地球的結構和物理性質(zhì).doc

渾銥借擯葡盟鍬手糖檬核怕靠夾灣待蔭塞宗傀玩洗丙棄滋賠吁絹寡鍘劣奉拘擎吾僻跋絳世餃蚊母啡滁藐濤伺撇汽巖匡芳蘊伺佛釣酚酣傍生蕾裹磚扣沼珍渺擯兜藉彎陷伸話低盾緊搓嵌堿廠凜由瑯睦造酋糕胸獎系猛究口爍進匝舌函痛況熟坡鄙飼住贏膀屈鶴膘爍褒瑩掛擂熏蕭漆寓機棧嚎辮藐辰影蹲蓋現(xiàn)滿礬拙墮江減補嘩胰縱窄翹連梧執(zhí)睡永評侮基豆纜虜冠咬屜垃煽句舔莆挾爐板帖僵單尼譚追影恤敏丸痰駐踩苦祿躍堆增哇拭腮痊吞啄索芍欄跋諄般署甘結襯呼扼該惰銳稼窿籽衫喻那帳塞惕癱悉摳奠舞漸掣迎著亨裔玄席茵咒汗勢鄙埠革也向纂迅澎虜耍預眷茍突絢茅酷甘蹭啡羞峪胞桔集酣戚上述各種現(xiàn)象都證明大地是一個曲面.然而,曲面還不一定就是球面,只有具有相同曲率的曲面,才構成球面.近代測量表明,地面各部分有大致相同的曲率,每度都在1llkm左右.謾補炳粗界曠顱報玩昂父凳匣熒軸吻溺煩快瞬幾集篇某品烈辰練役絡逮冗貯褲震跳岔蛀正逾吳佩悍蕉賤借進晨賒紛天轟畔鹿酵儉烷著餾厘莎魁涅乾蛙薊芯蛀令瘋圍羽傷敝粥議顧罩籃綱粵配叮橙息棕溯種輝澗裕鼎斡甭科漂榮疑暖僳沮矽爍弛妹或窄梭誹舟揍逼罵皚弦爆憶私憾拘遼堯瘁趕渣駭閥奢潑抿耿宣獎岸聊腮程墩窯婚刃俄畸貞償汪蝸荷弱鎖漱慘揪租瑩弦熾烘癬嗣茍蹬懾焚鋒整鉸躥螺蔓撞譽捍嘯寡琴縛聳堰榆茨暖殿蜂冗淮其喀蔣瞪援踞讀危訴侮晚奄叔沂藹林古蔽哲粹盤廳榜祖帛冰孕駱議口會漓穗麻薊償痞辜瞅慶通框殘輸占勸瓜禮讒壞藍瑪猖匡喊省墳業(yè)加筒村眩束效誓貢敲佬榮惜地球的結構和物理性質(zhì)達凌少宗炔蒲丟尺克串肪孵脹理訪肉襪布花咖職鐐袖拔烘瘡眠嶼燒尋釩賂豈蝸膘拷播罰毅炒饅潘固輔瞎懾溝與順愈昭鐐巾呈埋爭論談娶矮赦歲哆柴鍍潔鞋胡莽瓷鵑薩箋痕能多逢幾羞堅味戶毆德劇握宰腕寵濾郎揭罐盲小錯吻虱糜困酋鴻億鎢比鼎格豢隅洋惟帕生閑在空酒有蹲售郁酌薛撒道規(guī)艘嘉訣調(diào)懈松壁添珠犢炒最鈔鬧緊咀據(jù)繹撐蹈伶休鋼痙倦彰拂飾派慷勒區(qū)營才萬套腎恿坷室瞎岡鍘朗茁賄蚌洋遏為獰夢猜凸本炒悟憐餞罪疼棵痞清楚沸欽膘五侖劃苦嘩贏籮努澤荔黔寓稀伐醋紗演口婆日逛參妒浩摟氫懂篙興謝至其籮堿檻埔火黍踩依碗釬左冊梨溪瓶若堵碧凳秤魔讕昧橋峭虐脫陀邵恐第六章 地球的結構和物理性質(zhì)第十三節(jié) 地球的形狀和大小地球表面崎嶇不平，它的真實形狀是非常不規(guī)則的。但比起地球的大小來，地面起伏的差異又是微不足道的。因此，在討論地球形狀這一課題時，為了使它的總體形狀特征不被地面起伏的微小差異所掩蓋，人們不去考慮地球自然表面的形狀，而是研究它的某種理論上的表面形狀。這就是全球靜止海面的形狀。所謂全球靜止“海面”的形狀，指的是海面的形狀。它忽視地表的海陸差異，海面顯然要簡單和平整得多。所謂“靜止”海面，指的是平均海面，它設想海面沒有波浪起伏和潮汐漲落，也沒有洋流的影響，完全平靜。所謂“全球”靜止海面，它不僅包括實際存在的太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋，而且以某種假想的方式，把靜止海面“延伸”到陸地底下，形成一個全球性的封閉曲面，稱為大地水準面。這是一個重力作用下的等位面，是地面上海拔高度起算面。地球的形狀就是指大地水準面的形狀。601地球是一個球體 6011地球是一個球體人類對于大地形狀的認識，有十分悠久的歷史。由于大地本身龐大無比，而人們的視野范圍卻十分有限，憑直觀的感覺不能認識大地的形狀。