地球科学概论第一章 宇宙中的地球

第一章宇宙中的地球第一节宇宙第二节银河系与太阳系第三节地球、月球和地月系第四节地球的形态第一节宇宙一、宇宙中的天体和物质二、宇宙中天体的相对位置一、宇宙中的天体和物质宇宙(universe)是天地万物，是物质世界。“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。宇宙是无限的空间和无限的时间的统一。在宇宙空间弥漫着形形色色的物质，如恒星、行星、气体、尘埃、电磁波等，它们都在不停地运动、变化着。当代最大的光学望远镜已可观测到200亿l.y.(光年)的遥远目标（1l.y.≈9.46×1012km），这就是现今人类所能观测到的宇宙部分。恒星是宇宙中最重要的天体。恒星是由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。构成恒星的气体主要是氢，其次是氦，其它元素很少。太阳就是一颗既典型又很普通的恒星。拥有巨大的质量是恒星能发光的基本原因。由于质量大，内部受到高温高压的作用，导致进行由氢聚变为氦的热核反应，释放出巨大的能量，以维持发光。恒星的温度愈高，向外辐射能量的电磁波波长愈短，因而颜色发蓝；相反，颜色发红。恒星的质量相差不大，多在0.1-10倍太阳质量之间；恒星的体积却相差非常悬殊，大的恒星直径为太阳的2000倍左右，小的恒星直径小于1000km，比月球还小；因此，恒星的平均密度相差也很悬殊。图1－1北斗七星形状的变化示意图在地球上用肉眼观察到的恒星的明亮程度被称为亮度。古代人们将恒星的亮度分为6个等级，称为视星等。其中把15个最亮的恒星称一等星，而把正常视力所能辨认的最暗的星称六等星。后来，由于光学和光学仪器的发展，人们测定了视星等和亮度的数量关系：即一等星比六等星亮100倍，视星等每差一等，亮度就差2.512倍。恒星的亮度受恒星到地球距离远近不同的影响，因而并不完全代表恒星本身的真正发光能力。恒星本身的发光能力被称为光度，光度的等级则称为绝对星等。在恒星与恒星之间存在着极其广大的空间，称为星际空间。弥漫于星际空间的极其稀薄的物质称为星际物质。主要的星际物质有两类，即星际气体和星际尘埃。星际气体包括气态的原子、分子、电子和离子，其中以氢为最多，氦次之，其它元素都很少。星际尘埃就是微小的固态质点，它们分散在星际气体之中，它们的主要成分是水、氨和甲烷的冰状物以及二氧化硅、硅酸铁、三氧化二铁等矿物。星际物质是很稀薄的，一般不过每立方厘米0.1个质点。但是，在一些星际空间区域，其密度可以超过每立方厘米10个甚至1000个,这些区域称为星际云。同星际云相比较，星云是星际物质的更加庞大和更加密集的形式。宇宙中的物质是运动的，运动的主要方式是天体按照一定的系统和规律相互吸引和相互绕转，形成不同层次的天体系统。如月球和地球构成地月系;地球和其他行星围绕太阳公转，它们和太阳构成高一级的天体系统，即太阳系;太阳系又是更高一级天体系统——银河系极微小的一部分，银河系中像太阳这样的恒星就有1000多亿颗。银河系以外，还有许许多多同银河系规模相当的庞大的天体系统，称为河外星系(简称星系)。在人类现今所能观测到的宇宙范围内，大约存在着10亿个以上的这样的星系。通常，把我们现在观测所及的宇宙部分称为总星系，它是现在所知的最高一级天体系统。二、宇宙中天体的相对位置天球是为了研究天体在天空中的位置和运动引进的一个假想的圆球,它的球心就是观测者所在的地球的中心，它的半径是无穷大的。这样，地球以外的天体在天球上都有各自的投影位置。地球的自转轴无限延长，同天球球面相交于两点，这叫做天极；与地球的南、北极方向相同的两个极分别称为南天极和北天极。地球赤道平面无限扩大，同天球相交的大圆，叫做天赤道。有了天极和天赤道，天球就可以定出自己的经线和纬线，分别称为赤经和赤纬。于是，人们说明天体在天球上投影的位置就方便了。图1－2天体在天球上的投影图1－3天球上的天极和天赤道为了便于认识恒星，人们把天球上的恒星分成若干群落，每个群落的恒星都有自己独特的形状并占据一定的空间，这样的恒星群落称为星座。