地球形狀

在我國，早在二千多年前的周朝，就存在著一種“天圓如張蓋、地方如棋局”的蓋天說。隨著生產技術的發展、人類活動範圍的擴大和各種知識的積累，人們終於發現，有一些客觀現象是無法用早期的那種直觀而質樸的觀念來解釋的。實踐迫使人們不得不修改原來的錯誤觀念，於是便有人提出了拱形大地的設想，這就產生了“渾天說”。

古代印度人認為，大地被四頭大象馱著，站在一隻巨大的海龜身上。古代中國人認為，天像一個鍋，是半圓的；而地則像一個方形的棋盤，是平的。著名的漢朝科學家張衡在所作的《渾天儀注》中寫道：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞中黃，孤居於內，天大而地小。天表裡有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。”

古希臘學者亞里士多德根據月食的景象分析認為：月球被地影遮住的部分的邊緣是圓弧型的，所以地球是球體或近似球體。麥哲倫還通過一次航海，進一步用事實證明了地球是球體。

人類進行了很久的探索，最早由麥哲倫實現環球航行，證實了地球是一個球體。隨著人類科技的發展和現代探測技術的運用，人們最終發現地球是個兩極稍扁、赤道略鼓的不規則球體。

發達的科學手段為地球測量開闢了多種途徑。通過實測和分析，人們終於得到確切的數據：地球的平均赤道半徑為6378.38公里，極半徑為6356.89公里。測量還發現，北極地區約高出18.9米，南極地區則低下24～30米。看起來，地球形狀像一隻梨子：它的赤道部分鼓起，是它的“梨身”；北極有點放尖，像個“梨蒂”；南極有點凹進去，像個“梨臍”……因此，地球被叫做“梨形地球”。確切地說，地球是個三軸橢球體。

天文學專家說，地球確實不是一個正宗的球體，它的長相有點奇怪。地球之所以長成這樣，是由於它不僅要繞著太陽公轉，同時還要自轉，而地球的表面既有陸地又有水，為了保持內部的引力平衡，在各方“爭鬥”下，就長成了這個怪模樣。

其實，關於地球的長相，科學家們也曾經存有爭議。英國物理學家牛頓提出，地球由於繞軸自轉，因而不可能是正球體，而只能是一個兩極壓縮、赤道隆起、像橘子一樣的扁球體，並得出了萬有引力定律。但牛頓的理論遭到了反對，當時巴黎天文台第一任台長卡西尼父子，就提出了反對意見，他們認為，地球長得更像一個西瓜。於是法國國王路易十四派出兩個遠征隊，去實測子午線的弧度。結果證明，牛頓的扁球理論正確。

人們對於地球形狀的認識發展過程可總結為以下的表格：

對於科學研究，地球的形狀需要一個更加嚴謹、完整的定義。

在地球表面，有高山、盆地、河流、湖泊和海洋等。可以說地球表面是一個極不規則的曲面，但相對於整個地球而言，這些高低起伏變化是微小的。地球面積為5.1億km ，海洋麵積約佔地球表面的70.8%，約為3.61億km 而陸地僅佔29.2%，約為1.49億km 。地表地貌的最大起伏為19.9km，陸地平均高程840m，其中多數佔總面積75%在1000m以下。

世界大洋決定了地球外貌的主要特徵，因為地球外殼的3/4被厚約4000m的水層包圍。世界大洋洋底的地球地貌以海盆、中脊山系、斷裂和深水槽為特徵。另外，地球在外形方面是與赤道不對稱的，比如地球陸地2/3在北半球，只有1/3在南半球，大部分島嶼、洋脊和深海溝等都在北半球。地球的南極地區有最高的大陸——南極洲，而在地球的北極地區有北冰洋，並且南極洲的面積基本上等於北冰洋的面積。

我們研究地球的形狀主要是指彈性地球外殼的自然形狀，以及陸地和海洋（底）的表面形狀。由於地球自然表面的複雜性，為準確研究它的形狀，就必須把地球表面劃分為若干個區域，在每個區域內仔細研究表面點的坐標，最後再把它們綜合起來。

假設有一個靜止的海水面向陸地延伸，封閉地球，從而形成一個封閉的曲面，該曲面稱為水準面。人們把由此形成的封閉體看作地球的基本形體。

由於地球的自轉運動，地球上任何一質點同時受到地球引力與離心力的作用，兩者合力就是我們所說的重力，重力的方向線稱為鉛垂線，鉛垂線也是測量工作的基準線。

水準面是受地球重力影響而形成的，是一個處處與重力方向垂直的連續曲面，並且是一個重力場的等位面。與水準面相切的平面稱為水平面。水準面可高可低，因此符合上述特點的水準面有無數多個，我們把其中與平均海水面相吻合併向大陸、島嶼內延伸而形成的閉合曲面，稱為大地水準面。大地水準面是測量工作的基準面。大地水準面所包圍的地球形體，叫做大地體。從總體形狀來看，地球的形狀可以用大地體來表述。

由於地球引力大小和其內部質量分佈有關，而地球內部質量的分佈又不均勻，從而引起地面點的鉛垂線產生了不規則的變化，因此大地水準面實際上是一個有一定起伏且不規則的曲面。如果在這個複雜曲面上進行數據處理，是非常困難的。為了解決這個問題，在測繪工作中常選用一個表面非常接近大地水準面、並且可以用數學模型表達的幾何形體來代替地球的幾何形狀，此幾何形體通常稱為地球橢球體，其表面作為測量計算工作的基準面。地球橢球體是一個橢圓繞其短軸旋轉而成的形體，地球橢球體又稱為旋轉橢球體，亦即選取合適的長半軸、短半軸的橢圓繞其短軸旋轉一周而得到的形體，其表面稱為旋轉橢球體，又稱為參考橢球面。參考橢球面是測量工作的基準面，若對參考橢球面的數學式加入地球重力異常變化參數的改正，便得到大地水準面的近似的數學式。但在實際工作中，通常是以大地水準面作為測量的基準面，以鉛垂線為基準線，因此在大範圍測量時需進行轉化。在小範圍測量時，對測量成果要求不高時可以不必轉化。

除幾何性質外，對於地球形狀，還應賦予其引力參數，如質量、旋轉角速度、地心引力常數、引力位、重力位等。此外，還應研究地球岩石圈、水圈及大氣圈的幾何物理方面的動力性質。還應把太陽、地球和月球緊密聯繫在一起，還要研究地球重力場、磁場、熱場以及其他物理場、地球的自轉和公轉等。

人造地球衛星和其他宇宙目標以及天文、大地和重力資料的利用，對於解決地球形狀及外部重力場問題起到決定性的作用。近二十餘年來，地球形狀和外部重力場參數已被可靠地測定，主要的研究方向包括這些參數隨時間變化以及地球的全部基本常數是否嚴密一致等問題。