地球磁場—人類賴以生存的必須環境—第一章 我們和地球

第一章 我們和地球

　　　當我們來到這個世界上，我們首先感知的是我們周圍的環境。當我們對周圍的環境——地球的意識充分展開時，駕馭我們的意識，探索地球的真實是我們人類理解整個生存環境得以繼續的重要部分。地球磁場是磁場作用在地球上的自然表象，對地球感知的全部知識積累是我們能夠詮釋地球磁場的理論基礎。

§1 探索「地球」的真實

　　　地球是人類賴以生存的唯一家園，地球亦是我們人類生命真實生活的載體。這個與我們人類生息相載、息息相關的地球，其神聖使命遠遠大於這個世界所能承載的一切。然而，我們每個人對地球僅有的知識程度，也局限於熟視無睹的這個世界之內；似乎，生存、生命的價值，也遠遠拋於這個地球之外。有很多人，很多生命，在疲於奔命的完成一個人所能承載的使命，但似乎與地球早已產生隔膜，早已懸浮於地球之外一般，完全忽略了這個所謂的「球體」。在人類追尋生命起源、生命真實，尋找生命真諦的過程中，與原生態的、自然的本質是無法分開的。人類的最初本能就是要讓生命存活在這個世界上，而負載我們最真實的生命載體，便是唯一的，也就是我們的這個地球。地球的廣博，讓我們對它進行解釋，便會給人類帶來無窮盡的裨益。

　　　 一、地球理要

　　　（一）地球內涵

　　　地球，即大地是球體，早期的知識認為是宇宙的一個圓型的天體。希臘文明和聖經早在三千多年前就明確大地是球形的了，而且是浮動於宇宙之中的。關於我們是生存在球形體上的證明，早在古希臘時期就已經有人做過。1475年，科學家摩爾尼克根據科學實驗，確實證明了地球是圓型的學說；1492年，義大利探險家克里斯多福·哥倫布在美洲發現新大陸時，他預期確定「地球是圓的」這一論述；1519年，葡萄牙航海家麥哲倫率領船隊，經過長達3年艱苦的海上航行，順利完成人類歷史上第一次環繞地球航行一周的壯舉，他用自己的親身實踐證實了地球是球形的最後定論。因此，經過多年實踐和科學論證：地球是一個兩極稍扁，在一個橢圓形軌道上圍繞太陽公轉，同時又繞地軸自轉的球體。地球的赤道半徑6378千米，地球的兩極半徑6357千米，平常以肉眼觀察的似乎是正球體，但實際是僅僅相差21千米被我們大概地忽略的略偏球體。

　　　（二）關於地球學說

　　　地球已經存在了46億年以上的時光，現在它公轉周期為365.25天，我們為了慶祝和紀念它，將這些天定為回歸年；而現在的地球自轉周期為23.56小時，於是，我們生活的一天就定為24小時。地球的體積為10832億立方千米，質量為600000億億噸，其平均密度為5.50克/立方釐米，表面積為5.1億平方千米，海洋面積為3.61億平方千米 ；大氣的主要成分是氮（78.5%）和氧（21%），地殼的主要成分是氧(47%)、矽（28%）和鋁（8%）；地球還有自己的天然衛星即月亮。

　　　近幾十年來，愈來愈多的科學家認為，地球上部不僅有垂直運動，而且還有較大的水平運動，海洋和大陸的相對位置在地質時期也是變化著的。

　　　關於地球起源及演化，一直也是人類非常關注的疑問。從文藝復興開始，人類關於陸地的形成就經歷過三次大的辯論，時至今日，基本為現代人認可的地球地質演化學說有以下幾種。

　　　1、大陸漂移假說

　　　大陸漂移假說的觀點，最初產生於德國氣象學家魏格納在病床上觀察世界地圖的構想。之後他通過大量的資料佐證，比如追蹤大西洋兩岸的山系和地層；甚至在非洲和印度、澳大利亞等大陸之間，也發現有地層構造之間的聯繫；接著，又考察了巖石中的化石，有如下多種現象：

　　　一個是生活在遠古時期陸地淡水中的中龍，是一種小型爬行動物，它既可以在巴西石炭紀到二疊紀形成的地層中找到，也出現在南非的石炭紀、二疊紀的同類地層中。而淡水生活的中龍，是如何遊過由鹹水組成的大西洋的？另一個是庭園蝸牛，發現它生存在德國和英國等地，卻也分布於大西洋對岸的北美洲。而蝸牛素以步履緩慢著稱，居然有本事跨過大西洋的千重波瀾，從一岸傳播到另一岸？當時地球上甚至連鳥類還沒有出現，蝸牛是怎麼爬過去的？再一個就是一種植物化石—舌羊齒，這是古代的蕨類植物，廣布於澳大利亞、印度、南美、非洲等地的晚古生代地層中，即現代版圖中比較靠南方的大陸上。植物沒有腿，也不會遊泳，是如何能漂洋過海呢？

　　　魏格納為解釋這些現象，他考慮地質學上固定論與活動論、火成論與水成論、漸變論與災變論的三大地質論戰，依據他的研究成果，對「陸橋說」提出質疑。而古代冰川的分布也支持魏格納的觀點，最終發現，古緯度與現在大陸的位置是衝突的，這也說明以前的大陸不在今天所處的位置。所有的證據證明魏格納的論說是可靠性的，他便於1915年寫了《海陸的起源》。魏格納在這本書裡，以嚴謹的科學態度闡述了古代大陸原來是聯合在一起，隨後由於大陸漂移而分開，分開的大陸之間出現了海洋的觀點。魏格納認為，大陸由較輕的含矽鋁質的巖石如玄武巖組成，它們像一座座塊狀冰山一樣，漂浮在較重的含矽鎂質的巖石如花崗巖之上（洋底就是由矽鎂質組成的），並在其上發生漂移。在二疊紀之前，全球只有一個巨大的陸地，他稱之為泛大陸（或聯合古陸）。風平浪靜的二疊紀過後，風起雲湧的中生代開始之後，泛大陸首先一分為二，形成北方的勞亞大陸和南方的岡瓦納大陸，並逐步分裂成幾塊小一點的陸地，四散漂移，有的陸地又重新拼合，最後形成了今天的海陸格局。

　　　2、「海底擴張」假說

　　　20世紀60年代，兩位英國海洋地質學家H.H.赫斯（Harry Hess）和R.S.迪茨（Dietz）提出了「海底擴張」的假說。據測定，在太平洋洋底，海嶺兩側的地殼向外擴張的速度是每年5～7釐米，在大西洋是每年1～2釐米。大洋底部的地殼面貌大約需要經過兩三億年的變遷，才會發生一次更新式的巨大變化。海底擴張的學說是大陸漂移學說的新形式，也是板塊構造學說的重要理論支柱。

　　　赫斯用地幔對流機制來解釋海底的地形標誌，他設想大洋中脊是熱流上升而使海底裂開的地方，熔融巖漿從這裡噴出，推開兩邊的巖石形成新的海底。赫斯捨棄了早期大陸漂移模型中大陸排開洋底物質進行運動的方式，而認為大陸是被動地受到地殼下部對流作用的推動，好像被放置在一條活動傳送帶上運動。這一充滿想像力的思想於1962年發表在論文《海洋盆地歷史》中。赫斯在論文的引文中說「我的這一設想需要很長時間才能得到證實，因此，與其說這是一篇科學論文，倒不如說是一首地球詩篇。」事實上僅時隔一年，弗雷德裡克?瓦因（Fredrick Vine）就把海底擴張的思想與海底地磁的新資料圓滿結合在一起，奠定了板塊構造學說的基礎。

　　　3、板塊構造學說

　　　板塊構造學說是在大陸漂移學說和海底擴張學說的基礎上提出的。板塊構造學說是1968年法國地質學家勒皮雄與麥肯齊、摩根等人提出的一種新的大陸漂移說，它是海底擴張說的具體引伸。

　　　板塊構造，又叫全球大地構造。所謂板塊指的是巖石圈板塊，包括整個地殼和莫霍面以下的上地幔頂部。新全球構造理論認為，不論大陸殼或大洋殼都曾發生並還在繼續發生大規模水平運動。但這種水平運動並不像大陸漂移說所設想的，發生在矽鋁層和矽鎂層之間，而是巖石圈板塊整個地幔軟流層上像傳送帶那樣移動著。

　　　4、板塊運動理論

　　　地球最上層約幾十公裡厚的一圈是強度很大的巖石圈，其下幾百公裡厚的一層是軟流層，強度較小，在長期的應力作用下這一層的物質具有可塑性。巖石圈漂浮在軟流圈上。在地球內部能量（原始熱量和放射性熱）釋放時，地內溫度和密度的不均勻分布，引起地幔物質的對流運動。地幔對流物質沿著洋底的洋中脊的裂隙向兩側方向運動，不斷形成新的洋底。此外，老的洋底不斷向外擴張，當它們接近大陸邊緣時，在地幔對流向下拖曳力的作用下，插入大陸地殼下面，致使巖石圈發生一系列的構造運動。這種對流作用可使整個洋底在三億年左右更新一次。巖石圈被一些活動構造帶所割裂，分成幾個不連續的單元，稱為大陸板塊。全球巖石圈分成六大板塊：歐亞板塊、美洲板塊、非洲板塊、太平洋板塊、澳洲板塊和南極板塊。海底的擴張導致大陸板塊發生運動。板塊的相互擠壓造成了巨大的山系，自阿爾卑斯山經過土耳其和高加索，最後到喜馬拉雅山的山系正是屬於這種情況。

　　　從「大陸漂移假說」開始到「板塊運動理論」為止，實際上它們都是一種理論的延續。它們可以在地殼的表面找到理論的支持，但是這些支持理論的表象，也可以用其他理論給予解釋。以上理論的最大缺陷是，板塊運動的運動機制沒能給出令人信服的解釋。也就是說板塊運動的機制沒有歸納到地球演化的過程當中去。所以說，以上理論絕不是地球板塊活動過程的合理解釋。我們說，地球上有季節變化和晝夜交替，這是因為地球不停的自轉和公轉的反映。地球上還有翻江倒海和山崩地裂，這是地球在運動變化過程中有不穩定因素的結果。但是，我們應該意識到地球上所有事物的起源、演化都是有其規律的，只是我們沒能把它們詳細描述出來而已。

　　　（三）時光輪迴

　　　根據「古生物鐘」的研究發現，地球的自轉速度在逐年變緩，因為地球與月球之間的引潮力使地球的自轉周期每一世紀增加約2毫秒。最新研究顯示在9億年前，一天只有18個小時，而一年則有481天；到了4.4億年的晚奧陶紀，地球公轉一周需要412天；到了4.2億年前的中志留紀，每年就只有400天了；到了3.7億年前的中泥盆紀，一年為398天；到6500萬年前的白堊紀，每年約為376天；而到了現代，一年只有365.25天，一天近24小時。

　　　1、曆法

　　　公元1582年之前，我們使用的公曆是儒略曆：即一年365天，每四年加一閏日，即平均一年365．25日。這樣一年的平均長度為365.25天，比地球繞日旋轉的回歸年365.2422天多0.0078天；到了公元1582年，積累的差值達到了10天左右——也就是說這時日曆上的6月22日，與地球真正的夏至日差了十天，再往後積累，也許會出現夏至日下雪的情況了。為消除這個差數（羅馬教皇格裡高利十三世紀進行的曆法改革），把1582年10月4日的下一日定為10月15日，並採用400年制97個閏日的法則，整百年只有被400除盡的才為閏年，稱為格里高利曆。所以我們現在啟用的公曆就是格里高利曆，這樣歷年的平均長度為365.2425日，誤差為0.0003天，要3300多年才與回歸年長度差一天。

　　　2、閏年

　　　關於公曆閏年是這樣規定的：地球繞太陽公轉一周叫做一個回歸年，一個回歸年長365日5時48分46秒。因此，公曆規定有平年和閏年，平年一年有365日，比回歸年短0.2422日，四年共短0.9688日，故每四年增加一日，這一年有366日，就是閏年。但四年增加一日比四個回歸年又多0.0312日，400年後將多3.12日,故要在400年中少設3個閏年,也就是在400年中只設97個閏年，這樣公曆年的平均長度與回歸年就相近似了。

