第六章地球

1、普通天文學(xué),第六章　地 球,地球,美麗的藍(lán)色星球太陽(yáng)系中最特殊的成員人類的家園人類探測(cè)宇宙的基地地球科學(xué)：　氣象學(xué)、地質(zhì)學(xué)、　地理學(xué)、海洋學(xué)、　地球物理學(xué)、地球化學(xué)、　大地測(cè)量學(xué)，等,2,2024/3/20,主要內(nèi)容：,地球的大小和形狀地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)地球大氣和水圈地球的磁場(chǎng)和磁層地球的運(yùn)動(dòng),3,2024/3/20,一、地球的大小和形狀,地球質(zhì)量5.9737 ? 1024kg固體部分占地球總質(zhì)量的99.9%

2、水圈的質(zhì)量為1.45 ? 1021kg,占1/4000大氣圈質(zhì)量為5.136 ? 1018kg, 占1/1000000,4,如何稱地球的質(zhì)量？,2024/3/20,,地球的大小赤道半徑：6378.136km極半徑：6356.753km扁率：1/298.257體積：1.083207×1012km3表面積：5.100657×108km2,5,弧度測(cè)量人造地球衛(wèi)星觀測(cè),2024/3/20,,地球的形狀,6,天

3、圓地方——>球形,古希臘哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯最早提出地球是球形亞里士多德給出了地球是球形的第一個(gè)科學(xué)證據(jù),2024/3/20,地球是球形的證據(jù),月食時(shí)月面上出現(xiàn)的地影是圓形的葡萄牙航海家麥哲倫的環(huán)球航行“登高望遠(yuǎn)”,7,,南方和北方看見(jiàn)的星空不同從人造地球衛(wèi)星或月球上拍攝的照片……,2024/3/20,8,在月球上看地球,2024/3/20,,地球不是一個(gè)正球體17世紀(jì)末，牛頓研究了地球自轉(zhuǎn)對(duì)地球形態(tài)的影響，認(rèn)為地球應(yīng)是一

4、個(gè)赤道略為隆起，兩極略為扁平的橢球體19世紀(jì)，根據(jù)大地測(cè)量提供的可靠資料，表明地球的形狀基本上是一個(gè)繞短軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球體——參考橢球人造地球衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果表明，地球赤道也是一個(gè)橢圓，所以地球?qū)嶋H上是一個(gè)三軸橢球體,9,2024/3/20,地球表面與大地水準(zhǔn)面,地球表面的實(shí)際形狀極不規(guī)則，大陸有高山(最高8844.43m)，海底有深淵(最深約1.1km)所以描述地球形狀時(shí)不是指地球表面，而是指大地水準(zhǔn)面(geoid)大地水準(zhǔn)面：與

5、平均海水面重合的地球重力位等位面大地水準(zhǔn)面并不是一個(gè)規(guī)則的數(shù)學(xué)曲面,10,2024/3/20,確定地球形狀就是指確定大地水準(zhǔn)面，它是大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容球面可以作為大地水準(zhǔn)面的第一級(jí)近似旋轉(zhuǎn)橢球面作為第二級(jí)近似三軸橢球面作為第三級(jí)近似,11,,2024/3/20,重力,定義地球上的質(zhì)點(diǎn)，一般都受到地心引力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力的作用，將上述兩力的合力定義為該點(diǎn)的重力。單位通常討論重力的大小，是指單位質(zhì)量所受的重力，

6、在量值上等于重力加速度，國(guó)際單位是m/s2非國(guó)際制單位 伽(利略) gal = 1 cm/s2 毫伽 mgal = 10-3 gal 微伽 ugal = 10-6 gal,12,在地球重力學(xué)中，重力實(shí)際上是重力加速度的簡(jiǎn)稱,2024/3/20,二、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu),地球的圈層結(jié)構(gòu)：地球物質(zhì)分布形成同心圈層，這是由于地球長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)分異的

7、結(jié)果內(nèi)部結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次：地殼、地幔、地核了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的手段：地震波鉆井(目前最深的鉆井僅15km),13,2024/3/20,,14,地殼上地幔下地幔液態(tài)外核固態(tài)內(nèi)核,地殼和地幔頂部由剛性巖石組成，稱為“巖石圈”。巖石圈下面是“軟流圈”。,,2024/3/20,,,15,,2024/3/20,16,2024/3/20,大陸漂移,17,2024/3/20,洋底擴(kuò)張,18,2024/3/20,板塊運(yùn)動(dòng),19,2024/

