地球的結構、大氣和水：認識我們的家園
各位小科學家，你好！你腳下深處有甚麼？空氣是由甚麼組成的？為甚麼我們不能直接喝海水？在這一課，你會認識地球內部的四層結構、空氣中的主要氣體、淨水的不同形式、地球上的水如何分佈，以及安全地分辨淨水和鹽水的方法。
水如何在地球上循環，會在「水循環」一課學習；怎樣令水變得安全可飲用，則會在「水的淨化」一課學習。
1. 地球內部：四層結構
地球是一個由岩石和金屬組成的巨大球體，半徑約 6,400 公里。從來沒有人到過地心，但科學家研究地震波怎樣穿過地球，從而推斷地球內部的情況。試想像一個桃：薄薄的果皮就像地殼，厚厚的果肉就像地幔，中間的果核就像地核。
由外到內的四層結構
1. 地殼——由固態岩石組成，是最薄的一層：在海洋下面約厚 5–10 公里，在大陸下面約厚 30–70 公里。高山、海洋和獅子山都位於地殼之上。
2. 地幔——最厚的一層，約厚 2,900 公里。由非常熱的岩石組成，大部分是固態，但經過數百萬年，它可以極其緩慢地流動，就像一塊硬硬的黏土。
3. 外地核——約厚 2,200 公里，主要由鐵和鎳組成。這裏非常熱（約 4,000–5,000 °C），金屬呈液態。
4. 內地核——由鐵和鎳組成的球體，半徑約 1,200 公里。它是最熱的部分（約 5,000–6,000 °C），但卻是固態，因為上面各層造成的巨大壓強令金屬無法熔化。
記憶口訣：「殼、幔、外、內，越入越熱」——由外到內是地殼、地幔、外地核、內地核。
越深越熱
溫度隨深度增加。所以非常深的礦井需要冷卻系統來保護礦工。壓強也隨深度增加，因為每一層都受到上面所有物質的重量擠壓。
你知道嗎？內地核的溫度和太陽表面差不多！外地核中流動的液態鐵產生了地球的磁場，令指南針指向北方。
技能：繪畫地球的結構
先畫一個大圓代表地球。在裏面畫一個小圓代表內地核，再畫一個較大的圓代表外地核。由外地核到地面之間是地幔，最外面一條非常薄的圈是地殼。為每一層標示名稱、狀態和厚度，並加上箭咀：「溫度隨深度增加」。
比例小貼士：如果以 1 厘米代表 1,000 公里，內地核的半徑約 1.2 厘米，外地核伸延到 3.4 厘米，地幔伸延到約 6.3 厘米。地殼會比你的鉛筆線還要薄，所以如果你把它畫厚了，要註明「不按比例」。
常見錯誤：地幔不是一片液態熔岩海——它大部分是固態岩石。熔化的岩石（岩漿）只在接近頂部的某些地方形成。另外，只有外地核是液態，內地核是固態的。
重點：薄的固態地殼、厚而大部分是固態的地幔、液態的外地核、固態的內地核。溫度隨深度增加。
2. 大氣：包圍地球的一層氣體
甚麼是大氣？
大氣是包圍地球的一層氣體，由重力保持在地球周圍。這些混合的氣體就是我們所說的空氣。接近地面的空氣最稠密，越高越稀薄，慢慢過渡到太空。在珠穆朗瑪峰頂附近，空氣十分稀薄，很多登山者都要攜帶氧氣瓶。
大氣為我們提供呼吸所需的氧，也為植物提供進行光合作用所需的二氧化碳。大氣中的臭氧層阻擋了太陽大部分有害的紫外線，而大氣亦像一張被子一樣令地球保持溫暖。
空氣由甚麼組成？
空氣是一種混合物。乾燥空氣中各種氣體的體積百分比大約如下：
氮——約 78%
氧——約 21%
氬——約 0.9%
二氧化碳——約 0.04%
其他氣體（例如氖、氦）——極少量
空氣中亦含有份量不定的水汽——在香港悶熱的夏天，空氣中的水汽特別多！
記憶口訣：78 – 21 – 1。氮 78、氧 21，餘下的 1% 主要是氬。二氧化碳在每 10,000 個空氣粒子中只佔約 4 個，但它很重要：植物需要它，而且它有助保存熱能。氣體的測試會在「空氣」一課學習。
常見錯誤：空氣不是主要由氧組成。氮才是主要氣體（差不多五分之四）；氧只佔約五分之一。
重點：大氣是包圍地球的一層氣體。乾燥空氣約含 78% 氮、21% 氧、0.9% 氬和 0.04% 二氧化碳。
3. 地球上的水：鹽水和淨水
鹽水和淨水
鹽水（海水）存在於海洋之中。它含有大量溶解了的鹽類，主要是食鹽（氯化鈉）——每 1 千克海水約含 35 克鹽類，即約 3.5%。淨水（即淡水）只含極少溶解了的鹽類。雨水就是淨水。
淨水在地球上的不同形式
1. 冰帽和冰川——覆蓋南極洲和格陵蘭的巨大冰層，以及高山上緩慢移動的「冰河」（冰川）。
2. 地下水——儲存在地底泥土和岩石細小空隙中的雨水。我們可以挖井取水，地下水也會從泉眼湧出。
3. 湖泊和水塘——靜止的淨水。水塘是人工建造的湖泊，例如船灣淡水湖。
