地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第一章 我们和地球

第一章 我们和地球

当我们来到这个世界上，我们首先感知的是我们周围的环境。当我们对周围的环境——地球的意识充分展开时，驾驭我们的意识，探索地球的真实是我们人类理解整个生存环境得以继续的重要部分。地球磁场是磁场作用在地球上的自然表象，对地球感知的全部知识积累是我们能够诠释地球磁场的理论基础。

§1 探索“地球”的真实

地球是人类赖以生存的唯一家园，地球亦是我们人类生命真实生活的载体。这个与我们人类生息相载、息息相关的地球，其神圣使命远远大于这个世界所能承载的一切。然而，我们每个人对地球仅有的知识程度，也局限于熟视无睹的这个世界之内；似乎，生存、生命的价值，也远远抛于这个地球之外。有很多人，很多生命，在疲于奔命的完成一个人所能承载的使命，但似乎与地球早已产生隔膜，早已悬浮于地球之外一般，完全忽略了这个所谓的“球体”。在人类追寻生命起源、生命真实，寻找生命真谛的过程中，与原生态的、自然的本质是无法分开的。人类的最初本能就是要让生命存活在这个世界上，而负载我们最真实的生命载体，便是唯一的，也就是我们的这个地球。地球的广博，让我们对它进行解释，便会给人类带来无穷尽的裨益。

一、地球理要

（一）地球内涵

地球，即大地是球体，早期的知识认为是宇宙的一个圆型的天体。希腊文明和圣经早在三千多年前就明确大地是球形的了，而且是浮动于宇宙之中的。关于我们是生存在球形体上的证明，早在古希腊时期就已经有人做过。1475年，科学家摩尔尼克根据科学实验，确实证明了地球是圆型的学说；1492年，意大利探险家克里斯托弗·哥伦布在美洲发现新大陆时，他预期确定“地球是圆的”这一论述；1519年，葡萄牙航海家麦哲伦率领船队，经过长达3年艰苦的海上航行，顺利完成人类历史上第一次环绕地球航行一周的壮举，他用自己的亲身实践证实了地球是球形的最后定论。因此，经过多年实践和科学论证：地球是一个两极稍扁，在一个椭圆形轨道上围绕太阳公转，同时又绕地轴自转的球体。地球的赤道半径6378千米，地球的两极半径6357千米，平常以肉眼观察的似乎是正球体，但实际是仅仅相差21千米被我们大概地忽略的略偏球体。

（二）关于地球学说

地球已经存在了46亿年以上的时光，现在它公转周期为365.25天，我们为了庆祝和纪念它，将这些天定为回归年；而现在的地球自转周期为23.56小时，于是，我们生活的一天就定为24小时。地球的体积为10832亿立方千米，质量为600000亿亿吨，其平均密度为5.50克/立方厘米，表面积为5.1亿平方千米，海洋面积为3.61亿平方千米 ；大气的主要成分是氮（78.5%）和氧（21%），地壳的主要成分是氧(47%)、硅（28%）和铝（8%）；地球还有自己的天然卫星即月亮。

近几十年来，愈来愈多的科学家认为，地球上部不仅有垂直运动，而且还有较大的水平运动，海洋和大陆的相对位置在地质时期也是变化着的。

关于地球起源及演化，一直也是人类非常关注的疑问。从文艺复兴开始，人类关于陆地的形成就经历过三次大的辩论，时至今日，基本为现代人认可的地球地质演化学说有以下几种。

1、大陆漂移假说

大陆漂移假说的观点，最初产生于德国气象学家魏格纳在病床上观察世界地图的构想。之后他通过大量的资料佐证，比如追踪大西洋两岸的山系和地层；甚至在非洲和印度、澳大利亚等大陆之间，也发现有地层构造之间的联系；接着，又考察了岩石中的化石，有如下多种现象：

一个是生活在远古时期陆地淡水中的中龙，是一种小型爬行动物，它既可以在巴西石炭纪到二叠纪形成的地层中找到，也出现在南非的石炭纪、二叠纪的同类地层中。而淡水生活的中龙，是如何游过由咸水组成的大西洋的？另一个是庭园蜗牛，发现它生存在德国和英国等地，却也分布于大西洋对岸的北美洲。而蜗牛素以步履缓慢著称，居然有本事跨过大西洋的千重波澜，从一岸传播到另一岸？当时地球上甚至连鸟类还没有出现，蜗牛是怎么爬过去的？再一个就是一种植物化石—舌羊齿，这是古代的蕨类植物，广布于澳大利亚、印度、南美、非洲等地的晚古生代地层中，即现代版图中比较靠南方的大陆上。植物没有腿，也不会游泳，是如何能漂洋过海呢？

魏格纳为解释这些现象，他考虑地质学上固定论与活动论、火成论与水成论、渐变论与灾变论的三大地质论战，依据他的研究成果，对“陆桥说”提出质疑。而古代冰川的分布也支持魏格纳的观点，最终发现，古纬度与现在大陆的位置是冲突的，这也说明以前的大陆不在今天所处的位置。所有的证据证明魏格纳的论说是可靠性的，他便于1915年写了《海陆的起源》。魏格纳在这本书里，以严谨的科学态度阐述了古代大陆原来是联合在一起，随后由于大陆漂移而分开，分开的大陆之间出现了海洋的观点。魏格纳认为，大陆由较轻的含硅铝质的岩石如玄武岩组成，它们像一座座块状冰山一样，漂浮在较重的含硅镁质的岩石如花岗岩之上（洋底就是由硅镁质组成的），并在其上发生漂移。在二叠纪之前，全球只有一个巨大的陆地，他称之为泛大陆（或联合古陆）。风平浪静的二叠纪过后，风起云涌的中生代开始之后，泛大陆首先一分为二，形成北方的劳亚大陆和南方的冈瓦纳大陆，并逐步分裂成几块小一点的陆地，四散漂移，有的陆地又重新拼合，最后形成了今天的海陆格局。

2、“海底扩张”假说

20世纪60年代，两位英国海洋地质学家H.H.赫斯（Harry Hess）和R.S.迪茨（Dietz）提出了“海底扩张”的假说。据测定，在太平洋洋底，海岭两侧的地壳向外扩张的速度是每年5～7厘米，在大西洋是每年1～2厘米。大洋底部的地壳面貌大约需要经过两三亿年的变迁，才会发生一次更新式的巨大变化。海底扩张的学说是大陆漂移学说的新形式，也是板块构造学说的重要理论支柱。

赫斯用地幔对流机制来解释海底的地形标志，他设想大洋中脊是热流上升而使海底裂开的地方，熔融岩浆从这里喷出，推开两边的岩石形成新的海底。赫斯舍弃了早期大陆漂移模型中大陆排开洋底物质进行运动的方式，而认为大陆是被动地受到地壳下部对流作用的推动，好像被放置在一条活动传送带上运动。这一充满想象力的思想于1962年发表在论文《海洋盆地历史》中。赫斯在论文的引文中说“我的这一设想需要很长时间才能得到证实，因此，与其说这是一篇科学论文，倒不如说是一首地球诗篇。”事实上仅时隔一年，弗雷德里克?瓦因（Fredrick Vine）就把海底扩张的思想与海底地磁的新资料圆满结合在一起，奠定了板块构造学说的基础。

3、板块构造学说

板块构造学说是在大陆漂移学说和海底扩张学说的基础上提出的。板块构造学说是1968年法国地质学家勒皮雄与麦肯齐、摩根等人提出的一种新的大陆漂移说，它是海底扩张说的具体引伸。

板块构造，又叫全球大地构造。所谓板块指的是岩石圈板块，包括整个地壳和莫霍面以下的上地幔顶部。新全球构造理论认为，不论大陆壳或大洋壳都曾发生并还在继续发生大规模水平运动。但这种水平运动并不像大陆漂移说所设想的，发生在硅铝层和硅镁层之间，而是岩石圈板块整个地幔软流层上像传送带那样移动着。

4、板块运动理论

地球最上层约几十公里厚的一圈是强度很大的岩石圈，其下几百公里厚的一层是软流层，强度较小，在长期的应力作用下这一层的物质具有可塑性。岩石圈漂浮在软流圈上。在地球内部能量（原始热量和放射性热）释放时，地内温度和密度的不均匀分布，引起地幔物质的对流运动。地幔对流物质沿着洋底的洋中脊的裂隙向两侧方向运动，不断形成新的洋底。此外，老的洋底不断向外扩张，当它们接近大陆边缘时，在地幔对流向下拖曳力的作用下，插入大陆地壳下面，致使岩石圈发生一系列的构造运动。这种对流作用可使整个洋底在三亿年左右更新一次。岩石圈被一些活动构造带所割裂，分成几个不连续的单元，称为大陆板块。全球岩石圈分成六大板块：欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。海底的扩张导致大陆板块发生运动。板块的相互挤压造成了巨大的山系，自阿尔卑斯山经过土耳其和高加索，最后到喜马拉雅山的山系正是属于这种情况。

从“大陆漂移假说”开始到“板块运动理论”为止，实际上它们都是一种理论的延续。它们可以在地壳的表面找到理论的支持，但是这些支持理论的表象，也可以用其他理论给予解释。以上理论的最大缺陷是，板块运动的运动机制没能给出令人信服的解释。也就是说板块运动的机制没有归纳到地球演化的过程当中去。所以说，以上理论绝不是地球板块活动过程的合理解释。我们说，地球上有季节变化和昼夜交替，这是因为地球不停的自转和公转的反映。地球上还有翻江倒海和山崩地裂，这是地球在运动变化过程中有不稳定因素的结果。但是，我们应该意识到地球上所有事物的起源、演化都是有其规律的，只是我们没能把它们详细描述出来而已。

（三）时光轮回

根据“古生物钟”的研究发现，地球的自转速度在逐年变缓，因为地球与月球之间的引潮力使地球的自转周期每一世纪增加约2毫秒。最新研究显示在9亿年前，一天只有18个小时，而一年则有481天；到了4.4亿年的晚奥陶纪，地球公转一周需要412天；到了4.2亿年前的中志留纪，每年就只有400天了；到了3.7亿年前的中泥盆纪，一年为398天；到6500万年前的白垩纪，每年约为376天；而到了现代，一年只有365.25天，一天近24小时。

1、历法

公元1582年之前，我们使用的公历是儒略历：即一年365天，每四年加一闰日，即平均一年365．25日。这样一年的平均长度为365.25天，比地球绕日旋转的回归年365.2422天多0.0078天；到了公元1582年，积累的差值达到了10天左右——也就是说这时日历上的6月22日，与地球真正的夏至日差了十天，再往后积累，也许会出现夏至日下雪的情况了。为消除这个差数（罗马教皇格里高利十三世纪进行的历法改革），把1582年10月4日的下一日定为10月15日，并采用400年制97个闰日的法则，整百年只有被400除尽的才为闰年，称为格里高利历。所以我们现在启用的公历就是格里高利历，这样历年的平均长度为365.2425日，误差为0.0003天，要3300多年才与回归年长度差一天。