8、3/20,20,2024/3/20,三、地球的大氣和水圈,1、地球大氣固體地球外面包圍著大氣層——大氣圈大氣質(zhì)量：5.136x1018kg，約占地球總質(zhì)量的百萬(wàn)分之一地球生命的保護(hù)層：屏蔽太陽(yáng)紫外線輻射、高能宇宙線及流星體的高速轟擊,21,2024/3/20,地球大氣的分層,地球大氣的密度、溫度、壓力、化學(xué)組成等都隨著高度變化。按溫度變化，可分為：對(duì)流層平流層(同溫層)中間層熱層外層,22,2024/3/2

9、0,,23,2024/3/20,,按大氣的組成分：均質(zhì)層非均質(zhì)層按大氣電離層度分：中性層電離層,24,2024/3/20,地球大氣的組成,干潔空氣　不包含水氣的空氣水汽　夏季，含量可達(dá)4%　冬季，含量0.01%　集中在2km以下，與天氣變化有密切關(guān)系微塵　在離地面3km以下的空氣中懸浮的大量固體微粒,25,2024/3/20,地球大氣的運(yùn)動(dòng),按運(yùn)動(dòng)的水平尺度可分為：大尺度運(yùn)動(dòng)(103km)，如全球范圍的大氣環(huán)流

10、中尺度運(yùn)動(dòng)(102km) ，如臺(tái)風(fēng)小尺度運(yùn)動(dòng)(10km) ，如龍卷風(fēng)大氣中各處溫度和壓力的差別驅(qū)動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)，空氣不同規(guī)模運(yùn)動(dòng)總稱為“大氣環(huán)流”，成為各種天氣和氣候的主要因素大氣環(huán)流引起大氣角動(dòng)量變化，必然導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速率的變化,26,2024/3/20,,大氣環(huán)流的分類哈德萊環(huán)流：由不同緯度的溫差驅(qū)動(dòng)斜壓渦流：因流體力學(xué)不穩(wěn)定性使大尺度的運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾〕叨葴u流穩(wěn)態(tài)渦流（駐波）：由地形或海陸溫差產(chǎn)生，繞緯度圈典型有2~3個(gè)波長(zhǎng)。

11、該渦流將動(dòng)量從對(duì)流層轉(zhuǎn)移到平流層，影響平流層的環(huán)流熱力潮：由太陽(yáng)直接照射區(qū)與未照射區(qū)之間的溫差引起。地球大氣的熱力潮較弱,27,2024/3/20,,大氣運(yùn)動(dòng)的根本能源是太陽(yáng)輻射能,28,2024/3/20,溫室效應(yīng),29,2024/3/20,30,2024/3/20,冰川融化,31,2024/3/20,海面上升50m，中國(guó)的海岸線,32,2024/3/20,33,2024/3/20,,溫室效應(yīng)是地球生命賴以生存的保護(hù)傘但是地球環(huán)境

12、遭到嚴(yán)重破壞，使得大氣中二氧化碳和各種氣體微粒含量不斷增加，造成了溫室效應(yīng)加劇，導(dǎo)致了全球變暖，對(duì)氣候、生態(tài)環(huán)境及人類健康等多方面帶來(lái)影響，保護(hù)傘逐漸變成惡魔人們?cè)谧非笪镔|(zhì)發(fā)展的同時(shí)，一定要注意保護(hù)環(huán)境，減緩溫室效應(yīng)的加劇，阻止地球變成第二個(gè)金星,34,2024/3/20,2、水圈,水圈是地表水體總稱，包括海洋、河流、湖泊、冰川和地下水海洋占水體體積的99.27%水圈總質(zhì)量?jī)H占地球質(zhì)量的1/4000水圈中水的運(yùn)動(dòng)大致保持動(dòng)態(tài)平衡

13、——水循環(huán),35,2024/3/20,水循環(huán),36,2024/3/20,動(dòng)態(tài)平衡的水循環(huán),37,2024/3/20,四、地球的磁場(chǎng)和磁層,指南針,38,2024/3/20,1、地球磁場(chǎng),簡(jiǎn)稱地磁，大致呈條形磁石周圍那樣的偶極磁場(chǎng)磁軸與自轉(zhuǎn)軸有11.5°交角偶極磁場(chǎng)(90%)非偶極磁場(chǎng)(約10%)地磁異常,39,2024/3/20,,地磁要素：磁偏角：磁場(chǎng)強(qiáng)度方向?qū)δ媳毕虻钠谴艃A角：磁場(chǎng)強(qiáng)度方向?qū)λ矫娴膬A角磁場(chǎng)

