第六章地球

1、普通天文學(xué),第六章　地 球,地球,美麗的藍(lán)色星球太陽系中最特殊的成員人類的家園人類探測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和磁層地球的運動,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,弧度測量人造地球衛(wèi)星觀測,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科學(xué)證據(jù),2024/3/20,地球是球形的證據(jù),月食時月面上出現(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,,地球不是一個正球體17世紀(jì)末，牛頓研究了地球自轉(zhuǎn)對地球形態(tài)的影響，認(rèn)為地球應(yīng)是一

4、個赤道略為隆起，兩極略為扁平的橢球體19世紀(jì)，根據(jù)大地測量提供的可靠資料，表明地球的形狀基本上是一個繞短軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球體——參考橢球人造地球衛(wèi)星觀測結(jié)果表明，地球赤道也是一個橢圓，所以地球?qū)嶋H上是一個三軸橢球體,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，它是大地測量學(xué)的主要研究內(nèi)容球面可以作為大地水準(zhǔn)面的第一級近似旋轉(zhuǎn)橢球面作為第二級近似三軸橢球面作為第三級近似,11,,2024/3/20,重力,定義地球上的質(zhì)點，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，國際單位是m/s2非國際制單位 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，重力實際上是重力加速度的簡稱,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，這是由于地球長期運動和物質(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,板塊運動,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)量的百萬分之一地球生命的保護(hù)層：屏蔽太陽紫外線輻射、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,地球大氣的運動,按運動的水平尺度可分為：大尺度運動(103km)，如全球范圍的大氣環(huán)流

10、中尺度運動(102km) ，如臺風(fēng)小尺度運動(10km) ，如龍卷風(fēng)大氣中各處溫度和壓力的差別驅(qū)動空氣運動，空氣不同規(guī)模運動總稱為“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)動斜壓渦流：因流體力學(xué)不穩(wěn)定性使大尺度的運動變?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個波長。

11、該渦流將動量從對流層轉(zhuǎn)移到平流層，影響平流層的環(huán)流熱力潮：由太陽直接照射區(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,,大氣運動的根本能源是太陽輻射能,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，對氣候、生態(tài)環(huán)境及人類健康等多方面帶來影響，保護(hù)傘逐漸變成惡魔人們在追求物質(zhì)發(fā)展的同時，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)量僅占地球質(zhì)量的1/4000水圈中水的運動大致保持動態(tài)平衡

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

14、強(qiáng)度長期的系統(tǒng)觀測表明：地磁在逐年逐日地變化無擾變化：較平靜而有規(guī)律的變化，包括周日變化、周年變化和長期變化干擾變化：所有地磁要素在平均值附近零亂無序的上下起伏,40,2024/3/20,磁暴,地磁場的強(qiáng)烈擾動可持續(xù)幾小時到幾天是由于太陽活動發(fā)出的強(qiáng)大的微粒輻射引起的磁暴對電離層干擾很大，會使短波無線電通訊中斷，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,,地磁場的強(qiáng)度和方向已經(jīng)過多次的循環(huán)變化：其強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)?，以至消失變?yōu)榱悖缓蟮卮欧较虻罐D(zhuǎn)，強(qiáng)度再由弱變至反方向的最大值。,43,近350萬年，至少發(fā)生了九次南北極顛倒,2024/3/20,44,THE DAY AFTER TOMORROW,群鳥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,在高空太陽風(fēng)的

16、影響下，地磁場的磁力線都向后彎曲，在朝向太陽方向的最前沿形成一個包層，在背向太陽方向延伸到很遠(yuǎn)的空間，這個被太陽風(fēng)包圍的、彗星狀的地磁場區(qū)域叫做地球磁層,太陽風(fēng)和地磁的交界面,2024/3/20,3、輻射帶,地磁場俘獲帶電粒子，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動，并不斷輻射出電磁波范艾倫帶：1959年范艾倫利用探險者1號衛(wèi)星證

17、實輻射帶的存在,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、地球的運動,自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)月地繞轉(zhuǎn)地軸進(jìn)動(歲差)極移章動軌道偏心率的變化,49,2024/3/20,,黃赤交角的變化近日點的長期變化攝動環(huán)繞太陽系質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)太陽系相對與鄰近恒星的運動地球的地質(zhì)運動,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)方向為自西向東方向，逆地球自轉(zhuǎn)方向為自東向西方向在北極上空看地球自轉(zhuǎn)是逆時針方向,52,天球的運動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，所以日月星辰周日視運動的方向為自東向西,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不同，產(chǎn)生了不同的自轉(zhuǎn)周期：恒星日、太陽日和太陰日恒星日：以某恒星(或春分點)為參考點

19、，時間為23h56m4s太陽日：以太陽視面中心為參考點，平均日長24h，比恒星日長3m56s(公轉(zhuǎn)引起)太陰日：以月球中心作為參考點，平均日長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)天球的周日視運動,58,2024/3/20,,(4)晝夜的交替,59,,夜半球,晝半球,太陽光線,2024/3/20,,(5)水平運動物體的偏轉(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不同就有不同的年：如恒星年、回歸年，它們對應(yīng)的參考點分別為：恒星、春分點恒星年：地球公轉(zhuǎn)的真正周期，地心在黃道上恰好轉(zhuǎn)過360°，年長365.2564日回歸年：地球兩次與春分點會合的時間間隔，年長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”是因為春分點每年沿黃道西移50”.2

22、9，這一現(xiàn)象稱為春分點西移。也就是說相對于春分點，地球公轉(zhuǎn)角度不到360°而春分點西移又是地軸進(jìn)動的結(jié)果之一,63,2024/3/20,地球公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的現(xiàn)象,(1)太陽的周年視運動(2)地球上的四季交替,64,2024/3/20,,(3)晝夜長短的季節(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(歲差),,67,2024/3/20,,68,

23、,地軸,黃軸,赤道,,,月球,2024/3/20,地軸進(jìn)動的后果,地軸進(jìn)動的直接效應(yīng)就是天極繞黃極作緩慢的圓周運動，這個圓的半徑等于黃赤交角，周期約2.58萬年地軸進(jìn)動還造成各地所見星空的變化，例如北極星春分點和秋分點的西移，使得回歸年比恒星年短，這就是“歲差”(precession)一詞的由來。(日月歲差、行星歲差),69,2024/3/20,章動(nutation),月亮和太陽與地球之間的距離不斷變化，引起天極和春分點更復(fù)雜運動

24、，可用一些振幅較小的短周期變化來表示，即章動章動疊加在歲差上，構(gòu)成天體在天球上的真實運動,70,2024/3/20,4、極移(polar motion),地極的移動，地球自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)部的運動,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)軸的運動，但是它們的運動形式、運動周期和運動結(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，瞬時極圍繞平均極

25、運動，運動軌跡很復(fù)雜。是瞬時極的視運動，實際上是地球本體相對于自轉(zhuǎn)軸運動造成的，會使地理坐標(biāo)發(fā)生微小變化。歲差是在外力作用下，自轉(zhuǎn)軸的空間受迫運動。天極圍繞黃極運動，是真實運動，使得天極、赤道和春分點在恒星間的位置不固定，會影響天體的赤經(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)2、舉出能夠說明地球自轉(zhuǎn)的例證(至少三個)3、一個回歸年為什么比一個恒星年要短？,7