2、闰年

关于公历闰年是这样规定的：地球绕太阳公转一周叫做一个回归年，一个回归年长365日5时48分46秒。因此，公历规定有平年和闰年，平年一年有365日，比回归年短0.2422日，四年共短0.9688日，故每四年增加一日，这一年有366日，就是闰年。但四年增加一日比四个回归年又多0.0312日，400年后将多3.12日,故要在400年中少设3个闰年,也就是在400年中只设97个闰年，这样公历年的平均长度与回归年就相近似了。

历法不仅有以上提到的阳历，还有阴历和阴阳历，以下不再赘述。地球的历法、昼夜、四季和五带的变换与地球在太阳系里的相对位置和状态有关，地球在太阳系里的运动与地磁场的变化也密切相关。

据天体物理学的计算，确实证明了地球自转速度正在变得越来越慢。科学家将此现象解释为“月球和太阳对地球的潮汐作用引起的”。实际上所有行星的自传速度都会变慢，只是变化的速率不同而已。

二、地球的构成

（一）地球基本构造

整个地球不是一个均质体，而且具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度亦各不相同。地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150千米处。这样，整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈，以及岩石圈的表面，一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈，目前主要用地球物理的方法，例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等方法进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点，即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的，而在地球表面附近，各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的，其中生物圈表现最为显著，其次是水圈。

1、固体内核圈

地球八个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120至6371千米地心处，又称为G层。根据对地震波速的探测与研究，证明G层为固体结构。地球内层不是均质的，地球的平均密度为5.515克/厘米3，而地球岩石圈的密度仅为2.6～3.0克/厘米3。由此，地球内部的密度必定要大得多，并随深度的增加，密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计，在100千米深度处温度为1300℃，300千米处为2000℃，在地幔圈与外核液态圈边界处，约为4000℃，地心处温度为 5500 ～ 6000℃。

2、外核液体圈

固体内核圈之上就是所谓的外核液体圈，它位于地面以下约2900千米至5120千米深度。整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的，其中2900至4980千米深度称为E层，完全由液体构成。4980千米至5120千米深度层称为F层，它是外核液体圈与固体内核圈之间一个140千米的很薄的过渡层。

3、地幔圈

地震波除了在地面以下约33千米处有一个显著的不连续面（称为莫霍面）之外，在软流圈之下，直至地球内部约2900千米深度的界面处，属于地幔圈。由于地球外核为液态，在地幔中的地震波S波不能穿过此界面在外核中传播。P波曲线在此界面处的速度也急剧减低。这个界面是古登堡在1914年发现的，所以也称为古登堡面，它构成了地幔圈与外核流体圈的分界面。整个地幔圈由上地幔（33～410千米深度B层，410～1000千米深度C层，也称过渡带层）、下地幔的D′层（1000～2700千米深度）和下地幔的D″层（2700～2900千米深度）组成。地球弹性物理的研究表明，D″层存在强烈的横向不均匀性，其不均匀的程度甚至可以和岩石层相比拟，它不仅是地核热量传送到地幔的热边界层，而且极可能是与地幔有不同化学成分的化学分层。地幔圈是地球最厚的一个层面，占了地球质量的68％左右，它的密度由外至内逐渐增大，外部密度为3克/厘米3，内部密度为5.4 克/ 厘米3。这一层面从地壳下一直延伸到2900千米外，由各种不同的矿物质组成，其中以橄榄石、辉石和长石居多。

4、软流圈

在距地球表面以下约100千米的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部即B层。在洋底下面，它位于约60千米深度以下；在大陆地区，它位于约120千米深度以下，平均深度约位于60～250千米处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。也就是由于这个软流圈的存在，将地球外圈与地球内圈区别开来。

5、岩石圈

对于地球岩石圈，除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33千米处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均匀，平均厚度约为100千米。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，因此，岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。由于洋底占据了地球表面总面积的2/3之多，而大洋盆地约占海底总面积的45％，其平均水深为4000～5000米，大量发育的海底火山就是分布在大洋盆地中，其周围延伸着广阔的海底丘陵。因此，整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋盆地与大陆台地组成，对它们的研究，构成了与岩石圈构造和地球动力学有直接联系的“地球构造学”理论。

6、生物圈

由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物，在地球上有合适的温度条件下，形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物约有40万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。另外该圈还包括生物的建筑物和排泄物等。据统计，在地质历史上曾经生存过的生物约有5～10亿种之多，然而，在地球漫长的演化过程中，绝大部分都已经灭绝了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。生物圈是太阳系中所有行星中仅有地球上存在的一个独特圈层，它对地球的影响将会越来越重要。

7、水圈

水圈是地球外圈中作用最为活跃的一个圈层。它与大气圈、生物圈和地球内圈的相互作用，直接关系到影响人类活动的表层系统的演化。水圈也是外动力地质作用的主要介质，是塑造地球表面最重要的角色。水体存在方式不同，其作用方式也有比较大的差别，按照水体存在的方式可以将水圈划分为：海洋、河流、地下水、冰川、湖泊等五种主要类型，是需要我们重点注意的圈层。

液态和固态水体所覆盖的地球表面空间。水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深层地下水的下限。包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。各种水体参加大小水循环，不断交换水量和热量。水圈中大部分水以液态形式储存于海洋、河流、湖泊、水库、沼泽及土壤中；部分水以固态形式存在于极地的广大冰原、冰川、积雪和冻土中；水汽主要存在于大气中。三者常通过热量交换而部分相互转化。

地球表面的水是十分活跃的。海洋蒸发的水汽进入大气圈，经气流输送到大陆、凝结后降落到地面，部分被生物吸收，部分下渗为地下水，部分成为地表径流。地表径流和地下径流大部分回归海洋。水在循环过程中不断释放或吸收热能，调节着地球上各层圈的气候，还不断地塑造着地表的形态。水圈中的地表水大部分在河流、湖泊和土壤中进行重新分配，除了回归于海洋的部分外，有一部分比较长久地储存于内陆湖泊和形成冰川。从这些水体的增减变化，可以估计出海陆间水热交换的强弱。大气圈中的水分参与水圈的循环，交换速度较快，周期仅几天。由于水分循环，使地球上发生复杂的天气变化。海洋和大气的水量交换，导致热量与能量频繁交换，交换过程对各地天气变化影响极大。目前，各国极其关注海—气相互关系的研究。生物圈中的生物受洪、涝、干旱影响很大，生物的种群分布和聚落形成也与水的时空分布有极密切的关系。生物群落随水的丰缺而不断交替、繁殖和死亡。大量植物的蒸腾作用也促进了水分的循环。水在大气圈、生物圈和岩石圈之间相互置换，关系极其密切，它们组成了地球上各种形式的物质交换系统，形成千姿百态的地理环境。从离地球数万公里的高空看地球，可以看到地球大气圈中水汽形成的白云覆盖地球大部分的蓝色海洋，它使地球成为一颗“蓝色的行星”。地球水圈总质量为1.66×1024克，约为地球总质量的三千六百分之一，其中海洋水质量约为陆地（包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中）水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合，组成地表的最活跃系统。

8、大气圈

大气圈也称大气层，是地球外圈中接近地球表面最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气层的成分主要有氮气，占78.1％；氧气占20.9％；氩气占0.93％；还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气、氙气氡气）和水蒸气。大气层的厚度大约在1000千米以上，它没有确切的上界，大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄，在2000～16000千米高空，仍有稀薄气体和基本粒子存在；在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。地球大气层气体的总质量约为5.136×1021克，相当于地球总质量的0.86%。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100千米高度范围内，其中75％的大气又集中在地面至10千米高度的对流层范围内。根据大气分布的不同特点，从地面开始依次分为对流层、平流层、中间层、热层（电离层）、外大气层（逃逸层也叫磁力层），再上面就是行星际空间了。

（1）对流层：对流层在大气层的最低层，紧靠地球表面，空气的移动以上升气流和下降气流为主的对流运动。它的厚度不一，其厚度大约为10～20千米。对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等现象都发生在这一层内，水蒸气也几乎都在这一层内存在。这一层的气温随高度的增加而降低，大约每升高1000米，温度下降5～6℃。动、植物的生存，人类的绝大部分活动，也在这一层内，是大气中最稠密的一层，占大气层的四分之三还要多。大气中的水气几乎都集中于此，是展示风云变幻的“大舞台”：刮风、下雨、降雪等天气现象都是发生在对流层内，雷电也发生在这一圈层。

（2）平流层：对流层以上是平流层，大约距地球表面20～50千米。平流层的空气比较稳定，气流主要表现为水平方向运动，对流现象减弱，大气是平稳流动的，故称为平流层又称“同温层”。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右。这里基本上没有水气，晴朗无云，很少发生天气变化，适于飞机航行。在20～30千米高处，氧分子在紫外线作用下，形成臭氧层，像一道屏障保护着地球上的生物免受太阳高能粒子的袭击。

（3）中间层：平流层以上是中间层，大约距地球表面50～85千米，这里的空气已经很稀薄，主要由氮气和氧气组成，空气垂直对流强烈，温度垂直分布。它突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，顶部气温降到-83摄氏度以下，最低达零下130摄氏度，因为本层几乎没有臭氧，而氮气和氧气等气体所能吸收的波长更短的太阳辐射，又大部分已被上层大气所吸收了。这一层区域气压很低，因此飞机无法飞行，即使是天气预报用的气球也无法到达该层，而陨石经过大气这一区域时就会燃烧成流星。

（4）暖层：中间层以上是暖层，大约距地球表面100～800千米。暖层最突出的特征是当太阳光照射时，太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收，因此温度升高，故称暖层，也称“热层”。其特点是，气温随高度增加而增加，在300千米高度时，气温可达1000℃以上，像铅、锌、锡、锑、镁、钙、铝、银等金属，在这里也会被熔化掉。本层之所以有高温，主要是因为所有的波长小于0.175μm的太阳紫外线辐射，都被暖层气体所吸收。暖层中的氮（N2）、氧（O2）和氧原子（O）气体成分，在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，已处于高度电离状态，所以也把暖层称作“电离层”。其中100～120千米间的E层和200～400千米间的F层，以及介于中间层和暖层之间，只在白天出现，高度大致为80千米的D层，电离程度都较强烈。电离层的存在，对反射无线电波具有重要意义。

（5）外大气层：热层以上的大气层称为外大气层。在离地面500千米以上的，也叫磁层，它是大气层的最外层，是大气层向行星际空间过渡的区域，外面没有什么明显的边界。在通常情况下，上部界限在地磁极附近较低，近磁赤道上空在向太阳一侧，约有9～10个地球半径高，换句话说，大约有65000千米高。在这里空气极其稀薄，其密度几乎与太空密度相当，通常状态下又叫逃逸层。

总之，在地球引力作用下，大量气体包裹在地球周围，形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000千米高空仍发现有稀薄大气，有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右。