14、強(qiáng)度長(zhǎng)期的系統(tǒng)觀測(cè)表明：地磁在逐年逐日地變化無(wú)擾變化：較平靜而有規(guī)律的變化，包括周日變化、周年變化和長(zhǎng)期變化干擾變化：所有地磁要素在平均值附近零亂無(wú)序的上下起伏,40,2024/3/20,磁暴,地磁場(chǎng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)可持續(xù)幾小時(shí)到幾天是由于太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)出的強(qiáng)大的微粒輻射引起的磁暴對(duì)電離層干擾很大，會(huì)使短波無(wú)線電通訊中斷，比如GPS在磁暴期間幾乎不能工作,41,2024/3/20,42,炫麗的極光就是磁暴干擾電離層的結(jié)果,2024/

15、3/20,,地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向已經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)變化：其強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)?，以至消失變?yōu)榱?，然后地磁方向倒轉(zhuǎn)，強(qiáng)度再由弱變至反方向的最大值。,43,近350萬(wàn)年，至少發(fā)生了九次南北極顛倒,2024/3/20,44,THE DAY AFTER TOMORROW,群鳥(niǎo)迅速遷徙甚至一頭撞向墻壁，大如拳頭的冰雹砸向四處躲避的人群。電影為我們展示了地球磁場(chǎng)易位產(chǎn)生的危害。,2024/3/20,2、地球磁層,,45,2024/3/20,46,在高空太陽(yáng)風(fēng)的

16、影響下，地磁場(chǎng)的磁力線都向后彎曲，在朝向太陽(yáng)方向的最前沿形成一個(gè)包層，在背向太陽(yáng)方向延伸到很遠(yuǎn)的空間，這個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的、彗星狀的地磁場(chǎng)區(qū)域叫做地球磁層,太陽(yáng)風(fēng)和地磁的交界面,2024/3/20,3、輻射帶,地磁場(chǎng)俘獲帶電粒子，把它們約束在大氣的一定區(qū)域內(nèi)形成地球輻射帶輻射帶內(nèi)的帶電粒子是太陽(yáng)風(fēng)、宇宙線與地球高層大氣相互作用而產(chǎn)生的高能粒子這些粒子沿磁力線作螺旋運(yùn)動(dòng)，并不斷輻射出電磁波范艾倫帶：1959年范艾倫利用探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星證

17、實(shí)輻射帶的存在,47,2024/3/20,范艾倫帶,48,范艾倫帶,內(nèi)輻射帶,外輻射帶,2024/3/20,五、地球的運(yùn)動(dòng),自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)月地繞轉(zhuǎn)地軸進(jìn)動(dòng)(歲差)極移章動(dòng)軌道偏心率的變化,49,2024/3/20,,黃赤交角的變化近日點(diǎn)的長(zhǎng)期變化攝動(dòng)環(huán)繞太陽(yáng)系質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)系相對(duì)與鄰近恒星的運(yùn)動(dòng)地球的地質(zhì)運(yùn)動(dòng),50,2024/3/20,1、地球自轉(zhuǎn),51,2024/3/20,地球自轉(zhuǎn)的方向,地球的東西方向是以地球自轉(zhuǎn)方向

18、來(lái)確定的右手法則：設(shè)想右手握住地軸，大拇指指向北極星，四手指的指向則代表自轉(zhuǎn)方向規(guī)定：順著地球自轉(zhuǎn)方向?yàn)樽晕飨驏|方向，逆地球自轉(zhuǎn)方向?yàn)樽詵|向西方向在北極上空看地球自轉(zhuǎn)是逆時(shí)針?lè)较?52,天球的運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，所以日月星辰周日視運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)樽詵|向西,2024/3/20,地球自轉(zhuǎn)周期,地球自轉(zhuǎn)周期統(tǒng)稱為一日，但是由于在天球上選擇的參考點(diǎn)不同，產(chǎn)生了不同的自轉(zhuǎn)周期：恒星日、太陽(yáng)日和太陰日恒星日：以某恒星(或春分點(diǎn))為參考點(diǎn)

19、，時(shí)間為23h56m4s太陽(yáng)日：以太陽(yáng)視面中心為參考點(diǎn)，平均日長(zhǎng)24h，比恒星日長(zhǎng)3m56s(公轉(zhuǎn)引起)太陰日：以月球中心作為參考點(diǎn)，平均日長(zhǎng)24h50m,53,2024/3/20,地球自轉(zhuǎn)速度,角速度可視為全球一致線速度隨緯度和高度變化自轉(zhuǎn)速度變化：長(zhǎng)期變化(自轉(zhuǎn)變慢)　　3.7億年前，一年有400天季節(jié)變化不規(guī)則變化,54,2024/3/20,,地球自轉(zhuǎn)軸的方向既在空間變化，又在地球的本體內(nèi)變化空間變化表現(xiàn)為歲差和

