宇宙中的行星地球
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宇宙中的行星地球――起源和演化
地球是属于太阳系中的一颗行星，在了解地球起源及演化前先了解太阳系的起源。
§1.地球――人类在宇宙中惟一家园
1.1太阳系的结构
太阳系：是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。
太阳是太阳系的中心天体。太阳的质量占太阳系总质量的99.865%，太阳的引力控制了整个太阳系，使其他天体绕太阳公转。整个太阳系中，只有太阳是一颗有热核能源辐射的发光恒星，其他天体主要被太阳光照射后反射光线才能发亮。
小行星：除九大行星外，还有大量小行星分布在火星与木星之间绕日公转。估计小行星总数多达几十万颗，已正式编号的有7 625颗（截止1997年4月22日）。有的轨道离地球很近，但总质量只有地球的万分之四。小行星除质量、体积微小外，相互之间物质成分的差异也很明显。
彗星：以其特殊的明亮长尾和周期性地出现在夜空而引人注意。迄今已知的彗星约1600多颗，每年能观测到的彗星约10个，其中新发现的约占50%。彗星的轨道有抛物线、双曲线和椭圆三种类型，只有后一种椭圆轨道的彗星才能绕太阳公转，前二种一旦出现后不再回到太阳系。彗星的质量、密度很小，当远离太阳时只是一个由水、氨、甲烷等冻结的冰块和夹杂许多固体尘埃粒子的“脏雪球”。当接近太阳时，彗星在太阳辐射作用下分解成彗头和彗尾，状如扫帚。
行星际物质：太阳系内密度分布不匀，在地球轨道附近的平均密度为5个正离子加5个电子每立方厘米。
1.2 太阳的能量
（1） 太阳的热核反应
作为太阳系中心天体的太阳，是距地球最近的一颗能够向空间辐射光和热的恒星，也是地球外部能量的主要来源。对地球上的人类来说，太阳是地球以外最重要的天体。
太阳表面的温度约为6000k（=5726°C），所以看起来呈橙黄色。中心部分温度推测可高达1.5×107K, 密度达到水的160倍。在这种高温、高压条件下，组成3/4太阳物质的氢元素会失去外层电子，仅剩的内部原子核中的质子以极大速度运动时可以克服彼此间的静电斥力，发生猛烈的碰撞，由4个氢原子核聚变成为1个氦原子核。这种不断进行的热核反应，使太阳成为一所巨大的天然原子能工厂。
（2） 太阳辐射和质量损耗
由于太阳体积的巨大和热核反应频频发生，就能源源不断地以电磁波（含可见光、紫外线、红外线、无线电波、X射线和γ射线）的形式向四周放射能量，是整个太阳系光和热的主要源泉。
太阳辐射输出可以作如下计算：在日地平均距离（1.4961×108km）出的地球大气顶界，垂直于太阳光线的1cm2面积上，每分钟接受的太阳辐射能量称为太阳常数，以热量单位表示为8.25J。
根据太阳常数乘以假设被太阳光垂直照射的半个地球圆面积，就可获得一分钟内太阳向地球辐射输送的能量，一年中太阳给地球的热量是目前全世界发电量的几十万倍。从太阳系整体角度看，地球吸收到的热量仅是太阳辐射总量中的很小一部分。太阳在大量释放能量的过程中（假定能量辐射率基本不变），50亿年累计损耗的质量只不过是太阳全部质量的0.03%。根据银河系内部不同演化阶段的恒星演化史推算，太阳现在仍处于壮年期，它的寿命估计可达到100亿年。所以从人类历史的时间尺度来看，太阳的热核反应和能量辐射是取之不尽的能量来源。
（3） 太阳活动与黑子周期
太阳正处于中心区氢核聚变而辐射巨大能量阶段，总辐射量变化不到1%。太阳表面的大气圈从里向外分为光球、色球和日冕三层，其中灼热的等离子气体密度很小，直接受太阳磁场的支配处于局部的剧烈运动之中，成为太阳活动（solar activity）。太阳活动的最基本标志是日面光球上经常出没的“暗黑“斑点，即黑子（sunspot）。黑子其实也发光，只是因为温度比周围光球低1 000℃左右，在明亮的光球反衬下看起来呈现暗黑色。黑子在日面的移动可以证明太阳也有自转，其赤道部分约25日自转一周。黑子分布范围主要集中与日面南、北纬5°～25°之间。每个黑子周期开始时，黑子一般出现在纬度±30°附近；黑子数最多的高峰期，则出现在纬度约±15°处；黑子周期结束时，赤道附近的黑子又都消失，下一个周期的黑子又开始在纬度±30°附近出现，黑子时空分布形状很象一群蝴蝶，故又称蝴蝶图。平均长度为11.1年的黑子周期已获得公认。