（二）月球

地球带着月球运行在太阳系中，从广义上说月球可以被认为是地球的一部分。月球的存在对地球运行的影响非常大。

1、月球的组成

在太阳系中，月球是地球中唯一的天然卫星，俗称月亮，中国古称太阴。除了流星外，它是离地球最近的天然天体，与人类关系十分密切。在太阳系里，除水星和金星外，其他行星里面都有天然卫星。月球的年龄大约有46亿年以上。月球直径约3476千米，是地球的1/4。体积只有221亿立方千米，是地球的1/49，质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1/81，月球表面的重力差不多是地球重力的1/6。月面上没有水，一昼夜长达29.5天，所以温差很大，阳光直射下可达127℃，而夜间则骤降至－183℃。月球的内部结构大致可分为月壳、月幔、月核3层，但最外层的月壳平均厚为60～65千米，比地壳还厚得多，而中心核很小，半径仅700千米。月壳下面到1000千米深度是月幔，它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核，月核的温度约为1000度，其组成物质很可能是熔融状态的粘稠体。

2、月球的本质

月球对地球所施的引力是潮汐现象的原因之一。月球围绕地球的轨道为同步轨道，所谓的同步自转并非严格。由于月球轨道为椭圆形，当月球处于近日点时，它的自转速度便追不上公转速度，因此我们可见月面东部达东经98度的地区，相反，当月处于远日点时，自转速度比公转速度快，因此我们可见月面西部达西经98度的地区。这种现象称为经天秤动。而月球的背面绝大部分不能从地球上看到。

月球没有大气，因而月面上的天空永远是一片黝黑，地面上寂静无声、黑白反差极大，看来十分荒凉，其表面几乎被一层热导率极低的尘埃岩屑所覆盖；月球本身并不发光，只反射太阳光。它的亮度随日月间角距离和地月间距离的改变而变化。月球的表面是由平原、山峰和山谷组成的荒漠。还有许多由太空物体高速撞击月球表面而形成的陨石坑。

3、月球转动周期

月球以椭圆轨道绕地球运转。这个轨道平面在天球上截得的大圆称“白道”。白道平面不重合于天赤道，也不平行于黄道面，而且空间位置不断变化；月球轨道面称白道面，黄白交角平均5°09′，轨道半长径38.44万千米，偏心率变化于1／15～1／23间，周期173日。这说明月球有明显的位相变化，我们称其为月相，周期即称朔望月，长29.53059日。由于长期的潮汐作用，它的自转与公转的周期都是1恒星月即27.32185日，月球约一个农历月绕地球运行一周。

4、月球的山海

月球表面最显著的特征是犬牙交错、大小不一的环形山，它有阴暗的部分和明亮的区域，早期的天文学家在观察月球时，以为发暗的地区都有海水覆盖，被称为海，实质上暗黑地区是广阔的平原；月海大多集中于正面，著名的有云海、湿海、静海等。而明亮的部分是山脉，那里层峦叠嶂，山脉纵横，到处都是星罗棋布的环形山；位于南极附近的贝利环形山直径295千米。最深的山是牛顿环形山，深达8788米。除了环形山，月面上还有许多和地球一样的普通的山脉，比如高山、月陆、峭壁以及峡谷叠现，别有一番风光。

（三）地球表面特征

地球表面十分之七以上为蓝色的海洋所覆盖，湖泊、江河只占地球表面水域很少的部分。地球表面的液态水层，既水圈，从形成至今至少已有40亿年以上。地球的表层由各种岩石和土壤组成，地面崎岖不平，低洼部分被水淹没成为海洋、湖泊；高出水面的陆地则有平原、高山。地球固体表面总垂直起伏约为20千米，它是珠穆朗玛峰顶（据中国登山队测定，珠穆朗玛峰海拔高度为8844.43米） 和最深的海洋深度（马里亚纳海沟深度约11千米）之间的高差，它超过大陆地壳平均厚度的一半。洋底像陆地一样不平坦，也不平静。洋底岩石年龄要比陆地年轻得多。陆地上大多数岩石的年龄小于二十几亿年。陆地上到处可以找到沉积岩，说明在远古时期这些地方可能是海洋。地表虽有少量的环形山，但难以找到类似月球、火星和水星那样多的环形山，这是因为地球表面受到外力（水和大气）和内力（地震和火山）的作用，不断风化、侵蚀和瓦解的结果。

§2 地球的历史阶段

地质科学家说地球至少有46亿岁。人类有文字记载的历史却只有几千年。那么，我们是怎样知道地球年龄的呢？

推算地球年龄，主要有岩层方法、化石方法和放射性元素的蜕变方法等。根据鉴定，地球上最古老的岩石，是在格陵兰岛西部戈特哈布地区发现的阿米佐克片麻岩，年龄约有38亿岁。而太阳系的碎屑，年龄都在45～47亿年之间。

依照人类历史划分朝代的办法，地球自形成以来也可以划分为５个“代”，从古到今是：太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。有些代还进一步划分为若干“纪”，如古生代从远到近划分为寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪；中生代划分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪；新生代划分为第三纪和第四纪。这就是地球历史时期的最粗略的划分，我们称之为“地质年代”，不同的地质年代都有不同的地质和生物特征。

距今24亿年以前的太古代，地球表面已经形成了原始的岩石圈第四纪人类活动示意图、水圈和大气圈。但那时地壳很不稳定，火山活动频繁，岩浆四处横溢，海洋面积广大。这时是铁矿形成的重要时代，最低等的原始生命开始产生。

距今24亿年～6亿年的元古代。这时地球上大部分仍然被海洋掩盖着。到了晚期，地球上出现了大片陆地。“元古代”的意思，就是原始生物的时代，这时出现了海生藻类和海洋无脊椎动物。

距今6亿年～2.5亿年是古生代。“古生代”是意思是古老生命的时代。这时，海洋中出现了几千种动物，海洋无脊椎动物空前繁盛。之后出现了鱼形动物，鱼类大批繁殖起来。一种用鳍爬行的鱼出现了，并登上陆地，成为陆上脊椎动物的祖先。两栖类也出现了。北半球陆地上出现了蕨类植物，有的高达30多米。这些高大茂密的森林，后来变成大片的煤田。

距今2.5亿年～0.7亿年的中生代，历时约1.8亿年。这是爬行动物的时代，恐龙曾经称霸，这时也出现了原始的哺乳动物和鸟类。蕨类植物日趋衰落，而被裸子植物所取代。中生代繁茂的植物和巨大的动物，后来就变成了许多巨大的煤田和油田。

新生代是地球历史上最新的一个阶段，时间最短，距今只有7000万年左右。这时，地球的面貌已同今天的状况基本相似了。新生代被子植物大发展，各种食草、食肉的哺乳动物空前繁盛。自然界生物的大发展，最终导致人类的出现，古猿逐渐演化成现代人，一般认为，人类是第四纪出现的，距今约有240万年的历史。

我们居住的地球就是这样一步一步地一直演化直到现在，逐渐形成了今天的地形地貌和我们可以生存的生物环境。

一、太古代

地史时期最早的一个时代，属前寒武纪早期。这一时期形成的地（岩）层称太古宇。按广义的时间概念来说，它包括自地球形成至距今25亿年前为止，持续时间约20几亿年。目前已测定公认的最古老岩石同位素地质年龄为38亿年或者略大，在西澳杰克丘陵的变质砾岩中碎屑锆石年龄可达43亿年。太古一词是1872年美国地质学家J.D.丹纳首先提出的，并用其大致代表北美的前寒武时期。1977年国际地层委员会前寒武纪地层分会第四次会议将太古的上界放在25亿年，并称之为太古宙。

中国有少数年龄大于30亿年的古老岩石 ，其中已知最古老的岩石是产于迁安县曹庄—黄柏峪附近的斜长角闪岩，其年龄约为35亿年，并发现更老的碎屑锆石，附近以及其他地区还有年龄约29～30亿年或稍大的岩石。目前对中国太古宙虽然有三分的趋势，根据东北、华北等地区的年代资料，上部的年代界限可暂时放在29～30亿年，下部界限依据尚不够，故暂以采用两分方案为宜（下部称中、下太古界）。

根据一般推测，太古宙原始大气圈的密度较大，主要由水蒸气、二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷、氯化氢、氟化氢等成分组成。这些气体成分，可能来源于频繁的火山活动。总的趋势是随着时间的推移二氧化碳在减少，这是由于碳酸盐沉淀时二氧化碳被固定在碳酸盐沉积物中。原始大气圈缺少自由氧，氧的出现是由于光化学作用的结果。根据各地沉积岩层的相似性，推测当时地球大部分地区为海洋所覆盖。原始的海洋可能并不深，富含氯化物，但缺乏硫酸盐，这是由于在水圈中同样缺乏自由氧。

太古宙的构造运动目前研究得还不清楚,世界范围内可能有3期主要的构造运动。早期发现较少，如非洲南部，终止于34亿年（或35亿年）前，而北美则终止于33～35亿年前，在印度则可能为32亿年前。中期是相当于非洲中南部的达荷美运动，在美洲、美国、澳大利亚、印度和中国等地均有表现，大约终止于29亿年前。晚期相当于在加拿大地盾中表现明显的肯诺雷运动，大约是在距今27～25亿年之间。

二、元古代

位于太古宙和古生代之间，约开始于25亿年前，结束于6亿年前。相应的地层称元古宇。元古宙原称元古代，由S.F.埃蒙斯于1887年命名。Proterozoic属希腊字源，意为早期原始生命，所以也译为原生宙。自19世纪以来，美国学者以元古宙代表前寒武纪后期，称阿尔冈纪，相应地层称阿尔冈系。因其时限较长，近年均主张改称元古宙。

研究元古宙地层的沉积特征和类型有两方面的意义。地层的成分特征反映当时大气和水体的基本组分，特别是大气中的氧含量。地层的分选成熟度和构造变形特征反映当时地壳的构造成熟度。它们所反映的气圈和水圈的基本组成成分既不同于太古宙所显示的缺氧状态，也不同于中、新元古代含高价铁沉积和含蒸发岩沉积所显示的较富氧状态，而是处于开始含氧的过渡状态。

总的看来，在主要地台区，元古宙地层的层序和特征具有一定的规律性。古元古界以活动型裂陷槽火山沉积为主，以褶皱和变质形封闭，反映当时的基底尚未完全固结。

元古宙长达19亿年，将其划分为古、中、新3个代是合理的。3个代之间的时限，虽经国际地科联地层委员会通过为16亿年和9亿年，但使用尚难一致。至于分纪的原则和具体方案，分歧更大，还需继续探讨。元古宙的时代划分和地层对比，主要依靠同位素地质年代学和构造岩浆旋回所代表的地质热事件和发展过程。以微古植物和叠层石为主的生物地层学还有一定的局限性，宏观藻类的研究也还有待深入。古地磁学的研究,特别是古磁极反向的研究用以地层划分与对比，有所进展，但只能应用于中、新元古界的一部分。而岩浆活动和热地质事件在不同大陆地块上，具有明显的不同的时性。

