自然地理学(第1章地球).ppt

1 自然地理学 第1章地球 主讲人 彭善枝武汉大学资源与环境科学学院 2 主要内容 地球在宇宙中的位置地球的形状和大小地球的运动地理坐标地球的圈层结构地球表面的基本形态和特征 3 1 1地球在宇宙中的位置 1 1 1宇宙和天体1 宇宙 Universe Cosmos Space 宇宙是无比巨大的物质世界 宇宙间物质存在的形式是多种多样的 凝聚态 日月星辰弥漫态 星际物质 4 2 天体 是宇宙中各种星体和星际物质的总称 天体的物理化学性质相差极大 据此 天体可分为 恒星 质量大 并且发光 不停地运动 凭肉眼看到的天体 99 以上都是恒星 行星 不发光 质量小 绕恒星运动的星体 地球仅是太阳的行星之一 卫星 绕行星运行 质量比行星小的星体 月球是地球唯一的天然卫星 5 流星 质量更小 也不发光 当接近地球受到引力作用 可改变其轨道而陨落 当进入大气层流 因与大气摩擦 迅速增温而白炽化 发生燃烧 慧星 是一种很小的 有特殊外表和轨道的天体 星云 云雾状的天体 银河系 恒星的集合体 包括一千多亿个恒星的星系 6 3 天体系统层次地月系 太阳系 银河系 星系群 星系团 超星系团 总星系 我们的宇宙 星系群 星系聚集组成星系群 到目前为止 已发现了十亿多个类似银河系这样的星系 星系团 比星系群更大的成团的星系结构 超星系团 比星系团更高一级的物质层次 总星系 比超星系团更高一级的天空世界 它包括现有观测工具所能察觉的全部宇宙空间和已经被发现的10亿个星系 据推算大约为以120亿光年为半径的空间范围 7 4 天体距离单位光年 光在真空中一年时间所走过的距离称为1光年 1光年 94605亿km 光年是天文学中常用的距离单位 天文单位 1天文单位即日地平均距离 约14960万km 用于测定太阳系天体的距离 1光年 63240天文单位 8 5 宇宙的起源 大爆炸宇宙学说在现代宇宙学中 最有影响的是1948年由美国天体物理学家伽莫夫提出的大爆炸宇宙学 它认为我们的宇宙经历着一个从小到大 从密到稀 从热到冷的过程 在不断膨胀降温的过程中 物质由基本粒子态 100亿k 化学元素 10亿k 原子核 100万k 恒星系统 9 1 1 2太阳和太阳系 1 太阳太阳是一颗既普通又特殊的恒星 说它普通 是因为太阳的质量 体积在恒星中属中等大小 是处于壮年期的一颗恒星 说它特殊 指太阳是太阳系的中心天体 吸引周围天体 构成太阳系 太阳是离地球最近的一颗恒星 是地球光热和生命之源 是研究其他恒星的标本 10 1 太阳的距离 大小和质量A 日地距离日地平均距离约14960万km 称为一个 天文单位 可用 a astronomicalunit 表示 1976年 国际天文学会通过 自1984年起 a 值统一使用1 49597870亿km 约1 5亿km 用a这把量天尺来度量十分方便 根据理论计算 太阳系的引力范围可达15万a 11 B 太阳的大小太阳视圆面 在地球上看到光亮的太阳圆面 太阳视直径 太阳视圆面对地球所张的角度 平均值为31 59 3 太阳视半径 约为16 太阳线半径R 太阳视半径所对应的太阳视圆面的半径 从图1 1中可求得 R a sin 6 96 105km 12 图1 1太阳的线半径R 和视半径 13 是太阳符号 是地球符号 已知地球平均半径为6371km 太阳半径约是地球半径的l09倍 用正球体体积的公式 可求得太阳体积V 是地球体积V 的130万倍 已知太阳质量占太阳系质量的99 87 相当于所有的行星及其卫星质量的745倍 太阳的巨大质量产生的巨大引力 从而制约着行星 慧星等较小天体的公转运动 14 表1 1太阳与地球大小和质量的比较 15 2 太阳的外部构造太阳物质处于高度电离状态 氢和氦原子在高温高压条件下 离解为带正电荷的质子和带负电荷的电子 因为正 负两种离子所带电荷的总量是相等的 故称等离子体 太阳是个炽热的等离子气态球体 其分层无明显的界线 为了研究方便 将太阳大致分成内三层 核反应区 辐射区和对流区 和外三层 光球 色球和日冕 太阳内层无法直接观测 只是一种理论模式 图1 2 16 图1 2太阳结构示意图 17 表1 2太阳结构及太阳活动 太阳活动 是指发生在太阳大气层局部区域的 在有限时间间隔内的各种物理过程的总称 主要表现为太阳黑子 耀斑 太阳风等变化现象 其中 太阳黑子是太阳活动的明显标志 耀斑是太阳活动最急剧猛烈的形式 18 黑子 太阳的光球上 经常出现一些黑色的斑点 天文学上称 黑子 黑子并不是黑的 可能是太阳物质大规模运动造成的漩涡 由于其温度 4500K 稍低于光球的其它部分 在明亮的光球背景上 相对地表现为黑色的斑点 直径为1000 2000km 寿命为几小时到几个月 具有11年的周期变化 人们规定 自1755年开始的那一个周期为第一周 黑子具有磁场 强度为1000 4000高斯 黑子的活动不仅可引起色球层和日冕的扰动 产生耀斑和暴发日珥等现象 还与地球上的磁暴 极光以及水文 气象等现象有密切关系 19 耀斑 是太阳上的爆发现象 主要出现在黑子群上空的色球上 表现为大面积的突然增亮 在扰动太阳的各种表现中 最强烈的 也是对地球影响最大的要算是耀斑 一个大的耀斑 一般只能经历一 二十分钟的时间 但是 在这样短的时间内 它所释放的能量大约相当于百万吨级氢弹威力的100万万倍 这样大量的能量释放 