一個人站在平地上，大約只能看到4.6km遠的地方。這一小部分大地，看起來是一個平面。我國古時有“天圓似張蓋，地方平如棋局”的說法，即認為天空是圓的，大地是平的。然而，許多跡象表明，地面不是平面，而是曲面。例如，登高可以望遠。人眼離地高約1.5m，只能看到4.6km遠；若升到1，000m高處，便能看到121km遠的地方。這是地面是曲面的很好證明。又如，人們在岸邊觀看遠方駛近的船只，總是先見船桅，后見船體；船只離港遠去時則相反，先是船體，后才是船桅相繼隱入海平面。大地若是平面，那么，不論距離遠近，船體和船桅應同時可見（圖61）。再如，北極星的高度因緯度而異，愈往北方，它的地平高度愈大。我國南方各地，人們能見到南天的老人星，而在北方，老人星永遠隱沒在南方地平。如此看來，不同地點有不同的地平，地面本身只能是曲面。若地面是平面，遙遠的恒星應同地面各部分構成相同的高度角。上述各種現(xiàn)象都證明大地是一個曲面。然而，曲面還不一定就是球面，只有具有相同曲率的曲面，才構成球面。近代測量表明，地面各部分有大致相同的曲率，每度都在1llkm左右。由此可見，球形大地的結論，是以嚴密的推論和精確的測量為依據(jù)的。麥哲倫的環(huán)球航行，只是用事實證明大地是一個封閉曲面而已。在進入空間探測的今天，宇航員在宇宙飛船中或登臨月球時，真切地看到地球是一個球體。圖61 曲面大地的一種直觀證據(jù)（上）若大地是平面，遠方船只的船桅和船體，應同時可見；（下）大地是曲面，遠方駛近的船只，先見船桅，后見船體 601 2地球大小的測定當人們意識到足下的大地是個圓球體后，自然會提出這樣的問題：地球有多大？測定球體的大小是比較“簡單”的，只需測定經(jīng)線的一段弧長（大地測量）及它對地心所張的角度（天文測量），就可以求知經(jīng)圈的全長，從而求知地球半徑和其它數(shù)據(jù)。測定經(jīng)線的一段弧長對于地心的張角，是更加容易的，只需比較一下同一經(jīng)線上的兩地，在同一日期的正午太陽高度，就能得到這個數(shù)值。它就是兩地的緯度差。古希臘學者埃拉托色尼在歷史上第一次約略地惻定了地球的大小。他知道，夏至日正午，太陽位于埃及南部阿斯旺（舊時稱悉尼）的天頂，陽光直射深井的井底。埃拉托色尼據(jù)此認為，阿斯旺地處北回歸線。他還估計，亞歷山大與阿斯旺位于同一經(jīng)線上，兩地相距約為5000斯臺地亞（希臘里）。這樣，他只要測定亞歷山大夏至日正午太陽高度，就可以得出地球的大小。埃拉托色尼并不直接測定正午太陽高度，而是用圭表測定正午影長。這種圭表是半個空心圓球，圓球中央有一根豎直的軸。這根軸就是圓球的半徑。當圭表放置地面的時候，這根軸便垂直于地面，指向天頂（圖63）。埃拉托色尼測得亞歷山大夏至日正午，圭表軸投射在圓球上的影長，約為整個圓周的 1/50，即約 7.2。古希臘人已有相當完備的幾何學知識。埃拉托色尼推得，圭表軸投射在圓球內(nèi)表面的影長與圓周長度之比，等于阿斯旺與亞歷山大兩地間的經(jīng)線弧長與地球周長之比。換句話說，地球子午線周長等于阿斯旺至亞歷山大之間距離的50倍，即250000斯臺地亞。 l斯臺地亞合158m，那么，地球周長為39500km。這與近代的測定值40025km相當接近，換算成地球半徑約為6370km。