第一章 地球在宇宙中的位置

第一章地球在宇宙中的位置地球科學(xué)概論1.1地球與宇宙宇宙的概念地球與太陽地球的衛(wèi)星地球的運動1、宇宙的起源伽利略、牛頓——經(jīng)典力學(xué)——宇宙無限無邊愛因斯坦——廣義相對論——有限無界的靜態(tài)宇宙模型弗里德曼——宇宙不會保持靜止?fàn)顟B(tài)——哈勃定律（多普勒效應(yīng)）——宇宙在不斷膨脹

由奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家多普勒提出。輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高(藍移(blueshift))。在運動的波源後面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低(紅移(redshift))。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恆星光譜線的位移顯示恆星循著觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現(xiàn)象(包括光波)都存在多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)：

“大爆炸”理論：

宇宙在某種整體膨脹、徐徐冷卻并不斷稀化的狀態(tài)中誕生和演化。起初，宇宙熱得不可能存在任何原子或分子；數(shù)分鐘后，冷卻到能夠形成最簡單的氫原子核和氦原子核；數(shù)百萬年后，冷卻到足以形成第一個原子，不久又形成了簡單的分子。數(shù)十億年后，物質(zhì)凝聚成了恒星和星系，此后又形成了穩(wěn)定的行星環(huán)境。2、宇宙中的天體和物質(zhì)星際物質(zhì)：如氣體、塵埃積聚態(tài)實體：如行星、恒星、星云等恒星定義演化4階段亮度恒星的定義古代：不動的星星稱為恒星近代：發(fā)現(xiàn)恒星自行后，行星與恒星的差別在于自己能否發(fā)光

定義：將自己能夠發(fā)光的氣體球稱為恒星現(xiàn)代（1900以后）：發(fā)現(xiàn)溫度高于絕對零度的物體都發(fā)光，到1930年代，發(fā)現(xiàn)核能后，行星與恒星的差別在于內(nèi)部有沒有氫氦熱核反應(yīng)；