太阳黑子群的耀斑爆发，可以在一二十分钟内释放出相当于10亿颗氢弹爆炸的能量，抛出的大量高能粒子流到达地球附近时，扰乱了地球磁场，类似地球磁场突然发生一场风暴，成为磁暴。磁暴发生时会导致地球上短波无线电通讯中断、罗盘指针剧烈颤动而失去作用和变压器受损而大停电等现象，对于人类的通讯、生活、军事等活动造成直接危害。
1.3 行星地球基本参数
(1)日地距离及旋转周期
日地平均距离是地球半径的两万多倍，日地之间光速传递需要约8分钟，这个庞大的距离定义为1个天文单位(AU)。AU是太阳系内表示天体距离的常用单位。从太阳系行星接受太阳辐射能量角度看，1AU是最佳的距离。加上地球公转和自转的周期适当，存在四季变化和昼夜交替，使地球表面均匀地适量吸收太阳辐射能量，地表平均温度在15℃左右，有利于液态水圈存在和生命万物生长。
(2)体积和质量
逃逸速度即表面物质脱离本星体引力必需达到的速度。类地行星和冥王星的体积和质量都比较小，相应的逃逸速度也明显小于类木行星。但地球的体积和质量在类地行星中属于最大的，其逃逸速度需要11.2 km/s。在地球表面任何物质都逃不脱地球引力的影响，包围在地球最外层的大气圈才得以保存。而其他类地行星则大气层很稀薄。
类木行星体积和质量较大，逃逸速度高出地球的2～5倍，都能保持大气圈。大气成分以氢、氦为主，也有甲烷、氨和水等，只不过由于星体表面温度太低，使氨和水大部分都冷凝为冰态。
在九大行星的大气圈成分中，惟独地球大气中氧含量高达21%，为高级动、植物的呼吸作用提供了良好基础。高空氧在太阳紫外线作用下形成的臭氧层，在吸收太阳紫外辐射以保护地球表面生物界不受侵害方面，也是地球得天独厚的有利条件。
(3)密度和内部物性分异
类地行星的密度明显大于类木行星，较小体积星体具有较大密度，反映了类地行星物质组成中以重元素为主，具有坚硬的岩石圈外壳和金属或金属硫化物核部。地球的密度达到5.52 g/cm3，在九大行星中名列第一，更证明金属核占有重要的地位，也可能存在某种超密物质。
地球坚硬的岩石圈能贮存液态水圈，并在物理、化学和生物作用下形成土壤圈，为高等动、植物生长发育提供理想条件。类木行星密度很低，星体表面都呈气态和液态，高等生物无法生存。
地球内部存在核、幔、壳不同层圈分异，不同层圈之间经常发生物质-能量交换事件。而液态导电的金属核较快旋转导致形成的永久性偶极地球磁场使地球在太阳风作用下形成磁层，可以阻挡和捕获来自太阳和其他宇宙天体的高能粒子，对于保护生物界免受损害同样具有重要意义。
综上所述，通过比较九大行星各项基本参数及其与地球内外不同圈层特征的相互关系，地球确实是得天独厚的幸运儿，恰好具备有利于生命演化和人类发展所必需的多种自然条件。无论是哪一项参数，只要稍有改变，对生物界和人类的生存都会引起严重的甚至毁灭性的后果。
§2.地球在太阳系中的运动
2.1 地球自转与昼夜交替
(1)地理坐标系
地轴，北极，南极，赤道，纬线，经线。
(2)天球坐标系
与地球的实体概念相反，天球是研究天体的视位置和视运动而引进的一个假想的圆球。
天球实际上是将地球的地理坐标系扩展为以无限长为半径的球体：
将轴无限延长称为天轴，天轴与天球相交的两个点即天北极和天南极。
地球赤道无限扩展与天球相交的大圆圈，就是天赤道。
地球绕太阳作公转运动（由于地球的自西向东自转，人们看到的则是每日太阳东升西落的现象），太阳在天球上每年的视运动路线称为黄道，也就是地球公转的轨道。
黄道面（地球公转轨道面）和天赤道面（地球赤道面）之间存在的夹角(23°26')，称为黄赤交角。
黄道面法线在天球上的交点称为黄极。
月球绕地球公转轨道在天球上的投影，称为白道，与黄道之间仅有5°9'交角，反映月球和地球的公转轨道面相当接近。
(3)地球的自转
地球绕地轴旋转的方向为自西向东，即从北极上空俯视呈反时针方向旋转。
自转速度——有角速度和线速度两种。角速度是物体整体转动时的转动速度，单位为弧度／秒，地球自转角速度除两极点外，到处都是每个恒星日360°，每小时约15°。线速度是质点作圆周运动时的切线速度，地球上各点的自转线速度并不相同，赤道上线速度最大，为464m／s，到南北纬60°处几乎减少一半，到两极则为零。
