[科普中国]-地球形状

认识的发展古代

在我国，早在二千多年前的周朝，就存在着一种“天圆如张盖、地方如棋局”的盖天说。随着生产技术的发展、人类活动范围的扩大和各种知识的积累，人们终于发现，有一些客观现象是无法用早期的那种直观而质朴的观念来解释的。实践迫使人们不得不修改原来的错误观念，于是便有人提出了拱形大地的设想，这就产生了“浑天说”。

古代印度人认为，大地被四头大象驮着，站在一只巨大的海龟身上。古代中国人认为，天像一个锅，是半圆的；而地则像一个方形的棋盘，是平的。著名的汉朝科学家张衡在所作的《浑天仪注》中写道：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”

古希腊学者亚里士多德根据月食的景象分析认为： 月球被地影遮住的部分的边缘是圆弧型的，所以地球是球体或近似球体。麦哲伦还通过一次航海 ，进一步用事实证明了地球是球体。

现代人类进行了很久的探索，最早由麦哲伦实现环球航行，证实了地球是一个球体。随着人类科技的发展和现代探测技术的运用，人们最终发现地球是个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。

发达的科学手段为地球测量开辟了多种途径。通过实测和分析，人们终于得到确切的数据：地球的平均赤道半径为6378.38公里，极半径为6356.89公里。测量还发现，北极地区约高出18.9米，南极地区则低下24～30米。看起来，地球形状像一只梨子：它的赤道部分鼓起，是它的“梨身”；北极有点放尖，像个“梨蒂”；南极有点凹进去，像个“梨脐”……因此，地球被叫做“梨形地球”。确切地说，地球是个三轴椭球体。

天文学专家说，地球确实不是一个正宗的球体，它的长相有点奇怪。地球之所以长成这样，是由于它不仅要绕着太阳公转，同时还要自转，而地球的表面既有陆地又有水，为了保持内部的引力平衡，在各方“争斗”下，就长成了这个怪模样。

其实，关于地球的长相，科学家们也曾经存有争议。英国物理学家牛顿提出，地球由于绕轴自转，因而不可能是正球体，而只能是一个两极压缩、赤道隆起、像橘子一样的扁球体，并得出了万有引力定律1。但牛顿的理论遭到了反对，当时巴黎天文台第一任台长卡西尼父子，就提出了反对意见，他们认为，地球长得更像一个西瓜。于是法国国王路易十四派出两个远征队，去实测子午线的弧度。结果证明，牛顿的扁球理论正确。

人们对于地球形状的认识发展过程可总结为以下的表格：

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定义对于科学研究，地球的形状需要一个更加严谨、完整的定义。

在地球表面，有高山、盆地、河流、湖泊和海洋等。可以说地球表面是一个极不规则的曲面，但相对于整个地球而言，这些高低起伏变化是微小的。地球面积为5.1亿km2，海洋面积约占地球表面的70.8%，约为3.61亿km2，而陆地仅占29.2%，约为1.49亿km2。地表地貌的最大起伏为19.9km，陆地平均高程840m，其中多数占总面积75%在1000m以下2。

世界大洋决定了地球外貌的主要特征，因为地球外壳的3/4被厚约4000m的水层包围。世界大洋洋底的地球地貌以海盆、中脊山系、断裂和深水槽为特征。另外，地球在外形方面是与赤道不对称的，比如地球陆地2/3在北半球，只有1/3在南半球，大部分岛屿、洋脊和深海沟等都在北半球。地球的南极地区有最高的大陆——南极洲，而在地球的北极地区有北冰洋，并且南极洲的面积基本上等于北冰洋的面积。

相关测量知识我们研究地球的形状主要是指弹性地球外壳的自然形状，以及陆地和海洋（底）的表面形状。由于地球自然表面的复杂性，为准确研究它的形状，就必须把地球表面划分为若干个区域，在每个区域内仔细研究表面点的坐标，最后再把它们综合起来。

假设有一个静止的海水面向陆地延伸，封闭地球，从而形成一个封闭的曲面，该曲面称为水准面。人们把由此形成的封闭体看作地球的基本形体。3

由于地球的自转运动，地球上任何一质点同时受到地球引力与离心力的作用，两者合力就是我们所说的重力，重力的方向线称为铅垂线，铅垂线也是测量工作的基准线。

水准面是受地球重力影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。与水准面相切的平面称为水平面。水准面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，我们把其中与平均海水面相吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成的闭合曲面，称为大地水准面。大地水准面是测量工作的基准面。大地水准面所包围的地球形体，叫做大地体。从总体形状来看，地球的形状可以用大地体来表述。

由于地球引力大小和其内部质量分布有关，而地球内部质量的分布又不均匀，从而引起地面点的铅垂线产生了不规则的变化，因此大地水准面实际上是一个有一定起伏且不规则的曲面。如果在这个复杂曲面上进行数据处理，是非常困难的。为了解决这个问题，在测绘工作中常选用一个表面非常接近大地水准面、并且可以用数学模型表达的几何形体来代替地球的几何形状，此几何形体通常称为地球椭球体，其表面作为测量计算工作的基准面。地球椭球体是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，地球椭球体又称为旋转椭球体，亦即选取合适的长半轴、短半轴的椭圆绕其短轴旋转一周而得到的形体，其表面称为旋转椭球体，又称为参考椭球面。参考椭球面是测量工作的基准面，若对参考椭球面的数学式加入地球重力异常变化参数的改正，便得到大地水准面的近似的数学式。但在实际工作中，通常是以大地水准面作为测量的基准面，以铅垂线为基准线，因此在大范围测量时需进行转化。在小范围测量时，对测量成果要求不高时可以不必转化。

除几何性质外，对于地球形状，还应赋予其引力参数，如质量、旋转角速度、地心引力常数、引力位、重力位等。此外，还应研究地球岩石圈、水圈及大气圈的几何物理方面的动力性质。还应把太阳、地球和月球紧密联系在一起，还要研究地球重力场、磁场、热场以及其他物理场、地球的自转和公转等2。

人造地球卫星和其他宇宙目标以及天文、大地和重力资料的利用，对于解决地球形状及外部重力场问题起到决定性的作用。近二十余年来，地球形状和外部重力场参数已被可靠地测定，主要的研究方向包括这些参数随时间变化以及地球的全部基本常数是否严密一致等问题。