定義：內(nèi)部有氫氦熱核聚變反應(yīng)的氣體球稱為恒星近10年：褐矮星發(fā)現(xiàn)，恒星的定義更明確，恒星：內(nèi)部能夠點燃氫氦熱核聚變反應(yīng)（700萬開）的氣體球；亞矮星：內(nèi)部能夠點燃氫氦熱核聚變反應(yīng)（100萬開）的氣體球；恒星的定義行星：不能點燃任何熱核反應(yīng)、圍繞恒星轉(zhuǎn)動的球狀天體恒星的演化幼年期：引力收縮階段青壯年期：主序星階段晚年期：紅巨星階段衰亡期：白矮星、中子星、黑洞階段恒星通常是在星際氣體中誕生的。在宇宙中，當(dāng)星際氣體的密度增加到一定程度時，由于其內(nèi)部引力的增長大于氣體壓力的增長，這團氣體云就開始收縮。這樣的傾向一開始，其自身引力使巨量物質(zhì)的密度普遍增大。巨大質(zhì)量的星際物質(zhì)開始變得不穩(wěn)定。這些巨量的星際氣體與塵埃坍縮進行得越來越迅猛，開始分裂形成較小的云團，密度也增大了許多。這些較小的云團最終將各自成為一顆恒星。由于星際物質(zhì)的質(zhì)量通常非常巨大，通常在太陽的一萬倍以上，所以恒星總是一下子一大批地降生。如果有一團星際氣體超過通常的星際物質(zhì)（每立方厘米一個氫原子）的密度，達到每立方厘米已達六萬個氫原子。開始時這團氣體是透光的，發(fā)出的光熱輻射不受周圍物質(zhì)的牽制，暢行無阻地傳到外面。物質(zhì)以自由落體的形式落到中心，在中心區(qū)積聚起來。本來質(zhì)量均勻分布的一團物質(zhì)，變成了越往里密度越大的氣體球。隨著密度的增大，中心附近的重力加速度越來越大，內(nèi)部區(qū)域物質(zhì)的運動速度的增長表現(xiàn)得最為突出。開始幾乎所有的氫以分子的形式存在，氣體的溫度也很低，總不見升高，這是因為它仍然過于稀薄，一切輻射都能往外穿透，潰縮著的氣體球受到的加熱作用并不顯著。經(jīng)歷幾十萬年后，中心區(qū)的密度逐漸變大，在那里，氣體對于輻射來說變得不透明了。這時核心便開始升溫，隨著溫度的上升，壓力開始變大，坍縮逐漸停止。這個特密中心區(qū)的半徑通常和木星軌道半徑相近，而它所含的質(zhì)量只及整個坍縮過程中涉及的全部物質(zhì)的5%。物質(zhì)不斷落到內(nèi)部的小核上，它帶來的能量在物質(zhì)撞擊到核心上時又成為輻射而放出。與此同時，核心在不斷縮小，并變得越來越熱。溫度達到二千度左右時，氫分子開始分解成為原子。核心開始再度收縮，收縮時釋放出的能量將把所有氫分子都分解為原子。這個新生的核心比今天的太陽稍大一些，不斷向中心落下的外圍物質(zhì)最終都要落到這個核心上，一顆質(zhì)量和太陽一樣的恒星就要誕生了人們將這樣的天體稱為“原恒星”，它的輻射消耗主要由下落到它上面的物質(zhì)的能量來補充。由于密度和溫度在升高，原子漸漸地丟失了它們的外層電子。落下的氣體和塵埃形成了厚厚的外殼，使光無法穿透。直至越來越多的下落物質(zhì)和核心聯(lián)成一體時，外殼才透光，發(fā)光的星體突然露出來。其余的云團物質(zhì)還在不斷向它落下，密度還在不斷增大，內(nèi)部溫度也在上升。直至中心溫度達到一千萬度發(fā)生聚變。一顆原始的恒星誕生了。原恒星核部上升到不小于7×106K條件下，核部氫燃燒引起的熱核反就開始啟動，就標(biāo)志著一顆恒星正式產(chǎn)生。由于恒星內(nèi)部排斥力與自身吸引力處于基本平衡狀態(tài)，進入了相對穩(wěn)定的漫長演化時期。目前銀河系中90%的恒星都屬此演化階段。丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國天文學(xué)家羅素分別統(tǒng)計了恒星的光度（反映恒星質(zhì)量）和顏色（反映表面溫度），用縱橫坐標(biāo)繪圖時發(fā)現(xiàn)大部分恒星落在一條連續(xù)帶上，其余的星（紅巨星、白矮星等）則形成獨立的小群。這種圖后來就稱為赫羅圖，圖中90%恒星集中出現(xiàn)的連續(xù)條帶代表相對穩(wěn)定的主要演化序列，稱為主星序或主序帶，處于主序帶內(nèi)的恒星，就稱為主序星赫羅圖溫度(K)絕對星等大部分恒星位于主序（mainsequence）色指數(shù)太陽主序星演化后期，當(dāng)恒星中心10%氫燃料消耗殆盡時，標(biāo)志著主星序階段的結(jié)束。恒星核部再次在引力下收縮，恒星中心密度加大，溫度再次升高；同時促使恒星外殼體積膨脹，密度變稀，成為表面溫度很低但光度很大的紅巨星或超巨星。紅巨星時期的恒星表面溫度相對很低，但極為明亮，因為它們的體積非常巨大。肉眼能看到的最亮的星中有許多就是紅巨星，如參宿四、畢宿五、大角、心宿二等。我們的太陽在五十億或六十億年后也將變成一個紅色“巨人”。當(dāng)核心的氫耗完時，太陽就開始膨脹，那時水星將化為蒸汽，金星的大氣將被吹光，地球上的海洋將沸騰。然后太陽還會繼續(xù)膨脹，并將地球納入它的勢力范圍。地球被燒焦的殘骸會繼續(xù)在巨型太陽灼熱而極稀薄的大氣里轉(zhuǎn)圈。紅巨星外層物質(zhì)的密度比地球?qū)嶒炇依锬艿玫降淖詈谜婵者€要低得多。恒星中心熱核反應(yīng)一旦出現(xiàn)鐵元素，就進入了恒星演化的老年期。鐵核的熱核反應(yīng)不能釋放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星內(nèi)核向中心猛烈塌縮，同時釋放出驚人的能量，導(dǎo)致恒星外殼發(fā)生爆炸，并使光度瞬間劇增萬倍至上億倍，這就是著名的超新星爆發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)超新星“曇花一現(xiàn)”之后，原有的恒星頃刻塌縮為體積小而密度極高的致密星（恒星的殘?。┖捅l(fā)出去的星云物質(zhì)（新恒星形成的物質(zhì)基礎(chǔ)），完成了銀河系內(nèi)空間物質(zhì)—能量交換過程的一次循環(huán)。恒星演化最后階段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三種不同類型的歸宿，它們的形成與母體恒星的質(zhì)量大小有關(guān)。恒星的結(jié)局

