1、普通天文学第六章地 球普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球 美丽的蓝色星球 太阳系中最特殊的成员 人类的家园 人类探测宇宙的基地 地球科学：气象学、地质学、地理学、海洋学、地球物理学、地球化学、大地测量学，等22022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学主要内容：地球的大小和形状 地球的内部结构 地球大气和水圈 地球的磁场和磁层 地球的运动32022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学一、地球的大小和形状 地球质量5.9737 1024kg固体部分占地球总质量的99.9%水圈的质量为1.45 1
2、021kg,占1/4000大气圈质量为5.136 1018kg,占1/10000004如何称地球的质量？如何称地球的质量？2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 地球的大小赤道半径：6378.136km极半径：6356.753km扁率：1/298.257体积：1.0832071012km3表面积：5.100657108km25弧度测量弧度测量人造地球卫星观测人造地球卫星观测2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 地球的形状6古希腊哲学家毕达哥拉斯最早提出地球是球形古希腊哲学家毕达哥拉斯最早提出地球是球形亚里士多
3、德给出了地球是球形的第一个科学证据亚里士多德给出了地球是球形的第一个科学证据2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球是球形的证据 月食时月面上出现的地影是圆形的 葡萄牙航海家麦哲伦的环球航行“登高望远”7 南方和北方看见的星空不同 从人造地球卫星或月球上拍摄的照片 2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学8在月球上看地球2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 地球不是一个正球体 17世纪末，牛顿研究了地球自转对地球形态的影响，认为地球应是一个赤道略为隆起，两极略为扁平的
4、椭球体 19世纪，根据大地测量提供的可靠资料，表明地球的形状基本上是一个绕短轴旋转的旋转椭球体参考椭球 人造地球卫星观测结果表明，地球赤道也是一个椭圆，所以地球实际上是一个三轴椭球体92022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球表面与大地水准面 地球表面的实际形状极不规则，大陆有高山(最高8844.43m)，海底有深渊(最深约1.1km)所以描述地球形状时不是指地球表面，而是指大地水准面(geoid)大地水准面：与平均海水面重合的地球重力位等位面 大地水准面并不是一个规则的数学曲面102022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学
5、普通天文学 确定地球形状就是指确定大地水准面，它是大地测量学的主要研究内容 球面可以作为大地水准面的第一级近似 旋转椭球面作为第二级近似 三轴椭球面作为第三级近似11静止海水面静止海水面自然表面自然表面大地水准面大地水准面参考椭球面参考椭球面2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学重力 定义地球上的质点，一般都受到地心引力和地球自转产生的惯性离心力的作用，将上述两力的合力定义为该点的重力。单位通常讨论重力的大小，是指单位质量所受的重力，在量值上等于重力加速度，国际单位是m/s2非国际制单位 伽(利略)gal =1 cm/s2 毫伽 mgal =10-3
6、gal 微伽 ugal =10-6 gal12在地球重力学中，在地球重力学中，重力实际上是重力实际上是重重力加速度力加速度的简称的简称2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学二、地球的内部结构 地球的圈层结构：地球物质分布形成同心圈层，这是由于地球长期运动和物质分异的结果 内部结构由外向内依次：地壳、地幔、地核 了解地球内部结构的手段：地震波钻井(目前最深的钻井仅15km)132022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学14地壳地壳上地幔上地幔下地幔下地幔液态外核液态外核固态内核固态内核地壳和地幔顶部由刚性岩地壳和地幔
7、顶部由刚性岩石组成，称为石组成，称为“岩石圈岩石圈”。岩石圈下面是岩石圈下面是“软流圈软流圈”。2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学152022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学162022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学大陆漂移172022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学洋底扩张182022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学板块运动192022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学
8、普通天文学普通天文学202022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学三、地球的大气和水圈1、地球大气 固体地球外面包围着大气层大气圈 大气质量：5.136x1018kg，约占地球总质量的百万分之一 地球生命的保护层：屏蔽太阳紫外线辐射、高能宇宙线及流星体的高速轰击212022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球大气的分层地球大气的密度、温度、压力、化学组成等都随着高度变化。l按温度变化，可分为：对流层平流层(同温层)中间层热层外层222022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学232
9、022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学l按大气的组成分：均质层非均质层l按大气电离层度分：中性层电离层242022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球大气的组成 干洁空气不包含水气的空气 水汽夏季，含量可达4%冬季，含量0.01%集中在2km以下，与天气变化有密切关系 微尘在离地面3km以下的空气中悬浮的大量固体微粒252022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球大气的运动 按运动的水平尺度可分为：大尺度运动(103km)，如全球范围的大气环流中尺度运动(102km)，如台风