古代人把星座中一些较亮而邻近的星联成图形，结合神话中的人物或动物为星座命名，这些名称一直沿用到现在。全天球可分成88个星座。可把天球的球面按赤经的不同分成四个星区，每个星区跨赤经6时(或90°)。四个星区可根据各自代表性星座分别称为仙后星区、御夫星区、大熊星区和天琴星区，简称“后、御、熊、琴”。图1－4大熊星座图形图1－5四瓣简明星座图第二节银河系与太阳系一、银河系二、太阳系一．银河系银河系（milkywaysystem）是一个由大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成的庞大天体系统。侧面看呈中间厚边缘薄的扁饼形，正面看呈旋涡形。银河系的直径约10万l.y.。中心部分称为银核，直径约1万多l.y.；银核外侧称为银盘；银盘的中心平面称为银道面。太阳是银河系中的一颗中等恒星，位于距银河系中心约3万l.y.的银盘内，太阳附近银盘厚度约3000l.y.，太阳距银道面约26l.y.，几乎就在银道面上。银河系的所有天体大体顺着银道面绕核心作飞快的旋转运动，这种运动称银河系自转，但银河系自转不同于固体转动，银盘内从中心到边缘的不同地方自转的角速度不同。太阳附近银河系自转角速度为0.0053″／a，线速度为250km/s，这也就是太阳绕银河系核心公转的速度。太阳公转一周的时间约为2.8亿-３亿a。太阳一方面大体沿银道面作公转，同时还进行着往返于银道面两侧的波状位移。二．太阳系太阳系（solarsystem）是以太阳为中心并受太阳引力支配的一个天体系统。太阳是其中唯一恒星，其质量占整个太阳系的99.87％，能发出强烈的光和热。围绕太阳旋转的是一个行星体系，主要有九大行星及众多的小行星、卫星、彗星和陨星等。太阳系目前以冥王星轨道为边界，直径为11.8×109km。太阳系中行星的分布及运转几乎都在一个共同的平面内，这个平面称为黄道面。行星运动有两种主要形式：自转和绕太阳公转。绝大部分行星绕太阳公转的方向及其自转方向都相同，与太阳自转的方向一致（从地球北极上空朝下看皆为逆时针运转）。8月24日，布拉格，国际天文学联合会（IAU）第26届大会上提出：按照行星新定义：a“行星”指的是围绕太阳运转;b自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状;c并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。开普勒第一定律:行星绕太阳公转的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。由于太阳取椭圆中某一偏心的焦点位置，行星至太阳的距离便因公转运动发生周期性变化，当行星到达椭圆长轴两端时，行星至太阳的距离取最大、最小值，分别称为远日点和近日点。当行星在近日点一边的半椭圆中运行时，其与太阳的距离将小于椭圆的长半径a；而在远日点一边的半椭圆中运行时距离将大于长半径a；行星至太阳的平均距离则正好等于椭圆的长半径a。图1－8行星运行的椭圆轨道示意图远日点开普勒第二定律:当行星绕太阳公转时，行星同太阳的连线(称行星的向径)在单位时间内在轨道平面上扫过的面积相等。依据该定律，行星公转的角速度和线速度因椭圆轨道的位置而发生不均变化，在近日点附近速度最大，在远日点附近速度最小。但是，由于行星公转的椭圆轨道的扁率很小，所以行星公转的速度不均匀程度并不大。图1－9行星向径在相同时间扫过相同面积开普勒第三定律:行星到太阳平均距离a的立方同公转周期T的平方成正比，即对于任何行星：a3/T2=常数。该定律是关于行星轨道大小和公转周期的定律。即距太阳愈远的行星(a愈大)，公转周期就愈长(T愈大)。周期愈长又意味着平均角速度愈小，例如地球公转一周要1a，而冥王星公转一周要248a。第三节地球、月球和地月系一、地球二、月球和地月系一、地球地球（earth）是太阳系自中心向外的第三颗行星，它到太阳的平均距离约为1.496×108km(1个天文单位)。地球绕太阳公转的角速度平均为59′08″／d,线速度约为30km/s,公转一周时间平均约为365.256d。