使得太阳的能量辐射和高能粒子流都会到达地球 并且在地球上引起磁暴 电离层干扰和极光等地球物理现象 并且严重地影响到地球上的短波无线电通讯 20 日冕膨胀 日冕的温度很高 有几百万度 日冕中的稀薄物质是以及高的速度在运动着 由于运动速度实在太高了 因此 日冕中的一部分粒子仍然能够摆脱太阳的重力 奔向广阔的行星际空间 这种现象叫做日冕膨胀 由于日冕的高速膨胀 行星际空间不断得到从太阳喷射出来的高速粒子流 这叫做太阳风 太阳风的粒子 百分之九十是氢核 整个太阳系都处于太阳风的劲吹之中 地球距离太阳只有1 5亿km 可以说首当其冲 在地球轨道附近 太阳风平均8个粒子 cm2 平均速度约450km s 在太阳风的作用下 面向太阳的半个地球的磁场 被压缩到很小的范围以内 背向太阳的地球磁场 被带向遥远的行星际空间 成为地球的磁尾 21 图1 3光球温度分布 22 3 太阳的能源A 太阳热能太阳是太阳系光热的主要源泉 是地球能量的主要供给者 太阳辐射 太阳以电磁波形式不断地向外辐射能量 称为太阳辐射 太阳辐射能量主要集中在狭窄的0 2 10 0 m波段 该波段的辐射量占总辐射量的99 9 紫外线 射线 红外线和米波辐射 就它们的总辐射能量而言 虽然只占太阳辐射总能量微不足道的一小部分 但是它们变化幅度很大 且极不稳定 可以迅速传递太阳表面微波和无线电波各种物理过程的信息 23 太阳常数I0 在地球大气层外 距离太阳一个天文单位的地方 太阳直射 垂直于太阳光束方向 的单位面积上 在单位时间内接收到的所有波长的太阳辐射能量I0 8 16J cm2 min 知道I0数值后 就能计算出地球获得太阳辐射的数量 太阳每分钟向宇宙空间辐射的总能量 相当于以日地距离为半径的球面上所获得的能量 其值为I0 4 a2 3 826x1026J s 因为地球是个球体 它被太阳照射的半个球面所得到的能量 等同于以地球半径R 6371km 为半径的圆面上 阳光直射下的能量 其值为I0 R 2 1 74xl017J s 24 地球每分钟获取的能量同太阳总辐射能量的比值是 I0 R 2 I0 4 a2 R 2a 2 1 22亿由此可知 地球获得的太阳能很少 这极小部分的太阳能 足以维持着地表上各种自然现象过程的进行 尤其是赖以生存的生命得以繁衍延续 人类应该加倍珍惜太阳的恩赐 25 B 太阳能源太阳不断地释放出巨大的能量 巨大能量来源于太阳内部的热核聚变 对太阳光谱的分析得知 太阳含有极其丰富的氢元素 按质量计约占71 氢核在几百万度 K 高温下即可聚变成氦核 而太阳中心处于极高温 1500万K 和极高压 2000亿个大气压 状态下 四个氢核聚变成一个氦核 从而释放出巨大能量 氢 氦聚变方程如下 4H1 He4 2e 2 rH 氢核 He 氦核 e 正电子 中微子 r 光子 26 太阳产生能量的方式是物质转变为能量 1个氢核的质量是1 008个原子质量单位 1个氦核的质量是4 004个原子质量单位 在氢核聚变成氦核的过程中 将伴随着质量的损耗 设m为损耗的质量 则有 m 4 l 008 4 004 0 028即当4个氢核聚合成1个氦核时 就有0 028个原子质量单位的质量损耗 如计算1g氢核聚变为氦核时 其质量损耗为X 则有 1 4 1 008 X 0 028X 0 007 g 27 爱因斯坦在狭义相对论中指出 质量和能量可以互相转化 其转化公式为 E mV2 E 能量 m 质量 V 光速 现将0 007代人上式得 E 0 007 3 l010 2 6 21 l011J 即是说1g氢核聚变为氦核时 能产生6 21 l011J的热能 相当于燃烧2700t标准煤所发出的热量 按照上述计算 太阳从诞生到现在仅损耗了其总质量的0 03 维持了50亿年的光能辐射 估计太阳寿命约100亿年 其质量的损耗也不过是总质量的0 06 28 4 太阳活动对地球的影响太阳以电磁波和高能粒子流的形式 向外放射着巨大的能量和物质 太阳的能量流和物质流对地球发生着深刻的影响 它对自然地理环境的形成 发展及演化具有决定性的作用 太阳风与地球磁层 地球周围存在一个偶极磁场 当太阳风等离子体吹向地球时 使地球磁场被太阳风包围 形成地球磁层 图1 4 29 图1 4地球磁层 30 一方面 好的方面 由于地球磁层的存在 使得太阳风高能带电粒子不能到达地面 从而保护了地球表面有机体的生存和发展 另一方面 坏的方面 总有一部分高能带电粒子闯入磁层内 被磁层禁锢在地球高层 通过空间探测器 1958年美国范 艾伦发现了包围地球的强辐射带 称为 范 艾伦辐射带 这个强辐射带分内 外两层 像套在地球赤道周围的两个轮胎环子 它对人类冲出地球的宇宙活动 会造成严重辐射的危害 要注意采取预防措施 31 对地球电离层的影响距地面约80 150km的大气层 在太阳紫外线 x射线 粒子辐射的作用下发生电离 称为电离层 正是太阳辐射在大气中形成了电离层 才使世界的现代通讯成为可能 太阳活动强烈时 太阳紫外线 x射线也相应增强 强烈地干扰大气上层的电离层并把短波无线电波吸收 致使地球上无线通讯受甚至中断 这种现象叫做电离层骚扰 32 对地磁的影响A 太阳活动引起地球磁场的不规则变化 叫做 磁扰 十分强烈的磁扰现象称为 磁暴 a 地球上发生磁暴时 磁针失灵 不能正确指示方向 从而影响野外工作 尤其是磁力探矿 b 同时 对军事战斗 