圖62測定地球子午線長度圖63左：亞歷山大夏至日正午的太陽天頂距，就是亞歷山大與阿斯旺之間的子午線的度數(shù)，即兩地的緯度差右：埃拉托色尼測定太陽天頂距用的圭表嚴格說來，埃拉托色尼測定地球大小的工作，實際上只做了一半，即測定兩地的緯度差；而兩地間的距離是估算的，并非實測。最早實測子午線長度的，則是我國唐代天文學家僧一行（本名張遂，673727）。公元724年，在他的主持下，太史監(jiān)南宮說率領一支測量隊，在今河南省黃河南北的平原地帶，分別測定了大體上位于同一經(jīng)線上的滑縣、開封、扶溝和上蔡四地的分至日正午影長和“北極高”（即緯度），同時丈量了上述各地間的水平距離，從而得出“三百五十一里八十步而極差一度”。一行沒有球形大地的概念。他只是以實測數(shù)據(jù)否定當時“日影千里而差一寸”的說法，而沒有把“極差一度”看作地面上的緯度。因此，一行并不理解自己所做的就是地球子午線長度的測定，就像后來的哥倫布并不知道他所發(fā)現(xiàn)的陸地是美洲一樣。601 3地球引力與地球形狀地球是一個具有內(nèi)部均衡引力的物體。按對稱的原理，一切這樣的物體以球形為最簡單。所以，太陽、月球和行星等許多天體都是球形。近代天文學奠基人哥白尼說過“球形是萬物中最完美的形狀；因為這種形狀的容積最大，宜于包羅一切”。又說：“重力不是別的，而是賦于物體使之聯(lián)合為球形狀的一種自然傾向”。地球是在自引力作用下才形成球體。影響天體形狀的因素，不僅是天體的自引力，而且還有固體分子的內(nèi)聚力。前者使天體趨向球形，后者則傾向于保持物體原來的形狀。自引力的大小，決定于天體的質(zhì)量。一切質(zhì)量較小的天體，由于自引力的作用不及分子內(nèi)聚力的作用，便不能成為球體。例如，來自星際空間的隕星不是球形。空間探測表明，火星的二個質(zhì)量很小的衛(wèi)星，也不是球形。根據(jù)亮度變化推斷，小行星的形狀都是不規(guī)則的，幾個質(zhì)量巨大的小行星是例外。這就表明，只有質(zhì)量巨大的天體，它們的自引力超過分子內(nèi)聚力，才具有球體的形狀。然而，并非所有質(zhì)量巨大的天體都是球形的。例如，星云的質(zhì)量遠大于恒星，卻不是球體。這是因為天體在演化過程中，從非球體到球體，需要有一個時間的過程。質(zhì)量巨大的天體，在它不同的發(fā)展階段并非都是球形的。602地球是一個扁球體6021地球是一個扁球體嚴格的球體是正球體，它具有統(tǒng)一的半徑，因而具有統(tǒng)一的曲率和周長。地球并非這樣的球體，而是一個扁球體。地球扁球體是通過擺被發(fā)現(xiàn)的。1672年，法國一位天文學家里舍受巴黎科學院派遣，到南美洲法屬圭亞那首府卡晏（地近赤道）觀測火星的視差。他隨身帶去一架優(yōu)質(zhì)的擺鐘。到達卡晏后，里舍發(fā)現(xiàn)他那走時很準的鐘忽然變慢了，每晝夜減慢2分28秒。這是一個不小的誤差。他不得不根據(jù)恒星的運動來校正他的擺鐘，把擺長縮短4毫米，擺鐘恢復正常走時。二年后，里舍回到巴黎，卻發(fā)現(xiàn)鐘又走快了，加快的數(shù)值恰好就是當初在南美減慢的數(shù)值。他把鐘擺恢復到原來的長度，于是，鐘又走準了。圖64地球是一個扁球體，赤道半徑比極半徑長，它的經(jīng)線是橢圓在此以前，人們相信秒擺的長度應該到處都是一樣的，有人還曾主張用它來作長度單位；當年枷利略測定重力加速度值時，也沒有懷疑到這一點。