揭秘：地球引力场 科学探索系列5

 

　　

　　任何两个有质量的物体之间都存在万有引力，地球对于表面和地球之外物体的引力来自地球全部物质对这个物体引力的集合。重力就是物体实际受到的地球引力，是万有引力和相对运动产生惯性力的合力。所有重力作用相等的圈层构成了地球引力场。

　　

　　距离地心同样的长度，纬度越高，受到的重力作用越大，质点趋向受力较小的低纬度地区，所以地球变得扁一点；沿地心辐射线，纬度越高离心力递减越快，所以地球引力场越向外层变的越扁、变化的幅度越大。各个圈层按照比重依次排列塑造了地球。其中地核的变化微乎其微，海洋、岩石圈形成近圆椭球体，大气层形成更扁的椭球体。

 

　　人们普遍认为海拔越高，重力加速度越小，纬度越高重力加速度越大……教科书上就是这么写的，其实完全是错误的。

　　

    地心重力为0，无限远处重力为0，由地心向上，到海拔 80公里的中间层上沿，这里才是地球引力最强的层面。这个层面的一个显著特征是,在这个界面以内大气层“均衡”的角速度和地球自转角速度相同，近地大气层才能够稳定的跟随地球自转。那么从力的角度可以很简单的证明：自转角速度相同的情况下，在（海拔80公里左右）这个最大界限地球的自转线速度及半径最大，代入向心力公式 F=mv²/r ，重力作用强度亦即重力加速度当然是在中间层上沿最大。

 

     这个层面以上万有引力开始不能完全锁定空气分子，越向上空气分子越活跃，形成了绵延几千公里的暖层和电离层。人造卫星穿行在非常稀薄的大气里,它的动能会被慢慢消耗,结果就是越飞越低；一旦它的运行轨道切入地球最大引力的界面，马上就会掉落下来，这个界面以内不允许环绕天体存在，所以这个层面又称重力吞噬界面。为了延长人造卫星的寿命，科学家需要定期给它增加动能，把它拉回原来的轨道，成本高昂。

　

  　我们平常总是见到水从高处流向低处，哪怕高低仅仅相差一点点，这种作用都非常精确。其实高处和低处它受到的同样是向下的重力，水向低处流不是因为低处的重力更大，而且恰恰相反。中间层以内，包括地球内部，距离地心越远重力作用越大。因为物体总是迁往受力较小的方向，密度大的物质趋向地心，决定了岩石圈、水圈、大气圈由内而外的的顺序。人类可以航天、探月、发射卫星，却忽略了最基础的知识。

　　

  　地球引力场的理想状态是不存在陆地的，地球表面应该被海水均匀地覆盖。地幔物质存在对流，上升段对地壳下表面有增压作用，下降段对地壳下表面有减压作用。地壳随之起伏，海水从高处流到低处，一部分地壳就有机会露出了海面；同时地球内外存在热交换，由于裸露的地壳传递热量比海底的地壳快，内外温差大，岩浆更容易在下表面凝结，形成了一边加厚一边长高的优势循环，直到跟重力作用达到平衡。这就是陆地的成因。

　　

　　至于上升段剥蚀作用较大，下沉段析出作用较大是相对而言的。正因为上升段温度比下沉段高得多，上升段温度降到2000℃岩石就开始析出，而下沉段温度要降到几百℃熔点低的物质才能析出。

　　

　　陆地的成长就象牙齿之生长。能够正常咬合的牙齿，磨损多少就会生长多少，缺少压力的畸齿最后就会长成那种暴牙。所以理论上水土流失了多少，地球就会弥补多少。虽然水土流失的速度确实惊人，但是唯独不必担心陆地会因此而消失。

　　