　　　曆法不僅有以上提到的陽曆，還有陰曆和陰陽曆，以下不再贅述。地球的曆法、晝夜、四季和五帶的變換與地球在太陽系裡的相對位置和狀態有關，地球在太陽系裡的運動與地磁場的變化也密切相關。

　　　據天體物理學的計算，確實證明了地球自轉速度正在變得越來越慢。科學家將此現象解釋為「月球和太陽對地球的潮汐作用引起的」。實際上所有行星的自傳速度都會變慢，只是變化的速率不同而已。

　　　二、地球的構成

　　　（一）地球基本構造

　　　整個地球不是一個均質體，而且具有明顯的圈層結構。地球每個圈層的成分、密度、溫度亦各不相同。地球圈層分為地球外圈和地球內圈兩大部分。地球外圈可進一步劃分為四個基本圈層，即大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈；地球內圈可進一步劃分為三個基本圈層，即地幔圈、外核液體圈和固體內核圈。此外在地球外圈和地球內圈之間還存在一個軟流圈，它是地球外圈與地球內圈之間的一個過渡圈層，位於地面以下平均深度約150千米處。這樣，整個地球總共包括八個圈層，其中巖石圈、軟流圈和地球內圈一起構成了所謂的固體地球。對於地球外圈中的大氣圈、水圈和生物圈，以及巖石圈的表面，一般用直接觀測和測量的方法進行研究。而地球內圈，目前主要用地球物理的方法，例如地震學、重力學和高精度現代空間測地技術觀測的反演等方法進行研究。地球各圈層在分布上有一個顯著的特點，即固體地球內部與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，各圈層則是相互滲透甚至相互重疊的，其中生物圈表現最為顯著，其次是水圈。

　　　1、固體內核圈

　　　地球八個圈層中最靠近地心的就是所謂的固體內核圈了，它位於5120至6371千米地心處，又稱為G層。根據對地震波速的探測與研究，證明G層為固體結構。地球內層不是均質的，地球的平均密度為5.515克/釐米3，而地球巖石圈的密度僅為2.6～3.0克/釐米3。由此，地球內部的密度必定要大得多，並隨深度的增加，密度也出現明顯的變化。地球內部的溫度隨深度而上升。根據最近的估計，在100千米深度處溫度為1300℃，300千米處為2000℃，在地幔圈與外核液態圈邊界處，約為4000℃，地心處溫度為 5500 ～ 6000℃。

　　　2、外核液體圈

　　　固體內核圈之上就是所謂的外核液體圈，它位於地面以下約2900千米至5120千米深度。整個外核液體圈基本上可能是由動力學粘度很小的液體構成的，其中2900至4980千米深度稱為E層，完全由液體構成。4980千米至5120千米深度層稱為F層，它是外核液體圈與固體內核圈之間一個140千米的很薄的過渡層。

　　　3、地幔圈

　　　地震波除了在地面以下約33千米處有一個顯著的不連續面（稱為莫霍面）之外，在軟流圈之下，直至地球內部約2900千米深度的界面處，屬於地幔圈。由於地球外核為液態，在地幔中的地震波S波不能穿過此界面在外核中傳播。P波曲線在此界面處的速度也急劇減低。這個界面是古登堡在1914年發現的，所以也稱為古登堡面，它構成了地幔圈與外核流體圈的分界面。整個地幔圈由上地幔（33～410千米深度B層，410～1000千米深度C層，也稱過渡帶層）、下地幔的D′層（1000～2700千米深度）和下地幔的D″層（2700～2900千米深度）組成。地球彈性物理的研究表明，D″層存在強烈的橫向不均勻性，其不均勻的程度甚至可以和巖石層相比擬，它不僅是地核熱量傳送到地幔的熱邊界層，而且極可能是與地幔有不同化學成分的化學分層。地幔圈是地球最厚的一個層面，佔了地球質量的68％左右，它的密度由外至內逐漸增大，外部密度為3克/釐米3，內部密度為5.4 克/ 釐米3。這一層面從地殼下一直延伸到2900千米外，由各種不同的礦物質組成，其中以橄欖石、輝石和長石居多。

　　　4、軟流圈

　　　在距地球表面以下約100千米的上地幔中，有一個明顯的地震波的低速層，這是由古登堡在1926年最早提出的，稱之為軟流圈，它位於上地幔的上部即B層。在洋底下面，它位於約60千米深度以下；在大陸地區，它位於約120千米深度以下，平均深度約位於60～250千米處。現代觀測和研究已經肯定了這個軟流圈層的存在。也就是由於這個軟流圈的存在，將地球外圈與地球內圈區別開來。

　　　5、巖石圈

　　　對於地球巖石圈，除表面形態外，是無法直接觀測到的。它主要由地球的地殼和地幔圈中上地幔的頂部組成，從固體地球表面向下穿過地震波在近33千米處所顯示的第一個不連續面（莫霍面），一直延伸到軟流圈為止。巖石圈厚度不均勻，平均厚度約為100千米。由於巖石圈及其表面形態與現代地球物理學、地球動力學有著密切的關係，因此，巖石圈是現代地球科學中研究得最多、最詳細、最徹底的固體地球部分。由于洋底佔據了地球表面總面積的2/3之多，而大洋盆地約佔海底總面積的45％，其平均水深為4000～5000米，大量發育的海底火山就是分布在大洋盆地中，其周圍延伸著廣闊的海底丘陵。因此，整個固體地球的主要表面形態可認為是由大洋盆地與大陸臺地組成，對它們的研究，構成了與巖石圈構造和地球動力學有直接聯繫的「地球構造學」理論。

　　　6、生物圈

　　　由於存在地球大氣圈、地球水圈和地表的礦物，在地球上有合適的溫度條件下，形成了適合於生物生存的自然環境。人們通常所說的生物，是指有生命的物體，包括植物、動物和微生物。據估計，現有生存的植物約有40萬種，動物約有110多萬種，微生物至少有10多萬種。另外該圈還包括生物的建築物和排洩物等。據統計，在地質歷史上曾經生存過的生物約有5～10億種之多，然而，在地球漫長的演化過程中，絕大部分都已經滅絕了。現存的生物生活在巖石圈的上層部分、大氣圈的下層部分和水圈的全部，構成了地球上一個獨特的圈層，稱為生物圈。生物圈是太陽系中所有行星中僅有地球上存在的一個獨特圈層，它對地球的影響將會越來越重要。

　　　7、水圈

　　　水圈是地球外圈中作用最為活躍的一個圈層。它與大氣圈、生物圈和地球內圈的相互作用，直接關係到影響人類活動的表層系統的演化。水圈也是外動力地質作用的主要介質，是塑造地球表面最重要的角色。水體存在方式不同，其作用方式也有比較大的差別，按照水體存在的方式可以將水圈劃分為：海洋、河流、地下水、冰川、湖泊等五種主要類型，是需要我們重點注意的圈層。

　　　液態和固態水體所覆蓋的地球表面空間。水圈中的水上界可達大氣對流層頂部，下界至深層地下水的下限。包括大氣中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物體內的水。各種水體參加大小水循環，不斷交換水量和熱量。水圈中大部分水以液態形式儲存於海洋、河流、湖泊、水庫、沼澤及土壤中；部分水以固態形式存在於極地的廣大冰原、冰川、積雪和凍土中；水汽主要存在於大氣中。三者常通過熱量交換而部分相互轉化。

　　　地球表面的水是十分活躍的。海洋蒸發的水汽進入大氣圈，經氣流輸送到大陸、凝結後降落到地面，部分被生物吸收，部分下滲為地下水，部分成為地表徑流。地表徑流和地下徑流大部分回歸海洋。水在循環過程中不斷釋放或吸收熱能，調節著地球上各層圈的氣候，還不斷地塑造著地表的形態。水圈中的地表水大部分在河流、湖泊和土壤中進行重新分配，除了回歸於海洋的部分外，有一部分比較長久地儲存於內陸湖泊和形成冰川。從這些水體的增減變化，可以估計出海陸間水熱交換的強弱。大氣圈中的水分參與水圈的循環，交換速度較快，周期僅幾天。由於水分循環，使地球上發生複雜的天氣變化。海洋和大氣的水量交換，導致熱量與能量頻繁交換，交換過程對各地天氣變化影響極大。目前，各國極其關注海—氣相互關係的研究。生物圈中的生物受洪、澇、乾旱影響很大，生物的種群分布和聚落形成也與水的時空分布有極密切的關係。生物群落隨水的豐缺而不斷交替、繁殖和死亡。大量植物的蒸騰作用也促進了水分的循環。水在大氣圈、生物圈和巖石圈之間相互置換，關係極其密切，它們組成了地球上各種形式的物質交換系統，形成千姿百態的地理環境。從離地球數萬公裡的高空看地球，可以看到地球大氣圈中水汽形成的白雲覆蓋地球大部分的藍色海洋，它使地球成為一顆「藍色的行星」。地球水圈總質量為1.66×1024克，約為地球總質量的三千六百分之一，其中海洋水質量約為陸地（包括河流、湖泊和表層巖石孔隙和土壤中）水的35倍。如果整個地球沒有固體部分的起伏，那麼全球將被深達2600米的水層所均勻覆蓋。大氣圈和水圈相結合，組成地表的最活躍系統。

　　　8、大氣圈

　　　大氣圈也稱大氣層，是地球外圈中接近地球表面最外部的氣體圈層，它包圍著海洋和陸地。大氣層的成分主要有氮氣，佔78.1％；氧氣佔20.9％；氬氣佔0.93％；還有少量的二氧化碳、稀有氣體（氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣氡氣）和水蒸氣。大氣層的厚度大約在1000千米以上，它沒有確切的上界，大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄，在2000～16000千米高空，仍有稀薄氣體和基本粒子存在；在地下，土壤和某些巖石中也會有少量空氣，它們也可認為是大氣圈的一個組成部分。地球大氣層氣體的總質量約為5.136×1021克，相當於地球總質量的0.86%。由於地心引力作用，幾乎全部的氣體集中在離地面100千米高度範圍內，其中75％的大氣又集中在地面至10千米高度的對流層範圍內。根據大氣分布的不同特點，從地面開始依次分為對流層、平流層、中間層、熱層（電離層）、外大氣層（逃逸層也叫磁力層），再上面就是行星際空間了。

　　　（1）對流層：對流層在大氣層的最低層，緊靠地球表面，空氣的移動以上升氣流和下降氣流為主的對流運動。它的厚度不一，其厚度大約為10～20千米。對流層的大氣受地球影響較大，雲、霧、雨等現象都發生在這一層內，水蒸氣也幾乎都在這一層內存在。這一層的氣溫隨高度的增加而降低，大約每升高1000米，溫度下降5～6℃。動、植物的生存，人類的絕大部分活動，也在這一層內，是大氣中最稠密的一層，佔大氣層的四分之三還要多。大氣中的水氣幾乎都集中於此，是展示風雲變幻的「大舞臺」：颳風、下雨、降雪等天氣現象都是發生在對流層內，雷電也發生在這一圈層。

　　　（2）平流層：對流層以上是平流層，大約距地球表面20～50千米。平流層的空氣比較穩定，氣流主要表現為水平方向運動，對流現象減弱，大氣是平穩流動的，故稱為平流層又稱「同溫層」。在平流層內水蒸氣和塵埃很少，並且在30千米以下是同溫層，其溫度在－55℃左右。這裡基本上沒有水氣，晴朗無雲，很少發生天氣變化，適於飛機航行。在20～30千米高處，氧分子在紫外線作用下，形成臭氧層，像一道屏障保護著地球上的生物免受太陽高能粒子的襲擊。

　　　（3）中間層：平流層以上是中間層，大約距地球表面50～85千米，這裡的空氣已經很稀薄，主要由氮氣和氧氣組成，空氣垂直對流強烈，溫度垂直分布。它突出的特徵是氣溫隨高度增加而迅速降低，頂部氣溫降到-83攝氏度以下，最低達零下130攝氏度，因為本層幾乎沒有臭氧，而氮氣和氧氣等氣體所能吸收的波長更短的太陽輻射，又大部分已被上層大氣所吸收了。這一層區域氣壓很低，因此飛機無法飛行，即使是天氣預報用的氣球也無法到達該層，而隕石經過大氣這一區域時就會燃燒成流星。

