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第四講 似梨非梨(地球形狀)
更新時間: 2018-10-21

“不知廬山真面目,只緣身在此山中?!比祟惥幼≡诘厍蛏?,對于地球形狀的認識經過了一個漫長的過程。

最早,人們通過天文觀測(日蝕、月蝕等),推測地球為球形,并通過天文—大地測量等手段,得知地面沿經線變化1度的平均長度約為111.2km。我國唐代天文學家張遂(僧一行)獨立得出該參量,其誤差小于20%。

后來,人們發現了地球的自轉運動,并且把重力測量引入地球形狀的研究,才逐漸認識到地球并不是一個正球體,而是一個赤道略凸、兩極略扁的橢球體。人們曾形象地把它比喻為“橘子”。

20世紀50年代以后,人造地球衛星上天。人們不僅可以從幾十萬公里的高空給地球拍攝照片,直接領略地球的形狀,也可以通過對衛星軌道攝動的測量了解地球形狀的細微變化。進而在橢球認識的基礎上,發現南北形狀的不對稱性,提出所謂“梨形”地球的正確認識……其實,地球基本上為球形。所謂“橘形”地球,其扁率為〈地球長軸-地球短軸〉/(地球長軸),約為1/297。而認識所謂“梨形”地球,要付出多少智慧和代價!

人們常常提出這樣一個問題:地球表面崎嶇不平,大陸有高山,海底有深溝,其變化已逾幾千米。所得地球形狀的南北極高度差異,僅僅十幾米,它遠遠小于地面的實際起伏。這有什么意義呢?在地球物理學中所講地球形狀絕非地球的自然表面形態,而是有著明確物理含義的重力等位面的形狀。這個重力等位面在大洋里,與一個平靜的海平面重合,而在大陸上,則是這個平靜海平面的自然延伸。整個地球被這樣一個大地水準面包圍起來,在這個面上待命的輪船,將不因為重力作用而消耗能量。顯然,這個大地水準面的形狀是由地球整體的質量分布決定的,因而它的形狀,就是地球的形狀。

既然地球形狀與地球整體質量分布有關,那么,如何由地球的形狀研究其內部質量分布呢?讓我們看一個例子:按照剛體轉動理論,一個均勻球體的轉動慣量c=0.4  ma2m為地球質量,a為地球半徑)。但是,根據一個橢球體在日月引力作用下的進動速率計算,可以得到地球的實測轉動慣量  =0.3307ma2。為什么兩者的轉動慣量值不同、且實測值小于理論值?因為地球并不均勻,質量向中心集中。這個結論,進一步得到地震學、重力學和地球化學等多方面研究結果的支持。

實際上,地球形狀的研究還應包括固體潮汐的研究、負荷潮汐研究以及某些構造帶的局部變形研究(稱為大地形變)。這些研究結果,不僅有科學價值,而且在地震預報和太空飛船運行等方面有實際價值。


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