(4)昼夜交替和标准时区
为了在全球范围建立一个既有相对统一性，又保持一定地方性的完善时间系统，人们在地球表面按360°经度划分出24个理论时区及国际日界线。每一时区跨经度15°，并以本初子午线所在的时区为零区，向东和向西各自依次为东1区、东2区……东12区及西1区、西2区……西12区。每一时区的东西界线距各自中央经线均为7.5°，就采用中央经线的地方时作为全区的标准时间，称为区时。
(5)地转偏向力
地转偏向力＝科里奥利力
由于地球自西向东自转，地球上的运动物体的运动方向依惯性原理而保持原有状态，则在北半球出现物体运动偏右，在南半球物体运动偏左的现象。这是地转偏向力作用的结果。
科里奥利力（地转偏向力）的计算方式：
F＝2mνωsinΦ
其中，F为科里奥利力，m为运动物体质量，ν为其水平运动速度，ω为地球自转角速度，Φ为地理纬度。可见F的大小和运动物体质量、速度和纬度的正弦成正比，相同质量和速度的运动物体，F随纬度增高而加大。
地球自转速度是不均匀的。其变化与地球不同圈层中出现的多种突发性事件之间可能存在广泛而深刻的联系，但其机制至今未知。
2.2 地月关系
（1）月球基本参数
月地距离：月球是距离地球最近的天体。已经测得的月地平均距离是384，401±1 km，约为地球半径的60倍，是日地距离的1/389。
月球大小：月球的半径约为地球半径的3/11。月球表面积约为地球的1/4，比亚洲面积略小。月球的体积仅为地球的1/49。
月球质量：总质量相当地球质量的1/81.3。月球的平均密度相当地球密度的3/5。月球上物质重力分异程度较低，内部缺乏金属核，因此几乎没有磁场。月球上的逃逸速度仅为地球的1/5左右。同样质量的物体在月球上的重量只及地球上重量的1/6。月球上无法保持大气圈和水圈，也缺乏磁层包围，无论是太阳系中的大小不等固体岩块、尘埃还是各种高能粒子流、宇宙线，都可以直接轰击月面。所以月面满布各种陨击坑，既无生命存在的痕迹，也是听不到声音的万籁俱寂世界。
（2）月球的旋转
地月系：月球是地球的惟一天然卫星，在太阳系所有卫星和本行星大小对比关系上，月球是最大的一个。因此，有时可以把地球和月球看成是两相伴随的双行星系统，即地月系。地月系具有一个共同质心，其位置在地球内部，距地心 4,671km处，地球显然是地月系的中心天体。
月球的公转：由于地月系的存在，月球围绕地球的公转在严格意义上是绕共同质心的旋转，地球的公转实际上也是绕共同质心而运动。月球公转的轨道是个椭圆形，所以在公转周期内存在近地点和远地点的差别。月球在轨道上运动的速度，在近地点时快，远地点时慢。
月球公转周期：因计量公转周期的参考点不同，也有不同定义。最常用的有：恒星月是月球中心连续两次由西往东回到同一恒星方向上所经历的时间，是月球公转360°的真正周期；朔望月是月球连续两次新月（朔）或满月（望）所经历的时间，与日常生活中一个月内的月相变化周期一致。朔望月比恒星月长。
月球的自转：月球绕地球公转时，大体上以同一面向着地球。所以我们在地球上只能看到略大于半个月球(59%)的面貌。这也反映了月球自转周期与它的公转周期相等，都是一个恒星月；月球自转和公转的方向相同，都是反时针的方向。
(3)天文潮汐和地球转速度慢
月球和太阳的引力都会使地球发生周期性变形现象，称为潮汐变形。这种作用在地球流体圈层和固体圈层中都会产生影响，但以海洋的潮汐涨落表现最为突出。
月球引力使地球上靠近月球的海洋凸出；地球旋转产生的离心力在近赤道产生凸起。
海洋潮汐(tides)现象起因于天体（主要是月球）的摄引作用。月球对地球的引力作用与地月之间的距离有关。地球上的近月端比远月端距离月球近12870 km。这就意味着月球对地球的近月端的引力最大，而对远端的引力最小，地球中间的部分受的力在最大力和最小力之间。
地球向月突出部分（月垂点）离月亮最近，受到的月球引力大于以地心所受月球引力为代表的全球平均值，这个差值导致产生面向月球的引潮力，月球把地球面向它这边的水向自己的方向吸引，在海面形成潮汐隆起。地球背月部分（反垂点）离月亮最远，月球对地心的拉力作用比对反垂点要强，所以地心就被拉向远离反垂点的水体，这样在海面也形成潮汐隆起。于是海洋潮汐作用引起全球海平面变形，使地球整体由正球体变成橢球体。
