地球引力

【專家解說】：引力是質(zhì)量的固有本質(zhì)之一。每一個(gè)物體必然與另一個(gè)物體互相吸引。盡管引力的本質(zhì)還有待于確定，但人們?cè)缫延X察到了它的存在和作用。接近地球的物體，無一例外地被吸引朝向地球質(zhì)量的中心。因?yàn)樵诘厍虮砻嫔系娜魏挝矬w，與地球本身的質(zhì)量相比，實(shí)在是微不足道的。 但是地球并非一個(gè)靜止的球體，它所具有的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式，使得原來所具有的引力產(chǎn)生了某些變化。因?yàn)樵谶@個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)球體上的各種物體，都有一個(gè)保持它們自己作直線運(yùn)動(dòng)的傾向。于是地球自轉(zhuǎn)時(shí)的離心效應(yīng)就產(chǎn)生了，其結(jié)果是一個(gè)與引力方向相反的力也同時(shí)發(fā)揮著作用，特別在靠近赤道的地方更是如此。因此，作為共同使用的名詞--重力，這實(shí)際上是被這個(gè)離心力和其它較小的有關(guān)效應(yīng)所減小了的凈引力。我們已經(jīng)知道這樣一種事實(shí)，一個(gè)物體在極地重189磅時(shí)，拿到赤道僅僅重188磅。 假如地球表面完全為自由流動(dòng)的液態(tài)水所覆蓋，那么這種液體水的表面呈現(xiàn)一個(gè)扁球體，在兩極稍平，而在赤道膨脹，這在前邊已經(jīng)作了簡要的敘述。這個(gè)理想的形狀，稱為地球體，它將完美地同全部的重力、轉(zhuǎn)動(dòng)力相平衡。 牛頓定律對(duì)于引力的表達(dá)是重力遵循的基礎(chǔ)。眾所周知，該定律的基本表述為:m1與m2這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的引力，正比于二者質(zhì)量的乘積，反比于這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)中心之間距離的平方，即 如果說此處的F為作用在m2上的力，那么R1為從m1指向m2的單位向量，r是m1與m2之間的距離，而A是萬有引力常數(shù)。加上負(fù)號(hào)表示著力是互相吸引的。 很明顯，引力是存在于自然界中強(qiáng)度最小的相互作用力。最近還發(fā)現(xiàn)，A的數(shù)值也不是常數(shù)，而是隨著時(shí)間有緩慢的減少。它的這種變化，是由許多原因造成的，其中之一被認(rèn)為是由于地球半徑隨著時(shí)間而增加，這樣反過來，又必將對(duì)地球的發(fā)展歷史帶來深刻的影響。可是，所得出的A值變化速率是如此之小，以至于它在整個(gè)地球演化過程中，即在幾十億年的時(shí)間內(nèi)，其變化速率只大約為1%，所以在實(shí)際應(yīng)用上并無什么真正的價(jià)值。 由于地球(假定為m1)這個(gè)巨大質(zhì)量的存在，使得m2所產(chǎn)生的加速度，稱做重力加速度。它最早是被伽利略在意大利的比薩斜塔上測定的。在地球表面上這個(gè)數(shù)值一般定為980厘米/秒2，通常又將1厘米/秒2稱為“伽”(gal)，用以紀(jì)念這位偉大的科學(xué)家。 重力場是守恒的，也就是說在重力場中，移動(dòng)一個(gè)物體所做的功，獨(dú)立于它所經(jīng)過的路徑，而僅僅取決于它的終點(diǎn)。事實(shí)上，假如該質(zhì)量最終轉(zhuǎn)到它原來出發(fā)時(shí)所處的位置時(shí)，其凈能量的消耗等于0，而不管它在其間所走過的道路是什么。這在自然地理面中，是可以很輕易得到證明的。尋常所見的水分循環(huán)，就是一個(gè)很好的說明重力守恒的例子。一滴水從海洋面上被蒸發(fā)，克服重力，進(jìn)入大氣，這是外界做功的結(jié)果。待它由空中重新回歸到海洋時(shí)(而不管它是直接落入海洋，還是被運(yùn)送到幾千公里之外，又隨著河川逕流回到海洋來的)，放出了原先克服重力時(shí)的那部分功，遵循著重力守恒，使得凈能量的消耗等于0。