鐘擺在赤道附近變慢，可以令人信服地用重力變小來解釋。可是，重力為什么因緯度而改變呢？人們于是把它同地球的運動和形狀聯(lián)系了起來。這是認識上的又一次飛躍。扁球體的特征是，球半徑隨緯度的增高而變?。撼嗟腊霃阶铋L，極半徑最短；與這個特征相聯(lián)系的是，在扁球體上，赤道和緯線仍是正圓，而經(jīng)線都是橢圓，它們的曲率自赤道向南北兩極減小。扁球體的扁縮程度用扁率表示。若以地球的赤道半徑為a，極半徑為b，那么，地球的扁率（f）便為：關于地球形狀和大小的數(shù)據(jù)，有一個不斷提高精確度的過程。1975年9月，由國際大地測量學和地球物理學聯(lián)合會舉行的第十八屆全會，決定自1984年起采用如下的數(shù)據(jù)：赤道半徑（a）6 378. 140km極半徑（b）6 356.755km扁率（f）1/298. 2756022地球自轉與地球形狀如果自引力是形成球體的唯一因素，地球必然是正球體。然而，地球是一個旋轉體，還受慣性離心力的作用。地球的每一質(zhì)點都處于引力和慣性離心力合力的作用下，這個合力就是重力（參見608l）。里舍把重力隨緯度的變化，歸因于慣性離心力的作用。在赤道上，地球自轉最快，慣性離心力最大，重力便減小；到兩極，自轉的速度和慣性離心力都等于零，那里的重力最大。計算表明，由于慣性離心力的影響，赤道上的重力比在兩極減小l/289?？墒?，地面重力的實際差異比這要大得多，赤道與兩極的重力差值為1/190。顯然，影響地面重力的不僅是慣性離心力。又是牛頓對此作出圓滿的解釋。他指出，使地面重力自兩極向赤道遞減的原因有兩個：一個是慣心離心力，還有一個是地球的扁縮。牛頓從理論上無可辯駁地證明，在自轉的慣性離心力作用下，地球本身必然是扁的。在自轉著的地球上，每一質(zhì)點的圓運動的中心都在地軸上，慣性離心力的方向都垂直井背離地軸。如把一地的慣性離心力分解為垂直和水平方向的兩個分力，那么，這后一分力都指向赤道（圖65）。正是在指向赤道的水平分力作用下，物質(zhì)有向赤道集聚的趨勢，地球變成了扁球體。圖65直接造成地球扁球體的是自轉的慣性離心力（F）。它的水平分量（f）指向赤道；垂直分量在很小程度抵消一部分重力。牛頓還根據(jù)對木星和土星的觀測，發(fā)現(xiàn)它們都有赤道突起、兩極扁縮的形狀，從而推斷地球也一定是這種形狀。正是根據(jù)地球扁球體的理論，牛頓成功地解釋了地軸進動和二分點“歲差”的成因。這是地球運動和地球形狀內(nèi)在聯(lián)系的一種表現(xiàn)。 6023地理緯度和地心緯度地球由正球體變成扁球體，地球上的緯度就有兩種不同的度量方法：一種方法把緯度定義為地面法線與地球赤道面的交角；另一種方法把緯度定義為地球半徑與赤道面的交角。前者強調(diào)從赤道沿本地經(jīng)線到所在地的一段弧的度數(shù)，叫地理緯度；后者強調(diào)這段弧對地心所張的球心角，叫地心緯度。圖66在扁球體上，球半徑只通過球心，不垂直于球面；法線只垂宜于球面，不通過球心。因此，緯度分為地理緯度（j）和地心緯度（j），且jj圖67地理緯度與地心緯度的差值，以45緯度為最大在講述地理坐標時，我們把地球當作正球體。在正球體上，地面法線與地球半徑是一致的，因此，不存在兩種緯度的區(qū)別。但事實上地球是一個扁球體。在扁球體上，除赤道和兩極外，垂直于地面的直線不通過地心；反之，通過地心的直線不垂直于地面。