以及飞机和船舶的定向 定位也都带来影响 B 另外 在地球高纬度地区 经常出现一种变幻莫测 美丽壮观的极光现象 这也是太阳活动引起的 它主要发生在100 200km的高空 有的高达l000km 33 极光形成的理论 a 最早认为是太阳活动发出的高能带电粒子在到达地球附近时 受地球磁场的作用 迫使其沿磁力线方向运动到地球磁极的上空 它们与地球大气中的分子 原子碰撞而发光 b 现代研究认为 极光是围绕地球的两半球的一种大规模放电过程和表现形式 这种放电过程 是通过太阳风与地球磁层的相互作用来实现的 通过实验 证明极光在南 北极地区同纬度 同时间会一起出现与消失 34 太阳活动与其他方面的关系 太阳辐射是地球气候形成的重要因素 由于太阳活动引起太阳辐射的改变 必然导致气候相应的变化 举例 a 有人研究树木年轮的生长状况 是受当时的气温 降水的影响 它既记录着气候历史的变化 又反映了太阳活动的情况 与太阳活动11年周期相符 b 根据我国2000多年太阳黑子的记录 黑子的11年 22年或更长周期 与我国历史上大范围旱 涝灾害有很好的对应关系 c 此外 现代构造运动的重要标志之一 地震活动同太阳活动亦有密切关系 35 2 太阳系 太阳系 由中心天体太阳及其巨大引力作用下 环绕太阳运行的行星 卫星 小行星 慧星 流星体和行星际物质所组成的天体系统 图1 5 图1 5太阳系示意图 36 1 太阳系的成员行星 在椭圆轨道上绕太阳运行的 近似球状的天体 在太阳周围分布着八大行星 它们距太阳由近及远的顺序 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星八大行星绕轴自转的同时 在各自轨道上绕日公转 37 卫星 围绕行星运动的天体 八大行星除水星和金星外 都带有卫星 行星和卫星都不发可见光 一般质量大的行星比质量小的行星拥有较多的卫星 大的卫星近球形 小的卫星呈现不规则状 除天然卫星外 地球周围还绕转着许多人造卫星 另外 还有不少空间探测器和宇宙飞船在太阳系中遨游着 人造天体 当今天空中运行的人造卫星 宇宙火箭 行星际飞船和空间实验室等 统称人造天体 38 小行星 沿椭圆轨道绕太阳运行的小天体 数以万计的小行星分布在火星和木星轨道之间 构成小行星带 慧星 呈现云雾状的独特外貌 以扁长椭圆轨道绕太阳运行的质量较小的天体 目前观测到的慧星已超过了1000多颗 行星际物质 弥漫于行星际空间的气体微粒和固体尘埃 太阳系是人类目前唯一直接或间接观测到的行星系统 地球是太阳系家族的成员 我们对太阳系的探究 具有重大而深远的意义 39 彗星 彗星的轨道与行星的很不相同 它是极扁的椭圆 有些甚至是抛物线或双曲线轨道 轨道为椭圆的彗星能定期回到太阳身边 称为周期彗星 轨道为抛物线或双曲线的彗星 终生只能接近太阳一次 而一旦离去 就会永不复返 称为非周期彗星 彗星的结构彗星没有固定的体积 它在远离太阳时 体积很小 接近太阳时 彗发变得越来越大 彗尾变长 体积变得十分巨大 彗尾最长竟可达2亿多千米 彗星的质量非常小 绝大部分集中在彗核部分 彗核的平均密度为每立方厘米1克 40 彗星之尾一直以来 此彗星照片是最佳彗星之一 由业余天文学家约翰 罗伯得拍摄 此图片显示二条截然不同的尾巴 蓝色窄小的离子尾巴由气体组成 而白色宽大的尾巴由微小尘埃组成 彗星结构示意图 41 2 大行星的分类及特征 分类A 以地球为界 地内行星 水 金 地外行星 火 木 土 天王 海王 B 以小行星为界 内行星 水 金 地 火 外行星 木 土 天王 海王 C 根据八大行星理化性质的主要差异划分 类地行星 水 金 地 火 类木行星 木 土 天王 海王 42 表1 3太阳系行星表 43 物理性质和化学组成的差异第一 类地行星的质量较小 而类木行星的质量较大 第二 类地行星的平均密度较高 而类木行星的密度较低 第三 从化学组成看 类地行星主要由重物质组成 有固体表面 类木行星则以轻物质为主 因而没有固体表面 第四 类地行星接近太阳 因而它们有较高的温度 反之 类木行星的温度很低 就这个条件而论 太阳系的生命圈限于类地行星 水星除外 从理论上说 金星和火星可能有生命 第五 类地行星卫星数无或少 类木行星卫星数量多 44 3 行星的分布规律和运动特征 分布规律 基本遵循提丢斯 波得定则 an 0 4 0 3 2n an代表行星与太阳的距离 n代表行星的序号 n的取值 水星为 金星为0 地球为l 火星为2 小行星带为3 木星为4 冥王星为8 详见表2 4 它是经过1766年德国天文学家提丢斯和1772年柏林天文台台长波得研究 发表的计算行星距离的一个经验公式 45 表1 4八大行星与太阳的距离 46 太阳系天体的运动规律 开普勒三定律与牛顿万有引力定律德国天文学家开普勒 在波兰天文学家哥白尼日心体系的基础上研究了大量行星运动资料 总结发表了行星运动三条定律 定量地阐明了行星运动真实轨道的几何形状和运动规律 实际上 太阳系中的小行星 周期慧星以及规则卫星也都是遵照开普勒三大定律运行 因此 开普勒被誉为 天空的立法者 第一定律 行星绕日公转轨道都是椭圆 太阳位于椭圆的一个焦点上 第二定律 行星向径 日星中心的连线 在单位时间内 扫过相等的面积 第三定律 行星绕日公转周期的平方同它们与日平均距离的立方成正比 47 图1 6行星的椭圆轨道 图1 7开普勒第二定律 面积定律 