地球的形状和大小
太阳系是由1个巨大的太阳、4个巨行星、5个较小的行星、40多个卫星、10万多个小行星以及大概1000亿多个彗星组成的。但是，据我们今天所知，这些天体中惟一有生命的就是我们的地球。既然如此，现在我们就来讲一讲地球。
地球是圆球形的
古希腊人重要的文化成就之一就是他们断定地球是圆球形的。他们最初是在哲理的基础上来表达这种思想的（通常认为这种思想是毕达哥拉斯在大约公元前525年时首先提出来的）。例如，当时的哲理认为，圆球是完美的形状。希腊人也曾通过观察来检验这种思想。公元前350年左右，亚里士多德获得的结论性证据证明，地球不是扁平的而是圆的。他最有说服力的论据是：当一个人向北或向南行进时，新的星星总是在前方的地平线上出现，而看到的星星总是在后面的地平线下消失。同样，出海的船只，不论朝什么方向行驶，总是船身首先消失；在月食的时候，无论月球处在什么位置上，地球在月球上的投影截面总是圆形。只有地球是一个圆球时这后两种情况才能发生。
至少在学者们中间，圆球形地球的观念从来就没有完全消失过，即使在“黑暗时代”也是如此。意大利诗人但丁在他所写的集中体现中世纪观点的《神曲》中，就设想地球是圆球形的。
当提出地球是一个转动着的圆球的问题时，情况就完全不同了。早在公元前350年，希腊哲学家赫拉克利德斯就提出，设想地球绕其轴自转要比设想整个天穹绕地球公转容易得多。然而，大部分古代和中世纪的学者拒绝接受这种想法；而且直到1632年，伽利略还被罗马宗教法庭判了罪，被迫放弃他的地球在运动的观点。
尽管如此，哥白尼的理论使地球静止的说法完全不能成立，地球在缓慢旋转的理论逐渐为人们所接受。但是一直到了1851年，人们才通过实验真正证实了这种旋转。那一年，法国物理学家傅科在巴黎大教堂的圆顶下安装了一个巨摆。根据物理学家们的结论，不管地球怎样旋转，这样的巨摆都应该在一个固定的平面上保持摆动。例如，在北极，这个摆将在一个固定的平面上摆动，而地球在它的下面24小时不停地逆时针方向旋转。对观察摆的人来说（因为地球带着他旋转，所以在他看来地球是不动的），这个摆的摆动平面似乎每24小时顺时针方向整整转一圈。在南极，他会看到同样的情况，只是摆的摆动平面是逆时针方向转动的。
在两极以下的各个纬度上，摆的平面仍会转动（在北半球顺时针方向，在南半球逆时针方向），但离开两极越远摆动的周期越长在赤道上，摆的摆动平面将没有任何变动。
在傅科进行实验的过程中，摆的摆动平面正好是按照上面所说的方向和速率转动的。因此可以说，观察者能够亲眼看到地球在摆的下面旋转。
地球自转带来许多影响。地表在赤道上移动得最快，24小时必须绕完40000多公里的大圆圈，也就是说要以每小时1600多公里的速度移动。当一个人从赤道往北（或往南）走的时候，地表上的点必定会移动得越来越慢，因为在同样的24小时内必需绕完的圈越来越小。靠近两极的地方，圈子非常小；而在两个极点上，地表一动不动。
地表上方的空气也随着地表一起运动。如果一个气团从赤道向北移动，它自身的速度（与赤道上的地表运动速度相适应）会大于它移向的那个地表的运动速度。它会超过由西向东运动的地表而向东漂移。这种漂移就是科里奥利效应的一个实例，法国数学家科里奥利于1835年首先研究过这种效应，因此用他的名字命名。
这种科里奥利效应对气团所造成的影响，就是使气团在北半球沿顺时针方向旋转；在南半球，这种影响正好相反，使气团产生逆时针方向的旋转。无论哪种情况，都会形成气旋扰动。这种类型的大风暴在北大西洋称为飓风，而在北太平洋则称为台风。在这类风暴中，范围较小却更为强烈的是旋风或龙卷风。在海面上，这些猛烈的旋转风会掀起巨大的海柱。
但是，在傅科实验之前两个世纪的牛顿时代，人们就从地球自转中得出最令人兴奋的推论。当时，认为地球是一个完美圆球的观念已经支配人们近2000年，但是牛顿却仔细地研究了这种圆球旋转时所发生的情形。他注意到，在不同纬度上，地表运动的速度不同，并且他考虑过这究竟意味着什么。
旋转越快，离心效应（即将物质从旋转中心推开的趋势）就越强。因此，可以得出这样的结论，离心效应从静止的两极为零向着快速旋转的赤道地带（达到最大）稳定地增加。于是，地球应在其中部向外鼓起的最多；换句话说，地球应该是一个扁球体，赤道地区鼓起而两极压扁。它必然大体上是一个橘子形而不是一个高尔夫球形。牛顿甚至计算出，两极的压扁度应当约为地球直径的1/230，令人惊讶的是这个计算结果与实际情况非常接近。