潮汐作用不仅导致海面垂直涨落，也产生自高潮区向低潮区的水平流动，称为潮流。潮流对海底的摩擦作用称为潮汐摩擦。由于海水粘性及海底摩擦，潮汐隆起在向西迁移过程中总是滞后于月垂点，即位于垂点以东。这种月地间引力作用偏离地球中心的现象，导致产生力矩，即月球对于地球的引力有一个向西的分量，对于自西向东自转的地球起了减速刹车作用，见下图。经过大量观测资料的收集和计算，潮汐磨擦能导致地球自转速度长期减慢的学说已经得到普遍承认。
观察者位置——月球
从全球看，一些地方涨潮，则在另一些地方落潮；反之亦然。潮汐涨落是通过海水的流动实现的，流入则涨潮，流出则落潮。
2.3 地球轨道参数
地球公转环绕的是日地共同质量中心，这个中心距日心仅450km。对于具有近7×105km半径的太阳来说，可以忽略不计，也可以视为地球质心围绕太阳质心的转动。地球公转方向和自转相同，也是自西向东，从北极上空鸟瞰，均呈反时针方向。
(1)偏心率
地球公转轨道呈椭圆形，太阳位于椭圆的二个焦点之一的位置上。椭圆的长轴与短轴之差＝焦点矩，1/2焦点矩与半长轴的比为偏心率。
地球在椭圆形轨道上公转，日地距在一年内发生周期性变化，每年1月初离太阳最近称为近日点；7月初离太阳最远为远日点。据开普勒定律在单位时间内地球与太阳连线在地球轨道上扫过的面积相等。所以地球公转速度在近日点时最大,远日点时最小)。
(2)黄赤交角
由于黄赤交角的存在，太阳在天球上周年运动的同时，还表现为相对于天赤道的上下往复运动，称为太阳回归运动。太阳在天球上所能达到的南、北界线，称为南、北回归线。太阳相对于天赤道的回归运动，使太阳光线直射的范围在南北纬23°27'回归线之间作周期性往返运动，从而形成地球上的春夏秋冬四季更替和气候分带现象（见书图1－17）。
夏季
阳光
冬季
(3)岁差
黄赤交角天球模型中，如果地轴（赤道面的法线）不改变方向，春分点位置不变，回归年与恒星年应当相等。但通过大量观察发现春分点沿黄道存在由西向东逐年缓慢后退现象，称为岁差(precession)。
岁差现象的根源是地轴发生进动。物理学中，将转动物体的转动轴环绕另一个轴作圆锥形运动称为进动（见书图1-18）。地轴的进动是太阳和月球对地球非理想球体（赤道部分稍隆起）的摄引有关。其结果引起地轴绕黄轴（地球公转轨道面法线）作圆锥形运动。
由于进动，所以不同历史时期的北极星并非固定不变，一万多年后的北极星将由织女星来担任，地轴进动也必然影响到赤道面的变动，使天赤道与黄道的交点（春分点）在黄道上向西移动（交点退行）。
2.4 星体影响和撞击事件
太阳系的结构包括了不同类型星体的复杂轨道系统，它们总体上受到中心天体（太阳）引力场控制并绕其公转，实际上反过来对中心天体以及相互之间也都存在引力影响。太阳系内有的小天体受到较大行量的引力影响，可能突然偏离原有轨道，导致发生星体间的猛烈碰撞。
相邻大行星对地球轨道的微弱摄动，可以使地球轨道扁心率和地轴斜度（黄赤交角）发生周期性变化。现在已知偏心率(e)在500万年内可发生自0.0005 ~0.0607范围变化（现为0.0167），变化周期为10万年左右和40万年左右。e值改变引起地球日照量的季节变化可达30%，对地球表面温度有重要影响。地轴斜度(ε)在百万年内变化的范围为22°02'～24°30'（现在是23°26'21″），变化周期约4万年。ε值越大，一年中冬夏差异越大，对极区冰盖的发育有很大影响。岁差(p)周期约2万年左右，对赤道带的气候影响较大。南斯拉夫学者米兰科维奇（M·Milanko- vich,1920）首先研究三个轨道要素变化和第四纪冰川成因的关系，得出“轨道要素变化周期导致地球的夏季半年日照量减少是冰期形成主要因素”的结论。米兰科维奇的上述假说提出后，学术界一直存在争论。直到20世纪70年代获得大量地质记录中古气候变化研究成果提供的有力支持后，才成为广泛承认的米兰科维奇学说。
太阳系九大行星
水星
金星
地球
火星
木星
土星
天王星
海王星
冥王星
类地行星：密度大、体积小、自转慢慢、卫星少，硅酸盐物质多。
类木行星：密度小、体积大、自转快、卫星多，气 体云层组成。
——物性近地球，运转周期类似木星
西
东on
月垂点
地球自转方向
潮汐隆起迁移方向
西
东on
引力作用点
Fon
