问题

地球是在变大还是在变小啊?

回答
问地球是变大还是变小,这个问题其实挺有意思的,涉及到我们脚下这颗星球最根本的物理状态。简单来说,地球并不是在显著地变大或变小,至少在人类能直接感知的时间尺度上是这样。 但是,如果我们刨根问底,从更科学、更宏观的角度去审视,会发现事情并没有那么简单,存在一些细微的变化和更复杂的机制。

从我们日常生活的角度来看,地球的大小基本是稳定的。 你不会突然觉得房子和道路都变矮了,或者山川河流都离你远了。我们的感知系统是按照一个相对恒定的参照系来运作的。这种稳定感是基于我们所处的地质时间尺度非常短。

然而,科学上的答案要复杂得多,需要从不同的角度去理解:

1. 地球的体积和质量:长期稳定的核心

地核和地幔的稳定性: 地球的大部分体积和质量来自于其内部的岩石圈、地幔和地核。这些物质,尤其是地核,经过数十亿年的演化,已经基本稳定下来,不会像气球一样随意膨胀或收缩。地球的形状也相对固定,是一个略扁的球体。
板块构造的微小影响: 地球表面是活动的,由板块构造驱动。大陆板块在漂移、碰撞、分离,这个过程确实会改变地壳的分布和厚度,但这些变化相对于地球整体的巨大体积来说,微不足道,几乎无法察觉。例如,大西洋的海底在扩张,新地壳在生成,但与此同时,太平洋的某些区域也有地壳在俯冲消亡。这种“此消彼长”的动态平衡,从宏观上看,对地球整体体积的影响非常有限。

2. 那些可能让地球“变化”的因素(但影响微乎其微):

陨石和小行星的撞击(增加质量): 从地球形成至今,无数的陨石和太空尘埃落入地球,这无疑是增加了地球的质量。尤其是在早期,这种物质的积累更为显著。但即使这样,地球的总质量每年的增加量也极其微小,与地球本身的巨大质量相比,几乎可以忽略不计。
逃逸大气层和水分(减少质量): 地球也会有质量的损失,例如大气层中的某些轻元素(如氢、氦)在高层会逃逸到太空中。水分蒸发也可能以某种方式离开地球系统。但这些损失同样非常微小,远不足以抵消陨石撞击的增加量。
潮汐摩擦(减缓地球自转,但对大小影响不大): 月球和太阳的引力对地球造成潮汐,而地球的自转带动潮汐向前运动,潮汐又反过来对地球产生一种“阻力”,这个过程会使地球的自转速度极其缓慢地减慢。虽然这对地球的自转有影响,但它并不直接导致地球体积的收缩或膨胀。
内部热量和冷却(潜在但极缓慢): 地球内部仍然有热量产生(放射性衰变等),但同时也在向外散热。理论上,如果散热大于产热,地球会缓慢收缩;反之则会膨胀。但地球的内部结构和热力学过程非常复杂,这些效应的净结果在可预测的时间尺度内非常微小,并且可能相互抵消。科学界对此的普遍看法是,地球的内部热平衡已经相对稳定。

3. 一个非常有趣的“变大”的假说(但已基本被否定):

扩张地球假说(Expanding Earth Hypothesis): 在科学史上,曾经有一个“扩张地球假说”,认为地球的半径随着时间在缓慢增大。这个假说试图解释大陆漂移现象,认为大陆板块是被“撑开”的。然而,随着我们对板块构造和地球内部物理学的深入理解,尤其是对地球形成时期的质量和体积的计算,这个假说已经被绝大多数科学家否定了。证据表明,地球的平均半径在过去数亿年内基本是稳定的。

总结一下:

从我们日常感知和地质学的宏观视角来看,地球的大小和质量在人类有记载的历史以及可预见的未来都是非常稳定和恒定的。 你不必担心明天地球会突然变大或变小。

但是,如果我们追究最细微的科学层面,地球的质量是在非常非常缓慢地增加的(陨石撞击的贡献),同时也有极微量的质量损失(大气逃逸)。 而在体积上,由于内部热力学平衡和板块构造的精妙动态,其变化更是极其微小,难以量化,更不会出现显著的变大或变小。

