半球。这个平面和地球表面相交的线就是一个大圆圈，它是地球上最大的一个圆圈，叫赤道。我们可以朝着北极和南极的方向，在地球上画出很多与赤道平行的线条，这些线就叫纬线。我们把赤道确定为纬度0度，向南和向北各确定到90度，赤道以南的叫南纬度，赤道以北的叫北纬度。南纬90度就是南极点，而北纬90度则是北极点。

从北极到南极又可以纵向画很多半圆圈，这就是经线。人们把通过英国伦敦格林尼治天文台的经线记为0度，从这条线算起向东和向西各分为180度，向东的称为东经，向西的称为西经。东经180度和西经180度实际上是同一条经线，一般叫它180度经线。

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格林尼治天文台。

格林尼治天文台（Royal Greenwich Observatory,RGO）位于伦敦格林尼治公园俯瞰着泰晤士河的一座小山上，是英国国王查理二世于1675年建造的一个综合性天文台。

当时，英国的航海事业发展很快，为了满足在海上测定经度的需要，英国当局决定在伦敦东南郊距市中心约20多千米、泰晤士河畔的皇家格林尼治花园中建立天文台。1835年以后，格林尼治天文台在杰出的天文学家埃里的领导下，得到扩充并更新了设备。他首创利用“子午环”测定格林尼治太阳时，该台成为当时世界上测时手段较先进的天文台。

随着世界航海事业的发展，许多国家先后建立天文台来测定地方时。为了协调时间的计量和确定地理经度，1884年，一些国家代表在华盛顿召开国际经度会议。会议决定以通过当时格林尼治天文台埃里中星仪所在的经线，作为全球时间和经度计量的标准参考经线，称为0度经线或本初子午线。此后，不仅各国出版的地图以这条线作为地理经度的起点，而且也都以格林尼治天文台作为“世界时区”的起点，用格林尼治的计时仪器来校准时间。

赤道线和赤道纪念碑。

我们在上一节中讲过，地球中间有一条纬度为0度的线，这条线就是赤道。翻开世界地图，我们会发现赤道穿过了地球上的许多国家和地区：巴西、哥伦比亚、印度尼西亚、马尔代夫、加蓬、乌干达、肯尼亚、厄瓜多尔、瑙鲁等。这些地方都设有鲜明的赤道标志，但最有名的还要数位于非洲厄瓜多尔的赤道纪念碑。

赤道横穿厄瓜多尔北部，而“厄瓜多尔”一词在西班牙语中就是赤道的意思。厄瓜多尔首都基多位于赤道以南，距赤道仅24千米，是世界上离赤道最近的首都。

厄瓜多尔赤道纪念碑有新旧之分。旧碑位于基多城以北24千米处，建于1938年，高约10米，碑身四周刻有醒目的E、A、W、N四个英文字母，分别表示东、南、西、北四个方向，碑面上刻着“这是地球的中心”的字样，碑顶是一个大型的石雕地球仪；新碑矗立在距旧碑不远的山谷中，于1982年8月9日落成，外形与旧碑基本相同，但比旧碑体积大三倍。

每年的3月21日和9月23日（也就是春分和秋分日），太阳直射赤道，全球昼夜相等。厄瓜多尔人便在纪念碑处举行盛大的迎接太阳神的活动，感谢太阳给人类带来温暖和光明。

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赤道线上其他国家的赤道标志。

地球赤道经过11个国家和地区，除了最著名的赤道纪念碑，在赤道线上的各个国家都有属于自己的赤道标志。

在非洲的刚果，人们用许多沿直线排列的小石柱表示赤道线，这些小石柱叫赤道桩。赤道桩高不足一米，可以很容易地跨过，所以人们可以一会儿在北半球，一会儿又在南半球。

赤道贯穿了南美洲巴西的北部地区，因此在这里也有着五花八门的赤道标志，例如有标明“赤道分界线”的牌子、高塔、体育场以及一个大锤子形状的建筑物。

亚洲的印度尼西亚也是被赤道穿过的国家，这里的人们就郑重其事地立起了一个星盘，标明这里是赤道。

在非洲的一些穷困国家，赤道标志十分简陋，它们或是竖于丛林中的一块牌子，或者仅仅是草丛里的一条水泥垄。

奇妙的地球磁场。

地球就像一块巨大的磁石，四周充满了磁场。这个大磁场虽然看不见、摸不着，但充满了神奇的魔力。

地球所在的太空宇宙中存在着大量的射线，这些射线如果进入地球，就会对地球上的生命产生严重威胁，而地球磁场就像保护伞一样，有效地改变了这些射线中大多数带电粒子的运动方向，使它们不能到达地面，从而保护了地球上的生命。