在元古宙，地球的岩石圈、水圈和大气圈都经历了重要的变革。许多学者都承认古元古代是一个介于早前寒武纪和晚前寒武纪之间的过渡时期。元古宙岩浆活动的性质，特别是一些幔源岩浆活动及其产物，可以反映当时陆壳和洋壳的基本特征。元古宙的沉积类型及其岩石化学、地球化学特征，可以反映当时水圈和大气圈的基本状态。同时，元古宙大陆边缘构造岩相带、构造变形和岩浆活动的综合研究，可以反映当时板块运动的性质和规模。古地磁研究与同位素地质年代学相结合，可以逐步建立各大陆地块的极移轨迹，进一步推断各大陆地块之间的分合过程，了解地质早期地表洋、陆分布的格局及变化。此外，元古宙中、晚期是否曾形成过与古生代末出现的相似的联合古大陆，都是地质历史时期中的重要问题。

1、前寒武纪

寒武纪以前全部地质时期的总称。简称前寒武或先寒武。这一时期形成的地层称前寒武系或先寒武系。一般认为地球的年龄是46亿年，地球演化中的地质阶段约从40亿年前开始，寒武纪的起点时间是5.7～6.0亿年前。故前寒武纪通常就是指大约40亿年前最早地质阶段起到寒武纪开始，时距34亿年，约占地质历史85％的时间。

前寒武纪年代名称创始于19世纪末叶。1872年，丹纳用太古代作为太古界的年代名称。1887年，S.F.埃蒙斯命名元古代，作为阿尔冈界的年代名称。20世纪初，C.R.范海斯将北美的太古界和太古代、阿尔冈界和元古代应用到世界范围。1930年，G.H.查德威克将全部地质时代分为两部分，寒武纪以前称为隐生宙，寒武纪到第四纪称为显生宙。隐生宙和显生宙曾被广泛应用。

地质年表中在代（界）和纪（系）两级里，前寒武纪曾使用的许多名称的含义是含糊的，所以劳伦系、休伦系、阿尔冈界、里菲界等一般只限用于命名地区的局部岩群，使用较广的太古代（界）、元古代（界）长期未能统一，而笼统的术语则是前寒武纪或前寒武系。

在地质年代和年代地层单位中，代和界之下便是纪和系。纪（系）是地质年代表中最主要的单位，前寒武纪中虽提出震旦纪（系），然而并没有被普遍接受。建立前寒武纪国际通用的时间划分是国际前寒武地层分会的主要任务。对太古宙和元古宙的划分，以25亿年为界。

前寒武系岩石中花岗岩类和片麻岩类最为丰富。地盾区的太古宙岩石大多为大洋型的。它们大部为绿岩、花岗岩和伴有基性火山岩的沉积变质岩。层状超镁铁岩石和斜长岩只在早前寒武有大量产出。中前寒武岩石既来源于大洋，也来源于浅海。晚前寒武除有海洋沉积外，还有陆地沉积。带状含铁建造在20亿年以前的前寒武系中广泛产出（约38亿年的最古老的岩石中含有条带状铁矿石），其后则出现陆成红层。这种变化可能反映早期生物造氧作用的发展。冰碛岩是前寒武的另一特殊岩石类型。下元古界上部，在加拿大地盾和南部非洲有明显的冰碛岩分布。上元古界上部，亚、欧、美、澳各大陆都有冰碛岩分布。在早前寒武地层中，碳酸盐岩类含量逐渐增多，而硫酸盐岩则到晚元古才出现。

在地球早期的太古宙，没有成熟的岩石圈，不存在大陆块，可能也不存在典型的板块构造运动。活动区是广布的玄武岩流和大洋沉积，岩石多为绿岩和从地幔分异而来的花岗岩物质，沉积岩相对不多并在薄岩石圈和高热流之下不断受到改造。晚前寒武纪的板块构造及其活动的痕迹，虽然被后来的造山作用所改造，而大陆间相互碰撞的证据在一些地盾或克拉通区仍可辨认。

三、早古生代

包括古生代的寒武纪、奥陶纪和志留纪 3个纪。这段地史时期约开始于6亿年前，结束于4亿年前。早古生代形成的地层称下古生界。英国的R.I.莫企逊和A.塞奇威克(1835)建立志留系和寒武系时，即认定这段地层是下古生界。1879年，C.拉普沃思把志留系和寒武系之间的重复部分分出，另建奥陶系。

发生在早古生代的褶皱运动，统称加里东运动（广义），但志留纪后期的加里东运动（狭义）对全球的地质和生物演化影响更大。早古生代末地史中最重要的大陆和海洋构造格局的变化是古大西洋的关闭，从而使北美板块与俄罗斯板块对接，形成劳亚大陆块。

总的来看早古生代气候是温暖的。浅海陆棚区扩大，海水化学性质的改变，众多带壳的海生无脊椎动物呈爆发性的出现。其中最主要的是三叶虫大量繁育，多门类小壳动物、古杯类、腕足动物、软体动物等门类兴起。稍晚有头足类和笔石相继出现。早古生代中期，笔石兴盛，珊瑚和鹦鹉螺大量出现，双壳类、腹足类、棘皮动物的海百合、海林檎类和海蕾开始增多。早古生代晚期单列型笔石特多，珊瑚、腕足动物繁盛，节肢动物的板足鲎类开始出现，三叶虫逐渐衰减。最引人注目的是原始的脊椎动物淡水无颌类已相当繁盛，再就是植物由早期的藻类发展到陆生裸蕨类的出现。这显示着生物将在演化上发生的飞跃。即除去原先的海洋环境外，还要向大陆上挺进。因而不论从地质演化或生物演化史来看，早古生代是一个相当重要的地史阶段。

1、寒武纪

古生代的第一个纪，约开始于6亿年前，结束于5亿年前。寒武纪形成的地层称寒武系。寒武系为1835年A.塞奇威克取名于英国西部威尔士的寒武山脉（坎布里亚山脉）。“寒武”一词是 Cambric的日语汉字音译。寒武纪有不同类别的沉积岩、火成岩和变质岩，广布于全球各大洲。海洋中生活着各类低级植物，大量原始无脊椎动物和原生生物（陆地上基本上无生物活动）。海进、海退相当频繁。蕴藏着丰富的矿产。

寒武纪地层具有多样岩石类型，地层厚度极为悬殊，大的可达数千米，小者数百米。巨厚地层是以快速沉降海盆或海槽沉积的砂岩、页岩、硅质岩等为主的复理石或类复理石建造，间或夹以火山岩。

寒武纪的气候比较温暖、干燥，表现在：①中国西南、伊朗、西伯利亚中部和摩洛哥有岩盐和石膏等蒸发岩。②中国北部和东北南部、巴基斯坦有红、紫色页岩、砂岩、食盐与石膏假晶和具有红紫色氧化外壳砾石的砾岩。③气候温暖的另一证明，可以从全球广泛分布的鲕状灰岩、白云岩和海绿石推知。④从分布于中国长江中游、西南、新疆中天山、黑龙江北部、西伯利亚、澳大利亚、南极、北美洲、摩洛哥、西班牙、意大利、挪威北部的古杯动物灰岩或古杯礁，也可以推知寒武纪的气候较为温暖。

寒武纪是地壳比较稳定的时期，强烈的造山运动仅见于北亚萨莱伊尔—萨彦岭等局部地区，主要是地壳升降的造陆运动。例如中国华北和东北南部，在新元古代震旦纪时上升为陆（华北古陆），直至早寒武世后期（辛集期和昌平期）始下沉，海水上升，超覆于元古宙中期的前震旦纪地层之上。

2、奥陶纪

古生代第二个纪，约开始于5亿年前，结束于4.4亿年前。在此期间形成的地层称奥陶系，位于寒武系之上，志留系之下。奥陶系是英地质学家C.拉普沃思于1879年用Ordovices命名的，Ordovices是威尔士地区的一个古民族名。“奥陶”一词系Ordovices的日文汉语音译。

奥陶纪一般分为3个世:早奥陶世、中奥陶世和晚奥陶世，相应的地层为下奥陶统、中奥陶统和上奥陶统。目前世界上多数国家的奥陶系都取用三分，但界线不甚一致。如瑞典、挪威、俄罗斯、中国、美国和澳大利亚等国，对中奥陶统的顶、底界线各有各的划分法。

奥陶纪早、中期继承了寒武纪的气候，气候温暖、海侵广泛；奥陶纪晚期南大陆的西部发生了大规模的大陆冰盖和冰海沉积，代表寒冷的极地气候。按古地磁数据，奥陶纪南极应位于现在北非西北部，这与非洲冰碛层的分布应位于南极圈内的解释是吻合的。南大陆的东部仍处于赤道附近。北美、西伯利亚和中国华北地区有蒸发岩沉积，推测为干热气候环境，属于低纬度地区。奥陶纪北极应位于南太平洋，大陆地区基本上位于南半球，从沉积物来判断，当时南半球的气候分带比较明显。还由于晚奥陶世末期大冰期的存在，同时影响全球海平面的下降，并引起广泛的海退。

3、志留纪

古生代的第三个纪。约开始于4.4亿年前，结束于4.1亿年前。志留纪分为早志留世、中志留世和晚志留世。它介于奥陶纪和泥盆纪之间。志留纪这个时期沉积的地层称作志留系。1835年，英国R.I.莫企逊根据对威尔士地质的研究，建立了广义的志留系。他对标准志留系的复杂岩石系统作了划分，并用笔石与壳相化石进行了广泛的对比。志留系的名称来源于威尔士地区一支古老部族（即Silures）的名称。

志留纪时期的深水洋盆的沉积物很少保存。这是因为地质历史中的多次板块之间的碰撞和俯冲使之几乎丧失殆尽，目前保存下来的都是当时大陆架至陆坡的沉积物。

四、晚古生代

显生宙古生代的晚期，约开始于4.1亿年前,结束于2.45亿年前，持续时间1.75亿年。晚古生代包括泥盆纪、石炭纪和二叠纪。晚古生代时随着陆地面积的不断扩大，陆生生物开始发生和繁盛。鱼及无颌类广布于泥盆纪，两栖类全盛于石炭纪和二叠纪。植物界从水生发展到陆生，出现了裸蕨植物群。孢子植物达到繁盛并在二叠纪晚期出现裸子植物。海生无脊椎动物中出现了菊石、有孔虫和竹节石。陆生植物的繁盛，造成地史上大规模煤和油页岩的堆积。与生物礁伴生的石油、天然气，与蒸发岩伴生的钾盐都是本时期著名的矿产。晚古生代也是各大陆逐渐拼接的时期，与冈瓦纳古陆相联形成联合大陆。

1、泥盆纪

古生代的第四个纪,约开始于4.1亿年前,结束于3.6亿年前。这个时期形成的地层称泥盆系。该名来源于英国南部的德文郡，由A.塞奇威克和R.I.莫企逊于1839年命名。“泥盆”一词是Devon的日文汉字音译。最初泥盆系代表德文地区与威尔士地区寒武系相当的地层单位。其后，根据德文灰岩中珊瑚化石的研究，认为其特征介于志留纪和石炭纪之间，层位相当于威尔士区志留系之上、石炭系灰岩之下含鱼和植物化石的老红砂岩，因此确定为一新的系。通过对德国、比利时、法国、俄罗斯的地层研究，证实泥盆纪地层也广布于欧洲大陆，并在这些地层中发现了老红砂岩的鱼化石。