所以,别担心,你脚下的这片土地,至少在你的有生之年,不会突然缩水或者膨胀到让你感到惊奇。地球是一个非常古老且稳定的大家伙,它的变化是在我们无法直接触及的漫长岁月中发生的,而且非常非常缓慢。

网友意见

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地球半径每年变化0.1毫米,也就是两根头发的直径,这个变化速度在统计学上被认为是微不足道的。[1]

(题主那个引力坍缩先不提,这是没搞清楚原理,直接把大质量恒星的性质错误套用在行星上了。简单的说,就是地球质量太小,微弱的引力不足以抵抗构原子之间的力,不能形成引力坍缩。)

从盲猜到实测

从开尔文和达尔文的那个年代开始,科学家们就一直在猜测地球是变大还是变小。毕竟地球表面的构造一直在不断地变化着。

其它回答有提到,地震和火山等的构造力量会将山脉推得更高,而侵蚀和山体滑坡又会消磨掉造山运动的影响;厄尔尼诺和拉尼娜等大规模气候事件会重新分配冰山和水体;陆地两点之间的距离也在不断变化着[2]

虽然后来板块理论的大规模运动说逐渐被世人接受并解释了很多疑问,但仍有一些科学家继续在猜测地球膨胀或收缩的可能性。

实践是检验真理的唯一标准。

为了进行测量,西方科学界首先建立了一个毫米级的“国际地球参考框架”。(中国也利用北斗基准站网观测数据建立了厘米级的“国家大地坐标参考框架”。[3][4]我们日常用到的GPS定位导航就有一部分要归功于这个框架系统。

有了这个框架,再借助卫星的高精度的空间大地测量数据,科学家就能算出地球半径变化了。这些大地测量数据包括[5]

  • 卫星激光测距:以毫米级的精度,测量超短光脉冲从地面站到卫星的反光镜并返回所需的时间数据;
  • 甚长基线干涉测量:用多个射电望远镜同时观测卫星得到相关数据;
  • 全球定位系统:GPS数据,这个就不解释了;
  • 卫星多普勒定位系统——通过频移测量确定卫星轨道和定位,并反过来能提供地面定位的数据。

二十多年,从精心挑选出的全球站点网络获取的数据积累下来,能为科学家提供一个相当完整而精确的地球尺寸模型。

但这个数据的准确性会受到有限地面测量站点数据的“污染”。举个极端的例子,如果所有测量站都位于挪威,那么数据将表明地球正在变大,因为像挪威这样的高纬度国家的局部海拔仍然在上升。那么,科学家如何确保框架的准确性呢?是否有更全面更准确的大数据呢?

决定性的证据,来自于2002 年 3 月 17 日发射的GRACE极轨卫星(2017年坠毁)以及2018年发射的GRACE-FO卫星。[6]

当年由吴晓平领导的JPL实验室国际科学家团队,通过分析卫星提供的地球引力数据以及海底压力模型数据,同时考虑到其他地球物理过程的影响,最终为地球膨胀/收缩理论做出了合理的判断。

吴晓平表示:“我们的独立研究证实,当前的测量数据表明目前地球并没有在统计学上的变大或缩小。[7]

至于其它答案中所提及的大气逃逸、陨石尘埃捕获、还有什么火箭发射之类的,与地球的体量比起来,就好像螨虫与人体的比例,微不足道。不过,虽然整体来看地球没有变大缩小,但局部一直在不断变化,而气候变化是最主要的核心原因。这个就是另一个话题了,以后有相关的提问再答吧。

参考

  1. ^ 不考虑水体变化,
  2. ^ https://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/earthshape.html
  3. ^ http://ch.whu.edu.cn/article/id/5879
  4. ^ 相关数据可用于洲际导弹瞄准,是军事敏感数据。所以中国要自己再搞一次。
  5. ^ https://www.nasa.gov/topics/earth/features/earth20110816.html
  6. ^ https://earth.gsfc.nasa.gov/geo/data/grace-mascons
  7. ^ by《地球物理研究通讯》

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