48 英国科学家牛顿在总结三定律的基础上 得出了著名的万有引力定律 解决了太阳系天体运动的力学原理 以此把研究天体运动建立在天体力学的理论基础之上 万有引力定律 即宇宙间一切物体之间都是互相吸引的 引力的大小同这两个物体质量的乘积成正比 同它们之间的距离平方成反比 即F Gm1m2 r2F 万有引力 m1和m2 分别为两物体的质量 r 两物体间的距离 G 万有引力常数 6 67x10 8dyn cm2 g2 严格地说 万有引力定律只适用于质点 49 太阳系天体绕日运动的轨道是圆锥曲线 包括椭圆 抛物线和双曲线三种类型的轨道 九大行星属近圆的椭圆轨道 而彗星三种类型的轨道都有 开普勒第二定律实质上是动量矩守恒定律 即行星在近日点运行得快些 才不被太阳引力拉过去 行星在远日点运行得慢些 才不脱离太阳引力而跑掉 八大行星公转的向心加速度是和太阳引力相当的 因而它们井然有序地和较稳定地绕日运行着 无论卫星绕行星运动 行星携带它的卫星绕日运动 或是太阳又携带整个太阳系在银河系中绕银心运动 无一例外 都遵循着万有引力定律 50 运动特征 近圆性 同向性和共面性 近圆性 同向性和共面性是八大行星和规则卫星运动的重要特征 在说明 三性 时 参见表1 3 A 近圆性 从表1 3可知 八大行星偏心率均在1 e 0 且接近0 说明行星轨道形状是近圆的椭圆形 B 同向性 指八大行星无一例外地都按逆时针方向 顺行 绕日公转 同时 太阳和大多数行星 金星 天王星除外 绕轴自转也是顺向 C 共面性 八大行星公转轨道接近于一个平面 51 2 1 3 地球的天然卫星 月球 月球是地球的惟一天然卫星 地球和月球相互吸引和共同绕转 构成了地月系 由于月球绕地球 地球绕太阳的运动 产生了有目共睹的月相变化和日食 月食等天文现象 52 1 月球的距离 质量和大小现在国际上采用的月地平均距离为384401km 月球的质量为7 36x1025g 即为地球质量的1 81 3 月球半径1738 2km 相当于地球半径的27 28 月球的平均密度为3 34g cm3 比地球平均密度5 528g cm3小 月球表面的重力加速度是1 62m s2 约为地球表面重力加速度的1 6 月球重力小 是造成它与地球完全不同的自然状况的主要原因 53 2 月球的自然状况 月球几乎没有大气 其主要成分是氦和氩 密度很小 声音得不到传播 白天天空也是一片漆黑 星星 太阳 地球同时出现在天空 无法保持水分 没有风云变幻 由于月球没有大气干扰 清晰度极佳 是天文观测的好基地 月面上温度变化十分剧烈 月球上难以存在生命 54 3 月球的表面特征由于月面对光的反射特性的差异 我们在地球上用肉眼观察月球 可看到月面上明暗不均的现象 当我们用望远镜观察月面时 则可清楚地看到高低不平的外貌 以及复杂的结构特征 其主要月貌类型有 月陆 环形山 月坑 山脉 月海 月谷和月溪 月球的背面也有同正面一样的地形 只是 海 的面积较小 而环形山很多 其中有5座是以中国人命名的 他们是石申 张衡 祖冲之 郭守敬和 万户 中国古代官职名 55 2 月球的运动 1 月球的公转运动 月球轨道A 公转运动 月球绕地球的运动 称为月球的公转运动 但严格地讲 是月球和地球绕其公共质心的运动 只因其公共质心仍位于地球内部 故可简单地把月球的公转看成是绕地球 或地心 的运动 B 月球公转轨道 地心轨道 是一个椭圆C 日心轨道 月球运行的日心轨道是月球绕地球 地球绕太阳两种运动的合成 图1 8 56 图1 8月球的运动 57 D 月球公转轨道在天球上的投影叫做 白道 白道面相对于黄道面平均有5 09 的倾角 叫做 黄白交角 月球在白道上运行 相对于黄道而言 月球从黄道以南进入黄道以北的那个交点叫 升交点 相反 月球从黄道以北进入黄道以南的那个交点 叫 降交点 E 月球轨道交点移动的一个周期内 月球的升 降交点总有与春分点重合的机会由于太阳引力的影响 月球轨道交点沿黄道不断西移 每年西移约19 4 即18 6年移动一周 在移动的一个周期内 月球的升 降交点总有与春分点重合的机会 58 如图1 9所示 当升交点与春分点重合时 左图 白道与天赤道的夹角最大 即月球赤纬最大 其变化幅度为 月 23 26 5 09 土28 35 当降交点与春分点重合时 右图 白道与天赤道的夹角最小 即月球赤纬最小 其变化幅度为 月 23 26 5 09 土18 17 月球赤纬的变化幅度 就决定了某地所见月球的地平高度的变化幅度 也是我们所见月球离地面有高低变化之原因 59 图1 9月球的赤纬变化 60 日月会合运动与月相 A 日月会合运动由于月球绕地球公转的同时 地球还在绕太阳公转 同时二者又存在着速度差异 因此从地球上看 月球相对于太阳也产生相对运动 称之为日月会合运动 日月会合运动使日 地 月三球的相对位置时刻都在发生变化 B 月相 由于月球本身不发光 只是反射太阳光才被人们看见 所以当月球与太阳处于不同的相对位置时 从地球上看来 月球的视形状就会发生周期性的圆缺变化 称为月球的位相 简称 月相 图1 10 61 图1 10月相成因 62 C 角距离 或黄经差 月球与太阳的相对位置 是以它们之间的角距离 或黄经差 来表示的 故不同月相的变化 就是日月角距离 黄经差 的变化 由图1 10可推出各种月相出没的时刻 63 a 朔月 新月 时 日出月出 日落月落 b 