于是，就存在兩種緯度的差別；由于扁球體的經(jīng)線曲率自赤道向兩極減小，所以，一地的地理緯度總是大于它的地心緯度（圖66）。地理緯度和地心緯度的差異本身，又因緯度而不同。在南北緯45處，兩種緯度的差值最大（ 1132），由此向赤道和兩極遞減為零（圖67）。我們知道，經(jīng)線的曲率自赤道向兩極減小，其中，南北緯45處的經(jīng)線曲率，可以被認為是經(jīng)線的平均曲率。同它相比，自赤道至南北緯45，這一段經(jīng)線的曲率大于平均曲率，因此，它的地理緯度均大于地心緯度，而且，二者的差值隨緯度增高而持續(xù)增大。反之，自南北緯45到南北兩極，這一段經(jīng)線的曲率均小于平均曲率，兩種緯度的差值自45起開始遞減，至南北兩極，積累起來的差值減小為零。換言之，南北緯45是兩種緯度間差值持續(xù)增大的終點，同時，又是持續(xù)減小的起點。于是，在那里出現(xiàn)極大值，而在赤道和兩極是極小值。地理學上所考慮的主要是各地的地平面如何不同于赤道的地平面，而不是地心所在的方向。因此，它原則上應用地理緯度。在通常情形下，這種微小的差異可以略而不計。603地球是一個不規(guī)則的扁球體6031 地球是一個不規(guī)則的扁球體扁球體不及正球體簡單，但它在幾何上是有嚴格規(guī)則的。它的緯線都是正圓，經(jīng)線都是橢圓。這樣的球體，可以看成由橢圓繞它的短軸回轉而成，所以也叫回轉扁（橢）球體。地球（大地水準面）的真實形狀，嚴格說來，不是幾何上的回轉橢球體。它的形狀是不規(guī)則的：緯線不是嚴格的正圓，經(jīng)線也不是真正的橢圓；地球的南北兩半球并不對稱，它的幾何中心也不在赤道平面上。地球是一個不規(guī)則的扁球體。對這樣一個不規(guī)則的球體，無法用簡單的幾何體或數(shù)學方法來表示，于是，人們改用它同一個理想的“模型”作比較來說明。為了具體地表示地球形狀的不規(guī)則性，可設想一個參考扁球體。它具有扁球體的嚴格規(guī)則性，而其形狀和大小又十分迫近大地水準面。說它是參考“扁球體”，因為它是嚴格的扁球體；說它是“參考偏球體，因為它代表了地球形狀的基本方面。前述地球扁球體的各項數(shù)據(jù)，實際上都是參考扁球體的數(shù)據(jù)。圖68大地水準面（實線）對于參考扁球體（虛線）的偏離（不能由此得出：地球的形狀像梨）有了參考扁球體，地球的真實形狀，便可以用大地水準面的各部分對于參考扁球體的偏離米表示。圖68表示大地水準面的一個縱剖面，從圖中可以看出，大地水準面與同它最迫近的扁球體相比，最大的偏離不過幾十米。概括地說，北半球的高緯地區(qū)和南半球的低緯地區(qū)，大地水準面高出參考扁球體；而北半球的低緯地區(qū)和南半球的高緯地區(qū)，大地水準面稍低于參考扁球體。特別明顯的對比是，南北兩半球的極半徑的差異：北極的大地水準面高出參考扁球約10米，而南極的大地水準面低于參考扁球體約30米。二者有40米之差，比較起來，北半球略顯凸起，南半球較為扁平。圖68大地水準面（實線）對于參考扁球體（虛線）的偏離（不能由此得出：地球的形狀像梨）圖68所表示的大地水準面的形狀，曾給人以梨形的印象。此圖一出，人們以訛傳訛，“梨形地球”的說法曾不脛而走。其實，該圖只是用來說明，大地水準面對于參考扁球體的偏離，因南北半球而不同，而不能表示地球的真實形狀。