Question

地球为什么有引力？

Answer 1

      01
      任何有质量的两种物质间都有引力。在地球表面的任何物体，相较于地球本身的质量，均微不足道。所以接近地球的物体，全被吸引朝向地球质量的中心，此为地心引力。

      地球的引力现象有两个方面表现:
      一是地球磁性的地心吸引力现象，能对来自太空并靠近地球轨道运行的各类物体，都能通过异性相吸的磁性手段，将其吸引到地球中来，从而实现地球质量不断壮大之目的，这种引力现象称之为地心磁性吸引力。
      二是地球自转时其巨大磁场的牵引力现象，目前在地球巨大的磁场之中，已形成了一条较为稳定的磁力线圈供月亮圆周运行，这种引力现象称之为磁场磁性牵引力。

      地球引力具体形成原因
      假如地球表面完全为自由流动的液态水所覆盖，那么这种液体水的表面呈现一个扁球体，在两极稍平，而在赤道膨胀，。这个理想的形状，称为地球体，它将完美地同全部的重力、转动力相平衡。 牛顿定律对于引力的表达是重力遵循的基础。
      众所周知，该定律的基本表述为:m1与m2这两个质点之间的引力，正比于二者质量的乘积，反比于这两个质点中心之间距离的平方，如果说此处的F为作用在m2上的力，那么R1为从m1指向m2的单位向量，r是m1与m2之间的距离，而A是万物有引力常数。加上负号表示着力是互相吸引的。
      很明显，引力是存在于自然界中强度最小的相互作用力。最近还发现，A的数值也不是常数，而是随着时间有缓慢的减少。它的这种变化，是由许多原因造成的，其中之一被认为是由于地球半径随着时间而增加，这样反过来，又必将对地球的发展历史带来深刻的影响。可是，所得出的A值变化速率是如此之小，以至于它在整个地球演化过程中，即在几十亿年的时间内，其变化速率只大约为1%，所以在实际应用上并无什么真正的价值。
      由于地球(假定为m1)这个巨大质量的存在，使得m2所产生的加速度，称做重力加速度。它最早是被伽利略在意大利的比萨斜塔上测定的。在地球表面上这个数值一般定为980厘米/秒2，通常又将1厘米/秒2称为“伽”(gal)，用以纪念这位伟大的科学家。重力场是守恒的，也就是说在重力场中，移动一个物体所做的功，独立于它所经过的路径，而仅仅取决于它的终点。

      事实上，假如该质量最终转到它原来出发时所处的位置时，其净能量的消耗等于0，而不管它在其间所走过的道路是什么。这在自然地理面中，是可以很轻易得到证明的。寻常所见的水分循环，就是一个很好的说明重力守恒的例子。一滴水从海洋面上被蒸发，克服重力，进入大气，这是外界做功的结果。待它由空中重新回归到海洋时(而不管它是直接落入海洋，还是被运送到几千公里之外，又随着河川迳流回到海洋来的)，放出了原先 克服重力时的那部分功，遵循着重力守恒，使得净能量的 消耗等于0。类似的例子，在地表面是很多的。
      另外一种对重力守恒的表达方式就是:动能和势能之和在一个 封闭体系中为一常数，这涉及到动能与势能的互相转化，也是我们要经常使用的一个规律。同时要记住引力是一个向量，它的方向是沿着地球的质量中心与另外一个物体质量中心的连线，这在进行向量分析时，是极为有用的。地球表面的重力大小，一般来说与五个因素有关，它们是地理纬度、海拔高度、周围地体的地形、地球潮汐与地表以下物质的密度。
      这最后一个因子，仅仅在进行重力测量中才有价值，一般情况下它对重力变化的影响，要比前四个因子的联合效应小的多。例如，从赤道到两极，重力随着 纬度变化的数量大约为5伽，而油田勘探中的较大重力 异常是10毫伽，只相当于上述数字的1/500。
      在1930年，国际大地测量和地球物理协会采用了一个公式，给出了在地球这个椭球体上任意一点的重力加速度为: g=g0(1+αsin2Φ+βsin22Φ) ( g——重力加速度;g0——在赤道上的重力加速度，它等于厘米/秒2;Φ——纬度，常数α及β分别是和自从1930年以来，由于在重力测量中获取了大量的资料，特别是通过 人造地球卫星的准确测定，上式中的常数已经有了进一步的改动。
      从自然地理学的角度来看，我们的着眼点不在于寻求计算重力或进行订正的准确公式，而在于利用这种重力分析的基本原理，阐述物质在进入自然地理面和输出到环境时的受力状况，在这些受力当中，重力是特别应当考虑的一项。
      举凡地形的改变、物质的搬运和 堆积、气团的运动、水分的循环、生物的生长，甚至于地球物质的调整等，离开了重力的分析，就不可能得出正确的结果。前面已 经讲过，重力最为明显的表达，一般都在地球固体表面之上。在其下并非重力消失了，只是不容易有如固体表面之上那样 明显地看出来罢了，此外作为研究的对象来说，我们亦不去特别关注地层深处的重力状况，而只接受它所带来的对地表造成的后果。进而看到，在海平面之上陆地面积约占全球总表面积的29%，以雨和雪降下来的水，必然经受重力的作用回归到海洋中去。

