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地球真的是个丑土豆吗?

时间:2014-11-07 18:20:05 来源:[!--befrom--] 作者:[!--writer--] 我要评论 热度:

流言: 【原来,地球不是球】地球仪上,地球是一个正宗的球体。但专家说,地球并不是一个标准的球体,长相有些“怪?#34180;?#31350;竟有多怪?NASA贴出了一张地球的素颜照,照片中,地球长满了“青春痘?#20445;?#26679;子有点变形,甚至有些丑,好像土豆……

地球真的是个丑土豆吗?

微博上流传的“地球素颜照?#34180;?/p>

分析: 这张图根本不是地球的形状图。实际上它表示的是全球重力变化的?#21344;?#24046;异,而且经过了夸张处理。图片出自GFZ(德国地球科学研究中心)和NASA(美国宇航局)合作的“GRACE项目” [1] ,这个项目的主要目的就是绘制地球的重力场变化 [2] 。?#20998;蘅占?#23616;(European Space Agency)也有类似的项目,称作“GOCE” [3] 。Discovery网站曾有报道[4] 。但在传播中,一些媒体将图片错误解读成了地球的形状,还冠以了“地球素颜照”的称呼。

什么是重力变化?

重力是万有引力的一个分量,在不同的地区是有细微变化的。?#28909;?#22312;赤道地区重力较低,而在两级地区?#32454;擼?#22312;青藏高原较低,在海洋地区则一般?#32454;摺?#27492;外,在有金属矿床发育的地区,重力一般也?#32454;摺?/p>

重力是和物体的密度有关的,一般来说,密度愈大的地方,重力也愈大。青藏高原的海拔很高,但是其组成物质中,密度较低的岩石占的比例很大;而海洋地区的岩石密度相对?#32454;擼?#36825;就是在海洋地区的重力反而大于高原地区的原因。同样,很多金属矿床,如铁矿、铜矿等,它们的密度也大于一般的地壳岩石,在重力图上就显示为高密度区。利用这一点,地质学家就可以?#19994;?#24456;多金属矿产。

地球真的是个丑土豆吗?

根据?#20998;蘅占?#23616;的GOCE卫星数据画出的第一张全球重力差异模型。这张图表示的是消除了纬度差异化的重力图,红色表示高重力区,蓝色表示低重力区,代表两个极端值。全球除了个别地区外,重力的差别是非常小的。

测量地球重力场变化(GOCE)的项目,是?#20998;蘅占?#23616;观测地球项目(Observing the Earth)中的一个子项目,目的就是利用重力卫星去精细地测量出地球表面不同地区重力的细微变化。重力及其差异的资料在很多方面都有重要的应用,如大地测量、重力找矿、海平面变化、潮汐,以及其他诸多的地表及地球内部过程,如冰盖厚度变化和火?#36739;?#30340;岩浆分布等。精确的重力资料对理解这些过程有很大的帮助。?#20998;蘅占?#23616;的科学家利用重力卫星上搭载的精密重力仪,测出不同地区的重力值并求出差异。

在多年的研究基础上,研究人员将数据放到一个地球的模型上,?#28304;?#26469;更加直观地表示出研究结果。这就得到了流言中的那张图片。但这张图并不是完全按照比例绘制的,因为这些差别本来就很小,如果按比例来画图,很难让读图者清晰地看出差别。所以只能夸大比例,形象化地表示出各地重力数值的差异。

因此,这是一张经过夸大的地球重力变化图,它与“地球的形状”根本没有关系。

地球真的是个丑土豆吗?

夸大了的地球重力图[3]。

地球的形状[注]

那么,地球的形状到底是什么样子的呢?

如何描述地球的形状,这与要求的精度有关。如果精确到几十千米,可认为地球是个平均半径为6371千米的球体。如果精确到千米,由于地球的极半径是6356千米,赤道半径是6378千米,因此有人将地球描述为椭球体。不过,赤道?#22303;?#26497;的半径差别只有22千米,相对于平均半径来说,实在微不足道。

地球真的是个丑土豆吗?