類似的例子，在地表面是很多的。 另外一種對(duì)重力守恒的表達(dá)方式就是:動(dòng)能和勢(shì)能之和在一個(gè)封閉體系中為一常數(shù)，這涉及到動(dòng)能與勢(shì)能的互相轉(zhuǎn)化，也是我們要經(jīng)常使用的一個(gè)規(guī)律。同時(shí)要記住引力是一個(gè)向量，它的方向是沿著地球的質(zhì)量中心與另外一個(gè)物體質(zhì)量中心的連線，這在進(jìn)行向量分析時(shí)，是極為有用的。 地球表面的重力大小，一般來說與五個(gè)因素有關(guān)，它們是地理緯度、海拔高度、周圍地體的地形、地球潮汐與地表以下物質(zhì)的密度。這最后一個(gè)因子，僅僅在進(jìn)行重力測量中才有價(jià)值，一般情況下它對(duì)重力變化的影響，要比前四個(gè)因子的聯(lián)合效應(yīng)小的多。例如，從赤道到兩極，重力隨著緯度變化的數(shù)量大約為5伽，而油田勘探中的較大重力異常是10毫伽，只相當(dāng)于上述數(shù)字的1/500。在1930年，國際大地測量和地球物理協(xié)會(huì)采用了一個(gè)公式，給出了在地球這個(gè)橢球體上任意一點(diǎn)的重力加速度為: 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--緯度，常數(shù)α及β分別是0.0052884和-0.0000059。 自從1930年以來，由于在重力測量中獲取了大量的資料，特別是通過人造地球衛(wèi)星的準(zhǔn)確測定，上式中的常數(shù)已經(jīng)有了進(jìn)一步的改動(dòng)。 從自然地理學(xué)的角度來看，我們的著眼點(diǎn)不在于尋求計(jì)算重力或進(jìn)行訂正的準(zhǔn)確公式，而在于利用這種重力分析的基本原理，闡述物質(zhì)在進(jìn)入自然地理面和輸出到環(huán)境時(shí)的愛力狀況，在這些受力當(dāng)中，重力是特別應(yīng)當(dāng)考慮的一項(xiàng)。舉凡地形的改變、物質(zhì)的搬運(yùn)和堆積、氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)、水分的循環(huán)、生物的生長，甚至于地球物質(zhì)的調(diào)整等，離開了重力的分析，就不可能得出正確的結(jié)果。 前面已經(jīng)講過，重力最為明顯的表達(dá)，一般都在地球固體表面之上。在其下并非重力消失了，只是不容易有如固體表面之上那樣明顯地看出來罷了，此外作為研究的對(duì)象來說，我們亦不去特別關(guān)注地層深處的重力狀況，而只接受它所帶來的對(duì)地表造成的后果。進(jìn)而看到，在海平面之上陸地面積約占全球總表面積的29%，以雨和雪降下來的水，必然經(jīng)受重力的作用回歸到海洋中去。這樣，每一次落到地表上的降水，都具有比例于本身質(zhì)量和海平面以上高度的乘積，這樣數(shù)值的能量，這就是它所具的勢(shì)能。 在陸地地表，亦有個(gè)別的點(diǎn)低于海平面，例如我國的吐魯番盆地，美國加利福尼亞的死谷等，它們之所以能在陸面上保持這種例外的情況，一是由于其面積小，二是由于這些盆地均處于干旱區(qū)，很少有降水發(fā)生。假如把它們移到濕潤地區(qū)，這種低于海平面的狀況決不會(huì)保持很久，在重力的參與下，很快就要被水充滿或被水所帶來的風(fēng)化物質(zhì)填注，以補(bǔ)足海平面在全球延伸中的“漏洞”。 重力在自然地理面中的表現(xiàn)，既平常又深刻，對(duì)此應(yīng)有充分的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)粗略地討論一下重力在改造地表形態(tài)上的作用。陸地表面由于風(fēng)化作用而造成的松散物質(zhì)，在一定的條件下，由于力的作用是要移動(dòng)的。無論是從高處到低處的滾動(dòng)、滑落、崩塌，還是通過河流的輸運(yùn)，風(fēng)的挾帶等，其中一個(gè)極重要的因素就是重力的參與。 