地球的结构、大气和水：认识我们的家园
各位小科学家，你好！你脚下深处有什么？空气是由什么组成的？为什么我们不能直接喝海水？在这一课，你会认识地球内部的四层结构、空气中的主要气体、淡水的不同形式、地球上的水如何分布，以及安全地分辨淡水和盐水的方法。
水如何在地球上循环，会在“水循环”一课学习；怎样令水变得安全可饮用，则会在“水的净化”一课学习。
1. 地球内部：四层结构
地球是一个由岩石和金属组成的巨大球体，半径约 6,400 公里。从来没有人到过地心，但科学家研究地震波怎样穿过地球，从而推断地球内部的情况。试想象一个桃：薄薄的果皮就像地壳，厚厚的果肉就像地幔，中间的果核就像地核。
由外到内的四层结构
1. 地壳——由固态岩石组成，是最薄的一层：在海洋下面约厚 5–10 公里，在大陆下面约厚 30–70 公里。高山、海洋和狮子山都位于地壳之上。
2. 地幔——最厚的一层，约厚 2,900 公里。由非常热的岩石组成，大部分是固态，但经过数百万年，它可以极其缓慢地流动，就像一块较硬的橡皮泥。
3. 外核——约厚 2,200 公里，主要由铁和镍组成。这里非常热（约 4,000–5,000 °C），金属呈液态。
4. 内核——由铁和镍组成的球体，半径约 1,200 公里。它是最热的部分（约 5,000–6,000 °C），但却是固态，因为上面各层造成的巨大压强令金属无法熔化。
记忆口诀：“壳、幔、外、内，越往里越热”——由外到内是地壳、地幔、外核、内核。
越深越热
温度随深度增加。所以非常深的矿井需要冷却系统来保护矿工。压强也随深度增加，因为每一层都受到上面所有物质的重量挤压。
你知道吗？内核的温度和太阳表面差不多！外核中流动的液态铁产生了地球的磁场，令指南针指向北方。
技能：绘画地球的结构
先画一个大圆代表地球。在里面画一个小圆代表内核，再画一个较大的圆代表外核。由外核到地面之间是地幔，最外面一条非常薄的圈是地壳。为每一层标示名称、状态和厚度，并加上箭头：“温度随深度增加”。
比例小贴士：如果以 1 厘米代表 1,000 公里，内核的半径约 1.2 厘米，外核伸延到 3.4 厘米，地幔伸延到约 6.3 厘米。地壳会比你的铅笔线还要薄，所以如果你把它画厚了，要注明“不按比例”。
常见错误：地幔不是一片液态熔岩海——它大部分是固态岩石。熔化的岩石（岩浆）只在接近顶部的某些地方形成。另外，只有外核是液态，内核是固态的。
重点：薄的固态地壳、厚而大部分是固态的地幔、液态的外核、固态的内核。温度随深度增加。
2. 大气：包围地球的一层气体
什么是大气？
大气是包围地球的一层气体，由地球引力保持在地球周围。这些混合的气体就是我们所说的空气。接近地面的空气最稠密，越高越稀薄，慢慢过渡到太空。在珠穆朗玛峰顶附近，空气十分稀薄，很多登山者都要携带氧气瓶。
大气为我们提供呼吸所需的氧，也为植物提供进行光合作用所需的二氧化碳。大气中的臭氧层阻挡了太阳大部分有害的紫外线，而大气亦像一张被子一样令地球保持温暖。
空气由什么组成？
空气是一种混合物。干燥空气中各种气体的体积百分比大约如下：
氮——约 78%
氧——约 21%
氩——约 0.9%
二氧化碳——约 0.04%
其他气体（例如氖、氦）——极少量
空气中亦含有分量不定的水汽——在香港闷热的夏天，空气中的水汽特别多！
记忆口诀：78 – 21 – 1。氮 78、氧 21，余下的 1% 主要是氩。二氧化碳在每 10,000 个空气粒子中只占约 4 个，但它很重要：植物需要它，而且它有助保存热能。气体的测试会在“空气”一课学习。
常见错误：空气不是主要由氧组成。氮才是主要气体（差不多五分之四）；氧只占约五分之一。
重点：大气是包围地球的一层气体。干燥空气约含 78% 氮、21% 氧、0.9% 氩和 0.04% 二氧化碳。
3. 地球上的水：盐水和淡水
盐水和淡水
盐水（海水）存在于海洋之中。它含有大量溶解了的盐类，主要是食盐（氯化钠）——每 1 千克海水约含 35 克盐类，即约 3.5%。淡水只含极少溶解了的盐类。雨水就是淡水。
淡水在地球上的不同形式
1. 冰帽和冰川——覆盖南极洲和格陵兰的巨大冰层，以及高山上缓慢移动的“冰河”（冰川）。
2. 地下水——储存在地底泥土和岩石细小空隙中的雨水。我们可以挖井取水，地下水也会从泉眼涌出。
3. 湖泊和水库——静止的淡水。水库是人工建造的湖泊，例如船湾淡水湖。
4. 河流和溪涧——流动的淡水，例如香港郊野公园里的溪涧。