地球引力偏西分量
北
北
地球是属于太阳系中的一颗行星，在了解地球起源及演化前先了解太阳系的起源。
§1.地球――人类在宇宙中惟一家园
1.1太阳系的结构
太阳系：是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。
太阳是太阳系的中心天体。太阳的质量占太阳系总质量的99.865%，太阳的引力控制了整个太阳系，使其他天体绕太阳公转。整个太阳系中，只有太阳是一颗有热核能源辐射的发光恒星，其他天体主要被太阳光照射后反射光线才能发亮。
小行星：除九大行星外，还有大量小行星分布在火星与木星之间绕日公转。估计小行星总数多达几十万颗，已正式编号的有7 625颗（截止1997年4月22日）。有的轨道离地球很近，但总质量只有地球的万分之四。小行星除质量、体积微小外，相互之间物质成分的差异也很明显。
彗星：以其特殊的明亮长尾和周期性地出现在夜空而引人注意。迄今已知的彗星约1600多颗，每年能观测到的彗星约10个，其中新发现的约占50%。彗星的轨道有抛物线、双曲线和椭圆三种类型，只有后一种椭圆轨道的彗星才能绕太阳公转，前二种一旦出现后不再回到太阳系。彗星的质量、密度很小，当远离太阳时只是一个由水、氨、甲烷等冻结的冰块和夹杂许多固体尘埃粒子的“脏雪球”。当接近太阳时，彗星在太阳辐射作用下分解成彗头和彗尾，状如扫帚。
行星际物质：太阳系内密度分布不匀，在地球轨道附近的平均密度为5个正离子加5个电子每立方厘米。
1.2 太阳的能量
（1） 太阳的热核反应
作为太阳系中心天体的太阳，是距地球最近的一颗能够向空间辐射光和热的恒星，也是地球外部能量的主要来源。对地球上的人类来说，太阳是地球以外最重要的天体。
太阳表面的温度约为6000k（=5726°C），所以看起来呈橙黄色。中心部分温度推测可高达1.5×107K, 密度达到水的160倍。在这种高温、高压条件下，组成3/4太阳物质的氢元素会失去外层电子，仅剩的内部原子核中的质子以极大速度运动时可以克服彼此间的静电斥力，发生猛烈的碰撞，由4个氢原子核聚变成为1个氦原子核。这种不断进行的热核反应，使太阳成为一所巨大的天然原子能工厂。
（2） 太阳辐射和质量损耗
由于太阳体积的巨大和热核反应频频发生，就能源源不断地以电磁波（含可见光、紫外线、红外线、无线电波、X射线和γ射线）的形式向四周放射能量，是整个太阳系光和热的主要源泉。
太阳辐射输出可以作如下计算：在日地平均距离（1.4961×108km）出的地球大气顶界，垂直于太阳光线的1cm2面积上，每分钟接受的太阳辐射能量称为太阳常数，以热量单位表示为8.25J。
根据太阳常数乘以假设被太阳光垂直照射的半个地球圆面积，就可获得一分钟内太阳向地球辐射输送的能量，一年中太阳给地球的热量是目前全世界发电量的几十万倍。从太阳系整体角度看，地球吸收到的热量仅是太阳辐射总量中的很小一部分。太阳在大量释放能量的过程中（假定能量辐射率基本不变），50亿年累计损耗的质量只不过是太阳全部质量的0.03%。根据银河系内部不同演化阶段的恒星演化史推算，太阳现在仍处于壮年期，它的寿命估计可达到100亿年。所以从人类历史的时间尺度来看，太阳的热核反应和能量辐射是取之不尽的能量来源。
（3） 太阳活动与黑子周期
太阳正处于中心区氢核聚变而辐射巨大能量阶段，总辐射量变化不到1%。太阳表面的大气圈从里向外分为光球、色球和日冕三层，其中灼热的等离子气体密度很小，直接受太阳磁场的支配处于局部的剧烈运动之中，成为太阳活动（solar activity）。太阳活动的最基本标志是日面光球上经常出没的“暗黑“斑点，即黑子（sunspot）。黑子其实也发光，只是因为温度比周围光球低1 000℃左右，在明亮的光球反衬下看起来呈现暗黑色。黑子在日面的移动可以证明太阳也有自转，其赤道部分约25日自转一周。黑子分布范围主要集中与日面南、北纬5°～25°之间。每个黑子周期开始时，黑子一般出现在纬度±30°附近；黑子数最多的高峰期，则出现在纬度约±15°处；黑子周期结束时，赤道附近的黑子又都消失，下一个周期的黑子又开始在纬度±30°附近出现，黑子时空分布形状很象一群蝴蝶，故又称蝴蝶图。平均长度为11.1年的黑子周期已获得公认。