因为地球转得太慢，所以压扁和鼓起都很小，不容易被探测到。但是，甚至在牛顿时代，至少已有两项天文观测结果支持了牛顿的推论。第一是科学家们清楚地看到木星及土星的两极明显压扁的现象，这在前一章中已经说过了。
第二，如果地球真是在赤道地区鼓起，那么，由于月球在绕地球运行过程中，大部分时间都位于地球赤道的南侧或北侧，因此月球对赤道地区鼓起部分不断变化的引力吸引，应该使地球旋转轴画出一个以地心为顶点的对顶锥，这样，两极指向天空的一个点在不断地改变位置。这个点画出一个圆，而极点就是围绕这个圆每25750年整整转完一圈。事实上，早在公元前约150年，喜帕恰斯通过把他那个时代的星位与150多年前纪录的星位加以比较，发现了这种位移。地轴的位移会产生一种效应，使太阳每年通过二分点时会向东移50弧秒（在早晨的方向上）。由于二分点每年都是这样到达一个先前的（即较早的）点，故喜帕恰斯把这种位移现象命名为岁差，此名一直沿用至今。
科学家们很自然地开始搜寻地球畸变的更直接的证据。他们使用一种标准仪器来解决几何问题（三角测量法）。在曲面上，一个三角形的三个角的和大于180°，而且曲率越大超过180度的程度也就越大。现在，如果地球像牛顿所说的那样是个扁球体，那么，在赤道鼓起处曲率较大的曲面上比在两极附近曲率较小的曲面上超过180°的程度应该大一些。18世纪30年代，法国的科学家们分别在法国的北部和南部的一些地点进行过大规模的测量，第一次检验了这个设想。法国天文学家J.卡西尼（指出木星和土星呈压扁状的那位天文学家的儿子）根据这些测量结果断定，地球是在两极而不是在赤道鼓起！用一个夸张的比喻来说，地球的形状更像一根黄瓜而不是像一个橘子。
但是，法国北部与南部曲率的差异太小了，显然不足以给出明确的结果。于是，在1735年和1736年，两个法国考察队分别出发到两个相距遥远的地区——一队到赤道附近的秘鲁，另一队则到接近北极的拉普兰。至1744年，他们的测量得出了一个清楚的答案：地球在秘鲁地区的曲率明显地大于拉普兰地区的曲率。
今天，最精确的测量表明，地球通过赤道的直径比通过两极的地轴长约43公里（约12754公里对12711公里）。
18世纪对地球形状的考察使科学界对测量技术的状况感到不满。当时没有可供精确测量用的合适标准。这种不满是半个世纪后（在法国大革命时期）采用米制的原因之一。米制是合理的并且是科学地制定出来的。如今，全世界的科学家都满意地采用了米制，而且除了美国之外，世界各国已经通用。
精确的测量标准十分重要。科学家们仍在继续作出很大努力以改进度量标准。标准米和标准千克是由铂-铱合金（不发生化学变化）制成的，非常小心地保存在巴黎郊区（主要是保持恒温，防止其膨胀或收缩。）
人们发现像殷钢（由镍铁以一定的比例组成）这样一些新合金几乎不受温度变化的影响。这种合金被用来制作更好的长度标准。瑞士出生的法国物理学家纪尧姆因发现殷钢而获得1920年的诺贝尔物理学奖。
然而在1960年，科学界放弃了长度的物质标准。国际度量衡会议一致同意用稀有气体氪的各种特定变化所产生的光的微小波长作为标准，严格地将其波长的1650763.73倍定为一米（光的波长的不变性比任何人造的东西要好得多）。现在这个长度标准比以前的标准要精确1000倍。1984年，把米制与光速联系起来，将米视为光在几分之一秒中所走的距离。
大地水准面的测量
经过整平处理的地球的海平面形状叫做大地水准面。当然地球表面凹凸不平，很不规则，有高山、深谷等等。甚至在牛顿提出地球整个形状的问题以前，科学家们就曾设法测定这些局部的偏离一个完美圆球（他们就是这样认为）的程度。他们使用了一种悬摆装置。1581年，当伽利略还是一个17岁孩子的时候，他就发现，一个给定长度的摆，无论它的摆幅是短还是长，几乎总是在相同的时间内完成一次摆动。有人认为，伽利略是在做礼拜时观察比萨大教堂里摆动着的吊灯而得到这个发现的。比萨大教堂里是有一盏灯，现在仍叫做伽利略灯，但那是直到1854年才悬挂上去的。（惠更斯把一个摆悬挂在一个钟的齿轮上，利用摆运动的恒定性来使这个钟走得更准。1656年，他用这种方法设计了第一个现代钟即祖父钟，一下子把计时的精确度提高了10倍。）
