地球为什么有重力?3Q

地球为什么有重力?3Q

形成原因 假如地球表面完全为自由流动的液态水所覆盖,那么这种液体水的表 地球引力面呈现一个扁球体,在两极稍平,而在赤道膨胀,这在前边已经作了简要的叙述.这个理想的形状,称为地球体,它将完美地同全部的重力、转动力相平衡.牛顿定律对于引力的表达是重力遵循的基础.众所周知,该定律的基本表述为：m1与m2这两个质点之间的引力,正比于二者质量的乘积,反比于这两个质点中心之间距离的平方,如果说此处的F为作用在m2上的力,那么R1为从m1指向m2的单位向量,r是m1与m2之间的距离,而A是万有引力常数.加上负号表示着力是互相吸引的. 很明显,引力是存在于自然界中强度最小的相互作用力.最近还发现,A的数值也不是常数,而是随着时间有缓慢的减少.它的这种变化,是由许多原因造成的,其中之一被认为是由于地球半径随着时间而增加,这样反过来,又必将对地球的发展历史带来深刻的影响.可是,所得出的A值变化速率是如此之小,以至于它在整个地球演化过程中,即在几十亿年的时间内,其变化速率只大约为1％,所以在实际应用上并无什么真正的价值. 由于地球（假定为m1）这个巨大质量的存在,使得m2所产生的加速度,称做重力加速度.它最早是被伽利略在意大利的比萨斜塔上测定的.在地球表面上这个数值一般定为980厘米／秒2,通常又将1厘米／秒2称为“伽”（gal）,用以纪念这位伟大的科学家.重力场是守恒的,也就是说在重力场中,移动一个物体所做的功,独立于它所经过的路径,而仅仅取决于它的终点.事实上,假如该质量最终转到它原来出发时所处的位置时,其净能量的消耗等于0,而不管它在其间所走过的道路是什么.这在自然地理面中,是可以很轻易得到证明的.寻常所见的水分循环,就是一个很好的说明重力守恒的例子.一滴水从海洋面上被蒸发,克服重力,进入大气,这是外界做功的结果.待它由空中重新回归到海洋时（而不管它是直接落入海洋,还是被运送到几千公里之外,又随着河川迳流回到海洋来的）,放出了原先克服重力时的那部分功,遵循着重力守恒,使得净能量的消耗等于0.类似的例子,在地表面是很多的.另外一种对重力守恒的表达方式就是：动能和势能之和在一个封闭体系中为一常数,这涉及到动能与势能的互相转化,也是我们要经常使用的一个规律.同时要记住引力是一个向量,它的方向是沿着地球的质量中心与另外一个物体质量中心的连线,这在进行向量分析时,是极为有用的.地球表面的重力大小,一般来说与五个因素有关,它们是地理纬度、海拔高度、周围地体的地形、地球潮汐与地表以下物质的密度.这最后一个因子,仅仅在进行重力测量中才有价值,一般情况下它对重力变化的影响,要比前四个因子的联合效应小的多.例如,从赤道到两极,重力随着纬度变化的数量大约为5伽,而油田勘探中的较大重力异常是10毫伽,只相当于上述数字的1／500.在1930年,国际大地测量和地球物理协会采用了一个公式,给出了在地球这个椭球体上任意一点的重力加速度为： g=g0（1+αsin2Φ+βsin22Φ） (5．9) g——重力加速度；g0——在赤道上的重力加速度,它等于978.0490厘米／秒2；Φ——纬度,常数α及β分别是0.0052884和-0.0000059.自从1930年以来,由于在重力测量中获取了大量的资料,特别是通过人造地球卫星的准确测定,上式中的常数已经有了进一步的改动. 从自然地理学的角度来看,我们的着眼点不在于寻求计算重力或进行订正的准确公式,而在于利用这种重力分析的基本原理,阐述物质在进入自然地理面和输出到环境时的爱力状况,在这些受力当中,重力是特别应当考虑的一项.举凡地形的改变、物质的搬运和堆积、气团的运动、水分的循环、生物的生长,甚至于地球物质的调整等,离开了重力的分析,就不可能得出正确的结果.前面已 地球引力经讲过,重力最为明显的表达,一般都在地球固体表面之上.在其下并非重力消失了,只是不容易有如固体表面之上那样明显地看出来罢了,此外作为研究的对象来说,我们亦不去特别关注地层深处的重力状况,而只接受它所带来的对地表造成的后果.