上弦月时 正午月出 子夜月落 c 望月 满月 时 日落月出 日出月落 d 下弦月时 子夜月出 正午月落 e 月球从朔 上弦 望 下弦 朔 完成了一次日 月会合运动 也就是完成了一次月相圆缺盈亏的变化 64 月球公转的周期与速度A 月球绕地球运行一周的时间叫做月球的公转周期 由于选择的参考点不同 而有各种不同的月 恒星月 以恒星为参考点 约27 3217日 它是月球公转360 所需的时间 是月球公转的真正周期 朔望月 以太阳为参考点 约29 5306日 它是日月会合运动的周期 也是月相变化周期 交点月 以黄白交点为参考点 长度约27 2122日 65 2 月球的自转运动 同步自转在长期的观测中 人们总是只看到月球的半边脸 并认为月球没有自转运动 事实恰好相反 这个现象正表明了月球有自转运动 只是因为月球的自转方向和周期与它公转相同所致 天文学上称这种自转叫 同步自转 即月球的自转周期为一个恒星月 27 3217日 如图1 11所示 月球在M1时 月面上a点正对地球E 当月球公转90 到达M2时 月球也自转了90 月面上a点依然对准地球 依次类推 月球从M1 M2 M3 M4 M1 公转了一周 月球本身也以同样的速度自转了一周 这样月面上的a点总是对着地球 66 图1 11月球的自转 67 3 日食和月食在日月会合运动中 当月球运行到太阳和地球之间 朔日 且日 地 月三球恰好或几乎在一直线上时 月球遮住了太阳 在地球上处于月影区域的观察者 看不见或看不全太阳的现象称为 日食 在日月会合运动中 当月球运行到和太阳相对的方向 望日 且日 地 月三球恰好或几乎在一直线上时 月球进入地球的影子 在地球上处于夜半球地区的观察者 看不见或看不全月球的现象称为 月食 日食和月食是一种普通的天文现象 68 1 2地球的形状和大小 1 2 1地球的形状和大小通常 地球的形状不是指地球自然表面的真实形状 而是指大地水准面的形状 所谓大地水准面 就是全球静止海面 它是假设占地表四分之三的海洋表面完全处于静止的平衡状态 并把它延伸通过陆地内部所得到的全球性的连续的封闭曲面 曲面上处处与铅垂线垂直 它是陆地上海拔的起算面 69 1 地球是一个正球体人类对地球形状的认识 经历了漫长的岁月 我国古代就有 天圆似张盖 地方如棋局 的说法 认为天空是圆的 大地是平的 然而 种种迹象表明 大地不是平面 而是曲面 例如登高可以望远 站得越高望得越远 月食时 地球投射到月球的影子是圆弧形的 在海岸观看远来的船只 先见桅杆 后见船体 图1 12 在地面上越往北走 北极星的高度越大等等现象 都说明大地是一个曲面 麦哲伦的环球航行 用事实证明了大地是一个封闭的曲面 70 但是 曲面还不一定是球面 只有具备相同曲率的曲面 才构成球面 近代进行的弧度测量结果表明 世界各地的地面曲率大致相同 每度都在111km左右 从而得到地球是正球体的结论 地球的正球体形状 是在自引力的作用下形成的 图1 12在海岸看远来的船只 71 2 地球是一个扁球体地球是个扁球体 人们对它亦有一个认识过程 1672年 法国一位天文学家里奇从巴黎 490N 到南美洲的法属圭亚那 50N 进行天文测量 发现他带去的一只在巴黎校正过的天文摆钟 每天要慢2分28秒 于是不得不根据恒星的运动来校正他的摆钟 把摆长缩短2 54mm后 摆钟行走正常 二年后 里奇回到巴黎 却发现钟又走快了 加快的数值恰好就是当初在南美减慢的数值 他把钟摆恢复至原来的长度 钟又走准了 72 钟摆在赤道附近变慢的原因 可据摆动周期公式获知 T 2 l g式中 T为摆动周期 l为摆长 g为重力加速度 里奇的天文摆钟 在摆长l不变的情况下 周期T的增大 摆动周期变慢 只能是g减小造成的 里奇认为 重力加速度g的减小 是惯性离心力作用的结果 惯性离心力来源于地球自转 在赤道 自转的速度最高 惯性离心力最大 在两极 自转速度为零 没有惯性离心力的作用 计算表明 由于惯性离心力的影响 赤道上的重力应比两极减少1 289 可是 赤道和两极地面重力的实际差异比这个数值大得多 赤道的重力比两极小1 191 73 牛顿对此作了圆满的解释 他指出 使地面重力自两极向赤道减少 是由两个原因造成的 在自转的地球上 每一质点的惯性离心力都是背离地轴的 将惯性离心力F分解为相互垂直的两个分力 图1 13 与地心引力相反的 为垂直分力f1 与铅垂线垂直的 叫水平分力f2 f1以赤道为最大 向两极逐渐减少至0 即惯性离心力的垂直分力 对赤道重力抵消最多 对两极没有抵消 故赤道重力比两极减少1 289 而水平分力f2指向赤道 在f2作用下 使地球成为赤道鼓起 两极扁平的扁球体 图1 14 称为旋转椭球体 就是说 不同纬度地方的地球半径不等 赤道最大 两极最小 这又使赤道的重力比两极再减少1 550 两项合计 赤道重力就比两极减小1 191了 74 图1 13扁球体的形成 图1 14扁球体 75 扁球体的扁缩程度 用扁率表示 若以地球赤道半径为a 极半径为b 那么 地球的扁率f为 f a b b1976年 在法国召开的国际天文学联合会 决定从1984年开始使用如下数据 赤道半径 a 6378 140km 极半径 b 6356 755km 扁率 f a 6 a 1 298 251 76 3 地球是一个不规则的扁球体地球的大地水准面经过精确测量表明 地球形状不是几何上的旋转椭球体 