泥盆纪的沉积物分布于世界各地，其沉积总量比古生代其他各系都大。沉积地层一般划分为老红砂岩相、莱茵相和海西相，分别代表大陆环境、近岸和远岸的海相环境。不同盆地沉积模式各异。

泥盆纪古地理的基本构架主要由冈瓦纳大陆、劳亚大陆及其间的古地中海和古太平洋组成。冈瓦纳古陆是最完整、最大的古陆，包括已知大陆壳的一半以上，围绕南极地区分布。劳亚大陆的西部，由劳伦古陆和波罗的古陆构成超大陆，亦称欧美联合大陆。欧美联合大陆的陆相沉积含有近似的非海相和淡水的鱼化石、植物化石。欧美联合大陆以东为一些分散的大型陆块或小型至微型陆地群组成。西伯利亚则处于高纬带。泥盆纪时的海水覆盖面积约占地球的85%，位于冈瓦纳古陆以北的古地中海和各陆块之间狭窄的陆间海，以及大陆之上的陆表海。泥盆纪时,月球和地球之间的距离大约是现今的一半，这与地球物理学家和天文学家的推断吻合，归结为地球自转速度的减缓。

2、石炭纪

古生代的第5个纪，约开始于3.6亿年前,结束于2.9亿年前。这段时期形成的地层称石炭系。石炭系这一名称首次见于 W. D.科尼比尔《英格兰和威尔士的地质报告》(1822)一书。石炭纪是重要的成煤时期，该纪地层上部常含分布广泛的工业用煤，可作为识别地层的标志。

石炭纪沉积的岩层，在世界上许多地区表现为明显的二分性，下部以海相灰岩为主，上部以海陆交互相或陆相含煤沉积为主，因此西欧和北美均将石炭纪二分。西欧早石炭世沉积的地层称狄南系，晚石炭世沉积的地层称西里西亚系(1964)；北美的石炭系由H.S.威廉斯(1891)划分为两个独立的系，下部的密西西比系和上部宾夕法尼亚系。俄罗斯地台和中国华南，海相灰岩沉积连续，海相化石丰富。

全球性的海平面升降引起频繁的海进、海退，形成多个沉积旋回。旋回完整的剖面多发育在盆地内部，而海进、海退之间的间断，常见于盆地边缘。大旋回的界线同化石群的变化相一致，生物灭绝于每个旋回的顶部，新生类型发生在次一个旋回的底部附近。各类特征性的生物群最繁荣时期，即发育最好的部位是在大旋回的中上部。

根据石炭纪的珊瑚礁分布，可以推断早石炭世的赤道带通过北美洲中部，西北欧经黑海穿过中国西北、华南到达印尼和澳洲东部。石炭纪同大陆上的古气候相适应的是植物地理区系的分布，欧美植物区和华夏植物区为热带、亚热带气候，冈瓦纳植物区和安加拉植物区分别代表热带以外的南北温凉气候区。

3、二叠纪

古生代最后一个纪（第6个纪），约开始于2.9亿年前,结束于2.5亿年前。在这一期间形成的地层称二叠系。1841年英国地质学家R.I.莫企逊在乌拉尔山脉西坡发现一套发育完整，含有化石较多的地层，可以作为二叠纪标准剖面，并依露出地点卡玛河上游的彼尔姆地区命名为Permian系。中译二叠系是根据二分性明显的德国地方性名称Dyas的意译而来。德国二叠纪地层可明显地分为两部分，下部为红色砂岩，称赤底统（陆相），上部为镁质灰岩，称镁灰岩统（海相）。

二叠纪的海水大致以欧亚东西向地槽带、环太平洋地槽带以及富兰克林-乌拉尔地槽带为活动中心,向邻近的大陆地区淹覆。早期正常海沉积广泛发育；晚期除多数地槽及其外围部分继续保持海相沉积外，地槽的回反部分及大陆棚区分别转化为局限的咸化、沼泽化或陆相沉积。

二叠纪是造山作用和火山活动广泛分布的时期，归属于海西（华力西）造山运动晚期。北美阿巴拉契亚运动发生于二叠纪末，是二叠纪最强烈的褶皱运动。西部的科迪勒拉优地槽在连续的地壳运动中伴有强烈的火山活动。

五、中生代

地史中晚于古生代，早于新生代的一个断代。约开始于2.5亿年前,结束于6500万年前。中生代相应的地层称中生界。中生代名称首先由英国地质学家J.菲利普斯于1841年提出，用以说明生物界介于古生代古老类型和新生代近代类型之间的中间物质。中生代可分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪。

三叠纪时海侵范围较局限，干旱气候带范围广袤，陆相红层和海相地层中膏盐沉积发育，至晚期潮湿带有所扩展。全球范围内，侏罗纪起海侵开始扩大，至白垩纪则再度成为地史中最大海侵期之一。东亚地区三叠纪后广泛发育陆相沉积，海侵限于边缘地带。中生代古气候总体处于温暖状态，通常只存在热带、亚热带和温带的差异，两极未出现冰盖。

1、三叠纪

中生代的第一个纪。约开始于2.50亿年前，结束于2.08亿年前。三叠纪时期形成的地层称三叠系。1834年，阿伯蒂在德国中部研究介于二叠系蔡希斯坦统与侏罗系里阿斯统之间的斑砂统、壳灰统、考依波统时，因其三分性明显，称之为三叠系。三叠纪在地史上具有特殊意义，它是生物群广泛更新的时代，是大面积陆地出现的时代，也是联合古陆开始破裂的时代。

三叠纪是联合古陆开始破裂、特提斯洋开始扩张，陆地面积空前扩大，气候比较炎热的时期。联合古陆的解体,沿着北极—北大西洋裂谷系和特提斯—中大西洋—墨西哥湾裂谷系两个方向进行。伴随着联合古陆的解体和特提斯洋的演化，在中、低纬度的海侵范围增大，三叠纪的气候也由炎热向温湿转化。

2、侏罗纪

中生代第二个纪。约开始于2.08亿年前,结束于1.35亿年前。在此时期形成的地层称为侏罗系。侏罗纪的名称来源于瑞士和法国交境的侏罗山(也译汝拉山)。1795年，德国的洪堡根据该山的白色灰岩首先提出侏罗灰岩名词。1829年，法国A.布龙尼亚据此首次提出侏罗地层术语。侏罗纪的生物界最典型地体现了中生代的特征。当时，联合古陆开始分裂解体，世界范围的海侵逐渐广展，环太平洋带却是地壳运动和岩浆作用强烈活动时期。

侏罗纪地史的基本特点是联合古大陆继续分裂，特提斯带洋盆进一步扩张，和环太平洋带出现强烈构造—岩浆活动。联合古大陆自三叠纪末期开始出现的分裂迹象，侏罗纪中得到进一步增强。北大西洋西部巴哈马群岛附近已发现中侏罗世卡洛期的洋底最老深水沉积层，表明北美和非洲在这一时期已经分裂漂移，北大西洋洋壳海盆已经出现。根据南美、非洲碱性火成岩活动和玄武岩喷发高潮的同位素年龄资料，南大西洋的初始分裂很可能出现于晚侏罗纪基末里期。非洲和澳大利亚之间洋底最老的磁异常，印度次大陆和澳大利亚、南极洲的分离也大体同时，说明印度洋的初始分裂也发生于基末里期。

3、白垩纪

中生代最后一个纪（第三个纪）。约开始于1.35亿年前，结束于0.65亿年前。白垩纪形成的地层叫白垩系。白垩纪这一名称来源于英吉利海峡两岸的白垩层，由比利时学者J.B.J.奥马利达鲁瓦1822年创立，英文 Cretaceous系来源于拉丁字Creta,是白垩土或石灰的意思。

白垩纪是地球上海陆分布和生物界急剧变化、大西洋迅速开裂和火山活动频繁的时代，后期地势低平发生了广泛的海侵。晚白垩世被子植物代替裸子植物在陆上占优势，是植物界的大变革。动物界在白垩纪末才发生重大变化，恐龙、菊石和其他许多生物类群大量灭绝，预示着新生代开始。白垩纪末生物大规模灭绝是逐渐发生的，是生态改变的结果。

联合古陆于2亿年前开始解体和漂移。侏罗纪时产生了一条分割南美洲与非洲大陆的新裂谷，白垩纪时南大西洋沿此裂谷迅速张开，到白垩纪末已加宽到约3000公里；北大西洋裂谷在格陵兰东侧，北美与格陵兰白垩纪大部分时间都是连结在一起的。分隔欧亚大陆与非洲大陆的是特提斯海，现中南欧和中近东的许多国家当时都淹没在海水中。当欧亚板块缓慢地顺时针转动时，非洲则继续逆时针转动，早白垩世时印度板块还与马达加斯加连结在一起,到了晚白垩世则彼此分开,而澳大利亚是到了晚白垩世末期才开始脱离南极板块。

白垩纪的气候比较温暖，北纬40°～90°地带年平均温度为10℃，未见极地冰盖迹象，温带和亚热带植物可出现于格陵兰和阿拉斯加等高纬度地区，地表许多地区植被浓密，形成了不少大煤田。这表明大部分地区雨量充沛，气候湿润，一些近海及滨海地带形成了丰富的石油、煤、天然气及油页岩矿床，如美国得克萨斯州、墨西哥、波斯湾、北非和苏联的许多大油田，特别是中国松辽平原上白垩统的大庆油田，东北和内蒙古下白垩统的许多大煤田。在一些气候干旱炎热的地区，如中国南方晚白垩世的西南湖群和云梦泽水系，有巨厚的膏盐矿床沉积。此外，云南白垩纪红层中，含铜砂岩矿床不仅品位高，而且规模大，还易于开采和冶炼，自古就是有名的铜乡。

六、新生代

地球历史的最近6500万年的地质时代。是继古生代、中生代之后最新的一个代。新生代形成的地层称新生界。1760年，G.阿尔杜伊诺把岩石分成 3个纪：第一纪为结晶岩；第二纪为含化石的成层岩石；第三纪是半胶结的层状岩石，常含海相贝壳。1829年，J.德努瓦耶研究巴黎盆地时，把第三纪地层之上的松散沉积层称为第四纪。第一纪、第二纪说法已废弃，第一纪大致相当前寒武纪，第二纪相当古生代和中生代。新生代包括第三纪和第四纪，第三纪又分为早第三纪和晚第三纪。

新生代开始后，地表各个陆块此升彼降，不断分裂，缓慢漂移，相撞接合，逐渐形成今天的海陆格局。印度与亚洲大陆结合发生在距今5000万年前的始新世；喜马拉雅山耸起则是最近200～300万年的事，与此同时或稍早，欧洲升起了阿尔卑斯山，美洲升起了落基山。早第三纪气候较此前的白垩纪冷，晚始新世和渐新世南极大陆出现小型冰盖，中新世中期在那里形成了相当现代冰盖的2/3，更新世初北半球出现格陵兰冰盖。

新生代被称为“哺乳动物时代”或“被子植物时代”。此前，中生代的恐龙和许多海生无脊椎动物绝灭了，哺乳动物得到空前发展，植物界达到被子植物繁盛阶段。到第三纪后期最高等的动物—人类开始起源于亚洲或非洲。