5. 湿地——全年或部分时间被水浸透的土地，例如沼泽。湿地是很多鸟类、鱼类和昆虫的家。
此外，少量淡水以水汽和云的形式存在于空气中，也存在于泥土和生物体内。
地球上的水如何分布？
地球上约 97% 的水是盐水，只有约 3% 是淡水——而在这些淡水之中，约 69% 是冰，约 30% 是地下水，只有约 1% 存在于湖泊、河流、湿地、空气和生物之中。
技能：用表格或图像展示水的分布
位置 | 淡水或盐水？ | 占地球上所有水的比例
海洋 | 盐水 | 约 97%
冰帽和冰川（两极地区、高山） | 淡水 | 约 2%
地下水 | 淡水 | 少于 1%
湖泊、河流、湿地、空气、生物 | 淡水 | 远少于 0.1%
你也可以用饼图表示。淡水所占的部分非常细小，所以可以再画一个只显示淡水的饼图：冰 69%、地下水 30%、地面水 1%。
想象一下：如果地球上所有的水装满一个 1 升的水瓶，约 970 毫升是盐水，30 毫升是淡水。在这 30 毫升之中，约 20 毫升是冰，9 毫升在地底。所有湖泊、河流和湿地的水加起来，只有几滴！
你知道吗？香港大部分住宅都用海水冲厕所，节省了珍贵的淡水。香港大部分的淡水由广东省的东江经水管输入，我们亦会在水库收集雨水。
重点：地球上约 97% 的水是盐水，只有约 3% 是淡水。大部分淡水都被锁在冰中，所以我们能轻易使用的淡水十分有限。
4. 分辨淡水和盐水
两者看起来都可以是清澈无色的。但海水含有大量溶解了的盐，这改变了一些我们可以量度的性质。
安全第一：切勿品尝！
在实验室里，切勿品尝任何样本，即使你认为它“只是水”。样本和仪器可能沾有有害的化学品或细菌。应改用安全的测试方法。
分辨的方法
1. 蒸发
把相同少量的样本分别放在蒸发皿中，用水浴加热至水分完全蒸发。海水会留下白色的盐晶体；蒸馏水则不会留下任何东西。要戴上护目镜——不要猛烈加热至完全干透，因为热的盐粒可能会溅出。
2. 密度
海水的密度较大。根据 \(\text{密度} = \dfrac{\text{质量}}{\text{体积}}\)：100 cm³ 淡水的质量约为 100 克，但 100 cm³ 海水约为 102–103 克。用电子天平量度相同体积的样本。物体在海水中亦会浮得较高——试试用一端粘上橡皮泥的吸管，制成简单的密度计。
3. 导电性
把两条连接着电池和灯泡、发光二极管或电流表的碳棒，放进每个样本中。海水的导电性好得多，因为溶解了的盐类让电流通过。蒸馏水几乎不导电。只可使用电池——切勿使用市电（墙上插座的电源）。
4. 沸点
在正常气压下，纯水的沸点是 100 °C；海水的沸点稍高（约高半度），凝固点则较低（约 −2 °C）。这些差异很小，所以需要准确的温度计。
发挥创意！其他安全的方法也可以——例如把样本和肥皂水一起摇匀，海水产生的泡沫少得多。
设计公平测试（重点实验）
问题：A 瓶和 B 瓶没有标签。一瓶是淡水，一瓶是海水。哪一瓶是哪一种？
假设：蒸发后留下较多固体的样本是海水。
自变量：样本的种类（A 或 B）。
因变量：留下固体的质量。
控制变量：样本的体积、蒸发皿的种类、加热方法。
对照实验：用相同方法测试蒸馏水。
步骤：1. 为三个已标记的干燥蒸发皿量度质量。2. 分别加入 10 cm³ 样本。3. 用水浴温和地加热至干。4. 待冷却后再量度质量。5. 重复实验并计算平均值。
例子：A 留下约 0.35 克白色固体；B 和蒸馏水几乎没有留下任何东西。结论：A 是海水，因为海水含有多得多的溶解盐类，水蒸发后盐会留下来。再用第二种方法（例如导电性）检查——如果两种方法的结果一致，你的结果就更可靠。
常见错误：“这水很清澈，所以是淡水。”错！溶解了的盐是看不见的。此外，淡水的意思是“不咸”，不等于“干净”：河水仍可能不安全饮用。
重点：切勿品尝。海水蒸发后会留下盐、密度较大、导电性较好，而且沸点稍高。
重点回顾
1. 由外到内：地壳（最薄）、地幔（最厚）、外核（液态）、内核（固态、最热）。
2. 温度随深度增加。
3. 大气是包围地球的一层气体。
4. 干燥空气：氮 78%、氧 21%、氩 0.9%、二氧化碳 0.04%。
5. 淡水的形式：冰帽和冰川、地下水、湖泊、河流和溪涧、湿地。
6. 97% 是盐水，3% 是淡水——大部分是冰。
7. 可用蒸发、密度、导电性或沸点分辨——切勿品尝。
做得好！每一滴淡水都很珍贵——现在你明白为什么了。