為什么地球有引力

【專家解說】：假如地球表面完全為自由流動的液態(tài)水所覆蓋，那么這種液體水的表 地球引力面呈現(xiàn)一個扁球體，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。這個理想的形狀，稱為地球體，它將完美地同全部的重力、轉(zhuǎn)動力相平衡。牛頓定律對于引力的表達是重力遵循的基礎。眾所周知，該定律的基本表述為:m1與m2這兩個質(zhì)點之間的引力，正比于二者質(zhì)量的乘積，反比于這兩個質(zhì)點中心之間距離的平方，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)。加上負號表示著力是互相吸引的。 很明顯，引力是存在于自然界中強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，其中之一被認為是由于地球半徑隨著時間而增加，這樣反過來，又必將對地球的發(fā)展歷史帶來深刻的影響?？墒?，所得出的A值變化速率是如此之小，以至于它在整個地球演化過程中，即在幾十億年的時間內(nèi)，其變化速率只大約為1%，所以在實際應用上并無什么真正的價值。 由于地球(假定為m1)這個巨大質(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)，用以紀念這位偉大的科學家。重力場是守恒的，也就是說在重力場中，移動一個物體所做的功，獨立于它所經(jīng)過的路徑，而僅僅取決于它的終點。事實上，假如該質(zhì)量最終轉(zhuǎn)到它原來出發(fā)時所處的位置時，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(而不管它是直接落入海洋，還是被運送到幾千公里之外，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。另外一種對重力守恒的表達方式就是:動能和勢能之和在一個封閉體系中為一常數(shù)，這涉及到動能與勢能的互相轉(zhuǎn)化，也是我們要經(jīng)常使用的一個規(guī)律。同時要記住引力是一個向量，它的方向是沿著地球的質(zhì)量中心與另外一個物體質(zhì)量中心的連線，這在進行向量分析時，是極為有用的。地球表面的重力大小，一般來說與五個因素有關，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。這最后一個因子，僅僅在進行重力測量中才有價值，一般情況下它對重力變化的影響，要比前四個因子的聯(lián)合效應小的多。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)會采用了一個公式，給出了在地球這個橢球體上任意一點的重力加速度為: 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)星的準確測定，上式中的常數(shù)已經(jīng)有了進一步的改動。 從自然地理學的角度來看，我們的著眼點不在于尋求計算重力或進行訂正的準確公式，而在于利用這種重力分析的基本原理，闡述物質(zhì)在進入自然地理面和輸出到環(huán)境時的愛力狀況，在這些受力當中，重力是特別應當考慮的一項。舉凡地形的改變、物質(zhì)的搬運和堆積、氣團的運動、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 地球引力經(jīng)講過，重力最為明顯的表達，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，此外作為研究的對象來說，我們亦不去特別關注地層深處的重力狀況，而只接受它所帶來的對地表造成的后果。進而看到，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，這就是它所具的勢能。在陸地地表，亦有個別的點低于海平面，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化物質(zhì)填注，以補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，對此應有充分的認識，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的。 無論是從高處到低處的滾動、滑落、崩塌，還是通過河流的輸運，風的挾帶等，其中一個極重要的因素就是重力的參與。我們以一個在坡面上運動的巖塊為例，簡要分析一下重力的作用。由分析得知，重力的一個分力，即巖塊向下滑動的力，比例于所處坡度的正弦，當然還取決于這個坡面的摩擦系數(shù)。一克重的巖塊在坡度為45°時，向下滑動的分力為0.7克;而當該坡度等于60°時，這個分力將增加到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，將支持不住重力所引起的向下滑動的分力。事實上，比40°更為陡峭的自然坡度在全球是很少見的，因為如果有超出40°的角度時，重力作用將比較迅速地對此加以改變，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，我們對于其它星體產(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地球的引力。 月亮和地球的距離很近，約等于三十個地球的直徑，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，但對于地球上各個質(zhì)點的引力卻相對的要大一些。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，是月球-地球之間距離的四百倍，因此，它對地球的引力，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，兩個球體每月繞著這個共同的質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動。月球?qū)τ诘厍虻囊绷倘恢匾?，但這個引潮力的數(shù)量值卻并不太大，只相當于地球重力的千萬分之一。對于地球上一個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)?地球引力這種不大的引潮力，反應卻十分明顯。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)與月球有密切關系。此外，地球不是一個剛體，一般都認為它是一個具有彈性的球體，對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產(chǎn)生“潮汐”現(xiàn)象，叫做固體潮，每天都要升降達30厘米左右。當然地球?qū)υ虑虻囊绷Ω螅沟迷職ね黄鸷拖侣涞姆冗_到3公里左右。與此同時，地球上的大氣，也因為這種引潮力，每天都產(chǎn)生著“大氣潮汐”。至于海洋這個龐大的水體，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，當然各個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，也是一個具有一定意義的因素。康德在1775年，曾率先提出把漲潮作為改變地球旋轉(zhuǎn)速度的一個因素。近年來，在探討關于地震的預測預報中，也有人把潮汐力作為一個對地震起因的觸發(fā)因子。此外，對于自然地理來說，更為明顯的則是潮汐對于海陸交界處地形的變更作用，對于岸線的影響作用，以及對于波浪運動的作用等