　　陆地是一种稳定的、大规模的热效应改变了引力场造成的。事实上，因为日、月等天体潮汐力的影响，地球的引力场时时刻刻都在变化。表现特别激烈的就是引力异常区。比如著名的百慕大三角区，由于地质特殊或者地壳坚固、厚实，潮汐来临不易起伏，周围的海水、大气就要进行代偿。以致于有时候潮差可达二十米，形成一块独立水体，一来一去的海水形成大大小小的旋涡。风高浪急伴随天气骤变，极易造成海难事故。而且正因为地壳不一同起伏，岩浆的能量得不到释放，也可形成旋涡，从而改变局部磁场，造成指南针失灵、通讯中断。神秘的百慕大三角区，就是这样一个经常轮船失踪、飞机失事的地方。

　　

　　严格来说，由于地壳的拘限性，海洋、大气的流动性、补偿性，山区、海边多数都算地球引力异常区。引力异常通常都是潮汐作用引起的。由于其它天体的引力，造成地球引力场的改变，使地球的岩石圈水圈和大气圈有规律地起伏变化，这就是潮汐作用。

　　

　　地球上的潮汐作用主要是日、月引起的。月球距离地球相对近得多，因此产生的潮汐力大约是太阳的2.2倍。月球公转周期27.32天，对应地面上大约29.53天。每29.53天分别经历一次望月和一次朔月。望月和朔月的潮汐作用和太阳的潮汐作用叠加，会产生一个月最大的两次潮汐。潮汐作用对地球生态圈的影响深刻、复杂。夏历已经有24节气，15天一个节气，说明古人很早就发现了潮汐的规律性。气候等有规律的变化，不仅影响农业生产，甚至还在生物的遗传基因上留下了烙印。

　　

   潮汐作用过程中，最直观的是海洋的潮汐，最不易察觉的是岩石圈（陆地）的潮汐，而变化幅度最大的是大气潮汐。据估计大气潮汐幅度是海洋的*倍，是陆地的*倍。

 

    潮汐作用可以诱发地震，但绝不是形成地震的因素。潮汐作用频繁但不持久，地震的应力却需要漫长的积累。正常的地壳都有一定的弹性，经过地幔物质长期的、单一的或推或拉的持续作用，地壳的弹性达到了极限，潮汐作用才有可能成为压垮骆驼的最后一根稻草。

　　

　　某些特殊情况，潮汐作用确实可以造成灾害。其中台风非常典型。

　　

　　夏天热带的海面上，温度高，湿度大。潮汐来临的时候使空气迅速上升，周围湿热的空气来补充，在地球自转偏向力的作用下形成向内的风旋。湿热的空气在上升途中凝结成水滴，又在高空凝结成冰晶，整个过程都是放热的反应。放出的热量、产生的负压加速了空气流动，成为新的动力，从而使之愈演愈烈。几个风旋还可以融合，融合以后的风旋更加壮大。发展成大规模的风旋就称为台风。台风产生于热带海面上，因为地球自西向东自转，台风受到潮汐诱发和驱动是自东向西，因此全球大部分台风在大陆东海岸登陆；又由于地球自转偏向力的作用，多从低纬地区偏向高纬地区运动。因为潮汐有固定的周期，每年的台风一般也很有规律，甚至还有各自的名字。台风会带来暴雨和风灾，尤其对沿海地区危害很大。我国是台风灾害最重的国家之一。基于它的动力机制，全球变暖可能会导致台风的活动更加变本加厉。

 

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　  潮汐作用带来了丰富的风能和潮汐能，而且都是取之不尽、用之不竭的清洁能源。潮汐作用带来的风能和潮汐能，不管能不能被人利用，最后都要转化为热能；月球作用在地球上的潮汐力同时会产生一个力矩，对地球自转起到刹车的作用——那么，地球是否越来越热同时自转越来越慢？……根据天体热动效应：地球的自转速度取决于拥有（获得或者损失）的热能，多余的热能又会转化成地球自转的动能，地球的总能量不变，问题迎刃而解。

　　

　　近年人们发现月亮的公转半径每年都要延长3厘米以上。月球“渐离地球”，恰恰是地球变暖的精确的连锁反应。根据天体热动效应，全球变暖，地球自转速度加快，引力场向赤道外膨胀，引力等位面扩展,月球原来的轨道上引力变大，月球继续运行在引力等位面，就会“渐离地球”。由于地球的引力变化的范围有限，影响也是近大远小，月球远离的距离同样有限、速度必将趋缓。

