天文学第三章地球和月球

1、大学物理,第三章，地球和月球 1.地球概况2.地球运动3.地球的起源和演化4.月球概况5.月球形成学说,大学物理,3.1 地球概况 平均赤道半径: ae = 6378136.49 米 平均极半径: ap = 6356755.00 米平均半径: a = 6371001.00 米赤道重力加速度: ge = 9.780327 米/秒2平均自转角速度: e = 7.292115x10-5 弧度/秒扁率: f = 0.003352819质量: M = 5.9742 1024 公斤,大学物理,平均密度: e = 5.515 克/厘米3太阳与地球质量比: S/E = 332946.0回归年长度: T = 3

2、65.2422 天离太阳平均距离: A = 1.49597870 x1011 米逃逸速度: v = 11.19 公里/秒表面温度: t = - 50 +45表面大气压: p = 1013.250毫巴,大学物理,大学物理,整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。 地球圈层分为地球外圈和地球内圈两部分。地球外圈(可看到）：可分四个基本圈层， 大气圈、水圈、生物圈和岩石圈； 地球内圈可分为三个基本圈层， 地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。 在地球外圈和内圈之间还存在一个软流圈。 整个地球总共包括八个圈层。,大学物理,大气圈 大气圈是地球外圈中最外部的气

3、体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界。 地球大气的主要成份为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04比例的微量气体。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。 根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、热成层等。,大学物理,（1）对流层：是大气圈的最低层，其下界是地面，上界因纬度和季节而异。对流层的平均厚度在低纬度地区为1718千米，中纬度为1012千米，高纬度为89千米。对流层是大气圈中与一切生物关系最为密切的一个层次，它对人类的生产、生活的影响也最大。通常发生的大气污染现象，实际上主要发生在

4、这一层，特别是靠近地面12千米范围内。（2）平流层：从对流层顶10至55千米左右为平流层。（3）中间层：从平流层顶55至85千米高空是中间层。（4）电离层：从中间层顶85至800千米高空属于电离层。（5）散逸层：电离层顶之上，即800千米高度以上的大气层，称为散逸层,大学物理,水圈 水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。 地球水圈总质量为1.661021千克，约为地球总质量的3600分之一，其中海洋水质量约为陆地水的35倍。 如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合，组成地表的流体系统。,大学物理,生

5、物圈 生物是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物有40万种，动物有110多万种，微生物至少有10多万种。 在地质历史上曾生存过的生物约有510亿种之多，然而绝大部分都已经灭绝了。 现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部。,大学物理,岩石圈 地球岩石圈，除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地壳和地幔圈的上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33公里处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。 岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里整个固体地球可认为是由大洋盆地与大陆台地组成，对它们的研究，构成了与岩石圈构造和地球

6、动力学有直接联系的全球构造学理论。,大学物理,软流圈 在距地球表面以下约100公里的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部即B层。 在洋底下面，它位于约60公里深度以下； 在大陆地区，它位于约120公里深度以下； 平均深度约位于60250公里处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。,地幔圈 在软流圈之下，直至地球内部约2900公里深度的界面处，属于地幔圈。 地幔圈与外核流体圈的分界面。是古登堡在1914年发现的，所以也称为古登堡面。 整个地幔圈由上地幔（33410公里深度的B层， 4101000公里深度的C层，也称过渡

7、带层）. 下地幔的D层（10002700公里深度）和 下地幔的D层（27002900公里深度）组成。,大学物理,外核液体圈 地幔圈之下就是所谓的外核液体圈，它位于地面以下约2900公里至5120公里深度。 整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的， 2900至4980公里深度为E层，完全由液体构成。 4980公里至5120公里深度层称为F层，它是外核液体圈与固体内核圈之间一个很簿的过渡层,大学物理,固体内核圈 位于5120至6371公里地心处，又称为G层。根据对地震波速的探测与研究，证明G层为固体结构。地球内部的密度比外层大。 地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计： 在10