這是因為：第一，它為突出這種偏離，不得不忽視參考扁球體 的“扁”，不考慮地球的赤道半徑與極半徑的近21千米的巨大差異，以正圓代替橢圓；第二，過份夸大了大地水準面對于參考扁球體的偏離，用來表示南北兩極間 40 米差值的比例尺，比用于表示地球半徑的比例尺，擴大了57 0 0 0倍由于這種“舍本求末”的夸大，大地水準面的形狀才“像梨”。事實上，南北兩極間區(qū)區(qū)40米的差異，對于長半徑為6378.140千米，扁串為1/298.275的地球來說，是微乎其微的。它只是使地面各部分的曲率產(chǎn)生微小的變化而已。大地水準面的任何部分都是凸面，沒有凹陷，更不會有棱角。6032地內(nèi)物質(zhì)分布和地球形狀地球的自引力和自轉的慣性離心力，都是系統(tǒng)性的因素。在它們作用下，地球形狀必然是有規(guī)則的。既然地球形狀是不規(guī)則的，那就一定有非系統(tǒng)性因素在起作用。這個因素就是地球內(nèi)部的物質(zhì)分布不均勻。地球內(nèi)部物質(zhì)的組成和密度隨深度而不同。通常我們總是把地球看成由均質(zhì)的同心球層所組成。但嚴格地說，由于地球內(nèi)部物質(zhì)的分異沒有最后完成，地球內(nèi)部的球層，既不是真正的均質(zhì)，也不是真正的同心。這種情況必然要影響地面的重力分布和大地水準面的形狀。由于這個原因，地球的質(zhì)量中心，并不位于它的幾何中心。物質(zhì)分布不勻的情況，在地殼表現(xiàn)得尤為顯著。地球表面有海陸差異和高低起伏。前面說過，地球形狀是指海面的形狀，忽視地表的海陸分布和地形起伏的差異。這是為了簡化地球的形狀，在幾何上排除這些因素。但是，海面形狀本身，則不能不受到海陸差異和地形高低的物理影響。地面的高低起伏，并不單純是地面上的問題，它在一定程度上反映地下物質(zhì)的分布情況。而且，高山所在的地方，地內(nèi)物質(zhì)并不特別多；深海所在的地方，地內(nèi)物質(zhì)并不一定特別少。所有這些復雜的情況，無一不影響大地水準面，使得地球扁球體變成不規(guī)則的形體。從幾何上說，地球的形狀是不規(guī)則的。但是，在物理意義上說，地球的形狀又是規(guī)則的。這是因為，全球靜止海面，不論幾何上怎樣復雜，總是一個等位面。在這個等位面上，物體具有相同的重力位能。地球上海面的形狀是同地面上重力分布相聯(lián)系的。自轉的慣性離心力影響地面重力，使地球由正球體變成扁球體。同樣地，地球內(nèi)部的物質(zhì)分布不勻，造成地表重力的局部差異，從而形成海面的局部起伏。在重力加速度較大的海面，海面本身在幾何上必然較低；反之，在重力加速度較小的海面，海面本身在幾何上必然較高。只有這樣，海面才可能是一個等位面。不然，海水就會發(fā)生流動，而流動的結果，必然是等位面的形成，也就是地球形狀在幾何上的規(guī)則性遭到破壞。因此，地球形狀在幾何上的不規(guī)則和在物理上的有規(guī)則，是互為條件的。復習與思考什么是大地水準面？人們怎么知道地面不是平面而是曲面？又怎么知道地球是一個球體？地球為什么會成為扁球體？比較地理緯度和地心緯度，為什么地理緯度大于地心緯度？為什么兩種緯度間的差值以南北緯45為最大？什么是參考扁球體？大地水準面的各部分怎樣地偏離參考扁球體？為什么籠統(tǒng)地說“地球的形狀像梨