摆的摆动周期既取决于摆的长度，也取决于重力。在海平面上，一个长度为99.314厘米的摆正好1秒钟摆动一次，这是伽利略的学生、法国数学家梅森1644年计算出来的。一个摆的摆动周期取决于某一给定地点的重力强度，人们利用这个事实来研究地球的不规则性。例如，一个摆在海平面上摆动周期正好为1秒，如果在山顶上，摆动周期就会稍微多于1秒，因为山顶离地心稍远，因而重力略弱一点。
1673年，一支法国考察队到达了南美洲的北海岸（靠近赤道），该队人员发现，在那个地方，即使在海平面上摆的摆动也慢了。后来牛顿把这个发现作为赤道地区鼓起的证据，因为鼓起使营地远离了地心，从而减弱了重力。在考察队到达秘鲁和拉普兰证实了牛顿的理论以后，一位去拉普兰考察的队员、法国数学家克来罗研究出一些根据摆的摆动快慢来计算地球扁率的方法。这样一来，大地水准面或者地球的海平面形状就能够测定了，结果证明，地球略微偏离一个完美的扁球体，各个地点相差不到92米。现今，重力也可以用重力仪来测量。重力仪是一种悬挂在非常灵敏的弹簧下面的重物。该重物相对于背景上的标度所处的位置表示它被下拉的力的大小，从而能够非常精细地测出重力的变化。
重力在海平面上的变化幅度约为0.6%，当然，在赤道上重力值最小。这种差异在日常生活中并不明显，但它会影响运动员的成绩。奥运会上的成绩在一定程度上取决于举办奥运会的城市所处的纬度（和高度）。
了解大地水准面的确切形状对精确制图是非常重要的。迟至20世纪50年代，只有7%的陆地表面可以说是真正作过精确制图。例如，原来并不知道纽约到伦敦之间的距离误差有2公里，而仅仅知道太平洋中一些岛屿之间的距离误差可达数公里。在现今空中旅行和潜在的导弹瞄准的时代，这样的误差幅度是非常不利的。目前已有可能进行真正精确的制图，但是说来也怪，这不是通过地球表面的测量，而是采用新的天文学测量方法做到的。这些新的测量的第一个装置是1958年3月17日美国发射的先锋1号人造卫星。先锋1号以2½小时的周期绕地球运行。在运行的头两年中，它绕地球的圈数已经超过在好几个世纪里用望远镜观测过的月球绕地球运转的圈数。通过在特定的时间从地球上某些特定的点观察先锋1号的位置，就能够精确地计算出这些观察点之间的距离。以前不知道各点的位置和距离误差为数公里，1959年用这种方法测定的误差小于100米。（1960年4月13日美国发射了另一颗名为子午仪1-B号卫星，是为把这项测量扩展成一个精确测定地球表面各点位置的系统而特意发射的一系列卫星中的第一个，能够极大地改进和便利航空和航海。）
像月球一样，先锋1号以不是处在地球赤道平面上的一个椭圆形轨道绕地球运行。由于赤道鼓起地区的吸引，先锋1号的近地点经常移动，这一点也与月球相似。因为先锋1号远比月球靠近地球的鼓起处，而且比月球小得多，所以受影响的程度也较大；又因为它绕地球的圈数很多，所以人们可以很好地研究赤道地区鼓起的影响。至1959年，人们已经确定，先锋1号的近地点移动在北半球与在南半球不同，因此，这种鼓起部位相对于赤道来说并不完全是对称的。赤道以南某些点的鼓起似乎比赤道以北某些点的鼓起高出7.6米（也就是离地心远了7.6米）。进一步的计算表明，南极离地心的距离比北极少15.2米（从海平面算起）。
1961年，根据先锋1号和先锋2号（1959年2月17日发射）轨道得到的更多的数据表明，赤道的海平面并不是一个完美的圆圈。一些地方的赤道直径比另一些地方长426米。
新闻报道一直把地球描写成“梨形”，把赤道描写成“鸡蛋形”。实际上，这种偏离完美的平滑曲线的情形只有通过最精细的测量才能觉察出来。人们从空间观看地球时，看不到任何像梨或像鸡蛋的情形，而只看到一个完美的圆球。此外，对大地水准面的仔细研究显示出许多稍具压扁和略微鼓起的地区，如果一定要形象地描述地球的话，说它“凹凸不平”比较好。
最后，人们利用人造卫星，甚至采用直接详细拍摄地球表面照片的方法，有可能绘制出误差仅为几米的世界地图。
飞机和轮船过去一般都是参照星座来确定其方位的，现在终于可以通过接收导航卫星发射的信号来判断了。因为微波可以穿透云和雾，所以不受气候的影响。就连在海面以下的潜水艇也可以这样做。这样确定的方位非常精确，以致可以计算出一艘远洋定期客轮的驾驶台和厨房之间位置的差异。
地球重量的测定
知道了地球的确切大小和形状就可以计算出它的体积。地球的体积约为1.083×1027厘米3。然而，要计算地球的质量就复杂多了，但是牛顿的万有引力定律给了我们一些启发。根据牛顿定律，宇宙中任何两个物体之间的引力（f）可以用下面的公式来表示：