      这样，每一次落到地表上的降水，都具有比例于本身质量和海平面以上高度的乘积，这样数值的能量，这就是它所具的势能。在陆地地表，亦有个别的点低于海平面，例如我国的吐鲁番盆地，美国加利福尼亚的死谷等，它们之所以能在陆面上保持这种例外的情况，一是由于其面积小，二是由于这些盆地均处于干旱区，很少有降水发生。
      假如把它们移到湿润地区，这种低于海平面的状况决不会保持很久，在重力的参与下，很快就要被水充满或被水所带来的风化物质填注，以补足海平面在全球延伸中的“漏洞”。重力在自然地理面中的表现，既平常又深刻，对此应有充分的认识，现粗略地讨论一下重力在改造地表形态上的作用。陆地表面由于风化作用而造成的松散 物质，在一定的条件下，由于力的作用是要移动的。
      无论是从高处到低处的滚动、滑落、崩塌，还是通过河流的输运，风的挟带等，其中一个极重要的因素就是重力的参与。我们以一个在坡面上运动的岩块为例，简要分析一下重力的作用。由分析得知，重力的一个分力，即岩块向下滑动的力，比例于所处坡度的 正弦，当然还取决于这个坡面的摩擦系数。
      一克重的岩块在坡度为45°时，向下滑动的分力为克;而当该坡度等于60°时，这个分力将增加到克(如图由于摩擦系数很少有大于1的状况，因此单凭摩擦系数的阻抗，在坡度大于45°时，将支持不住重力所引起的向下滑动的分力。事实上，比40°更为陡峭的自然坡度在全球是很少见的，因为如果有超出40°的角度时，重力作用将比较 迅速地对此加以改变，由此可以看出重力改变地表形态的作用来。
      在讨论 地球重力的同时，我们对于其它星体产生的类似于地球引力的 作用力，也要加以必要的重视。最主要的就是月亮和太阳对地球的引力。

      月亮和地球的距离很近，约等于三十个地球的直径，根据万有引力定律，引力与距离的平方成反比，因而尽管月球的质量不算太大，但对于地球上各个 质点的引力却相对的要大一些。太阳的质量很大，约等于二千亿亿亿吨，是 地球质量的三十三万倍，但由于地球与太阳之间的距离太远，是月球—地球之间距离的四百倍，因此，它对地球的引力，只是月球对地球引力的46%。
      所以，地球上的 潮汐现象是太阳和月亮二者作用力的合成，这里我们只需了解月亮的引力作用比太阳更大这一点就够了。地球的质量是月球的倍，因此月—地系统的 公共质量中心，必然大大地偏向于地球一侧，大约在距地心倍 地球半径的地方，两个球体每月绕着这个共同的质量中心转动。月球对于地球的引潮力 固然重要，但这个引潮力的数量值却并不太大，只相当于地球重力的千万分之一。
      对于地球上一个10吨重的物体来说(即重力等于10吨)，其引潮力仅有1克。这样小的力，人通常是感觉不出来的。但地球对 这种不大的引潮力，反应却十分明显。很早以前，就发现海水在一日内有规律的涨落(潮汐)与月球有密切关系。
      此外，地球不是一个刚体，一般都认为它是一个具有弹性的球体，对于具这样一种特性的球体，在 引潮力的作用下，地球的固体岩石地壳也会产生“潮汐”现象，叫做固体潮，每天都要升降达30厘米左右。当然地球对月球的引潮力更大，它使得月壳突起和下落的幅度达到3公里左右。与此同时，地球上的大气，也因为这种引潮力，每天都产生着“大气 潮汐”。
      至于海洋这个庞大的水体，其上的潮汐现象就更为明显了，加拿大东海岸的芬地湾 蒙克顿港，最大潮差达米，堪称世界前茅。我国 钱塘江口的最大潮差记录为米，当然各个地方由于所处位置及周围环境的不同，潮差也是不相同的。月球和太阳的引力在塑造陆地表面的地形方面，也是一个具有一定意义的因素。 康德在1775年，曾率先提出把涨潮作为改变地球旋转速度的一个因素。
      近年来，在探讨关于地震的预测预报中，也有人把潮汐力作为一个对地震起因的 触发因子。此外，对于自然地理来说，更为明显的则是潮汐对于海陆交界处地形的变更作用，对于岸线的影响作用，以及对于波浪运动的作用等 。