8、0公里深度处温度为1300C， 在300公里处为2000C， 在地幔圈与外核液态圈边界处，约4000C， 地心处温度为 5500 6000C。,大学物理,3.2 地球的运动,地球的运动包括: 地球的自转， 地球的公转， 地极的移动， 岁差和章动。,大学物理,地球自转 地球绕自西向东自转，平均角速度为每小时15度。在赤道上，线速度是每秒465米。 天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。 人们最早利用地球自转作为计量时间的基准。但后来人们发现地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。现在天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。,

9、大学物理,长期减慢,在6亿多年前，地球上一年大约有424天，表明那时地球自转速率比现在快得多。 在4亿年前，一年有约400天， 2.8亿年前为390天。研究表明: 每经过一百年，地球自转长期减慢近2毫秒。 它主要是由潮汐摩擦引起的。 此外，由于潮汐摩擦，使地球自转角动量变小，从而引起月球以每年34厘米的速度远离地球，使月球绕地球公转的周期变长。,大学物理,有所谓“十年尺度”的变化和周期为27年的所谓“年际变化”。 十年尺度变化的幅度可以达到约3毫秒，引起这种变化的真正机制目前尚不清楚。 年际变化的幅度为0.20.3毫秒，相当于十年尺度变化幅度的十分之一。可能与全球性大气环流有关。 此外，不规则

10、变化还包括几天到数月周期的变化，这种变化的幅度约为1毫秒。,不规则变化,大学物理,周期性变化主要包括周年周期的变化，月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。 周年周期变化，也称为季节性变化， 表现为春天变慢，秋天加快，变化的振幅为2025毫秒，主要由风的季节性变化引起。 半年变化的振幅为89毫秒，主要由太阳潮汐作用引起的。 月周期和半月周期变化的振幅约为1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。 周日和半周日变化振幅只有约0.1毫秒，主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。,周期性变化,大学物理,落体偏东: 自转线速度随高度增加。 轨道偏移：在一个转动系统中，存在着科里奥利力 在北半球，如果物

11、体运动速度 v 向北，F的方向向东。如北半球铁路右侧磨损得厉害些。 傅科摆：一段时间后，摆动平面会明显向西偏过一个角度,地球自转的证据,大学物理,地球公转的轨道是椭圆轨道. 公转轨道半长径为149,597,870公里， 轨道的偏心率为0.0167。 公转的平均轨道速度为每秒29.79公里； 公转的轨道面（黄道面）与地球赤道面 的交角为2327，称为黄赤交角。 地球自转产生了地球上的昼夜变化， 地球公转及黄赤交角造成了四季的交替。,地球公转,大学物理,大学物理,地极移动，简称为极移，是地球自转轴在地球本体 内的运动。 1765年，欧拉最先从力学上预言了极移的存在。 1888年，德国的屈斯特纳从观

12、测中发现了极移。 1891年，美国天文学家张德勒指出，极移包括两个 主要周期成分：一个是周年周期， 另一个是近14个月的周期(张德勒周期) 。 前者主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫运动， 后者是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动。极移的 振幅约0.4角秒，相当于在地面上一个1212平方米 范围。,地极移动,大学物理,从二十世纪六十年代后期开始，国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全球定位系统测定极移，测定的精度有了数量级的提高。 根据近一百年的天文观测资料，发现极移包含各种复杂的运动。除了上述周年周期和张德勒周期外，还存在长期极移，周月、半月和一天

13、左右的各种短周期极移。其它各种周期的极移主要与日月的潮汐作用以及与大气和海洋的作用有关。,地极移动(2),大学物理,在外力的作用下，地球的自转轴在空间的指向并 不保持固定的方向，而是不断发生变化。其中地 轴的长期运动称为岁差，而周期运动称为章动。 岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的 变化。 公元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯在编制 一本星表时，首次发现了岁差现象。 中国晋代天文学家虞喜(公元281-356年), 根据 对冬至日恒星的中天观测，独立地发现了岁差。,岁差与章动,大学物理,日月岁差：原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分 的吸引，春分点沿黄道每年移动约50角秒，约 26000年移