进而看到,在海平面之上陆地面积约占全球总表面积的29％,以雨和雪降下来的水,必然经受重力的作用回归到海洋中去.这样,每一次落到地表上的降水,都具有比例于本身质量和海平面以上高度的乘积,这样数值的能量,这就是它所具的势能.在陆地地表,亦有个别的点低于海平面,例如我国的吐鲁番盆地,美国加利福尼亚的死谷等,它们之所以能在陆面上保持这种例外的情况,一是由于其面积小,二是由于这些盆地均处于干旱区,很少有降水发生.假如把它们移到湿润地区,这种低于海平面的状况决不会保持很久,在重力的参与下,很快就要被水充满或被水所带来的风化物质填注,以补足海平面在全球延伸中的“漏洞”.重力在自然地理面中的表现,既平常又深刻,对此应有充分的认识,现粗略地讨论一下重力在改造地表形态上的作用.陆地表面由于风化作用而造成的松散物质,在一定的条件下,由于力的作用是要移动的. 无论是从高处到低处的滚动、滑落、崩塌,还是通过河流的输运,风的挟带等,其中一个极重要的因素就是重力的参与.我们以一个在坡面上运动的岩块为例,简要分析一下重力的作用.由分析得知,重力的一个分力,即岩块向下滑动的力,比例于所处坡度的正弦,当然还取决于这个坡面的摩擦系数.一克重的岩块在坡度为45°时,向下滑动的分力为0.7克；而当该坡度等于60°时,这个分力将增加到0.87克（如图5．5）.由于摩擦系数很少有大于1的状况,因此单凭摩擦系数的阻抗,在坡度大于45°时,将支持不住重力所引起的向下滑动的分力.事实上,比40°更为陡峭的自然坡度在全球是很少见的,因为如果有超出40°的角度时,重力作用将比较迅速地对此加以改变,由此可以看出重力改变地表形态的作用来. 在讨论地球重力的同时,我们对于其它星体产生的类似于地球引力的作用力,也要加以必要的重视.最主要的就是月亮和太阳对地球的引力. 月亮和地球的距离很近,约等于三十个地球的直径,根据万有引力定律,引力与距离的平方成反比,因而尽管月球的质量不算太大,但对于地球上各个质点的引力却相对的要大一些.太阳的质量很大,约等于二千亿亿亿吨,是地球质量的三十三万倍,但由于地球与太阳之间的距离太远,是月球—地球之间距离的四百倍,因此,它对地球的引力,只是月球对地球引力的46％.所以,地球上的潮汐现象是太阳和月亮二者作用力的合成,这里我们只需了解月亮的引力作用比太阳更大这一点就够了.地球的质量是月球的81.5倍,因此月—地系统的公共质量中心,必然大大地偏向于地球一侧,大约在距地心0.73倍地球半径的地方,两个球体每月绕着这个共同的质量中心转动.月球对于地球的引潮力固然重要,但这个引潮力的数量值却并不太大,只相当于地球重力的千万分之一.对于地球上一个10吨重的物体来说（即重力等于10吨）,其引潮力仅有1克.这样小的力,人通常是感觉不出来的.但地球对 地球引力这种不大的引潮力,反应却十分明显.很早以前,就发现海水在一日内有规律的涨落（潮汐）与月球有密切关系.此外,地球不是一个刚体,一般都认为它是一个具有弹性的球体,对于具这样一种特性的球体,在引潮力的作用下,地球的固体岩石地壳也会产生“潮汐”现象,叫做固体潮,每天都要升降达30厘米左右.当然地球对月球的引潮力更大,它使得月壳突起和下落的幅度达到3公里左右.与此同时,地球上的大气,也因为这种引潮力,每天都产生着“大气潮汐”.至于海洋这个庞大的水体,其上的潮汐现象就更为明显了,加拿大东海岸的芬地湾蒙克顿港,最大潮差达19.6米,堪称世界前茅.我国钱塘江口的最大潮差记录为8.9米,当然各个地方由于所处位置及周围环境的不同,潮差也是不相同的.月球和太阳的引力在塑造陆地表面的地形方面,也是一个具有一定意义的因素.康德在1775年,曾率先提出把涨潮作为改变地球旋转速度的一个因素.近年来,在探讨关于地震的预测预报中,也有人把潮汐力作为一个对地震起因的触发因子.此外,对于自然地理来说,更为明显的则是潮汐对于海陆交界处地形的变更作用,对于岸线的影响作用,以及对于波浪运动的作用等