小于3個太陽——白矮星——冷卻——黑矮星3-10個太陽質(zhì)量——核炸超新星大于10個太陽質(zhì)量——內(nèi)炸，超新星，中子星（脈沖星，R<10km,V增大），黑洞

He燃燒合成C,O,Ne,Mg,S,Si

拋出外殼

紅巨星恒星的亮度在歷史上，由于恒星們的亮度明顯地各不相同，古代的天文學(xué)家們就開始了根據(jù)恒星亮度劃分恒星“等級”的工作，這就產(chǎn)生了恒星的“星等”。最早進行這一工作的是古希臘學(xué)者伊巴谷（Hipparchus），他生活在距今大約2000年前。

另一位在亞力山大工作的古希臘學(xué)者、生活在公元150年前后的托勒密繼續(xù)和發(fā)展了他的工作。他把天上的恒星分成6等，以肉眼看來最亮的星為1等星，而以肉眼勉強可見的暗星為6等星。所有后來給恒星劃分星等的工作都沿襲了喜帕恰斯和托勒密最初使用的方法。這樣一來，恒星的星等值越高，星就越暗，而比1等星更亮的太陽、行星、月亮等的星等值只能以負值來表示了。到了19世紀，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，從1等星到6等星之間，亮度相差了大約100倍。因為1到6之間有5個間隔，而＝2.512，所以，任意兩個星等相差1等的恒星，星等值高的要比星等值低的暗2.512倍。從此之后，給恒星劃分星等的工作就建立在“數(shù)字化”的基礎(chǔ)之上，比以前精確得多了。例如，天空中最亮的天狼星，由于它比肉眼可見最暗的恒星亮100倍還多，因此它的星等就被重新確定為－1.4等，而不是原先的1等。望遠鏡發(fā)明之后，人類可以觀測到的恒星數(shù)量大大增加，可觀測到的暗星也遠遠超過了6等。今天，通過放在地面的現(xiàn)代大型光學(xué)望遠鏡，可以觀測到25等以上的暗星；而“哈勃”太空望遠鏡因為是在地球大氣層之外進行觀測，它的可觀測極限星等超過了28等。實際上，不同恒星到地球的距離，有遠有近，各不相同（當(dāng)然最近的恒星是太陽）。假定有兩顆亮度本來相同的恒，一顆離我們遠些，一顆離我們近些，那么在我們看來它們亮度并不相同，而是一顆暗些，一顆亮些。這一規(guī)律遵從光

的“反平方定律”，即“接收到的光強度與光源到觀察者距離的平方成反比”。所以，前面說到的星等只是“視星等”或者“相對星等”，即它是與在地球上看到的恒星亮度有關(guān)的星等。在考慮了距離因素以后，天文學(xué)家又制定了“絕對星等”系統(tǒng)。這個系統(tǒng)把所有的恒星都放在一個“標(biāo)準距離”上考慮，這一距離是10秒差距或32.6光年（1秒差距＝3.26光年）。這樣，星等值就只和恒星自身的亮度有關(guān)，而不再受與觀察者之間的距離影響了。有了絕對星等之后，就可以比較不同恒星的真實亮度了。比如，天狼星的絕對星等是＋1.4，太陽的絕對星等是＋4.8，這樣，天狼星實際上要比太陽亮20多倍。而天狼星又比北極星暗得多，因為北極星的絕對星等是－4.6.銀河系河外星系總星系銀河是一個星系，它比普通的星系稍微大一些，直徑大約為十萬光年。銀河系中至少有2000億顆星。其中，大約400億顆星集中在中央的核球(Bulge)上，四周纏繞著四只旋臂，由氣體和塵埃物質(zhì)混雜的區(qū)域。核球的直徑為3000光年，呈橢球形，由年齡超過100億年的老年星球構(gòu)成。銀河系的歷史已經(jīng)有150億光年。銀河系是星系類型中的旋渦星系一類的典型。它的核心周圍是一個巨大的中央核球，并有纏繞著它的旋臂。這些彎曲的旋臂使銀河系的外形看上去像是一個龐大的車輪。旋臂均勻沉陷在銀盤中。銀河系圖銀盤是銀河系的主要組成部分，直徑約70000光年。銀核為星際塵埃粒子屏蔽，它們吸收銀核輻射中的可見光和紫外光。但科學(xué)家可以在射電、紅外、X射線和γ射線的波段，記錄并研究銀核區(qū)發(fā)出的輻射。特別是紅外輻射和X射線中的強發(fā)射，表明存在著高速運動的電離氣體云。現(xiàn)在多認為，這種氣體云在環(huán)繞一個大質(zhì)量天體運轉(zhuǎn)，很可能是一個質(zhì)量約為400萬個太陽質(zhì)量的黑洞?？茖W(xué)家已確認，中央核球的主要成分是一些老年恒星和老年星團。旋臂中的天體屬于十分年輕的亮星和疏散星團。此外，在旋臂區(qū)域內(nèi)是星際氣體和塵埃粒子的最高度集聚區(qū)，所以那里也是新的恒星形成的最適合的所在。太陽位于這些旋臂中的一條，即獵戶臂的內(nèi)側(cè)邊緣附近，距銀河系中心約為銀河系半徑的三分之二距離處。1.1.2地球與太陽太陽系太陽日地距離及太陽的大小、質(zhì)量太陽的結(jié)構(gòu)太陽活動現(xiàn)象太陽常數(shù)1.1.2.1太陽系太陽系是太陽和太陽為中心、受它的引力支配而環(huán)繞它運動的天體所構(gòu)成的系統(tǒng)。類地行星靠近太陽的4顆行星與地球的大小、物質(zhì)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面都很相似，故稱為類地行星，又稱內(nèi)行星。其共同特點是：體積小、密度大，構(gòu)成行星的主要物質(zhì)是巖石?！?/p>