式中m1，和m2是两个有关物体的质量，d是它们之间的距离（从中心到中心），g是引力常数。
这个常数的值是多少，牛顿说不上来，但是，如果我们知道了式中其他各项的值，我们只要把式中的各项移动一下就可以求出g的值：
因此，在已知两个物体的质量和它们分开的距离的条件下，要求出g值，只要测出这两个物体之间的引力就行了。麻烦的是，引力是我们所知道的一种最弱的力，而且我们能够操作的一般大小的任何两个物体之间的引力几乎是无法测定的。
虽然如此，1798年，英国物理学家卡文迪什终于设法进行了这种测量。卡文迪什是一位富有而又神经过敏的天才。他一生过着隐居的生活却做出了科学史上一些最精明的实验。他在一根长杆的两头各装上一个质量已知的小球，再把这个哑铃状的奇妙装置悬挂在一根细线上。然后，他在紧靠长杆两头的每个小球的附近各放上一个较大的质量也已知道的球，这样，固定着的大球同悬挂着的小球之间的引力会使水平悬挂的哑铃转动而扭转细线（见图4-1）。哑铃当然也会发生轻微转动。卡文迪什接着测量使细线产生这样的扭转量需要多大的力。这样他就得到了f的值。他还知道m1和m2（大球和小球的质量）以及d（相互吸引的两球之间的距离）。所以他能够计算出g的值。一旦算出了g的值，他就能够计算出地球的质量了，因为地球对任一给定物体的引力都是可以测量出来的。就这样，卡文迪什第一次“称出”了地球的重量。
图4-1 卡文迪什测量引力的装置。两个小球被两个大球所吸引，使悬挂两个小球的细线扭转。细线的这种微小扭转量由小镜子反射到标度上的光的偏移量显示出来
此后的测量精度大为提高。1928年，美国标准局的物理学家海尔测定g的值为0.00000006673达因·厘米2/克2，后来又精确到0.000000066726达因·厘米2/克2。你不必关心那些单位，但要注意这个数字是多么小，而它就是度量微弱万有引力的标准。如果有两个重454克的物体相距30.48厘米，那么它们相互间的引力只有10亿分之14克。
在距离地心6371公里的地方，地球自身还能以454克的力吸引这样重的物体，这个事实有力地说明地球的质量是多么大。事实上，地球的质量是5.976×1027克。
根据地球的质量和体积，很容易求出地球的平均密度，计算的结果是5.518克/厘米3（是水密度的5.518倍）。地球表面岩石的密度平均为2.8克/厘米3，因此，地球内部的密度一定比这大得多。密度是不是从地表到地心一直在平稳地增加呢？由地震研究得出的初步证据表明，情况并不是这样的，地球是由一系列不同的层圈组成的。
地球的层圈
地震
能够在5分钟之内使成千上万的人丧生的自然灾害并不多。在这些自然灾害中，最常见的就是地震。
地球每年发生100万次地震，其中至少有100次严重地震和10次灾害性地震。最残酷的一次可能是1556年发生在中国陕西省北部的地震，有83万人死亡。其他伤亡惨重的地震也是发生在远东。1703年12月30日日本东京地震，死亡20万人；1937年10月11日印度加尔各答地震，有30万人丧生。
虽然在那些年代科学正在西欧发展，但对在世界另一方发生的事件并未加以注意。但是接着在非常靠近他们的地方发生了一场大灾难。
1755年11月1日，里斯本城发生了可能是近代最强烈的一次大地震，城南部的房子全部被毁。接着所谓的潮波也从海上涌了进来。跟着又发生了两次地震，并引起大火。有6万人丧生，里斯本城一片破坏景象。
将近400万平方公里的地区都感觉到了这次地震，对摩洛哥和葡萄牙也造成了重大损失。因为那一天是万灵节，人们正在做礼拜，据说整个欧洲南部在教堂里的人都看见教堂里的吊灯跳舞般地摇晃。
里斯本灾难给当时的学者以极其深刻的印象。那是一个乐观的时代，许多思想家认为，伽利略和牛顿的新科学会给人类带来将地球变为天堂的方法。这次打击表明，自然界还存在着一些巨大的、无法预知而且很明显不是人类所能控制的破坏力。这次地震激发了当时的大文豪伏尔泰的灵感，使他写下了著名的悲观主义讽刺作品《天真汉》，讽寓世人不要认为在这个最美好的世界上一切都会是美好的。
人们习惯地认为，干燥的陆地会因地震的影响而晃动，但是在洋底下面的地壳也同样会发生振动，而且造成更大的破坏性后果。这样的振动会在海洋中形成长而缓和的涌浪，这种涌浪到达大陆附近的浅大陆架时，特别是被涌进港口的狭小区域时，就会形成高大的水柱，有时高达15米～30米。如果这种海浪在没有预报的情况下突然袭来，成千上万的人就会被淹死。这种由地震引起的波浪，通常被称为“潮波”，但这是一个误称。它们虽然与巨大的潮汐相似，但它们的起因却完全不同。现在，人们称之为海啸。这个名字源自日本，因为日本的沿海特别容易受到这种海浪的袭击。