地球的极半径(R1)和赤道半径(R2)。注意,这里为了形象地表示,把极半径和赤道半径的差别夸大了。

而如果精确到米,地球的形状就很?#36805;?#25324;描述了。地球表面有大江大河、大山大海、各种各样的建筑物等等。要讨论地球的具体形状是不大可能的。但这样的差别,对大地水准面的研究是很有意义的。

其实,从太空中可以更直观地看到地球的形状。下面是一张太空中拍摄的照片,可以看出,地球确实是一个圆滚滚的球体,不是“土豆?#34180;?/p>

地球真的是个丑土豆吗?

太空中拍摄的地球照片。

“脱水”后地球的形状

可能有的人会想:地球表面70%覆盖着水。那么,?#39068;?#20123;水抽干以后,地球会是什么样子呢?

如果把表面的水抽干,地球确实会变丑。首先是占地球表面大部分的那一片蓝就没了,地球不再像一颗晶莹的玻璃球,而是黑乎乎的(想象一下海底的烂泥)……

这时你会发现,其实海底和大陆还是蛮像的:有挺拔的高山,有辽阔的平原,有横亘?#30422;?#20844;里的山脉(大洋中脊),也有伤疤一样的海沟(?#28909;?#39532;里亚纳海沟)。大陆上的高山平原和大洋里的比起来,你会感觉大陆简?#27604;?#29190;了:青藏高原太小了,两大?#36739;擔?#38463;尔卑斯-喜马拉雅?#36739;?#21644;科?#19979;?#25289;?#36739;?#21152;起来还没有洋中脊长度的一半长。

地球真的是个丑土豆吗?

地球大陆与大洋地貌图。大陆就不解?#22303;恕?#22823;洋中蓝色越深表示海水越深,越白表示海水越?#22330;?#22270;中白色的宽条带就是大洋中脊,世界上最大的山?#30784;?#22823;洋的地壳就在这里产生。其他一些?#24863;?#30340;白点或白链表示海中的山或小山脉。(由于地图投影的关系,这张图会显得大陆的面积很大,其实没这么大,可查看地球仪。)

这时候的地球看起来可能会更“麻”一点,不过差异仍然是非常小的。青藏高原平均海拔才4000米多,而洋盆平均深度也就4000米深,落差不过8000米多一点,实在不算什么。即使算极值,珠峰8844米,太平洋马里亚纳海?#24213;?#28145;处11034米,落差大约为19878米,还不如两极和赤道的半径差别显著。而且这只是地球上小小的点,影响不到全貌。

这里我们来做一个计算:把地球(不含水的部分)缩小成一个半径1米、?#28909;?#36824;要高的大型地球仪,来看看上面说到的这些落差能否明显地表现出来。

如前面所说,地球赤道半径?#22270;?#21322;径之差是22千米。在半径1米的地球仪上,这点差别相当于赤道半径比极半径长3.5毫米,肉眼根本分辨不出来。同样计算可知,珠穆朗玛峰只是约1.4毫米的突起,马里亚纳海沟也只是最深处只有1.7毫米的小沟。这些凸起和凹陷都太细微,整体来看改变不了地球球体的外观。

大家可能见过一种有突起的地球仪,高的地方是高山,低的地方是平原。其实,这种地球仪也是把地形起伏进行了夸大。否则如果按照真?#24403;?#20363;,在教学用的地球仪(半径一般15厘米左右)上面,大陆上的那点地形起伏实在是观察不出来啊。

地球真的是个丑土豆吗?

利用地形学制作的地球仪。上面各地区的地形差距经过了夸大。

结论: 流言中的图是夸张了的地球重力图,不是什么地球“素颜照?#34180;?#22840;张的初衷是让研究结果更直观,但在媒体传播中被错误地解读了。地球大略上仍然可以认为是两极?#21592;狻?#36196;道微突的椭球体。在地球仪的尺度上,认为是球体也?#36824;?#31995;。

[注]这部分内容参考了石耀?#34935;?#22763;在科学网上的博客,链?#21491;?#20314;失。

参考资料

[1]http://op.gfz-potsdam.de/grace/results/grav/g003_eigen-cg01c.html
[2]http://science.nasa.gov/missions/grace/
[3]http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE/Earth_s_gravity_revealed_in_unprecedented_detail
[4]http://news.discovery.com/earth/potato-earth-110405.html

本文作者对网友一些问题的补充回答

1,不是很明白……意思是如果海洋是静态的,海平面就是这个样子?那现在海洋表面比较“圆?#20445;?#26159;因为海洋是动态的吗?