 

　　太阳质量巨大，但是因为距离地球遥远，所以对于地球物质的引力相对均匀。由于太阳的引力改变了地球引力场,地球大气层正面变薄，背面变厚，形成似鸡蛋的背离潮。背离潮的本质是因为：万有引力和离心力大小相等方向相反的一对平衡力，离心力是天体运动产生的所以作用均匀，而万有引力的作用前半部分大于后半部分，距离天体质心最长的半径端就要趋向后面。 　　

　　

　　月球虽然质量较小，只有地球质量的1／80，但是距离地球相对很近，因而施加到地球前半部分的引力大于后半部分，这种力差使地球引力场产生纵向膨胀。正对月球的半面向外突起，背对月球的半面同样会产生背离潮。看起来两个突起的幅度几乎是对称的。

 

　　月亮永远是用固定的一面朝向地球。月球体积很小，液态核心的比例也很小，又无法吸引大气，在地球引力的作用下，就象磁场中的指南针，相对自身质心势能大的一端会向外，类似的小星球固定的朝向也是背离潮现象。你相信吗？太阳对月球的引力比地球更大！地球引力能锁定月球，是因为太阳的引力更均匀。

　　

    背离产生在引力的反方向上，是宇宙中普遍存在的现象。全部的行星、卫星、有大行星环绕的恒星以及互相绕转的恒星都应该有背离现象。

　　

　　人们一直以为彗星的尾巴是太阳风的压力吹出来的，并且据此推测彗星的成分应该包含大量的水、空气和尘埃。笔者斗胆质疑：近日点还罢，彗星的远日点多远啊，太阳风有那么强吗？如果太阳风真有那么强，这么多年恐怕再大的尾巴也削掉了吧……大气层的背离现象同样被认为是太阳风吹出来的，其实彗星的尾巴、大气层的背离现象和月亮的固定朝向一样，都属于背离潮。月球上没有大气层，月球表面厚厚的尘埃一直是人类登月计划中的难题，即使这些尘埃裸露在太空中，却没见过太阳风掀起一丝微尘。

 

    木星体积巨大，质量是地球的318倍，是其它七大行星总和的2.5倍还多。木星在对应的太阳背面也会产生背离潮，当它运行到近日点的时候，太阳背面产生的背离潮最强烈。我们看到的太阳黑子、耀斑周期性活动，其实就是木星在太阳上的潮汐作用。木星绕日公转的周期是11.8年，所以太阳黑子活动的周期也应该是11.8年。只不过黑子活动期间，如果地球也运行在近日点这边，观察到的机会就短，如果运行到远日点这边，看到的时间就长。所以在地球上看起来，黑子活动有时候仅仅几天，有时候长达几个月，人们记录的间隔并不准确，传统的就误会黑子活动周期是11.2年，然后百多年来以讹传讹。

 

　　木星冲日（在近地点）的时候对地球也肯定有影响，只是木星轨道远在外围，作用正好跟太阳产生的背离潮抵消，即使这种影响很大，仍然被昼夜的变化抵消和掩盖了，可能感觉不到；而太阳引力在木星上的背离潮，从地球的视角看，正好发生在木星的背面，成为不为人知的一面。

 

　　经典力学始于行星的研究，要不也根本验证不了万有引力定律。但是按照万有引力定律，行星的轨道都应该是圆的，八大行星的公转轨迹应该是大大小小的圆，但实际情况显然不是这样的。八大行星的公转轨道都是椭圆的，太阳处于这些椭圆共同的一个焦点上。即使这样也被人找到了规律。现在借助开普敦三大定律和万有引力定律，人们可以精确的推算行星的运动规律。为什么行星的公转轨道是椭圆的，并且具有固定的朝向，人们怀疑这种现象是其它天体的引力造成的，为什么不可以进一步认为是一个星系的背离现象？把太阳系当做一个整体，太阳系的所有物质都处于太阳引力场，那么，所有物质的运行轨迹，就是太阳引力场的圈层。行星运行到近银河中心这边，受到的太阳引力受到削弱，为了保持它的能量就要靠近太阳一些；运行到对应的那一边，受到的太阳引力叠加了这个天体的引力，为了保持它的能量就要远离太阳一些。星系背离潮是引力场的变形，上朔到星云可能更容易理解。