我們以一個(gè)在坡面上運(yùn)動(dòng)的巖塊為例，簡要分析一下重力的作用。由分析得知，重力的一個(gè)分力，即巖塊向下滑動(dòng)的力，比例于所處坡度的正弦，當(dāng)然還取決于這個(gè)坡面的摩擦系數(shù)。一克重的巖塊在坡度為45°時(shí)，向下滑動(dòng)的分力為0.7克;而當(dāng)該坡度等于60°時(shí)，這個(gè)分力將增加到0.87克(如圖5.5)。由于摩擦系數(shù)很少有大于1的狀況，因此單憑摩擦系數(shù)的阻抗，在坡度大于45°時(shí)，將支持不住重力所引起的向下滑動(dòng)的分力。事實(shí)上，比40°更為陡峭的自然坡度在全球是很少見的，因?yàn)槿绻谐?0°的角度時(shí)，重力作用將比較迅速地對(duì)此加以改變，由此可以看出重力改變地表形態(tài)的作用來。 在討論地球重力的同時(shí)，我們對(duì)于其它星體產(chǎn)生的類似于地球引力的作用力，也要加以必要的重視。最主要的就是月亮和太陽對(duì)地球的引力。 月亮和地球的距離很近，約等于三十個(gè)地球的直徑，根據(jù)萬有引力定律，引力與距離的平方成反比，因而盡管月球的質(zhì)量不算太大，但對(duì)于地球上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的引力卻相對(duì)的要大一些。太陽的質(zhì)量很大，約等于二千億億億噸，是地球質(zhì)量的三十三萬倍，但由于地球與太陽之間的距離太遠(yuǎn)，是月球-地球之間距離的四百倍，因此，它對(duì)地球的引力，只是月球?qū)Φ厍蛞Φ?6%。所以，地球上的潮汐現(xiàn)象是太陽和月亮二者作用力的合成，這里我們只需了解月亮的引力作用比太陽更大這一點(diǎn)就夠了。 地球的質(zhì)量是月球的81.5倍，因此月-地系統(tǒng)的公共質(zhì)量中心，必然大大地偏向于地球一側(cè)，大約在距地心0.73倍地球半徑的地方，兩個(gè)球體每月繞著這個(gè)共同的質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)。 月球?qū)τ诘厍虻囊绷倘恢匾?，但這個(gè)引潮力的數(shù)量值卻并不太大，只相當(dāng)于地球重力的千萬分之一。對(duì)于地球上一個(gè)10噸重的物體來說(即重力等于10噸)，其引潮力僅有1克。這樣小的力，人通常是感覺不出來的。但地球?qū)@種不大的引潮力，反應(yīng)卻十分明顯。很早以前，就發(fā)現(xiàn)海水在一日內(nèi)有規(guī)律的漲落(潮汐)與月球有密切關(guān)系。此外，地球不是一個(gè)剛體，一般都認(rèn)為它是一個(gè)具有彈性的球體，對(duì)于具這樣一種特性的球體，在引潮力的作用下，地球的固體巖石地殼也會(huì)產(chǎn)生“潮汐”現(xiàn)象，叫做固體潮，每天都要升降達(dá)30厘米左右。當(dāng)然地球?qū)υ虑虻囊绷Ω螅沟迷職ね黄鸷拖侣涞姆冗_(dá)到3公里左右。 與此同時(shí)，地球上的大氣，也因?yàn)檫@種引潮力，每天都產(chǎn)生著“大氣潮汐”。至于海洋這個(gè)龐大的水體，其上的潮汐現(xiàn)象就更為明顯了，加拿大東海岸的芬地灣蒙克頓港，最大潮差達(dá)19.6米，堪稱世界前茅。我國錢塘江口的最大潮差記錄為8.9米，當(dāng)然各個(gè)地方由于所處位置及周圍環(huán)境的不同，潮差也是不相同的。 月球和太陽的引力在塑造陸地表面的地形方面，也是一個(gè)具有一定意義的因素?？档略?775年，曾率先提出把漲潮作為改變地球旋轉(zhuǎn)速度的一個(gè)因素。近年來，在探討關(guān)于地震的預(yù)測預(yù)報(bào)中，也有人把潮汐力作為一個(gè)對(duì)地震起因的觸發(fā)因子。此外，對(duì)于自然地理來說，更為明顯的則是潮汐對(duì)于海陸交界處地形的變更作用，對(duì)于岸線的影響作用，以及對(duì)于波浪運(yùn)動(dòng)的作用等。