地理学上有一个“大地水准面”的概念。简单来说,它是这样定义的:当海水完全静止,没有海浪,没有潮汐,没有洋流,鱼也不游动,海水在全球范围内充分自由地流动以后,水面就像冻住了一样,这时候海水形成的那个面就叫大地水准面。它实际上是一个重力等位面。什么叫重力等位面呢?就是这时候你?#32454;?#22320;在这个面上走的时候,重力是不做功的,你的重力势能是保持不变的。

注意,此时的大地水准面仍不是一个标准的椭球面,它的表面仍然有起伏。原因就是不同的地方,物质的密度是不一样的,地?#20351;?#36896;条件也是千变万化,所以不同地区的重力势不一样。因?#20284;?#37325;力等位面,即大地水准面也不可能是一个完美的曲面。

然后,这个面就可以向大陆地区?#30001;?#20102;。在大陆上,这个重力等位面也不是和地貌一致的,它其实是横切山川的。

另一个常见的名称就是地球旋转椭球面。这也一个假想的面,是科学家为了研究方便定义的一个面。从地球的极半径和赤道半径长度我们可以知道,地球确实是一个赤道稍鼓而两极?#21592;?#30340;不规则椭球体。实际的大地水准面太复杂,不方便研究,科学家索性就定义了一个标准的椭球体。大地水准面和旋转椭球面也是相切割的关系。不过旋转椭球面不是唯一的,不同个国?#19968;?#22320;区可以自己定义。

地球真的是个丑土豆吗?

大地水准面、旋转椭球面和地球实?#26102;?#38754;的关系。注意,这里为了表示更清楚,夸大了大地水准面和地表的凹凸程度,椭球面?#37096;?#22823;了两极和赤道半径的比例。

回答上面的问题。现在地球比较圆,不是因为海水是动态的。现在地球的形状,确实是各?#33267;Γ?#22914;地球自转、自身引力、海底扩张、大陆碰撞、火山、地震、风力、水以及冰川等等)相互作用的结果,结果就是地球不是正球体,而是一个赤道稍鼓、两极?#21592;?#30340;不规则椭球体。

2,“素颜照”是不是地球除去了海洋、植被和土壤后的面?#29627;?/strong>

也不是的。

要说“除去土壤?#20445;?#39318;先可以这样定义土壤:自然风化或水流沉积形成的松软土状物质。当然,海洋中还有一层薄薄的沉积软泥,不到500米厚,也算到除去之列吧。陆地上的土有多厚呢?#21487;?#21306;就非常薄了,很多地方一米都不到,岩石很多时候是裸露的。黄土高原的黄土最深深度可达近400米,华北平原的沉积最深不过6000米,平均不到1000米。这些相对于地球6371千米的半径,实在是微不足道的。?#28909;?#21326;北平原土壤沉积最深的地方,6/6371=0.00094,不足千分之一。

除去海水呢?海水深?#28909;?000米,青藏高原平均高?#28909;?500米。把青藏高原和大洋的平均落差取为9000米,9/6371=0.0014,不到千分之一点五,同样微不足道,脸上长个不起眼的小痘痘也不止这个比例吧。况且这还是极端情况。

去掉植被呢?假设植被的平均高度为200米(夸张了,地球处于侏罗纪)。200/6371000=0.000031,我也不知道这个数有多小了。

所以说,不管去掉海洋、植被,还是土壤,地球的素颜照都不可能是那种样子的。但是如果真去掉这些,地球真会变丑的。看看火星就知道了。

(感谢网友asd0832对本段数据的指正。)

3,关于“地球是梨形”的说法

这种说法存在误导,中国地震局郗钦文研究员对这个问题做过专门的解释。可点击:http://scitech.people.com.cn/GB/4702166.html


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