　　　（4）暖層：中間層以上是暖層，大約距地球表面100～800千米。暖層最突出的特徵是當太陽光照射時，太陽光中的紫外線被該層中的氧原子大量吸收，因此溫度升高，故稱暖層，也稱「熱層」。其特點是，氣溫隨高度增加而增加，在300千米高度時，氣溫可達1000℃以上，像鉛、鋅、錫、銻、鎂、鈣、鋁、銀等金屬，在這裡也會被熔化掉。本層之所以有高溫，主要是因為所有的波長小於0.175μm的太陽紫外線輻射，都被暖層氣體所吸收。暖層中的氮（N2）、氧（O2）和氧原子（O）氣體成分，在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，已處於高度電離狀態，所以也把暖層稱作「電離層」。其中100～120千米間的E層和200～400千米間的F層，以及介於中間層和暖層之間，只在白天出現，高度大致為80千米的D層，電離程度都較強烈。電離層的存在，對反射無線電波具有重要意義。

　　　（5）外大氣層：熱層以上的大氣層稱為外大氣層。在離地面500千米以上的，也叫磁層，它是大氣層的最外層，是大氣層向行星際空間過渡的區域，外面沒有什麼明顯的邊界。在通常情況下，上部界限在地磁極附近較低，近磁赤道上空在向太陽一側，約有9～10個地球半徑高，換句話說，大約有65000千米高。在這裡空氣極其稀薄，其密度幾乎與太空密度相當，通常狀態下又叫逃逸層。

　　　總之，在地球引力作用下，大量氣體包裹在地球周圍，形成數千公裡的大氣層。氣體密度隨離地面高度的增加而變得愈來愈稀薄。探空火箭在3000千米高空仍發現有稀薄大氣，有人認為，大氣層的上界可能延伸到離地面6400千米左右。

　　　（二）月球

　　　地球帶著月球運行在太陽系中，從廣義上說月球可以被認為是地球的一部分。月球的存在對地球運行的影響非常大。

1、月球的組成

　　　在太陽系中，月球是地球中唯一的天然衛星，俗稱月亮，中國古稱太陰。除了流星外，它是離地球最近的天然天體，與人類關係十分密切。在太陽系裡，除水星和金星外，其他行星裡面都有天然衛星。月球的年齡大約有46億年以上。月球直徑約3476千米，是地球的1/4。體積只有221億立方千米，是地球的1/49，質量約7350億億噸，相當於地球質量的1/81，月球表面的重力差不多是地球重力的1/6。月面上沒有水，一晝夜長達29.5天，所以溫差很大，陽光直射下可達127℃，而夜間則驟降至－183℃。月球的內部結構大致可分為月殼、月幔、月核3層，但最外層的月殼平均厚為60～65千米，比地殼還厚得多，而中心核很小，半徑僅700千米。月殼下面到1000千米深度是月幔，它佔了月球的大部分體積。月幔下面是月核，月核的溫度約為1000度，其組成物質很可能是熔融狀態的粘稠體。

　　　2、月球的本質

　　　月球對地球所施的引力是潮汐現象的原因之一。月球圍繞地球的軌道為同步軌道，所謂的同步自轉並非嚴格。由於月球軌道為橢圓形，當月球處於近日點時，它的自轉速度便追不上公轉速度，因此我們可見月面東部達東經98度的地區，相反，當月處於遠日點時，自轉速度比公轉速度快，因此我們可見月面西部達西經98度的地區。這種現象稱為經天秤動。而月球的背面絕大部分不能從地球上看到。

　　　月球沒有大氣，因而月面上的天空永遠是一片黝黑，地面上寂靜無聲、黑白反差極大，看來十分荒涼，其表面幾乎被一層熱導率極低的塵埃巖屑所覆蓋；月球本身並不發光，只反射太陽光。它的亮度隨日月間角距離和地月間距離的改變而變化。月球的表面是由平原、山峰和山谷組成的荒漠。還有許多由太空物體高速撞擊月球表面而形成的隕石坑。

　　　3、月球轉動周期

　　　月球以橢圓軌道繞地球運轉。這個軌道平面在天球上截得的大圓稱「白道」。白道平面不重合於天赤道，也不平行於黃道面，而且空間位置不斷變化；月球軌道面稱白道面，黃白交角平均5°09′，軌道半長徑38.44萬千米，偏心率變化於1／15～1／23間，周期173日。這說明月球有明顯的位相變化，我們稱其為月相，周期即稱朔望月，長29.53059日。由於長期的潮汐作用，它的自轉與公轉的周期都是1恆星月即27.32185日，月球約一個農曆月繞地球運行一周。

　　　4、月球的山海

　　　月球表面最顯著的特徵是犬牙交錯、大小不一的環形山，它有陰暗的部分和明亮的區域，早期的天文學家在觀察月球時，以為發暗的地區都有海水覆蓋，被稱為海，實質上暗黑地區是廣闊的平原；月海大多集中於正面，著名的有雲海、溼海、靜海等。而明亮的部分是山脈，那裡層巒疊嶂，山脈縱橫，到處都是星羅棋布的環形山；位於南極附近的貝利環形山直徑295千米。最深的山是牛頓環形山，深達8788米。除了環形山，月面上還有許多和地球一樣的普通的山脈，比如高山、月陸、峭壁以及峽谷疊現，別有一番風光。

　　　（三）地球表面特徵

地球表面十分之七以上為藍色的海洋所覆蓋，湖泊、江河只佔地球表面水域很少的部分。地球表面的液態水層，既水圈，從形成至今至少已有40億年以上。地球的表層由各種巖石和土壤組成，地面崎嶇不平，低洼部分被水淹沒成為海洋、湖泊；高出水面的陸地則有平原、高山。地球固體表面總垂直起伏約為20千米，它是珠穆朗瑪峰頂（據中國登山隊測定，珠穆朗瑪峰海拔高度為8844.43米） 和最深的海洋深度（馬裡亞納海溝深度約11千米）之間的高差，它超過大陸地殼平均厚度的一半。洋底像陸地一樣不平坦，也不平靜。洋底巖石年齡要比陸地年輕得多。陸地上大多數巖石的年齡小於二十幾億年。陸地上到處可以找到沉積巖，說明在遠古時期這些地方可能是海洋。地表雖有少量的環形山，但難以找到類似月球、火星和水星那樣多的環形山，這是因為地球表面受到外力（水和大氣）和內力（地震和火山）的作用，不斷風化、侵蝕和瓦解的結果。

§2 地球的歷史階段

　　　地質科學家說地球至少有46億歲。人類有文字記載的歷史卻只有幾千年。那麼，我們是怎樣知道地球年齡的呢？

　　　推算地球年齡，主要有巖層方法、化石方法和放射性元素的蛻變方法等。根據鑑定，地球上最古老的巖石，是在格陵蘭島西部戈特哈布地區發現的阿米佐克片麻巖，年齡約有38億歲。而太陽系的碎屑，年齡都在45～47億年之間。

　　　依照人類歷史劃分朝代的辦法，地球自形成以來也可以劃分為５個「代」，從古到今是：太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。有些代還進一步劃分為若干「紀」，如古生代從遠到近劃分為寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀、石炭紀和二疊紀；中生代劃分為三疊紀、侏羅紀和白堊紀；新生代劃分為第三紀和第四紀。這就是地球歷史時期的最粗略的劃分，我們稱之為「地質年代」，不同的地質年代都有不同的地質和生物特徵。

　　　距今24億年以前的太古代，地球表面已經形成了原始的巖石圈第四紀人類活動示意圖、水圈和大氣圈。但那時地殼很不穩定，火山活動頻繁，巖漿四處橫溢，海洋面積廣大。這時是鐵礦形成的重要時代，最低等的原始生命開始產生。

　　　距今24億年～6億年的元古代。這時地球上大部分仍然被海洋掩蓋著。到了晚期，地球上出現了大片陸地。「元古代」的意思，就是原始生物的時代，這時出現了海生藻類和海洋無脊椎動物。

　　　距今6億年～2.5億年是古生代。「古生代」是意思是古老生命的時代。這時，海洋中出現了幾千種動物，海洋無脊椎動物空前繁盛。之後出現了魚形動物，魚類大批繁殖起來。一種用鰭爬行的魚出現了，並登上陸地，成為陸上脊椎動物的祖先。兩棲類也出現了。北半球陸地上出現了蕨類植物，有的高達30多米。這些高大茂密的森林，後來變成大片的煤田。

　　　距今2.5億年～0.7億年的中生代，歷時約1.8億年。這是爬行動物的時代，恐龍曾經稱霸，這時也出現了原始的哺乳動物和鳥類。蕨類植物日趨衰落，而被裸子植物所取代。中生代繁茂的植物和巨大的動物，後來就變成了許多巨大的煤田和油田。

　　　新生代是地球歷史上最新的一個階段，時間最短，距今只有7000萬年左右。這時，地球的面貌已同今天的狀況基本相似了。新生代被子植物大發展，各種食草、食肉的哺乳動物空前繁盛。自然界生物的大發展，最終導致人類的出現，古猿逐漸演化成現代人，一般認為，人類是第四紀出現的，距今約有240萬年的歷史。

　　　我們居住的地球就是這樣一步一步地一直演化直到現在，逐漸形成了今天的地形地貌和我們可以生存的生物環境。

　　　一、太古代

　　　地史時期最早的一個時代，屬前寒武紀早期。這一時期形成的地（巖）層稱太古宇。按廣義的時間概念來說，它包括自地球形成至距今25億年前為止，持續時間約20幾億年。目前已測定公認的最古老巖石同位素地質年齡為38億年或者略大，在西澳傑克丘陵的變質礫巖中碎屑鋯石年齡可達43億年。太古一詞是1872年美國地質學家J.D.丹納首先提出的，並用其大致代表北美的前寒武時期。1977年國際地層委員會前寒武紀地層分會第四次會議將太古的上界放在25億年，並稱之為太古宙。

　　　中國有少數年齡大於30億年的古老巖石 ，其中已知最古老的巖石是產於遷安縣曹莊—黃柏峪附近的斜長角閃巖，其年齡約為35億年，並發現更老的碎屑鋯石，附近以及其他地區還有年齡約29～30億年或稍大的巖石。目前對中國太古宙雖然有三分的趨勢，根據東北、華北等地區的年代資料，上部的年代界限可暫時放在29～30億年，下部界限依據尚不夠，故暫以採用兩分方案為宜（下部稱中、下太古界）。　　

　　　根據一般推測，太古宙原始大氣圈的密度較大，主要由水蒸氣、二氧化碳、硫化氫、氨、甲烷、氯化氫、氟化氫等成分組成。這些氣體成分，可能來源於頻繁的火山活動。總的趨勢是隨著時間的推移二氧化碳在減少，這是由於碳酸鹽沉澱時二氧化碳被固定在碳酸鹽沉積物中。原始大氣圈缺少自由氧，氧的出現是由於光化學作用的結果。根據各地沉積巖層的相似性，推測當時地球大部分地區為海洋所覆蓋。原始的海洋可能並不深，富含氯化物，但缺乏硫酸鹽，這是由於在水圈中同樣缺乏自由氧。

　　　太古宙的構造運動目前研究得還不清楚,世界範圍內可能有3期主要的構造運動。早期發現較少，如非洲南部，終止於34億年（或35億年）前，而北美則終止於33～35億年前，在印度則可能為32億年前。中期是相當於非洲中南部的達荷美運動，在美洲、美國、澳大利亞、印度和中國等地均有表現，大約終止於29億年前。晚期相當於在加拿大地盾中表現明顯的肯諾雷運動，大約是在距今27～25億年之間。

　　　二、元古代

　　　位於太古宙和古生代之間，約開始於25億年前，結束於6億年前。相應的地層稱元古宇。元古宙原稱元古代，由S.F.埃蒙斯於1887年命名。Proterozoic屬希臘字源，意為早期原始生命，所以也譯為原生宙。自19世紀以來，美國學者以元古宙代表前寒武紀後期，稱阿爾岡紀，相應地層稱阿爾岡系。因其時限較長，近年均主張改稱元古宙。