10、小尺度运动(10km)，如龙卷风 大气中各处温度和压力的差别驱动空气运动，空气不同规模运动总称为“大气环流”，成为各种天气和气候的主要因素 大气环流引起大气角动量变化，必然导致地球自转速率的变化262022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 大气环流的分类 哈德莱环流：由不同纬度的温差驱动 斜压涡流：因流体力学不稳定性使大尺度的运动变为小尺度涡流 稳态涡流（驻波）：由地形或海陆温差产生，绕纬度圈典型有23个波长。该涡流将动量从对流层转移到平流层，影响平流层的环流 热力潮：由太阳直接照射区与未照射区之间的温差引起。地球大气的热力潮较弱272022-12-28
11、普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学大气运动的根本能源是太阳辐射能282022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学温室效应292022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学302022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学冰川融化312022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学海面上升50m，中国的海岸线322022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学332022-12-28普通天文学普通天文学普
12、通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 温室效应是地球生命赖以生存的保护伞 但是地球环境遭到严重破坏，使得大气中二氧化碳和各种气体微粒含量不断增加，造成了温室效应加剧，导致了全球变暖，对气候、生态环境及人类健康等多方面带来影响，保护伞逐渐变成恶魔 人们在追求物质发展的同时，一定要注意保护环境，减缓温室效应的加剧，阻止地球变成第二个金星342022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学2、水圈 水圈是地表水体总称，包括海洋、河流、湖泊、冰川和地下水 海洋占水体体积的99.27%水圈总质量仅占地球质量的1/4000 水圈中水的运动大致保持动态平衡水循环352022
13、-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学水循环36Precipitation EvaporationEvaporationTranspirationPrecipitation RiversLakesOceans Soil Moisture Ground WatersAtmosphereSnow Pack2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学动态平衡的水循环372022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学四、地球的磁场和磁层 指南针382022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普
14、通天文学普通天文学普通天文学1、地球磁场 简称地磁，大致呈条形磁石周围那样的偶极磁场 磁轴与自转轴有11.5交角偶极磁场(90%)非偶极磁场(约10%)地磁异常392022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 地磁要素：磁偏角：磁场强度方向对南北向的偏角 磁倾角：磁场强度方向对水平面的倾角 磁场强度 长期的系统观测表明：地磁在逐年逐日地变化 无扰变化：较平静而有规律的变化，包括周日变化、周年变化和长期变化 干扰变化：所有地磁要素在平均值附近零乱无序的上下起伏402022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学磁暴 地磁场的强烈
15、扰动 可持续几小时到几天 是由于太阳活动发出的强大的微粒辐射引起的 磁暴对电离层干扰很大，会使短波无线电通讯中断，比如GPS在磁暴期间几乎不能工作412022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学422022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地磁场的强度和方向已经过多次的循环变化：其强度由强变弱，以至消失变为零，然后地磁方向倒转，强度再由弱变至反方向的最大值。43近近350万年，万年，至少发生了九至少发生了九次南北极颠倒次南北极颠倒2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学44 202
16、2-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学2、地球磁层452022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学46在高空太阳风的影响下，地磁场的磁力线都向后弯在高空太阳风的影响下，地磁场的磁力线都向后弯曲，在朝向太阳方向的最前沿形成一个包层，在背曲，在朝向太阳方向的最前沿形成一个包层，在背向太阳方向延伸到很远的空间，这个被太阳风包围向太阳方向延伸到很远的空间，这个被太阳风包围的、彗星状的地磁场区域叫做的、彗星状的地磁场区域叫做地球磁层地球磁层太阳风和地磁的交界面太阳风和地磁的交界面2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通
17、天文学普通天文学普通天文学3、辐射带 地磁场俘获带电粒子，把它们约束在大气的一定区域内形成地球辐射带 辐射带内的带电粒子是太阳风、宇宙线与地球高层大气相互作用而产生的高能粒子 这些粒子沿磁力线作螺旋运动，并不断辐射出电磁波 范艾伦带：1959年范艾伦利用探险者1号卫星证实辐射带的存在472022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学范艾伦带48范艾伦带范艾伦带内辐射带内辐射带外辐射带外辐射带2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学五、地球的运动 自转 公转 月地绕转 地轴进动(岁差)极移 章动 轨道偏心率的变化49202