在南北极附近，人们有时会看到一种神奇的现象，天空中布满五颜六色的光，就像飘舞的彩带，这就是极光。极光的产生与地球磁场有着密切的关系，当太阳辐射出的带电粒子进入地球磁场后，带电粒子会沿着地磁场的磁感线做螺旋线运动，最终落到南北极上空稀薄的大气层中，和大气层中的分子碰撞产生发光现象，形成极光。在南极地区形成的叫南极光，在北极地区形成的叫北极光。

地球磁场与我们人类的生活也是息息相关的。在行军或者航海时，人们可以利用地球磁场对指南针的作用来确定方向，可以根据地球磁场在地面上分布的特征寻找矿藏，可以利用电磁信号来诊断和治疗疾病，等等。除此之外，地球磁场的变化还能影响无线电波的传播，当地磁场受到强烈干扰时，远距离通讯就会受到严重影响，甚至中断。

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无线电波。

无线电波是一种能量传播形式，指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波，波长大于1毫米，频率小于300吉赫（千兆赫兹）。它的电场和磁场在空间中是相互垂直的，都垂直于传播方向，在真空中的传播速度等于光速，约300000千米/秒。

无线电技术就是基于无线电波所发明的一种信息传输技术。利用导体中电流强弱的改变会产生无线电波这一原理，人们通过调制将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到收信端时，电波引起的电磁场变化就会在导体中产生电流。最后，人们通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

什么是地球日。

在浩瀚的宇宙中，最美丽也最富有生气的就是我们人类赖以生存的地球。我们都有属于自己的节日，同样，可爱的地球也有一个属于自己的节日，那就是每年的4月22日——地球日。

近年来，随着工业的快速发展和人口的急剧增长，我们生活的环境正逐渐被破坏，大气污染、水污染、沙漠化、动物灭绝……美丽的家园渐渐失去了往日的风采。为了呼吁更多的人来保护地球家园，1970年4月22日，2000多万美国人组织起来，举行了一次规模宏大、盛况空前的群众性环境保护运动。后来，人们就将这一天定为“地球日”，而这次活动的组织者丹尼斯·海斯也被人们称为“地球日之父”。

地球日诞生后，世界范围内的环境保护工作逐步取得了许多重大的进展：1972年6月，联合国召开了具有划时代意义的人类环境会议；1973年，联合国环境规划署成立，环境保护被许多国家政府提上了重要议事日程；1990年4月22日，全世界140多个国家举行了各种各样的环境保护宣传活动，数亿人参与其中，地球日开始成为“世界地球日”。从20世纪90年代起，我国每年也开展地球日的纪念活动来宣传地球环境保护的理念。

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《京都议定书》。

《京都议定书》的全称为《联合国气候变化框架公约的京都议定书》，是《联合国气候变化框架公约》的补充条款。

1997年12月，《京都议定书》在日本京都召开的《气候框架公约》第三次缔约方大会上决议通过，并于1998年3月16日至1999年3月15日间开放签字，共有84国签署，条约于2005年2月16日开始强制生效，到2009年2月，一共有183个国家通过了该条约。

《京都议定书》的签署是为了人类免受气候变暖的威胁，它为各国的二氧化碳排放量规定了标准，即：在2008年至2012年间，全球主要工业国家的工业二氧化碳排放量比1990年的排放量平均要低5.2%。它规定：发达国家从2005年开始承担减少碳排放量的义务，而发展中国家则从2012年开始承担减排义务。

我国于1998年5月签署并于2002年8月核准了该议定书。