　　　研究元古宙地層的沉積特徵和類型有兩方面的意義。地層的成分特徵反映當時大氣和水體的基本組分，特別是大氣中的氧含量。地層的分選成熟度和構造變形特徵反映當時地殼的構造成熟度。它們所反映的氣圈和水圈的基本組成成分既不同於太古宙所顯示的缺氧狀態，也不同於中、新元古代含高價鐵沉積和含蒸發巖沉積所顯示的較富氧狀態，而是處於開始含氧的過渡狀態。

　　　總的看來，在主要地臺區，元古宙地層的層序和特徵具有一定的規律性。古元古界以活動型裂陷槽火山沉積為主，以褶皺和變質形封閉，反映當時的基底尚未完全固結。

　　　元古宙長達19億年，將其劃分為古、中、新3個代是合理的。3個代之間的時限，雖經國際地科聯地層委員會通過為16億年和9億年，但使用尚難一致。至於分紀的原則和具體方案，分歧更大，還需繼續探討。元古宙的時代劃分和地層對比，主要依靠同位素地質年代學和構造巖漿旋迴所代表的地質熱事件和發展過程。以微古植物和疊層石為主的生物地層學還有一定的局限性，宏觀藻類的研究也還有待深入。古地磁學的研究,特別是古磁極反向的研究用以地層劃分與對比，有所進展，但只能應用於中、新元古界的一部分。而巖漿活動和熱地質事件在不同大陸地塊上，具有明顯的不同的時性。

　　　在元古宙，地球的巖石圈、水圈和大氣圈都經歷了重要的變革。許多學者都承認古元古代是一個介於早前寒武紀和晚前寒武紀之間的過渡時期。元古宙巖漿活動的性質，特別是一些幔源巖漿活動及其產物，可以反映當時陸殼和洋殼的基本特徵。元古宙的沉積類型及其巖石化學、地球化學特徵，可以反映當時水圈和大氣圈的基本狀態。同時，元古宙大陸邊緣構造巖相帶、構造變形和巖漿活動的綜合研究，可以反映當時板塊運動的性質和規模。古地磁研究與同位素地質年代學相結合，可以逐步建立各大陸地塊的極移軌跡，進一步推斷各大陸地塊之間的分合過程，了解地質早期地表洋、陸分布的格局及變化。此外，元古宙中、晚期是否曾形成過與古生代末出現的相似的聯合古大陸，都是地質歷史時期中的重要問題。

　　　1、前寒武紀

　　　寒武紀以前全部地質時期的總稱。簡稱前寒武或先寒武。這一時期形成的地層稱前寒武系或先寒武系。一般認為地球的年齡是46億年，地球演化中的地質階段約從40億年前開始，寒武紀的起點時間是5.7～6.0億年前。故前寒武紀通常就是指大約40億年前最早地質階段起到寒武紀開始，時距34億年，約佔地質歷史85％的時間。

　　　前寒武紀年代名稱創始於19世紀末葉。1872年，丹納用太古代作為太古界的年代名稱。1887年，S.F.埃蒙斯命名元古代，作為阿爾岡界的年代名稱。20世紀初，C.R.範海斯將北美的太古界和太古代、阿爾岡界和元古代應用到世界範圍。1930年，G.H.查德威克將全部地質時代分為兩部分，寒武紀以前稱為隱生宙，寒武紀到第四紀稱為顯生宙。隱生宙和顯生宙曾被廣泛應用。

　　　地質年表中在代（界）和紀（系）兩級裡，前寒武紀曾使用的許多名稱的含義是含糊的，所以勞倫系、休倫系、阿爾岡界、裡菲界等一般只限用於命名地區的局部巖群，使用較廣的太古代（界）、元古代（界）長期未能統一，而籠統的術語則是前寒武紀或前寒武系。

　　　在地質年代和年代地層單位中，代和界之下便是紀和系。紀（系）是地質年代表中最主要的單位，前寒武紀中雖提出震旦紀（系），然而並沒有被普遍接受。建立前寒武紀國際通用的時間劃分是國際前寒武地層分會的主要任務。對太古宙和元古宙的劃分，以25億年為界。

　　　前寒武系巖石中花崗巖類和片麻巖類最為豐富。地盾區的太古宙巖石大多為大洋型的。它們大部為綠巖、花崗巖和伴有基性火山巖的沉積變質巖。層狀超鎂鐵巖石和斜長巖只在早前寒武有大量產出。中前寒武巖石既來源於大洋，也來源於淺海。晚前寒武除有海洋沉積外，還有陸地沉積。帶狀含鐵建造在20億年以前的前寒武系中廣泛產出（約38億年的最古老的巖石中含有條帶狀鐵礦石），其後則出現陸成紅層。這種變化可能反映早期生物造氧作用的發展。冰磧巖是前寒武的另一特殊巖石類型。下元古界上部，在加拿大地盾和南部非洲有明顯的冰磧巖分布。上元古界上部，亞、歐、美、澳各大陸都有冰磧巖分布。在早前寒武地層中，碳酸鹽巖類含量逐漸增多，而硫酸鹽巖則到晚元古才出現。

　　　在地球早期的太古宙，沒有成熟的巖石圈，不存在大陸塊，可能也不存在典型的板塊構造運動。活動區是廣布的玄武巖流和大洋沉積，巖石多為綠巖和從地幔分異而來的花崗巖物質，沉積巖相對不多並在薄巖石圈和高熱流之下不斷受到改造。晚前寒武紀的板塊構造及其活動的痕跡，雖然被後來的造山作用所改造，而大陸間相互碰撞的證據在一些地盾或克拉通區仍可辨認。

　　　三、早古生代

　　　包括古生代的寒武紀、奧陶紀和志留紀 3個紀。這段地史時期約開始於6億年前，結束於4億年前。早古生代形成的地層稱下古生界。英國的R.I.莫企遜和A.塞奇威克(1835)建立志留系和寒武系時，即認定這段地層是下古生界。1879年，C.拉普沃思把志留系和寒武系之間的重複部分分出，另建奧陶系。

　　　發生在早古生代的褶皺運動，統稱加裡東運動（廣義），但志留紀後期的加裡東運動（狹義）對全球的地質和生物演化影響更大。早古生代末地史中最重要的大陸和海洋構造格局的變化是古大西洋的關閉，從而使北美板塊與俄羅斯板塊對接，形成勞亞大陸塊。

　　　總的來看早古生代氣候是溫暖的。淺海陸棚區擴大，海水化學性質的改變，眾多帶殼的海生無脊椎動物呈爆發性的出現。其中最主要的是三葉蟲大量繁育，多門類小殼動物、古杯類、腕足動物、軟體動物等門類興起。稍晚有頭足類和筆石相繼出現。早古生代中期，筆石興盛，珊瑚和鸚鵡螺大量出現，雙殼類、腹足類、棘皮動物的海百合、海林檎類和海蕾開始增多。早古生代晚期單列型筆石特多，珊瑚、腕足動物繁盛，節肢動物的板足鱟類開始出現，三葉蟲逐漸衰減。最引人注目的是原始的脊椎動物淡水無頜類已相當繁盛，再就是植物由早期的藻類發展到陸生裸蕨類的出現。這顯示著生物將在演化上發生的飛躍。即除去原先的海洋環境外，還要向大陸上挺進。因而不論從地質演化或生物演化史來看，早古生代是一個相當重要的地史階段。

　　　1、寒武紀

　　　古生代的第一個紀，約開始於6億年前，結束於5億年前。寒武紀形成的地層稱寒武系。寒武係為1835年A.塞奇威克取名於英國西部威爾斯的寒武山脈（坎布裡亞山脈）。「寒武」一詞是 Cambric的日語漢字音譯。寒武紀有不同類別的沉積巖、火成巖和變質巖，廣布於全球各大洲。海洋中生活著各類低級植物，大量原始無脊椎動物和原生生物（陸地上基本上無生物活動）。海進、海退相當頻繁。蘊藏著豐富的礦產。

　　　寒武紀地層具有多樣巖石類型，地層厚度極為懸殊，大的可達數千米，小者數百米。巨厚地層是以快速沉降海盆或海槽沉積的砂巖、頁巖、矽質巖等為主的復理石或類復理石建造，間或夾以火山巖。

　　　寒武紀的氣候比較溫暖、乾燥，表現在：①中國西南、伊朗、西伯利亞中部和摩洛哥有巖鹽和石膏等蒸發巖。②中國北部和東北南部、巴基斯坦有紅、紫色頁巖、砂巖、食鹽與石膏假晶和具有紅紫色氧化外殼礫石的礫巖。③氣候溫暖的另一證明，可以從全球廣泛分布的鮞狀灰巖、白雲巖和海綠石推知。④從分布於中國長江中遊、西南、新疆中天山、黑龍江北部、西伯利亞、澳大利亞、南極、北美洲、摩洛哥、西班牙、義大利、挪威北部的古杯動物灰巖或古杯礁，也可以推知寒武紀的氣候較為溫暖。

　　　寒武紀是地殼比較穩定的時期，強烈的造山運動僅見於北亞薩萊伊爾—薩彥嶺等局部地區，主要是地殼升降的造陸運動。例如中國華北和東北南部，在新元古代震旦紀時上升為陸（華北古陸），直至早寒武世後期（辛集期和昌平期）始下沉，海水上升，超覆於元古宙中期的前震旦紀地層之上。

　　　2、奧陶紀

　　　古生代第二個紀，約開始於5億年前，結束於4.4億年前。在此期間形成的地層稱奧陶系，位於寒武系之上，志留系之下。奧陶系是英地質學家C.拉普沃思於1879年用Ordovices命名的，Ordovices是威爾斯地區的一個古民族名。「奧陶」一詞系Ordovices的日文漢語音譯。

　　　奧陶紀一般分為3個世:早奧陶世、中奧陶世和晚奧陶世，相應的地層為下奧陶統、中奧陶統和上奧陶統。目前世界上多數國家的奧陶系都取用三分，但界線不甚一致。如瑞典、挪威、俄羅斯、中國、美國和澳大利亞等國，對中奧陶統的頂、底界線各有各的劃分法。

　　　奧陶紀早、中期繼承了寒武紀的氣候，氣候溫暖、海侵廣泛；奧陶紀晚期南大陸的西部發生了大規模的大陸冰蓋和冰海沉積，代表寒冷的極地氣候。按古地磁數據，奧陶紀南極應位於現在北非西北部，這與非洲冰磧層的分布應位於南極圈內的解釋是吻合的。南大陸的東部仍處於赤道附近。北美、西伯利亞和中國華北地區有蒸發巖沉積，推測為乾熱氣候環境，屬於低緯度地區。奧陶紀北極應位於南太平洋，大陸地區基本上位於南半球，從沉積物來判斷，當時南半球的氣候分帶比較明顯。還由於晚奧陶世末期大冰期的存在，同時影響全球海平面的下降，並引起廣泛的海退。

　　　3、志留紀

　　　古生代的第三個紀。約開始於4.4億年前，結束於4.1億年前。志留紀分為早志留世、中志留世和晚志留世。它介於奧陶紀和泥盆紀之間。志留紀這個時期沉積的地層稱作志留系。1835年，英國R.I.莫企遜根據對威爾斯地質的研究，建立了廣義的志留系。他對標準志留系的複雜巖石系統作了劃分，並用筆石與殼相化石進行了廣泛的對比。志留系的名稱來源於威爾斯地區一支古老部族（即Silures）的名稱。

　　　志留紀時期的深水洋盆的沉積物很少保存。這是因為地質歷史中的多次板塊之間的碰撞和俯衝使之幾乎喪失殆盡，目前保存下來的都是當時大陸架至陸坡的沉積物。

　　　四、晚古生代

　　　顯生宙古生代的晚期，約開始於4.1億年前,結束於2.45億年前，持續時間1.75億年。晚古生代包括泥盆紀、石炭紀和二疊紀。晚古生代時隨著陸地面積的不斷擴大，陸生生物開始發生和繁盛。魚及無頜類廣布於泥盆紀，兩棲類全盛於石炭紀和二疊紀。植物界從水生發展到陸生，出現了裸蕨植物群。孢子植物達到繁盛並在二疊紀晚期出現裸子植物。海生無脊椎動物中出現了菊石、有孔蟲和竹節石。陸生植物的繁盛，造成地史上大規模煤和油頁巖的堆積。與生物礁伴生的石油、天然氣，與蒸發巖伴生的鉀鹽都是本時期著名的礦產。晚古生代也是各大陸逐漸拼接的時期，與岡瓦納古陸相聯形成聯合大陸。

