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地球真的是個丑土豆嗎?

時間:2014-11-07 18:20:05 來源:[!--befrom--] 作者:[!--writer--] 我要評論 熱度:

流言: 【原來,地球不是球】地球儀上,地球是一個正宗的球體。但專家說,地球并不是一個標準的球體,長相有些“怪”。究竟有多怪?NASA貼出了一張地球的素顏照,照片中,地球長滿了“青春痘”,樣子有點變形,甚至有些丑,好像土豆……

地球真的是個丑土豆嗎?

微博上流傳的“地球素顏照”。

分析: 這張圖根本不是地球的形狀圖。實際上它表示的是全球重力變化的空間差異,而且經過了夸張處理。圖片出自GFZ(德國地球科學研究中心)和NASA(美國宇航局)合作的“GRACE項目” [1] ,這個項目的主要目的就是繪制地球的重力場變化 [2] 。歐洲空間局(European Space Agency)也有類似的項目,稱作“GOCE” [3] 。Discovery網站曾有報道[4] 。但在傳播中,一些媒體將圖片錯誤解讀成了地球的形狀,還冠以了“地球素顏照”的稱呼。

什么是重力變化?

重力是萬有引力的一個分量,在不同的地區是有細微變化的。比如在赤道地區重力較低,而在兩級地區較高;在青藏高原較低,在海洋地區則一般較高。此外,在有金屬礦床發育的地區,重力一般也較高。

重力是和物體的密度有關的,一般來說,密度愈大的地方,重力也愈大。青藏高原的海拔很高,但是其組成物質中,密度較低的巖石占的比例很大;而海洋地區的巖石密度相對較高,這就是在海洋地區的重力反而大于高原地區的原因。同樣,很多金屬礦床,如鐵礦、銅礦等,它們的密度也大于一般的地殼巖石,在重力圖上就顯示為高密度區。利用這一點,地質學家就可以找到很多金屬礦產。

地球真的是個丑土豆嗎?

根據歐洲空間局的GOCE衛星數據畫出的第一張全球重力差異模型。這張圖表示的是消除了緯度差異化的重力圖,紅色表示高重力區,藍色表示低重力區,代表兩個極端值。全球除了個別地區外,重力的差別是非常小的。

測量地球重力場變化(GOCE)的項目,是歐洲空間局觀測地球項目(Observing the Earth)中的一個子項目,目的就是利用重力衛星去精細地測量出地球表面不同地區重力的細微變化。重力及其差異的資料在很多方面都有重要的應用,如大地測量、重力找礦、海平面變化、潮汐,以及其他諸多的地表及地球內部過程,如冰蓋厚度變化和火山下的巖漿分布等。精確的重力資料對理解這些過程有很大的幫助。歐洲空間局的科學家利用重力衛星上搭載的精密重力儀,測出不同地區的重力值并求出差異。

在多年的研究基礎上,研究人員將數據放到一個地球的模型上,以此來更加直觀地表示出研究結果。這就得到了流言中的那張圖片。但這張圖并不是完全按照比例繪制的,因為這些差別本來就很小,如果按比例來畫圖,很難讓讀圖者清晰地看出差別。所以只能夸大比例,形象化地表示出各地重力數值的差異。

因此,這是一張經過夸大的地球重力變化圖,它與“地球的形狀”根本沒有關系。

地球真的是個丑土豆嗎?

夸大了的地球重力圖[3]。

地球的形狀[注]

那么,地球的形狀到底是什么樣子的呢?

如何描述地球的形狀,這與要求的精度有關。如果精確到幾十千米,可認為地球是個平均半徑為6371千米的球體。如果精確到千米,由于地球的極半徑是6356千米,赤道半徑是6378千米,因此有人將地球描述為橢球體。不過,赤道和兩極的半徑差別只有22千米,相對于平均半徑來說,實在微不足道。

地球真的是個丑土豆嗎?

地球的極半徑(R1)和赤道半徑(R2)。注意,這里為了形象地表示,把極半徑和赤道半徑的差別夸大了。

而如果精確到米,地球的形狀就很難概括描述了。地球表面有大江大河、大山大海、各種各樣的建筑物等等。要討論地球的具體形狀是不大可能的。但這樣的差別,對大地水準面的研究是很有意義的。

其實,從太空中可以更直觀地看到地球的形狀。下面是一張太空中拍攝的照片,可以看出,地球確實是一個圓滾滾的球體,不是“土豆”。

地球真的是個丑土豆嗎?

太空中拍攝的地球照片。

“脫水”后地球的形狀

可能有的人會想:地球表面70%覆蓋著水。那么,把這些水抽干以后,地球會是什么樣子呢?

如果把表面的水抽干,地球確實會變丑。首先是占地球表面大部分的那一片藍就沒了,地球不再像一顆晶瑩的玻璃球,而是黑乎乎的(想象一下海底的爛泥)……

這時你會發現,其實海底和大陸還是蠻像的:有挺拔的高山,有遼闊的平原,有橫亙幾千公里的山脈(大洋中脊),也有傷疤一樣的海溝(比如馬里亞納海溝)。大陸上的高山平原和大洋里的比起來,你會感覺大陸簡直弱爆了:青藏高原太小了,兩大山系:阿爾卑斯-喜馬拉雅山系和科迪略拉山系加起來還沒有洋中脊長度的一半長。

地球真的是個丑土豆嗎?