1、早第三纪

新生代中最早的一个历史阶段，又称老第三纪，原是第三纪的一个亚纪。它的原意是指近代生物的发生和启蒙时期。早第三纪约开始于6500万年前，结束于2330万年前。这一时期形成的地层称下第三系。

早第三纪包括古新世、始新世和渐新世。古新世，古老的意思。这一时期持续了1000多万年，其最大特点是动物群中“古老”种类或“土著”类型占很大优势，与其后的动物群有着明显的区别。始新世持续了约1800万年，它表示了近代的黎明或启蒙时期。如果说古新世是哺乳动物的征服时代，那么始新世是哺乳动物的巩固时代。渐新世，这一时期的特点是生物界开始具有更近代化的面貌，是向现代转换的过渡时期。它持续了约1300万年。

早第三纪在地史上经历的时间相对较短，但在这段时间形成的沉积物与中生代有明显的不同。下第三系含有丰富的各种生物类群的化石。这些化石为下第三系的划分、对比以及标准层序和层型剖面的建立起着关键性的作用。世界上不少地区在早第三纪形成了界线较为分明的海相和海陆过渡相的地层，如西欧下第三系标准层序划分为11个阶。在北美中西部、亚洲中部等地区也形成了以河湖相为主的陆相沉积，尤以美国落基山脉的盆地分布区最为典型。

大陆漂移、气候的分带和气温变化，对生命的进化、发展和生态环境产生深远的影响。动物界有海生、陆生和适应半咸水的种类。其中以脊椎动物的变化最为突出。中生代晚期分布广泛的海生爬行动物，如蛇颈龙类、海生蜥蜴类等，在早第三纪被小型鲸类、海狮等海生哺乳类替代。在陆上,中生代占统治地位的恐龙基本消失;而中生代不占突出地位的哺乳动物得到了迅速繁衍，它们占有爬行动物以往的各种生态领域。各大陆和岛屿上充满了各种接近现代面貌的鸟类。

由于海底扩张、古陆解体，对世界上整个地质构造格局、古地理环境产生了重大的变化。早第三纪时,古地中海（特提斯海）最终消失,亚洲大陆最后形成，青藏高原的升起，阿尔卑斯山、喜马拉雅山、落基山和安第斯山等现代山系相继形成，吐尔盖海峡和巴拿马地峡的出现或消失，气候分带渐趋明显，地球上的自然环境向着多样性发展。

2、晚第三纪

新生代第三纪的一个亚纪，也称新第三纪。晚第三纪一名是奥地利地质学家M.赫奈斯于1853年提出的，用以代表维也纳盆地时代比早第三纪晚的一组海、陆交互相沉积（根据现在的概念，它的时代大约是从晚渐新世至晚中新世）。1860～1868年，地质学家K.F.瑙曼将它与C.莱伊尔1833年提出的中新世和上新世的概念合在一起，才产生了现今概念的晚第三纪。晚第三纪时期形成的地层叫上第三系。关于它的时限，根据最新的同位素年代测定和古地磁年表的校准,始于距今约2330万年,止于距今约164万年。中国地质学家通常采用248万年为晚第三纪上限。

根据哺乳动物的状况，晚第三纪可划分为4个时期：早中新世是残存的和高度特化的早第三纪分子和少量晚第三纪分子的时期；中中新世,是安琪马动物群时期,此时长鼻目自非洲、安琪马自北美迁入欧亚形成一个全新的动物群；晚中新世至早上新世，为三趾马动物群时期，三趾马从北美迁入，大批草原型动物大量出现；晚上新世，真象从非洲，真马从北美迁入欧亚大陆形成另一个动物群，并逐步演化为今日之动物群。非洲的动物群和欧亚大陆的很接近，只是某些类别的祖先类型（长鼻类、蹄兔类等）出现更早，而有些门类则延续时间更长（如肉齿类等）。

晚第三纪是重要的山脉形成期。现今地球上较高的山脉都是这一时期形成的，如欧洲的阿尔卑斯山、非洲的阿特拉斯山，亚洲的喜马拉雅山，北美的落基山和南美的安第斯山等；一些老的夷平山地，如天山、秦岭等也有活化抬升现象。地壳运动也引起了普遍的火山喷溢。太平洋东、西两岸有大量玄武岩流。在中国境内的有汉诺坝玄武岩，东北地区大片玄武岩出露，山东山旺和浙江嵊县的玄武岩等。地壳运动也使欧亚大陆与非洲和北美数次分合，形成多次动物群交流。

3、第四纪

地球发展史的最新阶段，时间范围从上新世末（距今 248万年）直到现在。第四纪分为更新世和全新世两个阶段。第四纪一词是J.德努瓦耶于1829年提出的。第四纪形成的地层称第四系，再分为更新统和全新统。更新世是1839年C.莱伊尔提出的，他把巴黎盆地含软体动物化石70％为现生种的地层称为更新世地层。全新世和近代为同义词。近代(Recent)一词是1833年由莱伊尔引进地质学中，含义是从此地球被人类所居住。

第四纪沉积物分布极广，除岩石裸露的陡峻山坡外，全球几乎到处被第四纪沉积物所覆盖。第四纪沉积物形成时间晚，大多未胶结，保存比较完整。厚度一般数十米至数百米，个别地区可超过1000米。第四纪沉积物成因类型复杂，相变剧烈，主要有冰川沉积、河流沉积、湖相沉积、风成沉积、洞穴沉积和海相沉积等。

第四纪沉积物记录了第四纪发展历史和自然环境变化，是第四纪研究的直接对象，主要有以下几种。

冰川沉积是第四纪具有特色的沉积物，包括现代和古代冰川作用直接堆积的产物。晚新生代冰期开始于距今1400～1100万年，但在第四纪才出现冰期和间冰期的明显交替。冰期最盛时，北半球高纬地区形成大陆冰盖,格陵兰冰盖覆盖了格陵兰和冰岛，劳伦大冰盖掩埋了整个加拿大，并向南延伸到纽约、辛辛那提一带。欧洲将近一半被斯堪的纳维亚冰盖所覆盖，冰盖最大厚度约3000米。西伯利亚冰盖则占据了西伯利亚北部地区。大陆冰盖覆盖区以外，许多高山地区，如阿尔卑斯山、高加索山、喜马拉雅山等都出现了山地冰川。第四纪以来，这些冰川有多次进退，而在过去冰川活动过的地区，遗留下大面积的冰碛物。这些冰碛物是早期第四纪研究的主要对象。

洞穴常常是古人类和动物的栖息场所，古人类将食用后剩下的动物骨骼遗弃在洞内，他们在洞内制造和使用石器等。因而洞穴堆积常可发现动物化石、用火遗迹、石器、壁画以及古人类化石等，并且成为标准的第四纪地层。中国著名的北京猿人化石和周口店动物群发现于北京周口店的洞穴堆积中。广西柳城巨猿动物群、四川万县盐井沟动物群、北京周口店山顶洞人、安徽和县猿人和辽宁营口金牛山人化石等，都是从洞穴堆积中发掘出来的。欧洲的洞穴堆积中，找到过尼安德特人、克罗马农人以及其他许多古文化遗址。

晚第三纪以来的构造运动，第四纪的构造运动即属于新构造运动。在大洋中，洋底沿中央洋脊向两侧扩张。对太平洋板块移动速度测量表明，每年向西移动最大达到11厘米,向东移动6.6厘米。陆地上新的造山带是第四纪新构造运动最剧烈的地区，如阿尔卑斯山、喜马拉雅山等。喜马拉雅山自第四纪以来，上升大约3000米，珠穆朗玛峰一带每年上升达10毫米。有些地区第四纪时期地壳强烈下沉，沉积了巨厚的第四纪沉积物，如中国的华北平原、柴达木盆地等。

地震是新构造运动的表现形式之一，地震集中发生在板块边界及活动断裂带上，如环太平洋地震带、加利福尼亚断裂带、中国的郯庐断裂带等。火山也是新构造运动的一种形式，主要分布在板块边界或板块内部的活动断裂带上。

晚期智人出现在晚更新世晚期，有中国河套人、山顶洞人等，欧洲最著名的是克鲁马农人。晚期智人的文化有河套文化、山顶洞文化，欧洲把晚期智人的文化分为奥瑞纳、梭鲁特和马格德林三期。这个时期石器加工十分精细，出现了雕刻、绘画等艺术品。

人类在全新世进入现代人阶段。早期出现了弓箭和镶嵌工具。以后进一步出现磨制石器和陶器，有了农业和牧畜业。中国北方，这个阶段有裴李岗文化、仰韶文化、龙山文化等。此后，人类进入铜器时代、铁器时代直到现代。

§3 地球所在的太阳系

太阳系（Solar System）是以太阳为中心，和所有受到太阳引力约束的天体的集合体：8颗行星、至少165颗已知的卫星、多颗已经辨认出来的矮行星（冥王星和他的卫星）和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。

地球是内太阳系的第三大行星，地球是一颗类地行星。地球上所发生的自然现象大多数都与太阳对地球施加的影响密切相关。

广义上说，太阳系的领域包括太阳、4颗像地球的内行星、由许多小岩石组成的小行星带、4颗充满气体的巨大外行星、充满冰冻小岩石、被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面、太阳圈和依然属于未知的奥尔特云。

依照至太阳的距离，行星排序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、和海王星，8颗中的6颗有天然的卫星环绕着，这些星体习惯上因为地球的卫星被称为月球而都被视为月球。在外侧的行星都有由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕着，而除了地球之外，肉眼可见的行星以五行为名，在西方则全都以希腊和罗马神话故事中的神为名。三颗矮行星是：冥王星，柯伊伯带内较大的天体之一；谷神星，小行星带内最大的天体；和属于黄道离散天体的阋神星。

一、太阳系天体轨道

太阳系的主角是位居中心的太阳，它是一颗光谱分类为G2V的主序星，拥有太阳系内已知质量的99.86%，并以引力主控著太阳系。木星和土星，太阳系内最大的两颗行星，又占了剩余质量的90%以上，目前仍属于假说的奥尔特云，还不知道会占有多少百分比的质量。

太阳系内主要天体的轨道，都在地球绕太阳公转的轨道平面（黄道）的附近。行星都非常靠近黄道，而彗星和柯伊伯带天体，通常都有比较明显的倾斜角度。

环绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律，轨道都以太阳为椭圆的一个焦点，并且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨道接近圆形，但许多彗星、小行星和柯伊伯带天体的轨道则是高度椭圆的。

在这么辽阔的空间中，有许多方法可以表示出太阳系中每个星体的轨道距离。在实际上，距离太阳越远的行星或环带，与前一个的距离就会更远，而只有少数的例外。例如，金星在水星之外约0.33天文单位的距离上，而土星与木星的距离是4.3天文单位，海王星又在天王星之外10.5天文单位。曾有些关系式企图解释这些轨道距离变化间的交互作用，但这样的理论从未获得证实。

二、形成和演化

太阳系的形成据信应该是依据星云假说，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自独立提出的。这个理论认为太阳系是在46亿年前在一个巨大的分子云的塌缩中形成的。这个星云原本有数光年的大小，并且同时诞生了数颗恒星。研究古老的陨石追溯到的元素显示，只有超新星爆炸的心脏部分才能产生这些元素，所以包含太阳的星团必然在超新星残骸的附近。