　　　1、泥盆紀

　　　古生代的第四個紀,約開始於4.1億年前,結束於3.6億年前。這個時期形成的地層稱泥盆系。該名來源於英國南部的德文郡，由A.塞奇威克和R.I.莫企遜於1839年命名。「泥盆」一詞是Devon的日文漢字音譯。最初泥盆系代表德文地區與威爾斯地區寒武系相當的地層單位。其後，根據德文灰巖中珊瑚化石的研究，認為其特徵介於志留紀和石炭紀之間，層位相當於威爾斯區志留系之上、石炭系灰巖之下含魚和植物化石的老紅砂巖，因此確定為一新的系。通過對德國、比利時、法國、俄羅斯的地層研究，證實泥盆紀地層也廣布於歐洲大陸，並在這些地層中發現了老紅砂巖的魚化石。

　　　泥盆紀的沉積物分布於世界各地，其沉積總量比古生代其他各系都大。沉積地層一般劃分為老紅砂巖相、萊茵相和海西相，分別代表大陸環境、近岸和遠岸的海相環境。不同盆地沉積模式各異。

　　　泥盆紀古地理的基本構架主要由岡瓦納大陸、勞亞大陸及其間的古地中海和古太平洋組成。岡瓦納古陸是最完整、最大的古陸，包括已知大陸殼的一半以上，圍繞南極地區分布。勞亞大陸的西部，由勞倫古陸和波羅的古陸構成超大陸，亦稱歐美聯合大陸。歐美聯合大陸的陸相沉積含有近似的非海相和淡水的魚化石、植物化石。歐美聯合大陸以東為一些分散的大型陸塊或小型至微型陸地群組成。西伯利亞則處於高緯帶。泥盆紀時的海水覆蓋面積約佔地球的85%，位於岡瓦納古陸以北的古地中海和各陸塊之間狹窄的陸間海，以及大陸之上的陸表海。泥盆紀時,月球和地球之間的距離大約是現今的一半，這與地球物理學家和天文學家的推斷吻合，歸結為地球自轉速度的減緩。

　　　2、石炭紀

　　　古生代的第5個紀，約開始於3.6億年前,結束於2.9億年前。這段時期形成的地層稱石炭系。石炭系這一名稱首次見於 W. D.科尼比爾《英格蘭和威爾斯的地質報告》(1822)一書。石炭紀是重要的成煤時期，該紀地層上部常含分布廣泛的工業用煤，可作為識別地層的標誌。

　　　石炭紀沉積的巖層，在世界上許多地區表現為明顯的二分性，下部以海相灰巖為主，上部以海陸交互相或陸相含煤沉積為主，因此西歐和北美均將石炭紀二分。西歐早石炭世沉積的地層稱狄南系，晚石炭世沉積的地層稱西裡西亞系(1964)；北美的石炭系由H.S.威廉斯(1891)劃分為兩個獨立的系，下部的密西西比系和上部賓夕法尼亞系。俄羅斯地臺和中國華南，海相灰巖沉積連續，海相化石豐富。

　　　全球性的海平面升降引起頻繁的海進、海退，形成多個沉積旋迴。旋迴完整的剖面多發育在盆地內部，而海進、海退之間的間斷，常見於盆地邊緣。大旋迴的界線同化石群的變化相一致，生物滅絕於每個旋迴的頂部，新生類型發生在次一個旋迴的底部附近。各類特徵性的生物群最繁榮時期，即發育最好的部位是在大旋迴的中上部。

　　　根據石炭紀的珊瑚礁分布，可以推斷早石炭世的赤道帶通過北美洲中部，西北歐經黑海穿過中國西北、華南到達印尼和澳洲東部。石炭紀同大陸上的古氣候相適應的是植物地理區系的分布，歐美植物區和華夏植物區為熱帶、亞熱帶氣候，岡瓦納植物區和安加拉植物區分別代表熱帶以外的南北溫涼氣候區。

　　　3、二疊紀

　　　古生代最後一個紀（第6個紀），約開始於2.9億年前,結束於2.5億年前。在這一期間形成的地層稱二疊系。1841年英國地質學家R.I.莫企遜在烏拉爾山脈西坡發現一套發育完整，含有化石較多的地層，可以作為二疊紀標準剖面，並依露出地點卡瑪河上遊的彼爾姆地區命名為Permian系。中譯二疊系是根據二分性明顯的德國地方性名稱Dyas的意譯而來。德國二疊紀地層可明顯地分為兩部分，下部為紅色砂巖，稱赤底統（陸相），上部為鎂質灰巖，稱鎂灰巖統（海相）。

　　　二疊紀的海水大致以歐亞東西向地槽帶、環太平洋地槽帶以及富蘭克林-烏拉爾地槽帶為活動中心,向鄰近的大陸地區淹覆。早期正常海沉積廣泛發育；晚期除多數地槽及其外圍部分繼續保持海相沉積外，地槽的回反部分及大陸棚區分別轉化為局限的鹹化、沼澤化或陸相沉積。

　　　二疊紀是造山作用和火山活動廣泛分布的時期，歸屬於海西（華力西）造山運動晚期。北美阿巴拉契亞運動發生於二疊紀末，是二疊紀最強烈的褶皺運動。西部的科迪勒拉優地槽在連續的地殼運動中伴有強烈的火山活動。

　　　五、中生代

　　　地史中晚於古生代，早於新生代的一個斷代。約開始於2.5億年前,結束於6500萬年前。中生代相應的地層稱中生界。中生代名稱首先由英國地質學家J.菲利普斯於1841年提出，用以說明生物界介於古生代古老類型和新生代近代類型之間的中間物質。中生代可分為三疊紀、侏羅紀和白堊紀。

　　　三疊紀時海侵範圍較局限，乾旱氣候帶範圍廣袤，陸相紅層和海相地層中膏鹽沉積發育，至晚期潮溼帶有所擴展。全球範圍內，侏羅紀起海侵開始擴大，至白堊紀則再度成為地史中最大海侵期之一。東亞地區三疊紀後廣泛發育陸相沉積，海侵限於邊緣地帶。中生代古氣候總體處於溫暖狀態，通常只存在熱帶、亞熱帶和溫帶的差異，兩極未出現冰蓋。

　　　1、三疊紀

　　　中生代的第一個紀。約開始於2.50億年前，結束於2.08億年前。三疊紀時期形成的地層稱三疊系。1834年，阿伯蒂在德國中部研究介於二疊系蔡希斯坦統與侏羅系裡阿斯統之間的斑砂統、殼灰統、考依波統時，因其三分性明顯，稱之為三疊系。三疊紀在地史上具有特殊意義，它是生物群廣泛更新的時代，是大面積陸地出現的時代，也是聯合古陸開始破裂的時代。

　　　三疊紀是聯合古陸開始破裂、特提斯洋開始擴張，陸地面積空前擴大，氣候比較炎熱的時期。聯合古陸的解體,沿著北極—北大西洋裂谷系和特提斯—中大西洋—墨西哥灣裂谷系兩個方向進行。伴隨著聯合古陸的解體和特提斯洋的演化，在中、低緯度的海侵範圍增大，三疊紀的氣候也由炎熱向溫溼轉化。

　　　2、侏羅紀

　　　中生代第二個紀。約開始於2.08億年前,結束於1.35億年前。在此時期形成的地層稱為侏羅系。侏羅紀的名稱來源於瑞士和法國交境的侏羅山(也譯汝拉山)。1795年，德國的洪堡根據該山的白色灰巖首先提出侏羅灰巖名詞。1829年，法國A.布龍尼亞據此首次提出侏羅地層術語。侏羅紀的生物界最典型地體現了中生代的特徵。當時，聯合古陸開始分裂解體，世界範圍的海侵逐漸廣展，環太平洋帶卻是地殼運動和巖漿作用強烈活動時期。

　　　侏羅紀地史的基本特點是聯合古大陸繼續分裂，特提斯帶洋盆進一步擴張，和環太平洋帶出現強烈構造—巖漿活動。聯合古大陸自三疊紀末期開始出現的分裂跡象，侏羅紀中得到進一步增強。北大西洋西部巴哈馬群島附近已發現中侏羅世卡洛期的洋底最老深水沉積層，表明北美和非洲在這一時期已經分裂漂移，北大西洋洋殼海盆已經出現。根據南美、非洲鹼性火成巖活動和玄武巖噴發高潮的同位素年齡資料，南大西洋的初始分裂很可能出現於晚侏羅紀基末裡期。非洲和澳大利亞之間洋底最老的磁異常，印度次大陸和澳大利亞、南極洲的分離也大體同時，說明印度洋的初始分裂也發生於基末裡期。

　　　3、白堊紀

　　　中生代最後一個紀（第三個紀）。約開始於1.35億年前，結束於0.65億年前。白堊紀形成的地層叫白堊系。白堊紀這一名稱來源於英吉利海峽兩岸的白堊層，由比利時學者J.B.J.奧馬利達魯瓦1822年創立，英文 Cretaceous系來源於拉丁字Creta,是白堊土或石灰的意思。

　　　白堊紀是地球上海陸分布和生物界急劇變化、大西洋迅速開裂和火山活動頻繁的時代，後期地勢低平發生了廣泛的海侵。晚白堊世被子植物代替裸子植物在陸上佔優勢，是植物界的大變革。動物界在白堊紀末才發生重大變化，恐龍、菊石和其他許多生物類群大量滅絕，預示著新生代開始。白堊紀末生物大規模滅絕是逐漸發生的，是生態改變的結果。

　　　聯合古陸於2億年前開始解體和漂移。侏羅紀時產生了一條分割南美洲與非洲大陸的新裂谷，白堊紀時南大西洋沿此裂谷迅速張開，到白堊紀末已加寬到約3000公裡；北大西洋裂谷在格陵蘭東側，北美與格陵蘭白堊紀大部分時間都是連結在一起的。分隔歐亞大陸與非洲大陸的是特提斯海，現中南歐和中近東的許多國家當時都淹沒在海水中。當歐亞板塊緩慢地順時針轉動時，非洲則繼續逆時針轉動，早白堊世時印度板塊還與馬達加斯加連結在一起,到了晚白堊世則彼此分開,而澳大利亞是到了晚白堊世末期才開始脫離南極板塊。

　　　白堊紀的氣候比較溫暖，北緯40°～90°地帶年平均溫度為10℃，未見極地冰蓋跡象，溫帶和亞熱帶植物可出現於格陵蘭和阿拉斯加等高緯度地區，地表許多地區植被濃密，形成了不少大煤田。這表明大部分地區雨量充沛，氣候溼潤，一些近海及濱海地帶形成了豐富的石油、煤、天然氣及油頁巖礦床，如美國德克薩斯州、墨西哥、波斯灣、北非和蘇聯的許多大油田，特別是中國松遼平原上白堊統的大慶油田，東北和內蒙古下白堊統的許多大煤田。在一些氣候乾旱炎熱的地區，如中國南方晚白堊世的西南湖群和雲夢澤水系，有巨厚的膏鹽礦床沉積。此外，雲南白堊紀紅層中，含銅砂巖礦床不僅品位高，而且規模大，還易於開採和冶煉，自古就是有名的銅鄉。

　　　六、新生代

　　　地球歷史的最近6500萬年的地質時代。是繼古生代、中生代之後最新的一個代。新生代形成的地層稱新生界。1760年，G.阿爾杜伊諾把巖石分成 3個紀：第一紀為結晶巖；第二紀為含化石的成層巖石；第三紀是半膠結的層狀巖石，常含海相貝殼。1829年，J.德努瓦耶研究巴黎盆地時，把第三紀地層之上的鬆散沉積層稱為第四紀。第一紀、第二紀說法已廢棄，第一紀大致相當前寒武紀，第二紀相當古生代和中生代。新生代包括第三紀和第四紀，第三紀又分為早第三紀和晚第三紀。