在里斯本遭到地震加海啸的灾难之后，科学家们开始认真思索造成地震的可能原因。古希腊最好的理论是亚里士多德提出来的（当时还有人认为地震是由被囚禁在地下的巨人发怒造成的，我们暂且撇开不谈），他认为地震是由气团引起的，这些气团被闷在地下想逃逸出来。但是，现代科学家们认为，地震可能是地球内部的热对固体岩石内部的应力发生影响的结果。
英国地质学家米歇尔（他研究过有关扭转的力，后来卡文迪什就是利用这种扭转的力测量出了地球的质量）1760年提出，地震是地表以下数公里的岩体移动所造成的波动，而且他首先提出，海啸是海底地震的结果。
为了更好地研究地震，必须制造出一种能发现并检测地震波的仪器，这种仪器直到里斯本地震后100年才被研制出来。1855年，意大利物理学家帕尔米里设计出第一台地震仪①。
帕尔米里发明的仪器由一根两端上弯的水平管子并在管内装一些水银组成的。只要地面震动，水银就从一端流到另一端。当然，它不仅能够测到地震，而且能够测到其他任何一种振动，如附近马路上马车的振动。
1880年，英国工程师米尔恩设计出一种更好的装置，这种装置成为以后使用的地震仪的始祖。5年前，他曾到东京教授地质学与采矿，因为日本经常发生地震，所以他有很多机会进行研究，这种地震仪就是他的研究成果。
米尔恩的地震仪形式非常简单，把一个重物挂在一个弹性较弱的弹簧上，把弹簧的另一端装在一个支座上，再把支座牢牢地固定在基岩上。当地球移动时，被悬挂的重物由于惯性而保持静止。但是，固定在基岩上的弹簧则会随着地球的运动而略有伸缩。这种运动的情形通过装在静止重物上的笔就可以记录在缓慢转动的滚筒的烟熏纸上。现在实际上使用两块重物：一块记录南北走向的地震波；另一块记录东西走向的地震波。一般的振动，因为不是源自于基石，所以对地震仪没有影响。现今，最精密的地震仪，如福德姆大学的地震仪，用光束代替笔，以避免笔在纸上产生摩擦阻力。光束照射在感光纸上，使这些痕迹经显影变成照片。
米尔恩推动世界各地特别是日本建立起一些地震及相关现象的观测台。到1900年，地震观测台已有13个，现在有500多个，分布在各大洲，包括南极洲在内。在其中第一个观测台建成后不到10年的时间里，就证实米歇尔关于地震是由通过地球体传播的震波引起的论断是正确的。
对地震这种新的了解并不意味着地震发生的频率减少或者地震灾情减轻。事实上，在20世纪70年代发生了多次严重地震。
1976年7月28日，中国的一次地震毁掉了北京以南的一个城市，约有65万人丧生②。这是自400年前陕西地震以来最严重的一次地震灾害。在危地马拉、墨西哥、意大利、菲律宾、罗马尼亚和土耳其也发生了严重地震。
这些地震并不表示我们居住的地球越来越不稳定。现代的通信方法能够保证我们听到世界各地发生的一切地震——通过电视往往还可以看到地震的现场。而在过去（甚至一二十年以前），对远方的灾难未予报导或未曾注意到。更重要的是，现在的地震灾害很可能比过去（甚至1个世纪以前）的严重，因为现在地球上的人口越来越多，城市的人口更加密集，同时因为人造的容易被地震破坏的建筑物数量极大而且花费极多。
因此，人们更有理由要求研究出预报地震的方法。地震学家正在寻找各种明显的变化。有些地方地面可能隆起。岩石可能被拉开或挤在一起，往里吸水或把水挤出来，因此井水的升降可能会很明显。岩石的天然磁性和电导率也会发生变化。动物可以觉察到微小的振动或环境变化，人类则因为太忙而对这些未加注意，因此动物在震前会有紧张的反应。
中国人特别喜欢收集所有异常现象的报告，甚至连油漆剥落的现象也收了进去，据报道，对中国东北1975年2月4日发生的一次地震③事先作了预报。于是人们离开他们的家到城外空旷的地方，因此拯救了数千人的性命。但是，1976年那次更为严重的地震却没有预测出来。
除非预报比现在的更准确，否则预报会得不偿失，这种说法也不无道理。错误的警报会干扰生活，引起经济混乱，所受的损失比一次小的地震还要大。而且，在作出一两次错误的预报之后，正确的预报也可能被忽视。
一次地震所能造成的破坏非常惊人。据估计，最大的地震释放出来的全部能量等于10万个普通原子弹或者100个大型氢弹。只是因为地震的能量分散在大片的地区，所以才没有那么大的破坏力。地震能使地球像一个巨大的音叉那样振动。1960年智利大地震就使地球以每小时不到一次的频率振动（比中音阶C低20个八音程，因此根本听不到）。