被认定为原太阳星云的地区就是日后将形成太阳系的地区，直径估计在7,000至20,000天文单位，而质量仅比太阳多一点（多0.1至0.001太阳质量）。当星云开始塌缩时，角动量守恒定律使它的转速加快，内部原子相互碰撞的频率增加。其中心区域集中了大部分的质量，温度也比周围的圆盘更热。当重力、气体压力、磁场和自转作用在收缩的星云上时，它开始变得扁平成为旋转的原行星盘，而直径大约200天文单位，并且在中心是一个热的原恒星。

对年轻的金牛T星的研究，相信质量与预熔合阶段发展的太阳非常相似，显示在形成阶段经常都会有原行星物质的圆盘伴随着。这些圆盘可以延伸至数百天文单位，并且最热部分可以达到数千度高温。

一亿年后，在塌缩的星云中心，压力和密度将大到足以使原始太阳的氢开始热聚合，这会增加膨胀直到流体静力平衡，使热能足以抵抗重力的收缩能。这时的太阳成为一颗真正的恒星。

相信经由相互吸积的作用，各类行星将从云气（太阳星云）中剩余的气体和尘埃中诞生：

·当尘粒的颗粒还在环绕中心的原恒星时，行星已经开始成长；

·然后经由直接的接触，聚集成1至10千米直径的物质块；

·接着经由碰撞形成更大的个体，成为直径大约5千米的星子；

·在未来得数百万年中，经由进一步的碰撞继续成长，直到行星将周围的多数物质聚集，形成行星。

在太阳系的内侧，形成的星子相对的就比较小，并且主要的成分是熔点较高的硅酸盐和金属等化合物。这些石质的天体最后就成为类地行星。再远一点的星子，不能凝聚在一起成为原行星，而成为现在所见到的小行星带。

在更远的距离上，在冻结线之外，易挥发的物质也能冻结成固体，就形成了木星和土星这些巨大的气体巨星。天王星和海王星获得的材料较少，并且因为核心被认为主要是冰，因此被称为冰巨星。

一旦年轻的太阳开始产生能量，太阳风会将原行星盘中的物质吹入行星际空间，从而结束行星的成长。年轻的金牛座T星的恒星风就比处于稳定阶段的较老的恒星强得多。

根据天文学家的推测，目前的太阳系会维持直到太阳离开主星序。从现在起再过大约76亿年，太阳的内核将会热得足以使外层氢发生聚合，这会导致太阳膨胀到现在半径的260倍，成为一个红巨星。此时，由于体积与表面积的扩大，太阳的总光度增加，但表面温度下降，单位面积的光度还会变暗。随后，太阳的外层被逐渐抛离，最后裸露出核心成为一颗白矮星，一个极为致密的天体，只有地球的大小，却有着原来太阳质量的一半。

三、结构和组成

太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统是宇宙中的一个小的天体系统，太阳系的结构可以大致地分为五個部分：

1、太阳(Sun)

太阳是太阳系的母星，也是最主要和最重要的成员。它有足够的质量让内部的压力与密度足以抑制和承受核聚合产生的巨大能量，并以辐射的型式，例如可见光等，让能量稳定的注入空间。

太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星，不过这样的名称很容易让人误会，其实在我们的星系中，太阳是相当大与明亮的。恒星是依据赫罗图的表面温度与亮度对应关系来分类的。通常，温度高的恒星都会比较明亮，而遵循此规律的恒星都会位于所谓的主星序带上，太阳就在这个星序带的中央。但是比太阳大且亮的恒星并不多，而比较暗淡和低温的恒星则有许多。

太阳在恒星演化的阶段正处于壮年期，尚未用尽在核心进行核聚合的氢。计算太阳内部氢与氦的比例，认为太阳已经完成生命周期的一半，在大约50亿年后，太阳将离开主星序带，并变得更大与更加明亮，但表面温度却降低的红巨星。

2、行星际物质

除了光，太阳也不断的放射出电子流（等离子），也就是所谓的太阳风。这些微粒子流的速度为每小时150万千米，在太阳系内创造出稀薄的大气层（太阳磁圈），范围至少达到100天文单位（日球层顶），也就是我们所认知的行星际物质。太阳的黑子周期（11年）和频繁的光球、日冕物质抛射在太阳圈内造成的干扰，产生了太空气候。伴随太阳自转而转动的磁场在行星际物质中所产生的太阳圈电流片，是太阳系内最大的结构表现。

地球的磁场从与太阳风的互动中保护著地球大气圈层。水星和金星则没有磁场，太阳风使它们的大气层逐渐流失至太空中。太阳风和地球磁场交互作用产生的极光，可以在接近地球的磁极（如南极与北极）的附近看见。

宇宙线是来自太阳系之外的，太阳圈屏障著太阳系，行星的磁场也为行星自身提供了一种保护。宇宙线在星际物质内的密度和太阳磁场周期的强度变动有关，因此宇宙线在太阳系内的变动幅度究竟是多少，至今仍然还是未知的迷。

行星际物质至少在两个盘状区域内聚集成宇宙尘。第一个区域是黄道尘云，位于内太阳系，并且是黄道光的起因。它们可能是小行星带内的天体和行星相互撞击所产生的。第二个区域大约伸展在10～40天文单位的范围内，可能是柯伊伯带内的天体在相似的互相撞击之下产生的。

3、内太阳系

内太阳系在传统上是类地行星和小行星带区域的名称，主要是由硅酸盐和金属物质组成。在这个区域挤在靠近太阳的范围内，半径要比木星与土星之间的距离还短。

(1) 内太阳系所有的内行星

四颗内行星或是类地行星的特点是高密度、由岩石构成、只有少量或没有卫星，也没有环系统。它们由高熔点的矿物，像是硅酸盐类的矿物，组成表面固体的地壳和半流质的地幔，以及由铁、镍构成的金属核心所组成。四颗中的三颗（金星、地球、和火星）有实质的大气层，全部都有撞击坑和地质构造的表面特征（地堑和火山等）。内行星容易和比地球更接近太阳的内侧行星（水星和金星）混淆。行星运行在一个平面，朝着一个方向。

(2) 水星

水星（Mercury 0.4 天文单位）是最靠近太阳，也是最小的行星（0.055地球质量）。它没有天然的卫星，仅知的地质特征除了撞击坑外，只有大概是在早期历史与收缩期间产生的皱折山脊。 水星，包括被太阳风轰击出的气体原子，只有微不足道的大气。目前尚无法解释相对来说相当巨大的铁质核心和薄薄的地幔。假说包括巨大的冲击剥离了它的外壳，还有年轻时期的太阳能抑制了外壳的增长。

(3) 金星

金星 （Venus 0.7 天文单位）的体积尺寸与地球相似（0.86地球质量），也和地球一样有厚厚的硅酸盐地幔包裹着核心，还有浓厚的大气层和内部地质活动的证据。但是，它的大气密度比地球高90倍而且非常干燥，没有天然的卫星。它是颗炙热的行星，表面的温度超过400°C，很可能是大气层中有大量的温室气体造成的。没有明确的证据显示金星的地质活动仍在进行中，但是没有磁场保护的大气应该会被耗尽，因此认为金星的大气是经由火山的爆发获得补充。

(4) 地球

地球（Earth 1天文单位）是内行星中最大且密度最高的，也是唯一地质活动仍在持续进行中并拥有生命的行星。它也拥有类地行星中独一无二的水圈和被观察到的板块结构。地球的大气也于其他的行星完全不同，被存活在这儿的生物改造成含有21%的自由氧气。它只有一颗卫星，即月球；月球是类地行星中唯一的大卫星。地球公转（太阳）一圈约365天，自转一圈约1天。（太阳并不是总是直射赤道，因为地球围绕太阳旋转时，有23°26′黄赤交角。）

(5) 火星

火星（Mars 1.5 天文单位）比地球和金星小（0.17地球质量），只有以二氧化碳为主的稀薄大气，它的表面，例如奥林匹斯山有密集与巨大的火山，水手号峡谷有深邃的地堑，显示不久前仍有剧烈的地质活动。火星有两颗天然的小卫星，戴摩斯和福伯斯，可能是被捕获的小行星。

(6)小行星的主带和特洛伊小行星

小行星是太阳系小天体中最主要的成员，主要由岩石与不易挥发的物质组成。主要的小行星位于火星和木星轨道之间，距离太阳2.3至3.3 天文单位，它们被认为是在太阳系形成的过程中，受到木星引力扰动而未能聚合的残余物质。

小行星的尺度从大至数百公里、小至微米的都有。除了最大的谷神星之外，所有的小行星都被归类为太阳系小天体，但是有几颗小行星，像是灶神星、健神星，如果能被证实已经达到流体静力平衡的状态，可能会被重分类为矮行星。

小行星带拥有数万颗，可能多达数十万颗星，直径在一公里以上的小天体。尽管如此，小行星带的总质量仍然不可能达到地球质量的千分之一。

(7) 谷神星

谷神星 （Ceres 2.77 天文单位）是主小行星带中最大的天体，也是主带中唯一的矮行星。它的直径接近1000公里，因此自身的引力已足以使它成为球体。它在19世纪初被发现时，起初被认为是一颗行星，在1850年因为有更多的小天体被发现才重新分类为小行星；在2006年，又再度重分类为矮行星。

(8) 小行星族

在主带中的小行星可以依据轨道属性划分成几个小行星群和小行星族。小行星卫星是围绕着较大的小行星运转的小天体，它们的认定不如绕着行星的卫星那样明确，因为有些卫星几乎和被绕的母体一样大。内太阳系也包含许多小行星与尘粒，其中有一些还会穿越内行星的轨道。

4、中太阳系

太阳系的中部地区是气体巨星和它们有如行星大小尺度卫星的家，许多短周期彗星，包括半人马群也在这个区域之内。此区域没有传统的名称，偶尔也会被归入“外太阳系”，虽然外太阳系通常是指海王星以外的区域。在这一区域的星体，主要的成分是“冰”（水、氨和甲烷），不同于以岩石为主的内太阳系天体。

(1) 外行星

所有的外行星，在外侧的四颗行星，也称为类木行星，囊括了环绕太阳99%的已知质量。木星和土星的大气层都拥有大量的氢和氦，天王星和海王星的大气层则有较多的“冰”，像是水、氨和甲烷。有些天文学家认为它们该另成一类，称为“天王星族”或是“冰巨星”。这四颗气体巨星都有行星环，但是只有土星的环可以轻松的从地球上观察到。“外行星”这个名称容易与“外侧行星”混淆，后者实际是指在地球轨道外面的行星，除了外行星外还有火星。

(2) 木星

木星（Jupiter 5.2 天文单位），主要由氢和氦组成，质量是地球的318倍，也是其他行星质量总合的2.5倍。木星的丰沛内热在它的大气层造成一些近似永久性的特征，例如云带和大红斑。木星已经被发现的卫星有63颗，最大的四颗，甘尼米德、卡利斯多、埃欧和欧罗巴，显示出类似类地行星的特征，像是火山作用和内部的热量。甘尼米德比水星还要大，是太阳系内最大的卫星。