地球绕自己的极轴自转的角速度约为15°/h（或15′／min、15″／s），赤道处的线速度为465m／s，自转一周的时间为23h56min4s。地球自转的赤道面与地球公转的黄道面交角为23°26′。由于该赤黄交角的存在，地球在绕太阳公转一周即一年的时间中，太阳光顺黄道面到达地球表面的直射点将会发生周期性变化，并形成了年复一年的时令与节气往复。当地球顺黄道面公转到轨道的最南点时，太阳直射点到达地球上北纬最高的地方，该纬度等于赤黄交角23°26′，称为北回归线，其时令正是北半球的夏至日（南半球的冬至日）；与此相对，地球公转到轨道的最北点时，太阳直射点到达地球上南纬最高的南回归线处，此时为北半球的冬至日（南半球的夏至日）；当地球公转到上述位置呈90°处，太阳直射点在地球赤道附近，此时为春分与秋分日。这种太阳直射点在地球赤道两侧南北回归线之间的往返运动称为太阳直射点的回归运动，回归运动的周期称为回归年，它正是地球上季节变化的周期。当太阳直射点位于北半球时，昼半球向北偏转，北半球相同纬度圈上昼半球覆盖的弧长大于夜半球的弧长，因而昼长夜短，并且纬度愈大，白昼愈长，直到在纬度等于90°减太阳直射点纬度的地方,开始出现连续24h的白昼，称为极昼；与此同时，南半球则昼短夜长，并在与北半球相对应的纬度上出现极夜（连续24h的黑夜）。当太阳的直射点位于南半球时则正好相反。极昼和极夜出现的最大纬度为66°34′（90°减赤黄交角），称为南、北极圈。二、月球和地月系月球直径约为地球的1/4，质量约为地球的1/81。地球和月球在引力作用下组成一个双天体系统——地月系，月球绕地球旋转（公转），其旋转的角速度为33′/h,线速度约1km/s，旋转一周的时间为27.32d。月球也有自转，其自转周期等于绕地球公转的周期，因而月球总是以同一面朝向地球。严格地说，月球是绕地月系的共同质心（位于地心与月心连线上距地心4671km处）旋转，地球也绕该共同质心与月球作同步对称绕转，但绕转半径比月球小80余倍，这种绕转使得月球与地球之间的引力和离心力达到平衡。月球在绕地月系共同质心旋转的同时，还随地球一起绕太阳公转，所以它在太阳系中的实际运动轨迹是在公转轨道两侧起伏的波浪线。当月球运行到与太阳同处于地球一侧的同一方向上时（称日月相合），月球被太阳照射而反光的一面正好背着地球，地球上看不见月球，这时称为朔月或新月；与此相对，当月球运行到与太阳分处于地球两侧的同一方向上时（称日月相冲），月球受光面正好向着地球，这时称为望月或满月；从朔月到望月，月球受光面向着地球的比例逐渐变大，当到达一半时称为上弦月；而从望月到朔月的一半时称为下弦月。这种月亮圆缺的各种形状叫做月相。当月球运行到太阳和地球之间，月球遮住了太阳，便是日食；当月球运行到地球的背后，进入地球的阴影，便是月食。可见，日食一定发生在农历初一的朔，月食一定发生在农历十五或十六的望。但并非每月的初一都有日食，每月的十五、十六都有月食。这与月球的运行轨道有关。月球绕地球运行的轨道面称为白道面，它与地球绕太阳运行的黄道面不在同一个平面上，两者有5°09′的交角。黄白两轨道面在空中有一交线，如果日月相合、相冲且正好在黄白交线上，则发生日食和月食现象。图1－14发生日食的条件：日月相合于黄白交线图1－15发生月食的条件：日月相冲于黄白交线第四节地球的形态一、地球的形状与大小二、地球的表面形态一、地球的形状与大小地球形状是指大地水准面所圈闭的形状,所谓大地水准面是指由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。地球的整体形状十分接近一个扁率非常小的旋转椭球体（即扁球体）。其赤道半径略长、两极半径略短，极轴相当于扁球体的旋转轴。赤道半径6378.37km两极半径6356.752km平均半径6371.012km扁率1/298.257赤道周长40075.7km子午线周长40008.08km表面积5.101×108km2体积10832×108km3赤道半径6378.37km两极半径6356.752km平均半径6371.012km扁率1/298.257赤道周长40075.7km子午线周长40008.08km表面积5.1