　　　新生代開始後，地表各個陸塊此升彼降，不斷分裂，緩慢漂移，相撞接合，逐漸形成今天的海陸格局。印度與亞洲大陸結合發生在距今5000萬年前的始新世；喜馬拉雅山聳起則是最近200～300萬年的事，與此同時或稍早，歐洲升起了阿爾卑斯山，美洲升起了落基山。　　早第三紀氣候較此前的白堊紀冷，晚始新世和漸新世南極大陸出現小型冰蓋，中新世中期在那裡形成了相當現代冰蓋的2/3，更新世初北半球出現格陵蘭冰蓋。

　　　新生代被稱為「哺乳動物時代」或「被子植物時代」。此前，中生代的恐龍和許多海生無脊椎動物絕滅了，哺乳動物得到空前發展，植物界達到被子植物繁盛階段。到第三紀後期最高等的動物—人類開始起源於亞洲或非洲。

　　　1、早第三紀

　　　新生代中最早的一個歷史階段，又稱老第三紀，原是第三紀的一個亞紀。它的原意是指近代生物的發生和啟蒙時期。早第三紀約開始於6500萬年前，結束於2330萬年前。這一時期形成的地層稱下第三系。

　　　早第三紀包括古新世、始新世和漸新世。古新世，古老的意思。這一時期持續了1000多萬年，其最大特點是動物群中「古老」種類或「土著」類型佔很大優勢，與其後的動物群有著明顯的區別。始新世持續了約1800萬年，它表示了近代的黎明或啟蒙時期。如果說古新世是哺乳動物的徵服時代，那麼始新世是哺乳動物的鞏固時代。漸新世，這一時期的特點是生物界開始具有更近代化的面貌，是向現代轉換的過渡時期。它持續了約1300萬年。

　　　早第三紀在地史上經歷的時間相對較短，但在這段時間形成的沉積物與中生代有明顯的不同。下第三系含有豐富的各種生物類群的化石。這些化石為下第三系的劃分、對比以及標準層序和層型剖面的建立起著關鍵性的作用。世界上不少地區在早第三紀形成了界線較為分明的海相和海陸過渡相的地層，如西歐下第三系標準層序劃分為11個階。在北美中西部、亞洲中部等地區也形成了以河湖相為主的陸相沉積，尤以美國落基山脈的盆地分布區最為典型。

　　　大陸漂移、氣候的分帶和氣溫變化，對生命的進化、發展和生態環境產生深遠的影響。動物界有海生、陸生和適應半鹹水的種類。其中以脊椎動物的變化最為突出。中生代晚期分布廣泛的海生爬行動物，如蛇頸龍類、海生蜥蜴類等，在早第三紀被小型鯨類、海獅等海生哺乳類替代。在陸上,中生代佔統治地位的恐龍基本消失;而中生代不佔突出地位的哺乳動物得到了迅速繁衍，它們佔有爬行動物以往的各種生態領域。各大陸和島嶼上充滿了各種接近現代面貌的鳥類。

　　　由於海底擴張、古陸解體，對世界上整個地質構造格局、古地理環境產生了重大的變化。早第三紀時,古地中海（特提斯海）最終消失,亞洲大陸最後形成，青藏高原的升起，阿爾卑斯山、喜馬拉雅山、落基山和安第斯山等現代山系相繼形成，吐爾蓋海峽和巴拿馬地峽的出現或消失，氣候分帶漸趨明顯，地球上的自然環境向著多樣性發展。

　　　2、晚第三紀

　　　新生代第三紀的一個亞紀，也稱新第三紀。晚第三紀一名是奧地利地質學家M.赫奈斯於1853年提出的，用以代表維也納盆地時代比早第三紀晚的一組海、陸交互相沉積（根據現在的概念，它的時代大約是從晚漸新世至晚中新世）。1860～1868年，地質學家K.F.瑙曼將它與C.萊伊爾1833年提出的中新世和上新世的概念合在一起，才產生了現今概念的晚第三紀。晚第三紀時期形成的地層叫上第三系。關於它的時限，根據最新的同位素年代測定和古地磁年表的校準,始於距今約2330萬年,止於距今約164萬年。中國地質學家通常採用248萬年為晚第三紀上限。

　　　根據哺乳動物的狀況，晚第三紀可劃分為4個時期：早中新世是殘存的和高度特化的早第三紀分子和少量晚第三紀分子的時期；中中新世,是安琪馬動物群時期,此時長鼻目自非洲、安琪馬自北美遷入歐亞形成一個全新的動物群；晚中新世至早上新世，為三趾馬動物群時期，三趾馬從北美遷入，大批草原型動物大量出現；晚上新世，真象從非洲，真馬從北美遷入歐亞大陸形成另一個動物群，並逐步演化為今日之動物群。非洲的動物群和歐亞大陸的很接近，只是某些類別的祖先類型（長鼻類、蹄兔類等）出現更早，而有些門類則延續時間更長（如肉齒類等）。

　　　晚第三紀是重要的山脈形成期。現今地球上較高的山脈都是這一時期形成的，如歐洲的阿爾卑斯山、非洲的阿特拉斯山，亞洲的喜馬拉雅山，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、秦嶺等也有活化抬升現象。地殼運動也引起了普遍的火山噴溢。太平洋東、西兩岸有大量玄武巖流。在中國境內的有漢諾壩玄武巖，東北地區大片玄武巖出露，山東山旺和浙江嵊縣的玄武巖等。地殼運動也使歐亞大陸與非洲和北美數次分合，形成多次動物群交流。

　　　3、第四紀

　　　地球發展史的最新階段，時間範圍從上新世末（距今 248萬年）直到現在。第四紀分為更新世和全新世兩個階段。第四紀一詞是J.德努瓦耶於1829年提出的。第四紀形成的地層稱第四系，再分為更新統和全新統。更新世是1839年C.萊伊爾提出的，他把巴黎盆地含軟體動物化石70％為現生種的地層稱為更新世地層。全新世和近代為同義詞。近代(Recent)一詞是1833年由萊伊爾引進地質學中，含義是從此地球被人類所居住。

　　　第四紀沉積物分布極廣，除巖石裸露的陡峻山坡外，全球幾乎到處被第四紀沉積物所覆蓋。第四紀沉積物形成時間晚，大多未膠結，保存比較完整。厚度一般數十米至數百米，個別地區可超過1000米。第四紀沉積物成因類型複雜，相變劇烈，主要有冰川沉積、河流沉積、湖相沉積、風成沉積、洞穴沉積和海相沉積等。

　　　第四紀沉積物記錄了第四紀發展歷史和自然環境變化，是第四紀研究的直接對象，主要有以下幾種。

　　　冰川沉積是第四紀具有特色的沉積物，包括現代和古代冰川作用直接堆積的產物。晚新生代冰期開始於距今1400～1100萬年，但在第四紀才出現冰期和間冰期的明顯交替。冰期最盛時，北半球高緯地區形成大陸冰蓋,格陵蘭冰蓋覆蓋了格陵蘭和冰島，勞倫大冰蓋掩埋了整個加拿大，並向南延伸到紐約、辛辛那提一帶。歐洲將近一半被斯堪地那維亞冰蓋所覆蓋，冰蓋最大厚度約3000米。西伯利亞冰蓋則佔據了西伯利亞北部地區。大陸冰蓋覆蓋區以外，許多高山地區，如阿爾卑斯山、高加索山、喜馬拉雅山等都出現了山地冰川。第四紀以來，這些冰川有多次進退，而在過去冰川活動過的地區，遺留下大面積的冰磧物。這些冰磧物是早期第四紀研究的主要對象。

　　　洞穴常常是古人類和動物的棲息場所，古人類將食用後剩下的動物骨骼遺棄在洞內，他們在洞內製造和使用石器等。因而洞穴堆積常可發現動物化石、用火遺蹟、石器、壁畫以及古人類化石等，並且成為標準的第四紀地層。中國著名的北京猿人化石和周口店動物群發現於北京周口店的洞穴堆積中。廣西柳城巨猿動物群、四川萬縣鹽井溝動物群、北京周口店山頂洞人、安徽和縣猿人和遼寧營口金牛山人化石等，都是從洞穴堆積中發掘出來的。歐洲的洞穴堆積中，找到過尼安德特人、克羅馬農人以及其他許多古文化遺址。

　　　晚第三紀以來的構造運動，第四紀的構造運動即屬於新構造運動。在大洋中，洋底沿中央洋脊向兩側擴張。對太平洋板塊移動速度測量表明，每年向西移動最大達到11釐米,向東移動6.6釐米。陸地上新的造山帶是第四紀新構造運動最劇烈的地區，如阿爾卑斯山、喜馬拉雅山等。喜馬拉雅山自第四紀以來，上升大約3000米，珠穆朗瑪峰一帶每年上升達10毫米。有些地區第四紀時期地殼強烈下沉，沉積了巨厚的第四紀沉積物，如中國的華北平原、柴達木盆地等。

　　　地震是新構造運動的表現形式之一，地震集中發生在板塊邊界及活動斷裂帶上，如環太平洋地震帶、加利福尼亞斷裂帶、中國的郯廬斷裂帶等。火山也是新構造運動的一種形式，主要分布在板塊邊界或板塊內部的活動斷裂帶上。

　　　晚期智人出現在晚更新世晚期，有中國河套人、山頂洞人等，歐洲最著名的是克魯馬農人。晚期智人的文化有河套文化、山頂洞文化，歐洲把晚期智人的文化分為奧瑞納、梭魯特和馬格德林三期。這個時期石器加工十分精細，出現了雕刻、繪畫等藝術品。

　　　人類在全新世進入現代人階段。早期出現了弓箭和鑲嵌工具。以後進一步出現磨製石器和陶器，有了農業和牧畜業。中國北方，這個階段有裴李崗文化、仰韶文化、龍山文化等。此後，人類進入銅器時代、鐵器時代直到現代。

§3 地球所在的太陽系

　　　太陽系（Solar System）是以太陽為中心，和所有受到太陽引力約束的天體的集合體：8顆行星、至少165顆已知的衛星、多顆已經辨認出來的矮行星（冥王星和他的衛星）和數以億計的太陽系小天體。這些小天體包括小行星、柯伊伯帶的天體、彗星和星際塵埃。

　　　地球是內太陽系的第三大行星，地球是一顆類地行星。地球上所發生的自然現象大多數都與太陽對地球施加的影響密切相關。

　　　廣義上說，太陽系的領域包括太陽、4顆像地球的內行星、由許多小巖石組成的小行星帶、4顆充滿氣體的巨大外行星、充滿冰凍小巖石、被稱為柯伊伯帶的第二個小天體區。在柯伊伯帶之外還有黃道離散盤面、太陽圈和依然屬於未知的奧爾特雲。

　　　依照至太陽的距離，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顆中的6顆有天然的衛星環繞著，這些星體習慣上因為地球的衛星被稱為月球而都被視為月球。在外側的行星都有由塵埃和許多小顆粒構成的行星環環繞著，而除了地球之外，肉眼可見的行星以五行為名，在西方則全都以希臘和羅馬神話故事中的神為名。三顆矮行星是：冥王星，柯伊伯帶內較大的天體之一；穀神星，小行星帶內最大的天體；和屬於黃道離散天體的鬩神星。

　　　一、太陽系天體軌道

　　　太陽系的主角是位居中心的太陽，它是一顆光譜分類為G2V的主序星，擁有太陽系內已知質量的99.86%，並以引力主控著太陽系。木星和土星，太陽系內最大的兩顆行星，又佔了剩餘質量的90%以上，目前仍屬於假說的奧爾特雲，還不知道會佔有多少百分比的質量。

　　　太陽系內主要天體的軌道，都在地球繞太陽公轉的軌道平面（黃道）的附近。行星都非常靠近黃道，而彗星和柯伊伯帶天體，通常都有比較明顯的傾斜角度。

　　　環繞著太陽運動的天體都遵守克卜勒行星運動定律，軌道都以太陽為橢圓的一個焦點，並且越靠近太陽時的速度越快。行星的軌道接近圓形，但許多彗星、小行星和柯伊伯帶天體的軌道則是高度橢圓的。