它的形状是不规则的 纬线不是正圆 经线也不是真正的椭圆 地球的南北半球并不对称 它的几何中心也不在赤道平面上 对这样一个不规则的扁球体 可用一个理想的 模型 作为比较来说明 图1 15 即把规则的椭球体作为参考椭球体 用各地的大地水准面对照参考椭球体的偏离来反映地球的真实形状 77 图1 15大地水准面对参考椭球体的偏离 其结果是 地球赤道是个椭圆 长轴与短轴最大相差430m 地球的北极凸出10m 南极凹陷30m 而南纬60 又有隆起 北纬45 又有凹陷 因此 很难用简单的几何形状来表示地球的形状 地球的形状很不规则 只能说它是个不规则的扁球体 78 造成大地水准面不规则形态的原因 是地球内部物质分布的不均 由于地球内部物质分异并没有最后完成 因而地球内部的圈层结构 并不是严格的同心均质球层 地球的质心并不位于地心 对于地壳来说 物质的分布不均就更加显著 这就势必影响到海面的形状 虽然大地水准面总是处处凸起的 不会有凹陷的地方 但是同地球椭球体表面比较 有的地方高起 有的地方低下 虽然差值不大 但在几何体上 它总是不规则的 79 地球的自引力和惯性离心力 都是系统性因素 在它们的作用下 地球的形状必然是有规则的 分别如前述的正球体和扁球体 而地球内部物质分布不均 是非系统性因素 在它的作用下 地球形状就是不规则的 在实际应用上 针对不同的情况和要求 可把地球形状作不同的处理 在制作地球仪 绘制小比例尺全球性地图时 可把地球当作正球体看待 测绘大比例尺地图时 可把地球看成是参考椭球体 在发射人造卫星和轨道计算时 就要考虑各地对参考椭球体的偏差 80 4 地球形状和大小的地理意义在研究地球形状的地理意义时 可略去地球几何形状和真实形状之间的差异 而把它当作是一个正球体 地球是一个不透明的球体 因接受同一光源 太阳 的照射 而形成半球性的白昼和黑夜 详见本章第三节 81 地球与太阳之间的距离很远 可以把照射到地球上的太阳光线视作平行光线 当平行光线照射到球形地表时 在同一时刻 不同地点将具有不同的太阳高度 黄赤交角的存在 决定了这种高度有规律地从地球直射点向两极减小 在自转的地球上 就造成热量分布的纬度差异 从而引起地表上一切与热量有直接或间接关系的现象和过程 均具有纬向地带性 详见第八章第二节 82 地球的巨大体积 约为1万亿km3 质量为5 98 1021t 使它具有强大的地心引力吸引周围的气体 保持着一个具有一定质量和厚度的大气圈 有了大气圈 才能保住水圈 形成生物圈 地球的大小 对于人类的经济活动也有影响 一方面 远距离和广大空间 曾经是人类活动的障碍 为了克服这种障碍 就必须运用最完美的技术成就 另一方面 地球的广阔面积 给人类提供 个辽阔的活动场所 83 1 3地球的运动 地球运动的认识过程 1 地心说的产生生活在地球上的人们 无法直接感觉地球的运动 然而 人们却能直接观察到日月星辰绕地球旋转的现象 因此 就很容易误认为地球位居宇宙中心静止不动 于是地心说应运而生 由柏拉图 公元前427 公元前347年 提出 他的门生欧多克斯和亚里士多德极力倡导 托勒密 90 168年 在2世纪中叶加以系统化 便形成一个完整的地心体系 在政教合一的欧洲 这一理论将近统治了1500年 84 2 日心说的提出波兰天文学家哥白尼 1473 1543年 总结分析了前人学说及其观测资料 在1505年提出日心说的理论 并用了大半生时间去验证修改和补充日心说的理论 在他的弟子雷提卡斯的协助下 于其临终前 1543年 公开发表了日心说巨著 天体运行论 哥白尼在他的著作中明确指出 地球是运动的 它只是一颗既有自转运动而又环绕太阳作公转运动的普通行星 85 3 天球研究天体的位置和运动而引进的一个假想圆球 根据所选取的天球中心不同 有日心天球 地心天球等 各个天体同地球上的观测者的距离都不相同 天体和观察者间的距离与观测者随地球在空间移动的距离相比要大得多 所以看上去天体似乎都离我们一样远 仿佛散布在以观测者为中心的一个圆球的球面上 实际上我们看到的是天体在这个巨大的圆球的球面上的投影位置 这个圆球就称为天球 86 观测者所能直接辨别的只是天体的方向 在球面上处理点和弧段的关系 比在空间处理视线方向间的角度要简便得多 在天文学的一些应用中 都用天体投影在天球上的点和点之间的大圆弧段来表示它们之间的位置关系 天球的半径是任意选定的 可以当作数学上的无穷大 为了定量地表示和研究天体投影在天球上的位置和运动 需要在天球上建立参考坐标系 并主要应用球面三角学计算点位的关系 87 1 3 1地球的自转 1 地球自转的规律 1 地球自转的方向 地球的东西方向是以地球的自转方向来确定的 因此正确认识地球的自转方向是十分必要的 地球的自转方向 可以通过右手法则认记 设想右手握住地轴 大拇指竖直指向北极星 四手指的方向则代表地球的自转方向 事实上 无论是地球上的东西方向或是天球上的东西方向都是从地球的自转方向引伸出来的 人们把顺地球自转的方向定义为 自西向东方向 把逆地球自转的方向定义为 自东向西方向 88 由于天球的视运动方向与地球的自转方向相反 因此日月星辰周日视运动的方向为自东向西方向 通过右手法则我们不难判定 在北极上空看地球自转 是逆时针方向的 而在南极上空看地球自转 则是顺时针方向的 89 2 地球自转的周期地球的自转周期统称为1日 然而 考察地球的自转周期时 