2.1 地球

人类生活在地球上，正如古人所言“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，我们难以直观地一览地球的全貌。但是，今天的航天员可以在太空飞船上饱览地球的壮美：圆形的轮廓、缭绕的白云、辽阔的蓝色海洋、广阔的起伏大陆、绿色的森林，均一目了然。

地球的平均半径为 6371 km，质量为 5.97237×10 ²⁴ kg，平均密度为 5.514 g/cm ³ 。地球相对于太阳的自转周期（即一昼夜）为 1 太阳日 ，也就是常说的一天。地球绕太阳公转一圈需 365.2422 天，称为 1 回归年 。地球轨道所在平面称为 黄道面 ，垂直于地球自转轴的平面称为 赤道面 。这两个面的交角称为 黄赤交角 ，其当前值为 23°26′21.4″。实际上，地球的公转轨道和自转轴指向都有微小且很复杂的变化。

与利用X射线透视人体内部类似，地震波在介质中的传播情况也能提供地球内部结构的信息。地震资料表明，地球内部从核心向外分为 地核 、 地幔 和 地壳 三大圈层，如图 2.1 所示。地核又分固体 内核 （半径范围约 0~1221.5 km）和液态 外核 （半径范围大约 1221.5~3480 km）。地幔分为 下地幔 （半径范围大致 3630~4701 km）和 上地幔 （半径范围约 4701~6346.6 km）。地幔还包括底部D″层（半径范围大致 3480~3630 km）和中部过渡带（半径范围约 4701~5971 km）。地壳的平均厚度为 33 km，但各处厚度不均匀，海洋地壳平均厚度约 6 km，而大陆地壳厚度约为 30~50 km。地壳和地幔顶部（半径 6291 km以上）由刚性岩石组成，一起称为 岩石圈 ，厚度约 60~120 km。岩石圈下面是 软流圈 ，深度约为 100~700 km。地幔内重要的结晶结构变化发生在表面下 410 km到660 km范围内，跨越分隔上、下地幔的 过渡带 。

地壳 约占地球总体积的 1.5%，约占地球总质量的 0.8%。地壳下面有地震波波速间断面—— M（莫霍）面 ，是其与地幔的分界。地幔约占地球总体积的82.3%，约占总质量的 67.8%。地幔底有 古登堡间断面 与地核分界。地核约占地球总体积的 16.2%，约占总质量的 31.4%。

我国古人发明了指南针（磁针），它能确定方向的原因在于地球是个大磁体。 地球磁场 （简称 地磁 ）大致为像条形磁石周围那样的偶极磁场，现在的磁轴与自转轴有 11.5°交角，且磁场对称中心位于地心以南约 460 km处。南、北磁极的磁场强度分别为 0.68 高斯和 0.61 高斯（1 高斯 = 10 ^-4 特斯拉），磁赤道处的磁场强度 H ₀ =0.31 高斯。

地磁的实际情况相当复杂。地磁的主要部分是 基本磁场 ，包括偶极磁场（约占 90%）和非偶极磁场（约占 10%），并有缓慢的长期变化。例如，近 350 万年内至少发生了 9 次南北磁极翻转的情况，另外磁极也在绕自转轴向西旋进，每年移动约 0.05°。基本磁场起源于地球内部（内源磁场）。热运动驱动导电的液态核作对流运动，再在地球自转作用下形成电流，电流又跟“种子”磁场相互作用形成最终的地球磁场。这类似于发电机发电的过程，因而被称为“磁流体发电机机制”。这些复杂的运动还会导致磁场发生变化甚至产生地磁异常。地磁的短期变化有日变化、季节变化等，幅度可达百分之几高斯，这种变化主要由外源磁场导致。太阳辐射出来的带电粒子流—— 太阳风 跟地球磁层和电离层作用会产生电流系统，进而形成外源磁场。太阳活动甚至有时还能产生短暂的、强烈的地磁干扰，也就是 磁暴 等现象。

太阳风跟地球磁场相互作用，在地球周围形成由带电粒子包围的地球磁场控制区域，称为 磁层 （magnetosphere）。太阳风的动能和压力把地球磁力线往背太阳方向推斥，使磁层形成复杂的结构，如图 2.2 所示。太阳风带电粒子流与地磁的交界面是磁层的外边界，称为 磁层顶 。磁层顶的位置和形状主要由太阳风动压和地球磁场磁压的平衡来决定：太阳宁静期，磁层顶在朝太阳侧离地心约 （地球半径）处；太阳活动剧烈时，磁层顶在朝太阳侧离地心 处。在背太阳方向，磁层顶呈筒状，可延展到几百 处，形成 磁尾 ，其截面半径约 。

太阳风粒子流受磁层阻碍，如航船前方的水波那样，在磁层顶上游形成 弓形激波面 ，它离地心约 弓形激波面与磁层顶之间的过渡区称为 磁鞘 。在磁尾中央，被拉伸的反向磁力线之间存在 中性等离子体片 。地球磁场和磁层随地球自转，带电粒子与磁场相对运动而形成大的电流体系：磁层顶电流、中性片电流、环电流、场向（磁力线方向）电流等等。这些电流成为地球外部磁场的源。太阳活动剧烈时，强太阳风扰动磁层电流系统而造成地磁磁扰。

太阳风、宇宙线与地球高层大气相互作用而产生大量带电粒子，它们绕地球的磁力线做螺旋运动，产生电磁辐射。地球磁场捕获的大量带电粒子所在区域称为 辐射带 ，它是先由理论预言，随后由范艾伦在 1958 年用探测者卫星上的仪器发现的，故又称为 范艾伦带 。辐射带呈环状，在低、中纬高空环绕地球，截面为两瓣相对的月牙形。地球辐射带主要有两个：内辐射带主要集中高能（百万电子伏特以上）质子，高度在 600~12700 km，介于磁纬±45°范围内；外辐射带主要集中高能电子，高度在 3 R ~4 R ，介于磁纬 ±50°~60°内。近年又发现了更内的第三辐射带，集中来自太阳系之外的高能氧、氮和氖的离子。实际上，带电粒子分布范围很广，而且辐射带情况也随太阳活动变化。辐射带中的高能粒子会伤害航天器上的航天员和仪器，在航天活动中需要注意避开。

地球形成以来，已经发生了深刻的演化，地表几乎完全没留下 40 亿年以前的遗迹。利用放射元素测量推算，地球的年龄约 46 亿年。 LGHZ0Z5jbN7CKg1fO0ZtyJG6oHHkvHHI4zWuPHbYkaBehmaU64it7+wffjK4RXaL