4. 河流和溪澗——流動的淨水，例如郊野公園裏的溪澗。
5. 濕地——全年或部分時間被水浸透的土地，例如沼澤。濕地是很多雀鳥、魚類和昆蟲的家。
此外，少量淨水以水汽和雲的形式存在於空氣中，也存在於泥土和生物體內。
地球上的水如何分佈？
地球上約 97% 的水是鹽水，只有約 3% 是淨水——而在這些淨水之中，約 69% 是冰，約 30% 是地下水，只有約 1% 存在於湖泊、河流、濕地、空氣和生物之中。
技能：用表格或圖像展示水的分佈
位置 | 淨水或鹽水？ | 佔地球上所有水的比例
海洋 | 鹽水 | 約 97%
冰帽和冰川（兩極地區、高山） | 淨水 | 約 2%
地下水 | 淨水 | 少於 1%
湖泊、河流、濕地、空氣、生物 | 淨水 | 遠少於 0.1%
你也可以用圓形圖表示。淨水所佔的部分非常細小，所以可以再畫一個只顯示淨水的圓形圖：冰 69%、地下水 30%、地面水 1%。
想像一下：如果地球上所有的水裝滿一個 1 升的水樽，約 970 毫升是鹽水，30 毫升是淨水。在這 30 毫升之中，約 20 毫升是冰，9 毫升在地底。所有湖泊、河流和濕地的水加起來，只有幾滴！
你知道嗎？香港大部分住宅都用海水沖廁，節省了珍貴的淨水。香港大部分的淨水由廣東省的東江經水管輸入，我們亦會在水塘收集雨水。
重點：地球上約 97% 的水是鹽水，只有約 3% 是淨水。大部分淨水都被鎖在冰中，所以我們能輕易使用的淨水十分有限。
4. 分辨淨水和鹽水
兩者看起來都可以是清澈無色的。但海水含有大量溶解了的鹽，這改變了一些我們可以量度的性質。
安全第一：切勿品嚐！
在實驗室裏，切勿品嚐任何樣本，即使你認為它「只是水」。樣本和儀器可能沾有有害的化學品或細菌。應改用安全的測試方法。
分辨的方法
1. 蒸發
把相同少量的樣本分別放在蒸發皿中，用水浴加熱至水分完全蒸發。海水會留下白色的鹽晶體；蒸餾水則不會留下任何東西。要戴上護目鏡——不要猛烈加熱至完全乾透，因為熱的鹽粒可能會濺出。
2. 密度
海水的密度較大。根據 \(\text{密度} = \dfrac{\text{質量}}{\text{體積}}\)：100 cm³ 淨水的質量約為 100 克，但 100 cm³ 海水約為 102–103 克。用電子天秤量度相同體積的樣本。物體在海水中亦會浮得較高——試試用一端黏上黏土的飲管，製成簡單的比重計。
3. 導電性
把兩條連接着電池和燈泡、發光二極管或安培計的碳棒，放進每個樣本中。海水的導電性好得多，因為溶解了的鹽類讓電流通過。蒸餾水幾乎不導電。只可使用電池——切勿使用市電（牆上插座的電源）。
4. 沸點
在正常氣壓下，純水的沸點是 100 °C；海水的沸點稍高（約高半度），凝固點則較低（約 −2 °C）。這些差異很小，所以需要準確的溫度計。
發揮創意！其他安全的方法也可以——例如把樣本和肥皂水一起搖勻，海水產生的泡沫少得多。
設計公平測試（重點實驗）
問題：A 瓶和 B 瓶沒有標籤。一瓶是淨水，一瓶是海水。哪一瓶是哪一種？
假說：蒸發後留下較多固體的樣本是海水。
自變量：樣本的種類（A 或 B）。
因變量：留下固體的質量。
控制變量：樣本的體積、蒸發皿的種類、加熱方法。
對照實驗：用相同方法測試蒸餾水。
步驟：1. 為三個已標記的乾燥蒸發皿量度質量。2. 分別加入 10 cm³ 樣本。3. 用水浴溫和地加熱至乾。4. 待冷卻後再量度質量。5. 重複實驗並計算平均值。
例子：A 留下約 0.35 克白色固體；B 和蒸餾水幾乎沒有留下任何東西。結論：A 是海水，因為海水含有多得多的溶解鹽類，水蒸發後鹽會留下來。再用第二種方法（例如導電性）檢查——如果兩種方法的結果一致，你的結果就更可靠。
常見錯誤：「這水很清澈，所以是淨水。」錯！溶解了的鹽是看不見的。此外，淨水（淡水）的意思是「不鹹」，不等於「乾淨」：河水仍可能不安全飲用。
重點：切勿品嚐。海水蒸發後會留下鹽、密度較大、導電性較好，而且沸點稍高。
重點回顧
1. 由外到內：地殼（最薄）、地幔（最厚）、外地核（液態）、內地核（固態、最熱）。
2. 溫度隨深度增加。
3. 大氣是包圍地球的一層氣體。
4. 乾燥空氣：氮 78%、氧 21%、氬 0.9%、二氧化碳 0.04%。
5. 淨水的形式：冰帽和冰川、地下水、湖泊、河流和溪澗、濕地。
6. 97% 是鹽水，3% 是淨水——大部分是冰。
7. 可用蒸發、密度、導電性或沸點分辨——切勿品嚐。
做得好！每一滴淨水都很珍貴——現在你明白為甚麼了。