地震烈度是以0~9的震级来测量的，每一级所代表的释放能量大约是比它低的一级所释放能量的30倍。（到目前为止，还没有记录到烈度超过9级的地震，但1964年阿拉斯加大地震记录下的烈度为8.5级。）这种震级叫做里克特震级，因为它是美国地震学家C.F.里克特1935年提出的。
地震有一个令人安慰的方面，就是并不是整个地球表面都会同样地受到地震的威胁（尽管这对生活在地震危险地区的人起不到安慰作用）。
大约80%的地震能量释放在靠近浩瀚的太平洋的地区。另外有15%释放在跨越地中海的一条东西向的地带中。这些地震带（见图4-2）与火山区有着密切的联系——这正是地球的内部热效应与地震伴生的一个原因。
火山
虽然在大多数情况下火山的影响局限于较小的区域，但火山仍然和地震一样是一种可怕的自然现象，而且持续的时间更长。已经知道历史上活动过的火山大约有500座，其中2/3发生在太平洋边缘。
在极少数情况下，当火山捕获大量的水并使之过热时，就会发生骇人的灾难。1883年8月26日至27日，位于苏门答腊和爪哇之间海峡中的东印度喀拉喀托小火山岛上爆发出一声巨响。这声巨响被形容为有史以来地球上发出的最大声响，在距离5000公里的地方人们凭耳朵就能听到，而且全世界的仪器都可以收到。这次发出的声波绕地球转了好几圈。大约有21立方公里的岩石被粉碎并抛向空中，散落在77万平方公里的地区。火山灰使数百平方公里的天空昏暗无光，而留在同温层的灰尘几年内使日落的景色格外辉煌。30多米高的海啸使爪哇和苏门答腊沿岸的36000名居民丧生，这次海啸世界各地都容易探测到。
3000多年前在地中海可能发生过类似的事件，后果更为严重。1967年，美国考古学家在克里特以北130公里的锡拉岛上发现了一座被火山灰覆盖的城市遗址。显然，大约在公元前1400年，这里有同喀拉喀托岛一样的一次火山喷发，而且力量更大，声音可能更响，因而造成的灾害更为惨重。由此引起的海啸袭击了克里特岛。当时克里特岛是一种历史悠久并令人赞美的文明的摇篮。这次致命的打击使这种文明再也没有复兴起来。克里特人对大海的控制完全消失了，继之而来的是一个动乱而黑暗的时期；恢复工作延续了好几个世纪。锡拉岛突然消失的景象一直留在幸存者的脑海中，它的故事经过人们的艺术加工一代一代流传下来。在锡拉和克里特文明灭亡以后大约11个世纪，柏拉图讲述的亚特兰蒂斯岛的故事可能就是由此引起的。
世界历史上最有名的一次火山喷发如果与喀拉喀托岛和锡拉岛的火山喷发相比也许是很小的。这就是发生在公元79年的维苏威火山喷发（在此之前人们认为这是一座死火山），这次喷发掩埋了罗马的两个胜地——庞培城和赫库尔兰努姆城。著名的百科全书编纂家普林尼就是死于这次灾难，这是他的侄子小普林尼亲眼所见而记载下来的。
1763年以后对这两座被掩埋的城市开始进行认真地发掘。这为人们研究在古代最繁荣时期存在的一个城市的比较完整的遗迹提供了一次难得的机会。
另一种不寻常的现象就是平地上突然出现一座新火山。1943年2月20日在墨西哥就看到了这种可怕的事情。那一天，在墨西哥城以西320公里的一个村庄（帕里库廷）的一块一直非常平静的玉米地里，一座火山冒了出来，8个月的时间内就形成了一个高达460米的火山灰堆。当然这个村子只好放弃了。
总的来说，美国人对火山喷发一直没有清楚的认识，因为火山似乎都发生在外国。诚然，最大的活火山在夏威夷岛上，这个岛已归属美国80多年，成为美国的一个州也已有30多年。岛上的基拉韦厄火山有一个面积为10.36平方公里的火山口，经常喷出熔岩。但这些喷发从来不是爆发性质的，熔岩周期性地溢出，流动缓慢，很少危及生命，当然有时也会毁坏部分财产。1983年这座火山格外活跃。
喀斯喀特山脉沿着太平洋海岸线分布（深入内陆约160公里～241公里），从美国加利福尼亚州北部延伸到加拿大不列颠哥伦比亚省南部，有许多著名的山峰，如胡德山和芒特雷尼尔，都是已知的死火山。因为它们不活动，所以人们很少注意，但是一座火山可以停止活动数百年，然后突然喷发，恢复活力。
