作为太阳系中的一颗行星，地球有它整体的自转和公转等运动状态，这是一种物理现象，也是地球演变史上一个物理过程。在地球物理研究史上，为了证实地球自转，法国物理学家傅科（Focke）设计了一个特殊的摆，这个摆的结构同普通摆一样，悬挂摆的架子固定在地面上，架子与摆之间通过可以在任意方向旋转的旋钮加以联结。傅科采用了67m的长绳和重达27kg的摆锤，有效地增大了摆动的持续时间和摆的惯性。傅科于1851年在法国巴黎的一个圆顶大厦成功地进行了这个摆的摆动试验（图1-2）。试验结果证实了地球向东旋转。
地球自转速度相当稳定，长期以来作为时间和记年的标准。以太阳为参考点，地球上同一子午面连续两次通过该点的时间记为1个太阳日。地球不但自转，而且绕日公转，公转的轨道是椭圆，所以在一年之中每天的太阳日是不等的，取一年之内诸太阳日之平均值，就得一个平均太阳日，即日常生活中所用的日。
图1-2 证实地球自转的摆动试验
地球绕太阳公转，自转轴与公转轨道的法线之间有23°23′的夹角，导致一年的不同季节间地球同一表面接收到的太阳光照大不相同，出现四季的变化和大地万物的生息相应。显然，这种物理周期过程现象十分明显。
气候变化也是一种物理现象。在正常年份，热带西太平洋被高温（中心超过29℃）的“暖池”水覆盖，东太平洋则由温度较低（20℃～26℃）的“冷水”所盘踞。但这种格局每过2～7年就被厄尔尼诺（El Niño）现象的出现打乱一次。厄尔尼诺现象是指发生在热带太平洋的海温异常增暖的一种气候现象，一旦这个状态维持6个月以上就会被认定是发生了厄尔尼诺事件。厄尔尼诺事件发生时，南半球强劲的西北季风削弱了秘鲁西海岸的离岸风——东南信风，使南太平洋东部秘鲁寒流（沿南美洲西海岸自南向北流动）冷水上泛减弱甚至消失，并且吹拂着水温较高的赤道暖流南下，使秘鲁寒流的水温反常升高，太平洋广大水域的水温升高，可比常年高出3℃～6℃。这改变了传统的赤道洋流和东南信风，导致全球性的气候反常，太平洋沿岸一些地区迎来反常降水，另一些地方则干旱严重。如1986—1987年的厄尔尼诺事件，使赤道中、东太平洋海水表面水温比常年平均温度偏高2℃左右。同时，热带地区的大气环流也相应地出现异常，热带及其他地区的天气出现异常变化；南美洲的秘鲁北部、中部地区暴雨成灾；哥伦比亚境内的亚马孙河河水猛涨，造成河堤多次决口；巴西东北部少雨干旱，西部地区炎热；澳大利亚东部及沿海地区雨水明显减少；中国北方地区、南亚至非洲北部大范围地区均少雨干旱。
拉尼娜（La Niña）指发生在赤道太平洋东部和中部海水大范围持续异常变冷的现象（海水表层温度低出气候平均值0.5℃以上，且持续时间超过6个月以上），是厄尔尼诺现象的反相，故又被称为“反厄尔尼诺”或“冷事件”。从20世纪初到1992年期间，拉尼娜现象共发生了19次，每3～5年发生一次，但也有时间间隔达10年以上的。20世纪80年代以来，先后在1984—1985年、1988—1989年和1995—1996年出现过拉尼娜现象。拉尼娜多数是跟在厄尔尼诺之后出现的，在前述19次拉尼娜现象中，有12次发生在厄尔尼诺年的次年。
拉尼娜现象出现时印度尼西亚、澳大利亚东部、巴西东北部、印度及非洲南部等地降水偏多。相反，在赤道太平洋东部和中部地区、阿根廷、赤道非洲、美国东南部等地易出现干旱。
有关资料分析表明，在发生拉尼娜期间，西太平洋（包括南海）活动的台风和影响我国的台风都比较多，而在发生厄尔尼诺期间却出现相反的情况。在拉尼娜年份，西太平洋（包括南海）台风总数平均为26.2个，登陆我国大陆的台风数为7.4个，而厄尔尼诺年份平均为21.4个和5.2个。拉尼娜对我国东北夏季气温和华北汛期降水都有影响：在拉尼娜年份，沈阳、长春和哈尔滨夏季气温为偏高，而在厄尔尼诺年份，夏季气温往往偏低；在拉尼娜期间，华北汛期降水量容易偏多，而厄尔尼诺年份华北降水量容易偏少。
如果将厄尔尼诺称为“暖”事件，则可相应地将拉尼娜称为“冷”事件。一“暖”一“冷”，相互修正事件发生时造成气候失衡。
按照板块构造理论，地球表层（即岩石层，包括地壳和上地幔约100km厚，具有较大强度的地层）并不是整块，而是被一些如海沟、洋中脊、转换断层等活动构造所割裂，形成若干个大小有限的单元，称之为板块。板块不是静止不动的。它们在地幔物质的对流带动下，每年以几个厘米的速度由洋中脊向两旁扩张；在海沟处沉入地下，通过软流层完成对流循环。威尔逊进一步归纳总结了从大陆裂谷、新生洋盆，无海沟的大洋、有海沟的大洋到陆内缝合带的出现这一板块演化过程，称为威尔逊旋回。其时间周期可达几十到上百个百万年。板块构造运动出现在地球演变历程中一个重要的构造时期，其本身也是一种物理过程。在板块汇聚处（俯冲带或缝合带），应力不断积聚，达到岩石破裂的极限时地震就可能发生。地震现象属于自然界中的一类突变现象，即系统从一种稳态经过极短暂的失稳运动发展为另一种稳态，其中失稳态的时间长短可能只有几分钟。虽然地震发生的时间很短，可给人类带来的灾难是巨大的，它可能使城市和古建筑成为废墟，千万人丧生于几秒、十几秒的瞬间（图1-3、图1-4）。这些活动一方面给人类带来灾难，另一方面也是地球充满活力的象征。
正是因为有了岩石层这一载体的存在，每年只有几厘米速度的板块运动这种渐变式的地球演变产生的应力和能量，逐渐积累，最终以地震、火山喷发等突变现象来释放。
图1-3 台湾1999年集集大地震造成桥梁倒塌
图1-4 2011年日本大地震引发的海啸
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