水星直徑為地球的2/5，密度5.43，主要成分為鐵質(zhì)巖石。大氣稀薄，以氫和氦為主，表面溫度-173—+143°C，表面形態(tài)與月球相似?！?/p>

金星各種參數(shù)與地球相似，構(gòu)造活動很活躍，仍有火山作用，表面巖石主要為玄武巖。大氣厚密，表面氣壓為90個atm，主要成分為CO2，溫度達467°C◆

地球稍大于金星，在大陸有花崗巖，液態(tài)外核和較快的自轉(zhuǎn)速度形成了很強的磁場。外動力地質(zhì)作用。◆

火星的直徑約為地球的1/2，質(zhì)量相當(dāng)于地球的38%，自轉(zhuǎn)速度與地球相似。大氣稀薄，主要為CO2，溫度-28—-139°C，曾有過與地球相似的外動力地質(zhì)過程。類木行星太陽系靠外的除了冥王星以外的四顆行星，由于與木星的性質(zhì)相近，稱為類木行星，又成為外行星。其共同特點是：體積大、密度小，除了核部是由石質(zhì)物質(zhì)或冰塊組成的外，其物質(zhì)成分主要為輕氣體?！?/p>

木星個體最大，質(zhì)量是地球的318倍，大氣層厚度達一千千米，以氫和氦為主，表面可能是高壓下的液態(tài)圈層。木星也有光環(huán)。

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土星質(zhì)量為地球的95倍，平均密度僅為0.7，是太陽系行星中密度最小的。土星最引人注目的是它的光環(huán)，其厚度只有15-20km，寬度卻達200,000km，主要物質(zhì)是石塊和冰塊，其他性質(zhì)與木星相似。

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天王星有九條光環(huán)，表面溫度在-200°C以下。特點是自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面平行。

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海王星是在19世紀經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)的，體積約為地球的4倍，表面溫度在-200°C以下。特點是兩顆衛(wèi)星以不同的方向運行。

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冥王星是太陽系中一顆獨特的行星，表面溫度在-220°C以下，發(fā)現(xiàn)固態(tài)甲烷。

太陽系的其他星體

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彗星沿扁率很大的橢圓軌道運行，由巖石碎塊和氣體組成，密度很小。著名的哈雷彗星每76年光顧地球一次，其質(zhì)量是地球的六億分之一，慧尾的密度極小，僅為10-17g/cm3左右。

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小行星位于火星和木星之間，編號命名的已有三千多顆，最大一顆直徑約1003km，一般認為是太陽系形成時由于某種原因，未能積聚成大行星。小行星可能蘊涵著太陽系形成的信息。

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隕星是宇宙中漂浮的石質(zhì)或鐵質(zhì)的小天體，未發(fā)現(xiàn)地球中沒有的元素。

太陽系的軌道特性近圓性,e=(a2-b2)0.5/a

同向性共面性行星運動三大規(guī)律：

1.行星在橢圓軌道上運動，太陽位于其中一個焦點上. 2.行星與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積. 3.行星公轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長徑的立方成正比.