　　　在這麼遼闊的空間中，有許多方法可以表示出太陽系中每個星體的軌道距離。在實際上，距離太陽越遠的行星或環帶，與前一個的距離就會更遠，而只有少數的例外。例如，金星在水星之外約0.33天文單位的距離上，而土星與木星的距離是4.3天文單位，海王星又在天王星之外10.5天文單位。曾有些關係式企圖解釋這些軌道距離變化間的交互作用，但這樣的理論從未獲得證實。

　　　二、形成和演化

　　　太陽系的形成據信應該是依據星雲假說，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。這個理論認為太陽系是在46億年前在一個巨大的分子雲的塌縮中形成的。這個星雲原本有數光年的大小，並且同時誕生了數顆恆星。研究古老的隕石追溯到的元素顯示，只有超新星爆炸的心臟部分才能產生這些元素，所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近。

　　　被認定為原太陽星雲的地區就是日後將形成太陽系的地區，直徑估計在7,000至20,000天文單位，而質量僅比太陽多一點（多0.1至0.001太陽質量）。當星雲開始塌縮時，角動量守恆定律使它的轉速加快，內部原子相互碰撞的頻率增加。其中心區域集中了大部分的質量，溫度也比周圍的圓盤更熱。當重力、氣體壓力、磁場和自轉作用在收縮的星雲上時，它開始變得扁平成為旋轉的原行星盤，而直徑大約200天文單位，並且在中心是一個熱的原恆星。

　　　對年輕的金牛T星的研究，相信質量與預熔合階段發展的太陽非常相似，顯示在形成階段經常都會有原行星物質的圓盤伴隨著。這些圓盤可以延伸至數百天文單位，並且最熱部分可以達到數千度高溫。

　　　一億年後，在塌縮的星雲中心，壓力和密度將大到足以使原始太陽的氫開始熱聚合，這會增加膨脹直到流體靜力平衡，使熱能足以抵抗重力的收縮能。這時的太陽成為一顆真正的恆星。

　　　相信經由相互吸積的作用，各類行星將從雲氣（太陽星雲）中剩餘的氣體和塵埃中誕生：

　　　·當塵粒的顆粒還在環繞中心的原恆星時，行星已經開始成長；

　　　·然後經由直接的接觸，聚集成1至10千米直徑的物質塊；

　　　·接著經由碰撞形成更大的個體，成為直徑大約5千米的星子；

　　　·在未來得數百萬年中，經由進一步的碰撞繼續成長，直到行星將周圍的多數物質聚集，形成行星。

　　　在太陽系的內側，形成的星子相對的就比較小，並且主要的成分是熔點較高的矽酸鹽和金屬等化合物。這些石質的天體最後就成為類地行星。再遠一點的星子，不能凝聚在一起成為原行星，而成為現在所見到的小行星帶。

　　　在更遠的距離上，在凍結線之外，易揮發的物質也能凍結成固體，就形成了木星和土星這些巨大的氣體巨星。天王星和海王星獲得的材料較少，並且因為核心被認為主要是冰，因此被稱為冰巨星。

　　　一旦年輕的太陽開始產生能量，太陽風會將原行星盤中的物質吹入行星際空間，從而結束行星的成長。年輕的金牛座T星的恆星風就比處於穩定階段的較老的恆星強得多。

　　　根據天文學家的推測，目前的太陽系會維持直到太陽離開主星序。從現在起再過大約76億年，太陽的內核將會熱得足以使外層氫發生聚合，這會導致太陽膨脹到現在半徑的260倍，成為一個紅巨星。此時，由於體積與表面積的擴大，太陽的總光度增加，但表面溫度下降，單位面積的光度還會變暗。隨後，太陽的外層被逐漸拋離，最後裸露出核心成為一顆白矮星，一個極為緻密的天體，只有地球的大小，卻有著原來太陽質量的一半。

　　　三、結構和組成

　　　太陽系是由受太陽引力約束的天體組成的系統是宇宙中的一個小的天體系統，太陽系的結構可以大致地分為五個部分：

　　　1、太陽(Sun)

　　　太陽是太陽系的母星，也是最主要和最重要的成員。它有足夠的質量讓內部的壓力與密度足以抑制和承受核聚合產生的巨大能量，並以輻射的型式，例如可見光等，讓能量穩定的注入空間。

　　　太陽在分類上是一顆中等大小的黃矮星，不過這樣的名稱很容易讓人誤會，其實在我們的星系中，太陽是相當大與明亮的。恆星是依據赫羅圖的表面溫度與亮度對應關係來分類的。通常，溫度高的恆星都會比較明亮，而遵循此規律的恆星都會位於所謂的主星序帶上，太陽就在這個星序帶的中央。但是比太陽大且亮的恆星並不多，而比較暗淡和低溫的恆星則有許多。

　　　太陽在恆星演化的階段正處於壯年期，尚未用盡在核心進行核聚合的氫。計算太陽內部氫與氦的比例，認為太陽已經完成生命周期的一半，在大約50億年後，太陽將離開主星序帶，並變得更大與更加明亮，但表面溫度卻降低的紅巨星。

　　　2、行星際物質

　　　除了光，太陽也不斷的放射出電子流（等離子），也就是所謂的太陽風。這些微粒子流的速度為每小時150萬千米，在太陽系內創造出稀薄的大氣層（太陽磁圈），範圍至少達到100天文單位（日球層頂），也就是我們所認知的行星際物質。太陽的黑子周期（11年）和頻繁的光球、日冕物質拋射在太陽圈內造成的幹擾，產生了太空氣候。伴隨太陽自轉而轉動的磁場在行星際物質中所產生的太陽圈電流片，是太陽系內最大的結構表現。

　　　地球的磁場從與太陽風的互動中保護著地球大氣圈層。水星和金星則沒有磁場，太陽風使它們的大氣層逐漸流失至太空中。太陽風和地球磁場交互作用產生的極光，可以在接近地球的磁極（如南極與北極）的附近看見。

　　　宇宙線是來自太陽系之外的，太陽圈屏障著太陽系，行星的磁場也為行星自身提供了一種保護。宇宙線在星際物質內的密度和太陽磁場周期的強度變動有關，因此宇宙線在太陽系內的變動幅度究竟是多少，至今仍然還是未知的迷。

　　　行星際物質至少在兩個盤狀區域內聚集成宇宙塵。第一個區域是黃道塵雲，位於內太陽系，並且是黃道光的起因。它們可能是小行星帶內的天體和行星相互撞擊所產生的。第二個區域大約伸展在10～40天文單位的範圍內，可能是柯伊伯帶內的天體在相似的互相撞擊之下產生的。

　　　3、內太陽系

　　　內太陽系在傳統上是類地行星和小行星帶區域的名稱，主要是由矽酸鹽和金屬物質組成。在這個區域擠在靠近太陽的範圍內，半徑要比木星與土星之間的距離還短。

　　　(1) 內太陽系所有的內行星

　　　四顆內行星或是類地行星的特點是高密度、由巖石構成、只有少量或沒有衛星，也沒有環系統。它們由高熔點的礦物，像是矽酸鹽類的礦物，組成表面固體的地殼和半流質的地幔，以及由鐵、鎳構成的金屬核心所組成。四顆中的三顆（金星、地球、和火星）有實質的大氣層，全部都有撞擊坑和地質構造的表面特徵（地塹和火山等）。內行星容易和比地球更接近太陽的內側行星（水星和金星）混淆。行星運行在一個平面，朝著一個方向。

　　　(2) 水星

　　　水星（Mercury 0.4 天文單位）是最靠近太陽，也是最小的行星（0.055地球質量）。它沒有天然的衛星，僅知的地質特徵除了撞擊坑外，只有大概是在早期歷史與收縮期間產生的皺摺山脊。 水星，包括被太陽風轟擊出的氣體原子，只有微不足道的大氣。目前尚無法解釋相對來說相當巨大的鐵質核心和薄薄的地幔。假說包括巨大的衝擊剝離了它的外殼，還有年輕時期的太陽能抑制了外殼的增長。

　　　(3) 金星

　　　金星 （Venus 0.7 天文單位）的體積尺寸與地球相似（0.86地球質量），也和地球一樣有厚厚的矽酸鹽地幔包裹著核心，還有濃厚的大氣層和內部地質活動的證據。但是，它的大氣密度比地球高90倍而且非常乾燥，沒有天然的衛星。它是顆炙熱的行星，表面的溫度超過400°C，很可能是大氣層中有大量的溫室氣體造成的。沒有明確的證據顯示金星的地質活動仍在進行中，但是沒有磁場保護的大氣應該會被耗盡，因此認為金星的大氣是經由火山的爆發獲得補充。

　　　(4) 地球

　　　地球（Earth 1天文單位）是內行星中最大且密度最高的，也是唯一地質活動仍在持續進行中並擁有生命的行星。它也擁有類地行星中獨一無二的水圈和被觀察到的板塊結構。地球的大氣也於其他的行星完全不同，被存活在這兒的生物改造成含有21%的自由氧氣。它只有一顆衛星，即月球；月球是類地行星中唯一的大衛星。地球公轉（太陽）一圈約365天，自轉一圈約1天。（太陽並不是總是直射赤道，因為地球圍繞太陽旋轉時，有23°26′黃赤交角。）

　　　(5) 火星

　　　火星（Mars 1.5 天文單位）比地球和金星小（0.17地球質量），只有以二氧化碳為主的稀薄大氣，它的表面，例如奧林匹斯山有密集與巨大的火山，水手號峽谷有深邃的地塹，顯示不久前仍有劇烈的地質活動。火星有兩顆天然的小衛星，戴摩斯和福伯斯，可能是被捕獲的小行星。

　　　(6)小行星的主帶和特洛伊小行星

　　　小行星是太陽系小天體中最主要的成員，主要由巖石與不易揮發的物質組成。主要的小行星位於火星和木星軌道之間，距離太陽2.3至3.3 天文單位，它們被認為是在太陽系形成的過程中，受到木星引力擾動而未能聚合的殘餘物質。

　　　小行星的尺度從大至數百公裡、小至微米的都有。除了最大的穀神星之外，所有的小行星都被歸類為太陽系小天體，但是有幾顆小行星，像是灶神星、健神星，如果能被證實已經達到流體靜力平衡的狀態，可能會被重分類為矮行星。

　　　小行星帶擁有數萬顆，可能多達數十萬顆星，直徑在一公裡以上的小天體。儘管如此，小行星帶的總質量仍然不可能達到地球質量的千分之一。

　　　(7) 穀神星

　　　穀神星 （Ceres 2.77 天文單位）是主小行星帶中最大的天體，也是主帶中唯一的矮行星。它的直徑接近1000公裡，因此自身的引力已足以使它成為球體。它在19世紀初被發現時，起初被認為是一顆行星，在1850年因為有更多的小天體被發現才重新分類為小行星；在2006年，又再度重分類為矮行星。

　　　(8) 小行星族

　　　在主帶中的小行星可以依據軌道屬性劃分成幾個小行星群和小行星族。小行星衛星是圍繞著較大的小行星運轉的小天體，它們的認定不如繞著行星的衛星那樣明確，因為有些衛星幾乎和被繞的母體一樣大。內太陽系也包含許多小行星與塵粒，其中有一些還會穿越內行星的軌道。

　　　4、中太陽系

　　　太陽系的中部地區是氣體巨星和它們有如行星大小尺度衛星的家，許多短周期彗星，包括半人馬群也在這個區域之內。此區域沒有傳統的名稱，偶爾也會被歸入「外太陽系」，雖然外太陽系通常是指海王星以外的區域。在這一區域的星體，主要的成分是「冰」（水、氨和甲烷），不同於以巖石為主的內太陽系天體。

　　　(1) 外行星

　　　所有的外行星，在外側的四顆行星，也稱為類木行星，囊括了環繞太陽99%的已知質量。木星和土星的大氣層都擁有大量的氫和氦，天王星和海王星的大氣層則有較多的「冰」，像是水、氨和甲烷。有些天文學家認為它們該另成一類，稱為「天王星族」或是「冰巨星」。這四顆氣體巨星都有行星環，但是只有土星的環可以輕鬆的從地球上觀察到。「外行星」這個名稱容易與「外側行星」混淆，後者實際是指在地球軌道外面的行星，除了外行星外還有火星。