太阳黑子群的耀斑爆发，可以在一二十分钟内释放出相当于10亿颗氢弹爆炸的能量，抛出的大量高能粒子流到达地球附近时，扰乱了地球磁场，类似地球磁场突然发生一场风暴，成为磁暴。磁暴发生时会导致地球上短波无线电通讯中断、罗盘指针剧烈颤动而失去作用和变压器受损而大停电等现象，对于人类的通讯、生活、军事等活动造成直接危害。
1.3 行星地球基本参数
(1)日地距离及旋转周期
日地平均距离是地球半径的两万多倍，日地之间光速传递需要约8分钟，这个庞大的距离定义为1个天文单位(AU)。AU是太阳系内表示天体距离的常用单位。从太阳系行星接受太阳辐射能量角度看，1AU是最佳的距离。加上地球公转和自转的周期适当，存在四季变化和昼夜交替，使地球表面均匀地适量吸收太阳辐射能量，地表平均温度在15℃左右，有利于液态水圈存在和生命万物生长。
(2)体积和质量
逃逸速度即表面物质脱离本星体引力必需达到的速度。类地行星和冥王星的体积和质量都比较小，相应的逃逸速度也明显小于类木行星。但地球的体积和质量在类地行星中属于最大的，其逃逸速度需要11.2 km/s。在地球表面任何物质都逃不脱地球引力的影响，包围在地球最外层的大气圈才得以保存。而其他类地行星则大气层很稀薄。
类木行星体积和质量较大，逃逸速度高出地球的2～5倍，都能保持大气圈。大气成分以氢、氦为主，也有甲烷、氨和水等，只不过由于星体表面温度太低，使氨和水大部分都冷凝为冰态。
在九大行星的大气圈成分中，惟独地球大气中氧含量高达21%，为高级动、植物的呼吸作用提供了良好基础。高空氧在太阳紫外线作用下形成的臭氧层，在吸收太阳紫外辐射以保护地球表面生物界不受侵害方面，也是地球得天独厚的有利条件。
(3)密度和内部物性分异
类地行星的密度明显大于类木行星，较小体积星体具有较大密度，反映了类地行星物质组成中以重元素为主，具有坚硬的岩石圈外壳和金属或金属硫化物核部。地球的密度达到5.52 g/cm3，在九大行星中名列第一，更证明金属核占有重要的地位，也可能存在某种超密物质。
地球坚硬的岩石圈能贮存液态水圈，并在物理、化学和生物作用下形成土壤圈，为高等动、植物生长发育提供理想条件。类木行星密度很低，星体表面都呈气态和液态，高等生物无法生存。
地球内部存在核、幔、壳不同层圈分异，不同层圈之间经常发生物质-能量交换事件。而液态导电的金属核较快旋转导致形成的永久性偶极地球磁场使地球在太阳风作用下形成磁层，可以阻挡和捕获来自太阳和其他宇宙天体的高能粒子，对于保护生物界免受损害同样具有重要意义。
综上所述，通过比较九大行星各项基本参数及其与地球内外不同圈层特征的相互关系，地球确实是得天独厚的幸运儿，恰好具备有利于生命演化和人类发展所必需的多种自然条件。无论是哪一项参数，只要稍有改变，对生物界和人类的生存都会引起严重的甚至毁灭性的后果。
§2.地球在太阳系中的运动
2.1 地球自转与昼夜交替
(1)地理坐标系
地轴，北极，南极，赤道，纬线，经线。
(2)天球坐标系
与地球的实体概念相反，天球是研究天体的视位置和视运动而引进的一个假想的圆球。
天球实际上是将地球的地理坐标系扩展为以无限长为半径的球体：
将轴无限延长称为天轴，天轴与天球相交的两个点即天北极和天南极。
地球赤道无限扩展与天球相交的大圆圈，就是天赤道。
地球绕太阳作公转运动（由于地球的自西向东自转，人们看到的则是每日太阳东升西落的现象），太阳在天球上每年的视运动路线称为黄道，也就是地球公转的轨道。
黄道面（地球公转轨道面）和天赤道面（地球赤道面）之间存在的夹角(23°26')，称为黄赤交角。
黄道面法线在天球上的交点称为黄极。
月球绕地球公转轨道在天球上的投影，称为白道，与黄道之间仅有5°9'交角，反映月球和地球的公转轨道面相当接近。
(3)地球的自转
地球绕地轴旋转的方向为自西向东，即从北极上空俯视呈反时针方向旋转。
自转速度——有角速度和线速度两种。角速度是物体整体转动时的转动速度，单位为弧度／秒，地球自转角速度除两极点外，到处都是每个恒星日360°，每小时约15°。线速度是质点作圆周运动时的切线速度，地球上各点的自转线速度并不相同，赤道上线速度最大，为464m／s，到南北纬60°处几乎减少一半，到两极则为零。
(4)昼夜交替和标准时区