地球大陸與大洋地貌圖。大陸就不解釋了。大洋中藍色越深表示海水越深,越白表示海水越淺。圖中白色的寬條帶就是大洋中脊,世界上最大的山鏈。大洋的地殼就在這里產生。其他一些細小的白點或白鏈表示海中的山或小山脈。(由于地圖投影的關系,這張圖會顯得大陸的面積很大,其實沒這么大,可查看地球儀。)

這時候的地球看起來可能會更“麻”一點,不過差異仍然是非常小的。青藏高原平均海拔才4000米多,而洋盆平均深度也就4000米深,落差不過8000米多一點,實在不算什么。即使算極值,珠峰8844米,太平洋馬里亞納海溝最深處11034米,落差大約為19878米,還不如兩極和赤道的半徑差別顯著。而且這只是地球上小小的點,影響不到全貌。

這里我們來做一個計算:把地球(不含水的部分)縮小成一個半徑1米、比人還要高的大型地球儀,來看看上面說到的這些落差能否明顯地表現出來。

如前面所說,地球赤道半徑和極半徑之差是22千米。在半徑1米的地球儀上,這點差別相當于赤道半徑比極半徑長3.5毫米,肉眼根本分辨不出來。同樣計算可知,珠穆朗瑪峰只是約1.4毫米的突起,馬里亞納海溝也只是最深處只有1.7毫米的小溝。這些凸起和凹陷都太細微,整體來看改變不了地球球體的外觀。

大家可能見過一種有突起的地球儀,高的地方是高山,低的地方是平原。其實,這種地球儀也是把地形起伏進行了夸大。否則如果按照真實比例,在教學用的地球儀(半徑一般15厘米左右)上面,大陸上的那點地形起伏實在是觀察不出來啊。

地球真的是個丑土豆嗎?

利用地形學制作的地球儀。上面各地區的地形差距經過了夸大。

結論: 流言中的圖是夸張了的地球重力圖,不是什么地球“素顏照”。夸張的初衷是讓研究結果更直觀,但在媒體傳播中被錯誤地解讀了。地球大略上仍然可以認為是兩極略扁、赤道微突的橢球體。在地球儀的尺度上,認為是球體也沒關系。

[注]這部分內容參考了石耀林院士在科學網上的博客,鏈接已佚失。

參考資料

[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

本文作者對網友一些問題的補充回答

1,不是很明白……意思是如果海洋是靜態的,海平面就是這個樣子?那現在海洋表面比較“圓”,是因為海洋是動態的嗎?

地理學上有一個“大地水準面”的概念。簡單來說,它是這樣定義的:當海水完全靜止,沒有海浪,沒有潮汐,沒有洋流,魚也不游動,海水在全球范圍內充分自由地流動以后,水面就像凍住了一樣,這時候海水形成的那個面就叫大地水準面。它實際上是一個重力等位面。什么叫重力等位面呢?就是這時候你嚴格地在這個面上走的時候,重力是不做功的,你的重力勢能是保持不變的。

注意,此時的大地水準面仍不是一個標準的橢球面,它的表面仍然有起伏。原因就是不同的地方,物質的密度是不一樣的,地質構造條件也是千變萬化,所以不同地區的重力勢不一樣。因此其重力等位面,即大地水準面也不可能是一個完美的曲面。

然后,這個面就可以向大陸地區延伸了。在大陸上,這個重力等位面也不是和地貌一致的,它其實是橫切山川的。

另一個常見的名稱就是地球旋轉橢球面。這也一個假想的面,是科學家為了研究方便定義的一個面。從地球的極半徑和赤道半徑長度我們可以知道,地球確實是一個赤道稍鼓而兩極略扁的不規則橢球體。實際的大地水準面太復雜,不方便研究,科學家索性就定義了一個標準的橢球體。大地水準面和旋轉橢球面也是相切割的關系。不過旋轉橢球面不是唯一的,不同個國家或地區可以自己定義。

地球真的是個丑土豆嗎?

大地水準面、旋轉橢球面和地球實際表面的關系。注意,這里為了表示更清楚,夸大了大地水準面和地表的凹凸程度,橢球面也夸大了兩極和赤道半徑的比例。

回答上面的問題。現在地球比較圓,不是因為海水是動態的。現在地球的形狀,確實是各種力(如地球自轉、自身引力、海底擴張、大陸碰撞、火山、地震、風力、水以及冰川等等)相互作用的結果,結果就是地球不是正球體,而是一個赤道稍鼓、兩極略扁的不規則橢球體。

2,“素顏照”是不是地球除去了海洋、植被和土壤后的面貌?

也不是的。

要說“除去土壤”,首先可以這樣定義土壤:自然風化或水流沉積形成的松軟土狀物質。當然,海洋中還有一層薄薄的沉積軟泥,不到500米厚,也算到除去之列吧。陸地上的土有多厚呢?山區就非常薄了,很多地方一米都不到,巖石很多時候是裸露的。黃土高原的黃土最深深度可達近400米,華北平原的沉積最深不過6000米,平均不到1000米。這些相對于地球6371千米的半徑,實在是微不足道的。比如華北平原土壤沉積最深的地方,6/6371=0.00094,不足千分之一。

除去海水呢?海水深度取4000米,青藏高原平均高度取4500米。把青藏高原和大洋的平均落差取為9000米,9/6371=0.0014,不到千分之一點五,同樣微不足道,臉上長個不起眼的小痘痘也不止這個比例吧。況且這還是極端情況。

去掉植被呢?假設植被的平均高度為200米(夸張了,地球處于侏羅紀)。200/6371000=0.000031,我也不知道這個數有多小了。

所以說,不管去掉海洋、植被,還是土壤,地球的素顏照都不可能是那種樣子的。但是如果真去掉這些,地球真會變丑的。看看火星就知道了。

(感謝網友asd0832對本段數據的指正。)

3,關于“地球是梨形”的說法

這種說法存在誤導,中國地震局郗欽文研究員對這個問題做過專門的解釋。可點擊:http://scitech.people.com.cn/GB/4702166.html


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