　　　(2) 木星

　　　木星（Jupiter 5.2 天文單位），主要由氫和氦組成，質量是地球的318倍，也是其他行星質量總合的2.5倍。木星的豐沛內熱在它的大氣層造成一些近似永久性的特徵，例如雲帶和大紅斑。木星已經被發現的衛星有63顆，最大的四顆，甘尼米德、卡利斯多、埃歐和歐羅巴，顯示出類似類地行星的特徵，像是火山作用和內部的熱量。甘尼米德比水星還要大，是太陽系內最大的衛星。

　　　(3) 土星

　　　土星（Saturn 9.5 天文單位），因為有明顯的環系統而著名，它與木星非常相似，例如大氣層的結構。土星不是很大，質量只有地球的95倍，它有60顆已知的衛星，其中泰坦和恩塞拉都斯擁有巨大的冰火山，顯示出地質活動的標誌。泰坦比水星大，而且是太陽系中唯一實際擁有大氣層的衛星。

　　　(4) 天王星

　　　天王星（Uranus 19.6 天文單位），是最輕的外行星，質量是地球的14倍。它的自轉軸對黃道傾斜達到96度，因此是橫躺著繞著太陽公轉，在行星中非常獨特。在氣體巨星中，它的核心溫度最低，只輻射非常少的熱量進入太空中。天王星已知的衛星有27顆，最大的幾顆是泰坦尼亞、歐貝隆、烏姆柏裡厄爾、艾瑞爾和米蘭達。

　　　(5) 海王星

　　　海王星（Neptune 30 天文單位）雖然看起來比天王星小，但密度較高使質量仍有地球的17倍。他雖然輻射出較多的熱量，但遠不及木星和土星多。海王星已知有13顆衛星，最大的衛星仍有地質活動，有著噴發液態氮的間歇泉，它也是太陽系內唯一逆行的大衛星。在海王星的軌道上有一些1:1軌道共振的小行星，組成海王星特洛伊群。

　　　(6) 彗星

　　　彗星歸屬於太陽系小天體，通常直徑只有幾千米，主要由具揮發性的冰組成。它們的軌道具有高離心率，近日點一般都在內行星軌道的內側，而遠日點在冥王星之外。當一顆彗星進入內太陽系後，與太陽的接近會導致她冰冷表面的物質升華和電離，產生彗發和拖曳出由氣體和塵粒組成、肉眼就可以看見的彗尾。

　　　短周期彗星是軌道周期短於200年的彗星，長周期彗星的軌周期可以長達數千年。短周期彗星，像是哈雷彗星，被認為是來自柯伊伯帶；長周期彗星，像海爾·波普彗星，則被認為起源於奧爾特雲。有許多群的彗星，像是克魯茲族彗星，可能源自一個崩潰的母體。有些彗星有著雙曲線軌道，則可能來自太陽系外，但要精確的測量這些軌道是很困難的。揮發性物質被太陽的熱驅散後的彗星經常會被歸類為小行星。

　　　(7) 半人馬群

　　　半人馬群是散布在9至30天文單位的範圍內，也就是軌道在木星和海王星之間，類似彗星以冰為主的天體。半人馬群已知的最大天體是10199 Chariklo，直徑在200至250千米。第一個被發現的是2060 Chiron，因為在接近太陽時如同彗星般的產生彗發，目前已經被歸類為彗星。

　　　5、外海王星區

　　　在海王星之外的區域，通常稱為外太陽系或是外海王星區，仍然是未被探測的廣大空間。這片區域似乎是太陽系小天體的世界（最大直徑不到地球的五分之一，質量則遠小於月球），主要由冰組成。

　　　(1) 柯伊伯帶

　　　柯伊伯帶，最初的形式，被認為是由與小行星大小相似，但主要是由冰組成的碎片與殘骸構成的環帶，擴散在距離太陽30至50天文單位之處。這個區域被認為是短周期彗星—像是哈雷彗星—的來源。它主要由太陽系小天體組成，但是許多柯伊伯帶中最大的天體，例如創神星、伐樓拿、2003 EL61、2005 FY9和厄耳枯斯等，可能都會被歸類為矮行星。估計柯伊伯帶內直徑大於50千米的天體會超過100,000顆，但總質量可能只有地球質量的十分之一甚至只有百分之一。許多柯伊伯帶的天體都有兩顆以上的衛星，而且多數的軌道都不在黃道平面上。

　　　柯伊伯帶大致上可以分成共振帶和傳統的帶兩部分，共振帶是由與海王星軌道有共振關係的天體組成的（當海王星公轉太陽三圈就繞太陽二圈，或海王星公轉兩圈時只繞一圈），其實海王星本身也算是共振帶中的一員。傳統的成員則是不與海王星共振，散布在39.4至47.7 天文單位範圍內的天體。傳統的柯伊伯帶天體以最初被發現的三顆之一的1992 QB1為名，被分類歸類為QB1天體。

　　　(2) 冥王星和卡戎

　　　冥王星和已知的三顆衛星（Pluto 平均距離39 天文單位）是一顆矮行星，也是柯伊伯帶內已知的最大天體之一。當它在1930年被發現後，被認為是第九顆行星，直到2006年才重分類為矮行星。冥王星的軌道對黃道面傾斜17度，與太陽的距離在近日點時是29.7天文單位（在海王星軌道的內側），遠日點時則達到49.5天文單位。

　　　目前還不能確定卡戎（Charon）是否應被歸類為當前認為的衛星還是屬於矮行星，因為冥王星和卡戎相互繞軌道的質心不在任何一顆星體的表面之下，形成了冥王星－卡戎雙星系統。另外兩顆很小的衛星尼克斯（Nix）與許德拉（Hydra），則繞著冥王星和卡戎公轉。

　　　冥王星在共振帶上，與海王星有著3:2的共振（冥王星繞太陽公轉二圈時，海王星公轉三圈）。柯伊伯帶中有著這種軌道的天體統稱為類冥天體。

　　　(3) 離散盤

　　　離散盤與柯伊伯帶是重疊的，但是向外延伸至更遠的空間。離散盤內的天體應該是在太陽系形成的早期過程中，因為海王星向外遷徙造成的引力擾動才被從柯伊伯帶拋入反覆不定的軌道中。多數黃道離散天體的近日點都在柯伊伯帶內，但遠日點可以遠至150天文單位；軌道對黃道面也有很大的傾斜角度，甚至有垂直於黃道面的。有些天文學家認為黃道離散天體應該是柯伊伯帶的另一部分，並且稱為「柯伊伯帶離散天體」。

　　　(4) 鬩神星

　　　鬩神星（136199 Eris）（平均距離68 天文單位）是已知最大的黃道離散天體，並且引發了什麼是行星的辯論。他的直徑至少比冥王星大15%，估計有2,400千米，是已知的矮行星中最大的。鬩神星有一顆衛星，鬩衛一（Dysnomia），軌道也像冥王星一樣有著很大的離心率，近日點的距離是38.2 天文單位（大約是冥王星與太陽的平均距離），遠日點達到97.6 天文單位，對黃道面的傾斜角度亦很大。

　　　6、太陽系最遠區域疆界

　　　太陽繫於何處結束，以及星際介質開始的位置沒有明確定義的界線，因為這需要由太陽風和太陽引力兩者來決定。太陽風能影響到星際介質的距離大約是冥王星距離的四倍，但是太陽的洛希球，也就是太陽引力所能及的範圍，應該是這個距離的千倍以上。

　　　(1) 日球層頂

　　　太陽圈可以分為兩個區域，太陽風傳遞的最大距離大約在95 天文單位，也就是冥王星軌道的三倍之處。此處是終端震波的邊緣，也就是太陽風和星際介質相互碰撞與衝激之處。太陽風在此處減速、凝聚並且變得更加紛亂，形成一個巨大的卵形結構，也就是所謂的日鞘，外觀和表現得像是彗尾，在朝向恆星風的方向向外繼續延伸約40天文單位，但是反方向的尾端則延伸數倍於此距離。太陽圈的外緣是日球層頂，此處是太陽風最後的終止之處，外面即是恆星際空間。

　　　太陽圈外緣的形狀和形式很可能受到與星際物質相互作用的流體動力學的影響，同時也受到在南端佔優勢的太陽磁場的影響；例如，它形狀在北半球比南半球多擴展了9個天文單位（大約15億千米）。在日球層頂之外，在大約230天文單位處，存在著弓形激波，它是當太陽在銀河系中穿行時產生的。

　　　還沒有太空船飛越到日球層頂之外，所以還不能確知星際空間的環境條件。而太陽圈如何保護在宇宙射線下的太陽系，目前所知甚少。為此，人們已經開始提出能夠飛越太陽圈的任務。　　

　　　(2) 奧爾特雲（Oort cloud）

　　　是一個假設包圍著太陽系的球體雲團，布滿了不少不活躍的彗星，距離太陽約50,000至100,000個天文單位，差不多等於一光年，即太陽與比鄰星（Proxima）距離的四分之一。

　　　理論上的奧爾特雲有數以兆計的冰冷天體和巨大的質量，在大約5,000 天文單位，最遠可達10,000天文單位的距離上包圍著太陽系，被認為是長周期彗星的來源。它們被認為是經由外行星的引力作用從內太陽系被拋至該處的彗星。奧爾特雲的物體運動得非常緩慢，並且可以受到一些不常見的情況的影響，像是碰撞、或是經過附近恆星天體的引力作用、或是星系潮汐的作用。

　　　(3) 塞德娜和內奧爾特雲

　　　塞德娜(Sedna)是顆巨大、紅化的類冥天體，近日點在76天文單位，遠日點在928天文單位，要12,050年才能完成一周的巨大、高橢圓率的運行軌道。米高·布朗在2003年發現這個天體，因為它的近日點太遙遠，以致不可能受到海王星遷徙的影響，所以認為它不是離散盤或柯伊伯帶的成員。他和其他的天文學家認為它屬於一個新的分類，同屬於這新族群的還有近日點在45天文單位，遠日點在415天文單位，軌道周期3,420年的2000 CR105，和近日點在21天文單位，遠日點在1,000天文單位，軌道周期12,705年的(87269) 2000 OO67。布朗命名這個族群為「內奧爾特雲」，雖然它遠離太陽，但仍然較近。

　　　(4) 疆界

　　　我們的太陽系仍然有許多未知數。考查鄰近的恆星，估計太陽的引力可以控制2光年（125,000天文單位）的範圍。奧爾特雲向外延伸的程度，大概不會超過50,000天文單位。儘管發現的塞德娜，範圍在柯伊伯帶和奧爾特雲之間，仍然有數以上萬天文單位半徑的區域是未曾被探測的。水星和太陽之間的區域也仍在不斷的研究之中。在太陽系的未知地區裡，我們仍可能有所發現。

　　　(5)矮行星

　　　矮行星是由冥王星(Pluto)、穀神星(Ceres)、齊娜星(Xena)和卡戎星（Charon）的分類名稱歸類的。

　　　

　　　

§本章重點概要

　　　（一）地球是太陽系中的一顆類地行星，從太陽開始數，地球是第三顆大行星。

　　　（二）地球的結構是由七大圈層構成的，它們是：地球外圈的四個基本圈層，即大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈；地球內圈的三個基本圈層，即地幔圈、外核液體圈和固體內核圈。水圈、巖石圈、外核液體圈和固體內核圈都是導電體組成的圈層。

　　　（三）太陽系的八大行星，只有水星和金星沒有磁場。其它行星，地球、火星、木星、土星、天王星和海王星都有磁場。木星的磁場最大，是地球磁場強度的十倍以上。

　　　（四）地球磁場從它形成的時候就存在了，一直延續到現在。月球誕生時也有磁場存在，演化到後來消失了。

　　　（五）太陽除了發射光，太陽也不斷的放射出電子流（等離子），也就是所謂的太陽風。這條微粒子流的速度為每小時150萬千米以上，在太陽系內創造出稀薄的大氣層（太陽圈），範圍至少達到100天文單位（日球層頂）。

　　　（六）地球在逐漸形成之後，地球上的自然現象大多都受到太陽的影響。太陽影響地球的主要因素有三，第一是引力、第二是太陽光、第三就是太陽風了。

　　　（七）太陽風對地球磁場施加作用，地球磁場阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下，地球形成了一個被太陽風包圍的、象彗星狀的地球磁場區域，我們把它稱為磁層。