18、2-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 黄赤交角的变化 近日点的长期变化 摄动 环绕太阳系质心的旋转 太阳系相对与邻近恒星的运动 地球的地质运动502022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学1、地球自转512022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球自转的方向 地球的东西方向是以地球自转方向来确定的 右手法则：设想右手握住地轴，大拇指指向北极星，四手指的指向则代表自转方向 规定：顺着地球自转方向为自西向东方向，逆地球自转方向为自东向西方向 在北极上空看地球自转是逆时针方向52天球的
19、运动方向与地球自转方向相反，天球的运动方向与地球自转方向相反，所以日月星辰周日视运动的方向为自东所以日月星辰周日视运动的方向为自东向西向西2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球自转周期 地球自转周期统称为一日，但是由于在天球上选择的参考点不同，产生了不同的自转周期：恒星日、太阳日和太阴日 恒星日：以某恒星(或春分点)为参考点，时间为23h56m4s 太阳日：以太阳视面中心为参考点，平均日长24h，比恒星日长3m56s(公转引起)太阴日：以月球中心作为参考点，平均日长24h50m532022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文
20、学普通天文学地球自转速度 角速度可视为全球一致 线速度随纬度和高度变化 自转速度变化：长期变化(自转变慢)3.7亿年前，一年有400天季节变化不规则变化542022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 地球自转轴的方向既在空间变化，又在地球的本体内变化 空间变化表现为岁差和章动 本体变化表现为极移552022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球自转产生的现象(1)落体偏东 在地球表面由高处下落的物体总是偏落在铅垂线的东侧56东东西西BAABC2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文
21、学(2)傅科摆572022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学(3)天球的周日视运动582022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学(4)昼夜的交替59夜半球夜半球昼半球昼半球太阳光线太阳光线2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学(5)水平运动物体的偏转 科氏力602022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学2、地球公转612022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地球公转的周期 地球绕日公转的周期统称为“年
22、”，在天球上选择的参考点不同就有不同的年：如恒星年、回归年，它们对应的参考点分别为：恒星、春分点 恒星年：地球公转的真正周期，地心在黄道上恰好转过360，年长365.2564日 回归年：地球两次与春分点会合的时间间隔，年长365.2422日，比恒星年短(为什么)622022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学 回归年比恒星年短，被称为“岁差”是因为春分点每年沿黄道西移50”.29，这一现象称为春分点西移。也就是说相对于春分点，地球公转角度不到360 而春分点西移又是地轴进动的结果之一632022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普
23、通天文学地球公转产生的现象(1)太阳的周年视运动(2)地球上的四季交替642022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学(3)昼夜长短的季节变化65春分春分夏至夏至冬至冬至秋分秋分2022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学(4)地球上的五带(热带，南、北温带，南北、寒带)662022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学3、地轴进动(岁差)672022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学68地轴地轴黄轴黄轴赤道赤道月球月球2022-12-28普通天文学普
24、通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学地轴进动的后果 地轴进动的直接效应就是天极绕黄极作缓慢的圆周运动，这个圆的半径等于黄赤交角，周期约2.58万年 地轴进动还造成各地所见星空的变化，例如北极星 春分点和秋分点的西移，使得回归年比恒星年短，这就是“岁差”(precession)一词的由来。(日月岁差、行星岁差)692022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学章动(nutation)月亮和太阳与地球之间的距离不断变化，引起天极和春分点更复杂运动，可用一些振幅较小的短周期变化来表示，即章动 章动叠加在岁差上，构成天体在天球上的真实运动702022-12
25、-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学4、极移(polar motion)地极的移动，地球自转轴在地球本体内部的运动712022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学2022-12-2872瞬时极瞬时极平均极平均极普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学思考：极移和岁差的区别？极移和岁差都是地球自转轴的运动，但是它们的运动形式、运动周期和运动结果完全不同。极移是在不受外力作用下，自转轴在地球体内的自由摆动，瞬时极围绕平均极运动，运动轨迹很复杂。是瞬时极的视运动，实际上是地球本体相对于自转轴运动造成的，会使地理坐标发生微小变化。岁差是在外力作用下，自转轴的空间受迫运动。天极围绕黄极运动，是真实运动，使得天极、赤道和春分点在恒星间的位置不固定，会影响天体的赤经、赤纬和黄经，但不改变地理坐标。732022-12-28普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学普通天文学练习：1、证明地球是球形的证据有哪些？(至少三个)2、举出能够说明地球自转的例证(至少三个)3、一个回归年为什么比一个恒星年要短？742022-12-28