为了在全球范围建立一个既有相对统一性，又保持一定地方性的完善时间系统，人们在地球表面按360°经度划分出24个理论时区及国际日界线。每一时区跨经度15°，并以本初子午线所在的时区为零区，向东和向西各自依次为东1区、东2区……东12区及西1区、西2区……西12区。每一时区的东西界线距各自中央经线均为7.5°，就采用中央经线的地方时作为全区的标准时间，称为区时。
(5)地转偏向力
地转偏向力＝科里奥利力
由于地球自西向东自转，地球上的运动物体的运动方向依惯性原理而保持原有状态，则在北半球出现物体运动偏右，在南半球物体运动偏左的现象。这是地转偏向力作用的结果。
科里奥利力（地转偏向力）的计算方式：
F＝2mνωsinΦ
其中，F为科里奥利力，m为运动物体质量，ν为其水平运动速度，ω为地球自转角速度，Φ为地理纬度。可见F的大小和运动物体质量、速度和纬度的正弦成正比，相同质量和速度的运动物体，F随纬度增高而加大。
地球自转速度是不均匀的。其变化与地球不同圈层中出现的多种突发性事件之间可能存在广泛而深刻的联系，但其机制至今未知。
2.2 地月关系
（1）月球基本参数
月地距离：月球是距离地球最近的天体。已经测得的月地平均距离是384，401±1 km，约为地球半径的60倍，是日地距离的1/389。
月球大小：月球的半径约为地球半径的3/11。月球表面积约为地球的1/4，比亚洲面积略小。月球的体积仅为地球的1/49。
月球质量：总质量相当地球质量的1/81.3。月球的平均密度相当地球密度的3/5。月球上物质重力分异程度较低，内部缺乏金属核，因此几乎没有磁场。月球上的逃逸速度仅为地球的1/5左右。同样质量的物体在月球上的重量只及地球上重量的1/6。月球上无法保持大气圈和水圈，也缺乏磁层包围，无论是太阳系中的大小不等固体岩块、尘埃还是各种高能粒子流、宇宙线，都可以直接轰击月面。所以月面满布各种陨击坑，既无生命存在的痕迹，也是听不到声音的万籁俱寂世界。
（2）月球的旋转
地月系：月球是地球的惟一天然卫星，在太阳系所有卫星和本行星大小对比关系上，月球是最大的一个。因此，有时可以把地球和月球看成是两相伴随的双行星系统，即地月系。地月系具有一个共同质心，其位置在地球内部，距地心 4,671km处，地球显然是地月系的中心天体。
月球的公转：由于地月系的存在，月球围绕地球的公转在严格意义上是绕共同质心的旋转，地球的公转实际上也是绕共同质心而运动。月球公转的轨道是个椭圆形，所以在公转周期内存在近地点和远地点的差别。月球在轨道上运动的速度，在近地点时快，远地点时慢。
月球公转周期：因计量公转周期的参考点不同，也有不同定义。最常用的有：恒星月是月球中心连续两次由西往东回到同一恒星方向上所经历的时间，是月球公转360°的真正周期；朔望月是月球连续两次新月（朔）或满月（望）所经历的时间，与日常生活中一个月内的月相变化周期一致。朔望月比恒星月长。
月球的自转：月球绕地球公转时，大体上以同一面向着地球。所以我们在地球上只能看到略大于半个月球(59%)的面貌。这也反映了月球自转周期与它的公转周期相等，都是一个恒星月；月球自转和公转的方向相同，都是反时针的方向。
(3)天文潮汐和地球转速度慢
月球和太阳的引力都会使地球发生周期性变形现象，称为潮汐变形。这种作用在地球流体圈层和固体圈层中都会产生影响，但以海洋的潮汐涨落表现最为突出。
月球引力使地球上靠近月球的海洋凸出；地球旋转产生的离心力在近赤道产生凸起。
海洋潮汐(tides)现象起因于天体（主要是月球）的摄引作用。月球对地球的引力作用与地月之间的距离有关。地球上的近月端比远月端距离月球近12870 km。这就意味着月球对地球的近月端的引力最大，而对远端的引力最小，地球中间的部分受的力在最大力和最小力之间。
地球向月突出部分（月垂点）离月亮最近，受到的月球引力大于以地心所受月球引力为代表的全球平均值，这个差值导致产生面向月球的引潮力，月球把地球面向它这边的水向自己的方向吸引，在海面形成潮汐隆起。地球背月部分（反垂点）离月亮最远，月球对地心的拉力作用比对反垂点要强，所以地心就被拉向远离反垂点的水体，这样在海面也形成潮汐隆起。于是海洋潮汐作用引起全球海平面变形，使地球整体由正球体变成橢球体。