(3) 土星

土星（Saturn 9.5 天文单位），因为有明显的环系统而著名，它与木星非常相似，例如大气层的结构。土星不是很大，质量只有地球的95倍，它有60颗已知的卫星，其中泰坦和恩塞拉都斯拥有巨大的冰火山，显示出地质活动的标志。泰坦比水星大，而且是太阳系中唯一实际拥有大气层的卫星。

(4) 天王星

天王星（Uranus 19.6 天文单位），是最轻的外行星，质量是地球的14倍。它的自转轴对黄道倾斜达到96度，因此是横躺着绕着太阳公转，在行星中非常独特。在气体巨星中，它的核心温度最低，只辐射非常少的热量进入太空中。天王星已知的卫星有27颗，最大的几颗是泰坦尼亚、欧贝隆、乌姆柏里厄尔、艾瑞尔和米兰达。

(5) 海王星

海王星（Neptune 30 天文单位）虽然看起来比天王星小，但密度较高使质量仍有地球的17倍。他虽然辐射出较多的热量，但远不及木星和土星多。海王星已知有13颗卫星，最大的卫星仍有地质活动，有着喷发液态氮的间歇泉，它也是太阳系内唯一逆行的大卫星。在海王星的轨道上有一些1:1轨道共振的小行星，组成海王星特洛伊群。

(6) 彗星

彗星归属于太阳系小天体，通常直径只有几千米，主要由具挥发性的冰组成。它们的轨道具有高离心率，近日点一般都在内行星轨道的内侧，而远日点在冥王星之外。当一颗彗星进入内太阳系后，与太阳的接近会导致她冰冷表面的物质升华和电离，产生彗发和拖曳出由气体和尘粒组成、肉眼就可以看见的彗尾。

短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星，长周期彗星的轨周期可以长达数千年。短周期彗星，像是哈雷彗星，被认为是来自柯伊伯带；长周期彗星，像海尔·波普彗星，则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星，像是克鲁兹族彗星，可能源自一个崩溃的母体。有些彗星有着双曲线轨道，则可能来自太阳系外，但要精确的测量这些轨道是很困难的。挥发性物质被太阳的热驱散后的彗星经常会被归类为小行星。

(7) 半人马群

半人马群是散布在9至30天文单位的范围内，也就是轨道在木星和海王星之间，类似彗星以冰为主的天体。半人马群已知的最大天体是10199 Chariklo，直径在200至250千米。第一个被发现的是2060 Chiron，因为在接近太阳时如同彗星般的产生彗发，目前已经被归类为彗星。

5、外海王星区

在海王星之外的区域，通常称为外太阳系或是外海王星区，仍然是未被探测的广大空间。这片区域似乎是太阳系小天体的世界（最大直径不到地球的五分之一，质量则远小于月球），主要由冰组成。

(1) 柯伊伯带

柯伊伯带，最初的形式，被认为是由与小行星大小相似，但主要是由冰组成的碎片与残骸构成的环带，扩散在距离太阳30至50天文单位之处。这个区域被认为是短周期彗星—像是哈雷彗星—的来源。它主要由太阳系小天体组成，但是许多柯伊伯带中最大的天体，例如创神星、伐楼拿、2003 EL61、2005 FY9和厄耳枯斯等，可能都会被归类为矮行星。估计柯伊伯带内直径大于50千米的天体会超过100,000颗，但总质量可能只有地球质量的十分之一甚至只有百分之一。许多柯伊伯带的天体都有两颗以上的卫星，而且多数的轨道都不在黄道平面上。

柯伊伯带大致上可以分成共振带和传统的带两部分，共振带是由与海王星轨道有共振关系的天体组成的（当海王星公转太阳三圈就绕太阳二圈，或海王星公转两圈时只绕一圈），其实海王星本身也算是共振带中的一员。传统的成员则是不与海王星共振，散布在39.4至47.7 天文单位范围内的天体。传统的柯伊伯带天体以最初被发现的三颗之一的1992 QB1为名，被分类归类为QB1天体。

(2) 冥王星和卡戎

冥王星和已知的三颗卫星（Pluto 平均距离39 天文单位）是一颗矮行星，也是柯伊伯带内已知的最大天体之一。当它在1930年被发现后，被认为是第九颗行星，直到2006年才重分类为矮行星。冥王星的轨道对黄道面倾斜17度，与太阳的距离在近日点时是29.7天文单位（在海王星轨道的内侧），远日点时则达到49.5天文单位。

目前还不能确定卡戎（Charon）是否应被归类为当前认为的卫星还是属于矮行星，因为冥王星和卡戎相互绕轨道的质心不在任何一颗星体的表面之下，形成了冥王星－卡戎双星系统。另外两颗很小的卫星尼克斯（Nix）与许德拉（Hydra），则绕着冥王星和卡戎公转。

冥王星在共振带上，与海王星有着3:2的共振（冥王星绕太阳公转二圈时，海王星公转三圈）。柯伊伯带中有着这种轨道的天体统称为类冥天体。

(3) 离散盘

离散盘与柯伊伯带是重叠的，但是向外延伸至更远的空间。离散盘内的天体应该是在太阳系形成的早期过程中，因为海王星向外迁徙造成的引力扰动才被从柯伊伯带抛入反覆不定的轨道中。多数黄道离散天体的近日点都在柯伊伯带内，但远日点可以远至150天文单位；轨道对黄道面也有很大的倾斜角度，甚至有垂直于黄道面的。有些天文学家认为黄道离散天体应该是柯伊伯带的另一部分，并且称为“柯伊伯带离散天体”。

(4) 阋神星

阋神星（136199 Eris）（平均距离68 天文单位）是已知最大的黄道离散天体，并且引发了什么是行星的辩论。他的直径至少比冥王星大15%，估计有2,400千米，是已知的矮行星中最大的。阋神星有一颗卫星，阋卫一（Dysnomia），轨道也像冥王星一样有着很大的离心率，近日点的距离是38.2 天文单位（大约是冥王星与太阳的平均距离），远日点达到97.6 天文单位，对黄道面的倾斜角度亦很大。

6、太阳系最远区域疆界

太阳系于何处结束，以及星际介质开始的位置没有明确定义的界线，因为这需要由太阳风和太阳引力两者来决定。太阳风能影响到星际介质的距离大约是冥王星距离的四倍，但是太阳的洛希球，也就是太阳引力所能及的范围，应该是这个距离的千倍以上。

(1) 日球层顶

太阳圈可以分为两个区域，太阳风传递的最大距离大约在95 天文单位，也就是冥王星轨道的三倍之处。此处是终端震波的边缘，也就是太阳风和星际介质相互碰撞与冲激之处。太阳风在此处减速、凝聚并且变得更加纷乱，形成一个巨大的卵形结构，也就是所谓的日鞘，外观和表现得像是彗尾，在朝向恒星风的方向向外继续延伸约40天文单位，但是反方向的尾端则延伸数倍于此距离。太阳圈的外缘是日球层顶，此处是太阳风最后的终止之处，外面即是恒星际空间。

太阳圈外缘的形状和形式很可能受到与星际物质相互作用的流体动力学的影响，同时也受到在南端占优势的太阳磁场的影响；例如，它形状在北半球比南半球多扩展了9个天文单位（大约15亿千米）。在日球层顶之外，在大约230天文单位处，存在着弓形激波，它是当太阳在银河系中穿行时产生的。

还没有太空船飞越到日球层顶之外，所以还不能确知星际空间的环境条件。而太阳圈如何保护在宇宙射线下的太阳系，目前所知甚少。为此，人们已经开始提出能够飞越太阳圈的任务。

(2) 奥尔特云（Oort cloud）

是一个假设包围着太阳系的球体云团，布满了不少不活跃的彗星，距离太阳约50,000至100,000个天文单位，差不多等于一光年，即太阳与比邻星（Proxima）距离的四分之一。

理论上的奥尔特云有数以兆计的冰冷天体和巨大的质量，在大约5,000 天文单位，最远可达10,000天文单位的距离上包围着太阳系，被认为是长周期彗星的来源。它们被认为是经由外行星的引力作用从内太阳系被抛至该处的彗星。奥尔特云的物体运动得非常缓慢，并且可以受到一些不常见的情况的影响，像是碰撞、或是经过附近恒星天体的引力作用、或是星系潮汐的作用。

(3) 塞德娜和内奥尔特云

塞德娜(Sedna)是颗巨大、红化的类冥天体，近日点在76天文单位，远日点在928天文单位，要12,050年才能完成一周的巨大、高椭圆率的运行轨道。米高·布朗在2003年发现这个天体，因为它的近日点太遥远，以致不可能受到海王星迁徙的影响，所以认为它不是离散盘或柯伊伯带的成员。他和其他的天文学家认为它属于一个新的分类，同属于这新族群的还有近日点在45天文单位，远日点在415天文单位，轨道周期3,420年的2000 CR105，和近日点在21天文单位，远日点在1,000天文单位，轨道周期12,705年的(87269) 2000 OO67。布朗命名这个族群为“内奥尔特云”，虽然它远离太阳，但仍然较近。

(4) 疆界

我们的太阳系仍然有许多未知数。考查邻近的恒星，估计太阳的引力可以控制2光年（125,000天文单位）的范围。奥尔特云向外延伸的程度，大概不会超过50,000天文单位。尽管发现的塞德娜，范围在柯伊伯带和奥尔特云之间，仍然有数以上万天文单位半径的区域是未曾被探测的。水星和太阳之间的区域也仍在不断的研究之中。在太阳系的未知地区里，我们仍可能有所发现。

(5)矮行星

矮行星是由冥王星(Pluto)、谷神星(Ceres)、齐娜星(Xena)和卡戎星（Charon）的分类名称归类的。

§本章重点概要

（一）地球是太阳系中的一颗类地行星，从太阳开始数，地球是第三颗大行星。

（二）地球的结构是由七大圈层构成的，它们是：地球外圈的四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈的三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。水圈、岩石圈、外核液体圈和固体内核圈都是导电体组成的圈层。

（三）太阳系的八大行星，只有水星和金星没有磁场。其它行星，地球、火星、木星、土星、天王星和海王星都有磁场。木星的磁场最大，是地球磁场强度的十倍以上。

（四）地球磁场从它形成的时候就存在了，一直延续到现在。月球诞生时也有磁场存在，演化到后来消失了。

（五）太阳除了发射光，太阳也不断的放射出电子流（等离子），也就是所谓的太阳风。这条微粒子流的速度为每小时150万千米以上，在太阳系内创造出稀薄的大气层（太阳圈），范围至少达到100天文单位（日球层顶）。

（六）地球在逐渐形成之后，地球上的自然现象大多都受到太阳的影响。太阳影响地球的主要因素有三，第一是引力、第二是太阳光、第三就是太阳风了。

（七）太阳风对地球磁场施加作用，地球磁场阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，地球形成了一个被太阳风包围的、象彗星状的地球磁场区域，我们把它称为磁层。