14、动一圈。(进动) 行星岁差：太阳系内其它行星的引力作用。春分点 沿赤道每年东进约0.13角秒. 章动现象：英国天文学家布拉得雷在1748年分析了 20年恒星位置的观测资料后发现。 月球轨道面位置的变化是引起章动的主要原因。 目前天文学家已知章动周期共有263项之多，其中章动的主周期项，即18.6年章动项是振幅最大的项。,岁差与章动（2）,大学物理,大学物理,地球起源问题是同太阳系的起源紧密相联系的. 太阳系的三个主要特征是： 1太阳系中的八大行星，都按反时针方向绕太阳公转。太阳本身也以同一方向自转，这个特征称为 太阳系天体运动的同向性。2行星绕太阳公转的轨道面，非常接近于同一平面，并且这个平面

15、与太阳自转赤道面的夹角也不到6，这个特征称为行星轨道运动的共面性。3除水星外，其它行星的绕日公转轨道都很接近于圆轨道。这个特征称为行星轨道运动的近圆性。,3.3 地球的起源和演化,大学物理,历史上学说很多，包括： 1.圣经中的创始说； 2. 1644年，笛卡儿（R.Descartes）提出了第一个太阳系起 源的学说，他认为太阳、行星和卫星是在宇宙物质涡流式 的运动中形成的大小不同的旋涡里形成的, “一元论” 。 3. 布封（G.L.L. de Buffon）于1745年提出第二个学说，认 为：一个巨量的物体，假定是彗星，曾与太阳碰撞，使太 阳的物质飞散到太空中，形成了地球和行星.“二论论”。

16、4.1755年，著名德国古典哲学创始人康德（I. Kant）提出“ 星云假说“。1796年，法国著名数学和天文学家拉普拉斯（P. S. Laplace）独立地提出了另一种太阳系起源的星云假 说。 后人称两者的学说为康德拉普拉斯学说。,地球的起源,大学物理,著名的中国天文学家戴文赛先生于1979年提出了一种新的太阳系起源学说，他认为整个太阳系是由同一原始星云形成的。原始星云一开始就有自转，并同时因自引力而收缩，形成星云盘，中间部分演化为太阳，边缘部分形成星云并进一步吸积演化为行星。 关于形成原始地球的方式，尽管还存在很大的推测性，但大部分研究者的看法与戴文赛先生的一致。,大学物理,据估计，地球的

17、形成所需时间约为1千万年至1亿年，离太阳较近的行星形成时间较短，离太阳越远的行星，形成时间越长，甚至可达数亿年。 地球的年龄约为45.70.03亿年，这是由地球科学家用放射性同位素方法测定的。 表见 20 页。,大学物理,地球的演化,地表的基本轮廓可以明显地分为两大部分，即大陆和大洋盆地。大陆是地球表面上的高地，大洋盆地是相对低洼的区域，它为巨量的海水所充填。大陆和大洋盆地共同构成了地球岩石圈的基本组成部分。 现在，绝大部分地球科学家都确认大陆漂移现象，并一致认为地球上海洋与陆地的结构分布和变化与大陆漂移运动直接相关。比较坚硬的地球岩石圈板块作为一个单元在其之下的地球软流圈上运动；由于岩石圈板

18、块的相对运动，导致了大陆漂移，并形成了今天地球上的海洋和陆地的分布。 地球上陆地面积约占整个地球面积的30，其中约70的陆地分布在北半球 。,大学物理,当代地壳板块模型指出，全球地壳不是整体的，而是分成几个大的板块，在地幔层上缓慢地移动。 大约2亿年前，亚欧大陆与美洲大陆是连在一起的，后来才裂开屏慢慢漂移到现在的位置，形成大西洋。 印度次大陆是从南极方向漂移过来的，与亚欧板块的交界处挤压隆起，形成喜马拉雅山脉。 板块运动和地下高温，说明地球内部蕴藏着巨大的能量，火山，地震，海啸等等都是这种能量释放的过程。,大学物理,平均赤道半径: ae = 1738000 米平均半径: a = 1737400