潮汐作用不仅导致海面垂直涨落，也产生自高潮区向低潮区的水平流动，称为潮流。潮流对海底的摩擦作用称为潮汐摩擦。由于海水粘性及海底摩擦，潮汐隆起在向西迁移过程中总是滞后于月垂点，即位于垂点以东。这种月地间引力作用偏离地球中心的现象，导致产生力矩，即月球对于地球的引力有一个向西的分量，对于自西向东自转的地球起了减速刹车作用，见下图。经过大量观测资料的收集和计算，潮汐磨擦能导致地球自转速度长期减慢的学说已经得到普遍承认。
观察者位置——月球
从全球看，一些地方涨潮，则在另一些地方落潮；反之亦然。潮汐涨落是通过海水的流动实现的，流入则涨潮，流出则落潮。
2.3 地球轨道参数
地球公转环绕的是日地共同质量中心，这个中心距日心仅450km。对于具有近7×105km半径的太阳来说，可以忽略不计，也可以视为地球质心围绕太阳质心的转动。地球公转方向和自转相同，也是自西向东，从北极上空鸟瞰，均呈反时针方向。
(1)偏心率
地球公转轨道呈椭圆形，太阳位于椭圆的二个焦点之一的位置上。椭圆的长轴与短轴之差＝焦点矩，1/2焦点矩与半长轴的比为偏心率。
地球在椭圆形轨道上公转，日地距在一年内发生周期性变化，每年1月初离太阳最近称为近日点；7月初离太阳最远为远日点。据开普勒定律在单位时间内地球与太阳连线在地球轨道上扫过的面积相等。所以地球公转速度在近日点时最大,远日点时最小)。
(2)黄赤交角
由于黄赤交角的存在，太阳在天球上周年运动的同时，还表现为相对于天赤道的上下往复运动，称为太阳回归运动。太阳在天球上所能达到的南、北界线，称为南、北回归线。太阳相对于天赤道的回归运动，使太阳光线直射的范围在南北纬23°27'回归线之间作周期性往返运动，从而形成地球上的春夏秋冬四季更替和气候分带现象（见书图1－17）。
夏季
阳光
冬季
(3)岁差
黄赤交角天球模型中，如果地轴（赤道面的法线）不改变方向，春分点位置不变，回归年与恒星年应当相等。但通过大量观察发现春分点沿黄道存在由西向东逐年缓慢后退现象，称为岁差(precession)。
岁差现象的根源是地轴发生进动。物理学中，将转动物体的转动轴环绕另一个轴作圆锥形运动称为进动（见书图1-18）。地轴的进动是太阳和月球对地球非理想球体（赤道部分稍隆起）的摄引有关。其结果引起地轴绕黄轴（地球公转轨道面法线）作圆锥形运动。
由于进动，所以不同历史时期的北极星并非固定不变，一万多年后的北极星将由织女星来担任，地轴进动也必然影响到赤道面的变动，使天赤道与黄道的交点（春分点）在黄道上向西移动（交点退行）。
2.4 星体影响和撞击事件
太阳系的结构包括了不同类型星体的复杂轨道系统，它们总体上受到中心天体（太阳）引力场控制并绕其公转，实际上反过来对中心天体以及相互之间也都存在引力影响。太阳系内有的小天体受到较大行量的引力影响，可能突然偏离原有轨道，导致发生星体间的猛烈碰撞。
相邻大行星对地球轨道的微弱摄动，可以使地球轨道扁心率和地轴斜度（黄赤交角）发生周期性变化。现在已知偏心率(e)在500万年内可发生自0.0005 ~0.0607范围变化（现为0.0167），变化周期为10万年左右和40万年左右。e值改变引起地球日照量的季节变化可达30%，对地球表面温度有重要影响。地轴斜度(ε)在百万年内变化的范围为22°02'～24°30'（现在是23°26'21″），变化周期约4万年。ε值越大，一年中冬夏差异越大，对极区冰盖的发育有很大影响。岁差(p)周期约2万年左右，对赤道带的气候影响较大。南斯拉夫学者米兰科维奇（M·Milanko- vich,1920）首先研究三个轨道要素变化和第四纪冰川成因的关系，得出“轨道要素变化周期导致地球的夏季半年日照量减少是冰期形成主要因素”的结论。米兰科维奇的上述假说提出后，学术界一直存在争论。直到20世纪70年代获得大量地质记录中古气候变化研究成果提供的有力支持后，才成为广泛承认的米兰科维奇学说。
太阳系九大行星
水星
金星
地球
火星
木星
土星
天王星
海王星
冥王星
类地行星：密度大、体积小、自转慢慢、卫星少，硅酸盐物质多。
类木行星：密度小、体积大、自转快、卫星多，气 体云层组成。
——物性近地球，运转周期类似木星
西
东on
月垂点
地球自转方向
潮汐隆起迁移方向
西
东on
引力作用点
Fon
地球引力偏西分量
北
北
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