华盛顿州中南部的圣海伦斯火山使美国人对这个事实有了清楚的认识。在1831年～1854年，这座火山曾经是一座活火山，但是当时在那里居住的人不多，因此详细情况不清楚。在以后的103年中，这座火山一直非常平静。但是1980年5月18日，在一阵隆隆的响声和震动以后，火山突然喷发。有20人没有注意要求离开这一地区的最初警告而丧生，据报道有100多人失踪。从那时起这座火山一直活动着，虽然火山喷发不是那么大，但这是长久以来美国相邻48个州的第一次火山喷发。
火山喷发所造成的不只是直接的生命伤亡。在巨大的火山喷发中，大量的灰尘被抛到高空进入大气层，可能要经过多年这些灰尘才会沉落。在喀拉喀托火山喷发后，由于灰尘长时期使落日的光线发生散射，因此呈现出灿烂的日落景象。这些灰尘能够反射阳光，使到达到地球表面的太阳热量一度减少，因而会产生一种不利的影响。
有时延迟效应影响区域较小，但破坏性很大。1783年，冰岛中南部的拉基火山喷发。在两年的喷发中，熔岩的最终覆盖面积达570平方公里，但直接损失很小。然而，火山灰和二氧化硫几乎喷散到整个冰岛，甚至到达苏格兰。火山灰使天空变暗，农作物因得不到阳光而死亡。二氧化硫气体使岛上3/4的家畜死亡。没有了农作物，动物也死了，有10000名冰岛人（占冰岛总人口的1/5）饿死或病死。
1815年4月7日，爪哇以东一个小岛上的坦博拉火山喷发。154立方公里的岩石和灰尘被喷向高空大气层。因此，阳光被反射的程度比平时大得多，地球上的温度有一年左右比往常低。例如，在新英格兰，1816年特别冷，那一年每月都有一阵冰冻，甚至7、8月份都有冰冻，因此被称为“没有夏天的一年”。
有时火山造成直接伤亡，但不一定是由熔岩甚至火山灰造成的。1902年5月8日，西印度群岛马提尼克岛上的培雷火山喷发，产生了由炽热气体和浓烟组成的一层厚云。这些气体顺着山坡快速下泻，并且一直向着这个岛上的主要城镇圣皮埃尔飘去。结果在3分钟内，城内38000人窒息而死。惟一的幸存者是关在地下监牢的一名罪犯，如果不发生这次意外的话，他将在当天被处以绞刑。
地壳的形成
关于火山及其在形成大部分地壳中的作用的近代研究，起始于18世纪中叶的法国地质学家盖塔。18世纪末，德国地质学家维尔纳有一个时期曾单枪匹马地提倡一种错误的观念，他认为，大部分岩石是在地球表面都是大海沉积时而成的（水成说）。但是，绝大多数证据，特别是赫顿提出的证据，使人们确信，大部分岩石都是通过火山作用形成的（火成说）。火山和地震似乎都是地球内能的表现形式，这种内能主要来源于放射性（见第七章 ）。
当地震仪使人们能够仔细研究地震波时，人们发现最容易研究的地震波可分为两大类：面波和体波。面波沿着地球的曲面行进；体波穿过地球内部。因为体波走的是捷径，所以一般总是先到达地震仪。这些体波又可以分为两种：纵波（P波）和横波（S波）（图4-3）。同声波一样，纵波是通过介质的交替压缩和膨胀而传播的（就像拉手风琴那样交替地推合与拉开）。这种震波可以通过任何介质——固体或液体。相反，横波则以人们所熟悉的蛇行的方式蜿蜓前进，蜿蜓的方向垂直于前进的方向。横波不能通过液体或气体。
图4-3 地震波在地球内部的传播路线。面波沿地壳传播。液态地核使体波的纵波折射。横波不能穿过地核
纵波比横波传播得快，因此先到达地震台。根据横波的时滞，就可以计算出地震的距离。地震的地点或震中（岩石扰动正上方地面上的点）可以利用3个或3个以上地震台所测得的距离数据准确地确定出来：用这三个半径画出的三个圆在一个点上相交。
实验室研究表明，不论是纵波还是横波，其速度都受岩石种类、温度和压力的影响。因此，可以把地震波作为了解地表深处情况的探测器。
纵波在地表附近传播的速度为每秒8公里；从到达的时间来判断，在地表以下1600公里深处，纵波速度必定接近每秒13公里。同样，横波在地表附近的速度小于每秒5公里，在1600公里深处，速度为每秒6.4公里。因为速度增加是密度增加的一种度量，因此，我们可以计算出地表下面岩石的密度。前面已经讲过，地球表面的平均密度为2.8克/厘米3；在1600公里以下，达到5克/厘米3；在2900公里以下，接近6克/厘米3。
在2900公里的深处，有一个突然的变化。低于这个界面，横波不再传播。因此，1906年，英国地质学家奥尔德姆认为，这个界面以下的区域是液态的；地震波已经到达液态地核的边界。同时，纵波到达这一界面的传播的方向急剧改变；显然，纵波进入液态地核时被折射。