19、 米赤道重力加速度: ge = 1.618 米/秒2平均自转周期: T = 27.32166 天 (公转） 扁率: f = 0.006质量: M = 0.07348 1024 公斤平均密度: e = 3.34 克/厘米3地月系质量比 E/M = 81.30068离地球平均距离: R = 384400 公里逃逸速度: v = 2.38 公里/秒表面温度: t = -180 +150o C表面大气压: p = 1.3 10-10 帕,3.4 月球概况,大学物理,月球是地球的唯一天然卫星，月球内部也有圈层结构，但与地球内部的圈层结构并不完全相同。月球表面有一层几米至数十米厚的月球土壤。 月球岩石圈（

20、01000公里） 软流圈（10001600公里） 月球核（16001738公里） 月球岩石圈又可进一步分为四层， 月壳（060公里）、 上月幔（60300公里）、 中月幔（300800公里），月震带（8001000公里）。,圈层结构,大学物理,月壳第一层：月球表面至25公里处为玄武岩组成。 月壳第二层：25公里60公里之间为由辉长岩和钙 长岩组成。 上月幔由富镁的橄榄石组成， 中月幔和下月幔由基性岩组成。 软流圈又称为下月幔。 月球核不会是较重的铁镍等元素组成， 它可能呈塑性或部分熔融状。,大学物理,月面上山岭起伏，峰峦密布，没有水，大气极其稀薄（1010 Pa），没有火山活动，也没有生命，是

21、一个平静的世界。 已经知道月海有22个，总面积500万平方公里。从地球上看到的月球表面，较大的月海有10个。 月球上的陨击坑通常又称为环形山（crater） 它是月面上最明显的特征。 环形山的形成可能有两个原因，一是陨星撞击的结果，二是火山活动；但是大多数的环形结构均属于陨星的撞击结果。,月面特征,大学物理,从叠加在月海上的陨击坑的状况判断，以及从月球上带回样品的放射性年龄测定表明： 月海物质大致是与陨击坑同时期形成的。月海年龄大都在35亿年左右，而原始月壳要早10亿多年。 月球上大型环形山多以古代和近代天文学者的名字命名，如哥白尼、开普勒、埃拉托塞尼、托勒密、第谷等。 月球表面陨击坑的直径大

22、的有近百公里，小的不过10厘米，直径大于1公里的环形山总数多达33000个，占月球表面积的710%，最大的月球坑为直径235公里。,大学物理,大学物理,在月球背向地球的一面，布满了密集的陨击坑，而月海所占面积较少，月壳的厚度也比正面厚，最厚处达150公里，正面的月壳厚度为60公里左右。 由于月球表面之上缺乏大气圈和水圈，所以月球早期的熔岩喷发和陨星撞击形成的月球表面形态特征能够得到长期的保存。自1969年以来，宇航员已从月球表面取回数百公斤的月岩样品，研究分析后得出结论，这些月岩曾熔化过，月球表层物质主要是岩浆岩组成。 月球的年龄至少已有45亿年。,大学物理,大学物理,月球上没有大气，比实验室

23、中的真空还稀薄。为什 么？ 由于没有大气，月面上昼夜温差很大，达180oC到 150oC。 大气还具有散射阳光的作用，地球上天空徇丽多彩， 月球上天空一片黑暗，太阳看起来比地球上更耀眼。 在月球上看地球，象我们在地球上看月球一样，也有 圆缺变化，但看到的地球比月亮更大更亮更美丽。 由于没有大气，月球上看到的星星比地球上看到的多 得多，而且所有得星星都稳定，从不闪烁。,大学物理,地球与月球构成了一个天体系统，称为地月系。在地月系中，地球是中心天体，因此一般把地月系的运动描述为月球对于地球的绕转运动。然而，地月系的实际运动，是地球与月球对于它们的公共质心的绕转运动。地球与月球绕它们的公共质心旋转一周的时间为27天7小时43分11.6秒，也就是27.32166天，公共质心的位置在离地心约4671公里的地球体内。 月球的自转和公转都是自西向东的。月球的这种自转，称为同步自转。因此，自古以来，人们看到月球总是以同一面朝向我们地球。,月球运动,大学物理,宇宙间天体之间都存在相互间的作用，其中所谓“潮汐作用”是重要的作用形式之一。由于