在天球上选择不同的参考点 就有不同的自转周期 它们分别是 恒星日 太阳日和太阴日 恒星日恒星日是以天球上的某恒星 或春分点 作参考点 恒星日是指 某地经线连续两次通过同一恒星 或春分点 与地心连线的时间间隔 时间为23h56m4s 这是地球自转的真正周期 也就是地球恰好自转360 所用的时间 90 太阳日太阳日是以太阳的视圆面中心作参考点 太阳日是指 日地中心连线连续两次与某地经线相交的时间间隔 太阳日的平均日长为24h 是地球昼夜更替的周期 太阳日之所以比恒星日平均长3m56s 是由于地球的公转使日地连线向东偏转导致的 如图1 16所示 因地球公转的角速度是不均匀的 故太阳日不是常量 91 图1 16地球的自转周期 92 太阴日以月球中心作参考点测定的地球自转周期 叫太阴日 太阴日是指 月地中心连线连续两次通过某地经线的时间间隔 太阴日平均值为24h50m 这是潮汐日变化的理论周期 太阴日长于恒星日 是由于月球绕地球公转使月地连线东偏所致 一个太阴日 地球平均自转373 38 比恒星日多转13 38 图1 16 同样 因月球轨道为椭圆 其公转角速度也是不均匀的 故太阴日为变量 93 3 地球自转的速度 地球自转的角速度地球自转可视为刚体自转 在无外力作用的情况下 刚体的自转必为定轴等角速度自转 由此可知 地球自转的角速度是均匀的 既不随纬度而变化 又不随高度而变化 是全球一致的 地球自转的角速度 可以用地球自转一周实际转过的角度与其对应的周期之比导出 即 360 恒星日 360 59 太阳日 15 041 h在精度要求不高时 为了方便记忆 角速度约为 15 h 94 地球自转的线速度地球自转的线速度 是随纬度和高度的变化而不同的 这是由于各地点纬度 高度不同 其绕地轴旋转的半径不同所致 如图1 17所示 假设地球为正球体 A地的纬度为 海拔为h 该地绕地轴旋转的半径为r 有 r R十h cos 则A地自转的线速度为 V 2 r T T为恒星日 即 V 2 R h cos T因为 2 T所以V R h cos 从公式可知 纬度越低 自转线速度越大 高度越大 线速度越大 在赤道海平面上的自转线速度已超过音速 达到465m s 95 图1 17地球自转线速度 96 1 天球的周日运动 天球的周日运动是地球自转的反映 人们把天球上的日月星辰自东向西的系统性视运动叫做天球的周日运动 天旋 只是假象 实质就是 地转 而现象与本质却有很好的对应关系 图1 18 图1 18 天旋 与 地转 2 地球自转的地理效应 97 a 天球周日运动的转轴 天轴 是地轴的无限延长 天轴与天球的两交点 北天极 P 与南天极 P 是地球两极在天上的投影 b 天球周日运动的方向 是地球自转方向的反映 正是由于地球自西向东的自转 才导致天球相对地球发生自东向西的周日视运动 c 天球周日运动的周期 是地球自转周期的反映 恒星周日运动的周期就是恒星日 它是地球自转的真正周期 太阳周日运动的周期就是太阳日 地球昼夜更替的周期 恒星周日运动的角速度的大小 反映了地球自转角速度的大小 方向不同 地球自转角速度的变化 是通过精密测量恒星周日运动的角速度的天文手段确认的 98 不同纬度的天体的周日运动我们观察天体出没升降的状况都是相对于当地的地平面而言的 人们把地平面无限扩大与天球相交的大圆 称为地平圈 提问 为什么在不同纬度我们看到天体周日运动的状况就不同 因为天体周日视运动的轨迹 即周日圈 与地平圈的相对关系 就是我们观察到天体周日运动的状况 周日圈总是平行于天赤道 即地球赤道平面无限扩大与天球相交的大圆 在不同纬度 地平圈与天赤道的交角不同 所以看到天体周日运动的状况就不同 图1 19 99 图1 19不同纬度的天体周日视运动 100 a 在极点 地平圈与天赤道重合 天轴与地平圈垂直 天体的周日圈与地平圈 天赤道 平行 处在地平圈以上的天体 永不下落 称为恒显星 在地平圈之下的天体 永不可见 称为恒隐星 图1 19A b 在赤道上 天轴与地平圈重合 周日圈垂直于地平圈 天体从东方垂直升起向西方垂直落下 全部星体都有出没现象称为出没星 图1 19B c 在其他纬度地区 图1 19C 天轴及周日圈均与地平圈斜交 仅有两个周日圈与地平圈相切 其中 个在地平圈之上 另一个在地平圈之下 在这两个周日圈以内的 即球冠上的 星体 分别为恒显星和恒隐星 在这两个周日圈之间的 即球台上的 星体均为出没星 101 2 昼夜的交替 概念 地球是不透明的 在太阳的照射下 向着太阳的半球 处于白昼状态 称昼半球 背着太阳的半球 处于黑夜状态 称夜半球 昼半球和夜半球的分界线称为晨昏线 图1 20 原因 由于地球不停地自西向东旋转 使得昼夜半球和晨昏线也不断自东向西移动 这样就形成了昼夜的交替 意义 有了昼夜的更替 使太阳可以均匀加热地球 创造了较好的生存环境 也使地球上的一切生命活动和各种物理化学过程 都具有明显的昼夜变化 102 图1 20昼半球和夜半球 103 3 地球坐标的确定地球表面地理坐标的确定 是以地球自转特性为依据的 在地球表面自转线速度最大的各点连成的大圆就是赤道 而线速度为零的两点则是地球的南 北极点 在地球内部自转线速度为零的各点连成的直线就是地轴 两极和赤道构成了地理坐标的基本点和基本圈 在此基础上 就可以确定地表的经纬线 从而建立地理坐标系统 104 经纬线与地球上的方向通过地球南北两极 