 

　　星云假说认为太阳系是由星云凝缩而来，能够解释很多现象。笔者的理论还可以做一部分补充。比如：八大行星公转轨道为什么近似在同一个平面上？

 

　　　因为太阳质量巨大，占整个太阳系已知质量的99.8%，太阳本身在自转，太阳赤道面膨胀，太阳引力场同时变扁，距离太阳核心相同的层面，与赤道相交的地方引力最大。换句话说，太阳引力相同的层面赤道相交的地方距离日心最远，根据用线速度表示的向心力公式 F＝mV²/r 向心力F和质量m不变，V²与r成正比，半径r越大所能保持动能mV越大，绕日物质就会逐渐趋向太阳赤道的平面。八大行星都是这样，只有在遥远的柯伊伯带，小行星的轨道与太阳赤道面夹角才开始变大一点，这完全合理。

 

 　　星云一边自转一边收缩的过程中，由于角动量守恒，越向中心转动的速度越快；邻近的物质相互吸引，积累到一定规模，会对周围的物质产生吸积作用。因为吸积的过程中，向内跃迁的物质动量变大，向外跃迁的物质动量变小，因而形成了行星的自转。除金星、天王星之外的几大行星都是这个原因。

 

　　原始的太阳不断地聚集、长大，作为中心，自转速度应该非常大。长大的过程中，核心的温度、压力也在持续升高，直到启动了核聚变。核聚变使内部压力骤增，同时却削弱了自转速度。这样汇聚成长的过程中,通过压力渠道，自转动能逐渐转化成了非矢量的热能，太阳温度越来越高，自转速度也越来越慢。

 

    太阳是宇宙中比较小的恒星，比太阳大几十倍几百倍的恒星比比皆是，茫茫宇宙，甚至存在比太阳大千万倍的恒星。质量越大的恒星，内部能够提供的温度、压力越高，产生的核聚变反应也越剧烈；而且质量越大的恒星，内部即时参加核聚变反应的物质所占比例通常也越高——因此越大的恒星寿命越短。有理由怀疑，科学家费尽心思寻找的暗物质，可能就是死寂的恒星。首先他们质量巨大，本身不再发光又距离遥远，很难从宇宙背景辐射中区分出来。

 

　　太阳形成之初，自转速度几度变化，引力场也一同改变。对远处的物质影响较小，对附近的物质却很大。太阳自转速度骤然加快，引力场向外扩散，附近物质涌向外层轨道，造成一个内层速度小于外层的区域。这个区域吸积形成的行星就是现在的金星，是八大行星唯一逆向自转的行星。

 

　　同理，引力场的波动在另一个区域形成了平流层。平流层的物质运行的角速度相同，所以没有交错吸积的机会，不能形成较大的行星。亿万年过去了，演变成了现在的小行星带。

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 　　形成行星的过程中，体积悬殊的两者靠近产生吸积作用。如果体积相差不大、同向自转的两者彼此吸引，产生俘获或者合并。俘获使它们拥有了各自的卫星；而合并的结果会颠覆它们原来的极性。天王星可能就是这种情况，现在几乎是躺在公转轨道上自转。

 

　　行星形成之初物质的分布，决定了太阳系行星的密度，形成了构成行星物质的多样性和丰富多采的宇宙奇观。 

　　

    从地球写到宇宙，从引力场写到宇宙演化，越扯越远了……有心《斗破苍穹》，奈何头疼得厉害，大夫说患了脑供血不足症。努力写完了，比较散乱……敬请读者谅解。

 

    时值国庆，祝愿祖国：科学昌明，政通人和。