20、章動(dòng)本體變化表現(xiàn)為極移,55,2024/3/20,地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的現(xiàn)象,(1)落體偏東 　在地球表面由高處下落的物體總是偏落在鉛垂線的東側(cè),56,2024/3/20,,(2)傅科擺,57,2024/3/20,,(3)天球的周日視運(yùn)動(dòng),58,2024/3/20,,(4)晝夜的交替,59,,夜半球,晝半球,太陽(yáng)光線,2024/3/20,,(5)水平運(yùn)動(dòng)物體的偏轉(zhuǎn) 科氏力,60,2024/3/20,2、地球公轉(zhuǎn),,61

21、,2024/3/20,地球公轉(zhuǎn)的周期,地球繞日公轉(zhuǎn)的周期統(tǒng)稱為“年”，在天球上選擇的參考點(diǎn)不同就有不同的年：如恒星年、回歸年，它們對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)分別為：恒星、春分點(diǎn)恒星年：地球公轉(zhuǎn)的真正周期，地心在黃道上恰好轉(zhuǎn)過(guò)360°，年長(zhǎng)365.2564日回歸年：地球兩次與春分點(diǎn)會(huì)合的時(shí)間間隔，年長(zhǎng)365.2422日，比恒星年短(為什么),62,2024/3/20,,回歸年比恒星年短，被稱為“歲差”是因?yàn)榇悍贮c(diǎn)每年沿黃道西移50”.2

22、9，這一現(xiàn)象稱為春分點(diǎn)西移。也就是說(shuō)相對(duì)于春分點(diǎn)，地球公轉(zhuǎn)角度不到360°而春分點(diǎn)西移又是地軸進(jìn)動(dòng)的結(jié)果之一,63,2024/3/20,地球公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的現(xiàn)象,(1)太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)(2)地球上的四季交替,64,2024/3/20,,(3)晝夜長(zhǎng)短的季節(jié)變化,65,秋分,2024/3/20,,(4)地球上的五帶(熱帶，南、北溫帶，南北、寒帶),66,2024/3/20,3、地軸進(jìn)動(dòng)(歲差),,67,2024/3/20,,68,

23、,地軸,黃軸,赤道,,,月球,2024/3/20,地軸進(jìn)動(dòng)的后果,地軸進(jìn)動(dòng)的直接效應(yīng)就是天極繞黃極作緩慢的圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)圓的半徑等于黃赤交角，周期約2.58萬(wàn)年地軸進(jìn)動(dòng)還造成各地所見(jiàn)星空的變化，例如北極星春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的西移，使得回歸年比恒星年短，這就是“歲差”(precession)一詞的由來(lái)。(日月歲差、行星歲差),69,2024/3/20,章動(dòng)(nutation),月亮和太陽(yáng)與地球之間的距離不斷變化，引起天極和春分點(diǎn)更復(fù)雜運(yùn)動(dòng)

24、，可用一些振幅較小的短周期變化來(lái)表示，即章動(dòng)章動(dòng)疊加在歲差上，構(gòu)成天體在天球上的真實(shí)運(yùn)動(dòng),70,2024/3/20,4、極移(polar motion),地極的移動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng),71,2024/3/20,2024/3/20,72,,,,,,思考：,極移和歲差的區(qū)別？極移和歲差都是地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，但是它們的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)周期和運(yùn)動(dòng)結(jié)果完全不同。極移是在不受外力作用下，自轉(zhuǎn)軸在地球體內(nèi)的自由擺動(dòng)，瞬時(shí)極圍繞平均極

25、運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡很復(fù)雜。是瞬時(shí)極的視運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是地球本體相對(duì)于自轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)造成的，會(huì)使地理坐標(biāo)發(fā)生微小變化。歲差是在外力作用下，自轉(zhuǎn)軸的空間受迫運(yùn)動(dòng)。天極圍繞黃極運(yùn)動(dòng)，是真實(shí)運(yùn)動(dòng)，使得天極、赤道和春分點(diǎn)在恒星間的位置不固定，會(huì)影響天體的赤經(jīng)、赤緯和黃經(jīng)，但不改變地理坐標(biāo)。,73,2024/3/20,練習(xí)：,1、證明地球是球形的證據(jù)有哪些？(至少三個(gè))2、舉出能夠說(shuō)明地球自轉(zhuǎn)的例證(至少三個(gè))3、一個(gè)回歸年為什么比一個(gè)恒星年要短？,7