液态地核的边界以美国地质学家古滕贝格的名字命名，称为古滕贝格不连续面。1914年，古滕贝格确定了这个边界，并证明液态地核从地心向外延伸3475公里。1936年，澳大利亚数学家布伦根据地震数据计算出了地球各个深层的密度。1960年，智利大地震提供的数据证实了他的计算结果。因此我们可以说，在古滕贝格不连续面上，物质密度由6克/厘米3直接增加到9克/厘米3，因而到达地心时密度平稳地增加到11.5克/厘米3。
液态地核
液态地核的性质是怎样的呢？在地核的温度和压力条件下，它一定是由密度为9～11.5克/厘米3的物质组成的。据估计，地核的压力介于顶部的1550吨/厘米2与地心的3880吨/厘米2之间。地核的温度知道得还不确切。根据已知的深矿坑中温度随深度增加的比率以及岩石的导热率，地质学家们估计（粗略地），液态地核的温度一定高达5000℃。（比地球大得多的木星的中心温度可能高达50000℃。）
地核的物质一定是某种常见元素，这种元素是如此普遍以致足以组成一个有地球一半直径并有其1/3质量的圆球。宇宙中最常见的惟一重元素就是铁。在地表，铁的密度只有7.86克/厘米3；但是在地核的巨大压力下，它的密度会达到9～12克/厘米3，而且在地球中心的条件下，它会呈液态。
如果需要的话，陨石可以提供更多的证据。陨石可以分为两大类：一类是主要由硅酸盐组成的石陨石；另一类是由大约90%的铁、9%的镍以及1%的其他元素组成的铁陨石。许多科学家相信，陨石是被粉碎的小行星的残余物，其中一些残余物可能很大，以至可以分裂为金属部分和石质部分。如果是那种情况的话，金属部分一定是镍-铁，因此地球的金属核心可能也是镍-铁。（实际上在1866年，也就是远在地震学家探测地核之前，法国地质学家多布雷根据铁陨石的成分就认为地核是由铁组成的。）
就地球的构造来说，今天大多数地质学家都承认液态镍-铁地核是一个基本常识。但是，有人对此提出了一项重大改进。1936年，丹麦地质学家莱曼试图解释以下一个令人困惑的事实，即一些纵波出现在大部分纵波都不能进入的地核表面上的一个影区内。他提出，在距地心大约1300公里的地核范围内有一不连续面，使纵波再次发生偏折，因而将一些侧倾的纵波送入影区。古滕贝格支持这个观点，而现在大多数地质学家把地核分为外核和内核，外核是液态镍-铁，内核与外核有所不同，可能是固态的，或者在化学成分上略有不同。1960年，智利大地震使整个地球发生缓慢振动，其振动频率与在考虑到内核的情况下所预测的频率相符。这是支持内核存在的有力证据。
地幔
包围着镍-铁核心的那一部分地球称为地幔。地幔可能是由硅酸盐组成的，但是由地震波通过地幔的速度来判断，正如美国物理化学家L.H.亚当斯1919年首先指出的那样，这些硅酸盐与地表上的典型岩石不同。这些硅酸盐的性质表明，它们是所谓的橄榄石型（橄榄绿色）的岩石，相对来说富镁和铁而贫铝。
地幔并不是一直延伸到地表。南斯拉夫克罗地亚的一位名叫莫霍诺维奇的地质学家，在研究由1909年巴尔干地震产生的地震波时，断定地表下面大约32公里的一个点上地震波的速度急剧增加。这个莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍不连续面）现在被公认为地壳的边界。
地壳和上地幔的性质可以利用前面提到的面波进行详尽的研究。同体波一样，面波也可分为两种：一种是洛夫波（以其发现者洛夫的名字命名），这种波是横波，形状像在陆地上爬行的蛇；另一种是瑞利波（以英国物理学家瑞利勋爵的名字命名），这种波是纵波，形状像神话中的海蛇在水中游动的路径一样。
对这些面波的分析（特别是哥伦比亚大学尤因的分析）表明，地壳在各个地方的厚度不同。在海洋盆地下面地壳最薄，有些地方莫霍不连续面仅在海平面以下13~16公里的地方。由于海洋本身在某些点上深达8~11公里，因此，在海渊以下的地壳可能只有5公里厚。另一方面，在大陆下面，莫霍不连续面所在的平均深度大约是海平面以下32公里（例如，在纽约市下面大约为35公里），而在山脉下面可深达64公里。这个事实加上重力测量所得到的证据表明，山脉岩石的密度比普通岩石的低。
总的来说，地壳是由玄武岩和花岗岩两种主要岩石组成的一种结构，密度较小的花岗岩浮在玄武岩上，形成大陆，并在花岗岩特别厚的地方形成山脉（就像大冰山浮出水面比小冰山高一样）。年轻山脉把花岗岩根部深深地推进到玄武岩中，但是，随着山脉被侵蚀，花岗岩根部就会由于慢慢向上浮动而自行调整（这种保持质量平衡的现象叫做地壳均衡，这个名称是美国地质学家达顿1889年提出来的）。阿巴拉契亚山脉（一个非常古老的山脉）的花岗岩根部差不多完全浮上来了。