N S 的大圆 叫经圈 被极点分割的经圈半圆 叫经线 又称子午线 其中通过英国格林尼治天文台旧址的经线叫本初子午线 图1 21 它是经度的起算平面 图1 22 所谓纬线就是与地轴垂直的平面与地球相交的圆 所有纬线均与赤道平行 经线是地球上的南北方向线 沿经线指向北极 N 为正北方向 指向南极 S 为正南方向 南北方向是有限方向 北极点是北向的终极点 于是站在北极点上面向任何方向均为南方 南极点是南向的终极点 在此处面向任何方向均为北方 105 纬线是地球上的东西方向线 沿纬线顺地球自转方向为正东方向 逆地球自转方向则为正西方向 东西方向是无限方向 但为了避免混乱 在同一纬线上的两点 如 图1 22的A B两点 相对的东西方向是以劣弧来确定的 即A点位于B点的东方 B点则位于A点的西方 106 图1 21经线和经度 图1 22地理坐标的建立 107 地理坐标的经纬度地球上的所有经纬线都是垂直正交的 于是地表上的任意点都可以由两条正交的经纬线确定 如图1 22的A点 而这两条经纬线的经纬度就是交点的经纬度 经度是指某地的经线平面与本初子午面的夹角 经度是以本初子午面作起算平面的 向东量度0 180 为东经 向西量度0 180 为西经 经度的记号为 图1 22 国际通用的经度表示方法是用E代表东经 用W代表西经 如东经120 35 记作 120 35 E 东西经180 是同一条经线 它与本初子午线共一个经圈 但习惯上不以该经圈划分东西半球 为了照顾欧洲和非洲大陆的完整性 地图上是以20 W与160 E这两条经线划分东西半球的 图1 23 108 图1 23东西半球的划分 109 纬度是指过某地 如图1 22中的A地 的铅垂线与赤道平面的夹角 如果在精度要求不高的情况下 把地球当作正球体 某地的纬度就是该地的球半径与赤道面的夹角 赤道面是纬度的起算平面 自该面向北量度0 90 为北纬 向南量度0 90 为南纬 纬度的记号为 国际通用的纬度表示方法是 用N表示北纬 用S表示南纬 如北纬23 30 记作 23 30 N 110 地球上的距离A 常用的距离单位海里 nmile 人们将地球上1角分大圆弧的长度定义为1nmile 即地球上每度大圆弧为60nmile 船在海上航行的速度以 节 表示 1节 1nmile h 公里 Km 法国人把地球上大圆弧周长的四万分之一定义为1km 中国人使用的华里则为公里长度的二分之一 每度大圆弧之长 40000km 360 111 11km 1 因1 大圆弧 60nmile 111 11km 故1nmile 1 85km 或1km 0 54nmile 111 B 地球上两点距离公式地球面上两点之间的距离以大圆弧为最短 如果已知A地的地理坐标为 A A B地的坐标为 B B 则两地距离 AB大圆弧的度数 可用以下公式求得 cosAB大圆弧 sin Asin B cos Acos Bcos B A 式中 北纬取正 南纬取负 东经取正 西经取负 112 4 水平运动物体的偏转 地球自转 还导致地球上作任意方向水平运动的物体 都会与其运动的最初方向发生偏离 若以运动物体前进方向为准 北半球水平运动物体偏向右方 南半球偏向左方 造成地表水平运动物体方向偏转的原因 是由于物体都具有惯性 力图保持自己的速率和方向 如上所述 地球上的水平方向 都是以经线和纬线为准的 经线的方向就是南北方向 纬线的方向就是东西方向 但是由于地球自转 作为南北和东西方向标准的经线和纬线 都随地球自转而发生偏转 于是 真正保持不变方向的物体的水平运动 如果用地球上的方向来表示 倒是相对地发生了偏转 113 法国数学家科里奥利 1792 1843 研究确认 在地球表面运动的物体也要受到一种惯性力的作用 后人将之称为科里奥利力 简称科氏力 地表水平运动物体的方向偏转 是受科氏力水平分力作用的结果 这个水平分力叫做地转偏向力 A 其数学表达式为 A 2mv sin 式中 m为物体的质量 v为物体的运动速度 为地球自转的角速度 为运动物体所在的纬度 地转偏向力的存在 对许多自然地理现象产生深远的影响 114 图1 24水平运动的偏转 115 5 产生地方时由于地球自西向东自转 在同一纬度地区 相对位置偏东的地点 要比位置偏西的地点早一点见到太阳 这样不同经度的时刻就有了早晚之分 因而产生了地方时 时区的含义与划分时区 是指使用同一种时间制度的区域 A 理论上全球共分24个时区 以东经7 5 和西经7 5 之间定为0时区 然后依次向东向西每15 划分一个时区 分别为东1区 东2区 东3区 东12区和西1区 西2区 西3区 西12区 B 由于东12区和西12区各跨7 5 合称一区 称为东西12区 并以180 经线为中央经线 1884年起国际规定180 经线为国际日期变更线 起止线 简称日界线 116 C 东12区与西12区时效相同 但日期却相差一天 凡自东向西跨日界线 日期加一天 反之则减一天 为了避免某些国家领土被日界线分割 日界线有几处调整 成为一条不规则的折线 从海里走 见图1 25 区时的含义 理论上各时区均以本区中央经线的地方平时 作为区内共同使用的标准时 亦称该区区时 事实上 使用同一种时间制度的现实时区 总是受政区界线约束的 而现实时区使用的标准是由法律规定 称为法定时 如北京时间是东8区的标准时 120 E的地方平时 是全国统一使