水星金星地球火星火星是一顆引人注目的火紅色星球。他熒熒如火，位置不定，亮度時有變化，中國古代稱之為“熒惑”，古羅馬用戰(zhàn)神馬爾斯命名它。1877年，意大利天文學(xué)家斯基亞帕雷利觀測到火星上密布有規(guī)則的線條，他說那是“運河”，在火星上發(fā)現(xiàn)了人工開鑿的運河成了當(dāng)時轟動世界的新聞，此后，人們紛紛幻想有“火星人”。20世紀以來，對于火星有無生命的爭論始終沒有停止。瑞士物理學(xué)家馬孛·比孛夫分析了從火星上拍回來的照片后說：在這個紅色星球的表面，建筑了縱橫交錯的運河，河里還擠滿了無數(shù)的魚類。1976年美國的兩個“海盜”號探測器在火星上著陸，它們在火星表面上進行了預(yù)定的考察和實驗，確認火星上根本不存在“運河”，大概沒有生命。木星土星土星是太陽系“類木行星”中的第二大星，也是太陽系里最輕的一顆行星，密度僅為0.7克/立方厘米，比水還輕。它距太陽平均距離約為14.27億千米，繞太陽1圈的時間約29.5年，其赤道半徑為6萬千米，體積是地球的745倍，質(zhì)量是地球的95倍。土星上的一晝夜只有地球上的10小時14分鐘，白天只有5個小時左右。由于快速自轉(zhuǎn)，形狀變得很扁。土星的赤道半徑和極半徑相差6000多千米。土星大部分物質(zhì)也和木星一樣，處于流體狀態(tài)。與木星不同，赤道的氣流是向東吹動的，與自轉(zhuǎn)方向相同。氣流的速度是500米/秒左右，它的風(fēng)力比木星上的風(fēng)力要大4倍。土星上也有四季之分，不過每季時間很長，每個季節(jié)相當(dāng)于地球上的7年多，即使夏季也極其寒冷。

土星光環(huán)土星云層:天王星海王星旅行者2號的發(fā)現(xiàn)磁場，磁軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角約為50度；海衛(wèi)1，海衛(wèi)2之外還有6顆衛(wèi)星（呈碎塊狀）。冥王星1930年2月18日發(fā)現(xiàn)

黃赤交角17度冥王星的表面甲烷冰層覆蓋密度2g/cm3

直徑14000-6000km

卡戎衛(wèi)星冥王星是九大行星中離太陽最遠的一顆，也是最小的一顆，直徑只有2300千米左右。冥王星的亮度很弱，用世界上最大的望遠鏡觀測，冥王星也僅僅像一粒小米。冥王星沿著很扁的橢圓軌道繞太陽運行在它上面過一年，等于在地球上過了248.5年。從1930年被發(fā)現(xiàn)至1990年，它在軌道上只走了不到1/4圈，它是公轉(zhuǎn)最慢，周期最長的行星了。由于冥王星軌道很扁，所以當(dāng)它走到近日點時，可以跑到海王星軌道里面，這時比海王星離太陽還近。冥王星和海王星一樣也是側(cè)向自轉(zhuǎn)。它離太陽比地球離太陽遠38倍半，所以接受的太陽光和熱要少得多，估計太陽光照到的表面溫度為-223°C，背面可低到-253°C，這么低的溫度下，除氫、氦、氖可能是氣體外，其他絕大部分物質(zhì)都已凝結(jié)為固態(tài)或液態(tài)。小小的冥王星卻有一顆大衛(wèi)星，冥衛(wèi)“卡戎”的直徑被定為1200千米，為冥王星直徑的52%，如此之大的衛(wèi)星與行星直徑之比，在太陽系里卻是“只此一家”。在大望遠鏡里，冥王星呈淡黃色。它有亮度的變化，周期6天多，變化幅度0.22等。這是因為它表面反射太陽光不均勻（有人認為其表面是個臟雪球），同時又具有6天多的自轉(zhuǎn)周期。彗星彗核，彗發(fā)：固體C,冰凍水，CH4,NH3等彗尾CO+,N2+,CO2+哈雷彗星海爾—波普彗星流星雨1833年：帶來知識啟蒙的獅子座流星雨隕石1.1.2.2.太陽日地距離及太陽的大小、質(zhì)量太陽的結(jié)構(gòu)太陽活動現(xiàn)象太陽的熱核反應(yīng)存在愛因斯坦在狹義相對論中指出的質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)化關(guān)系：E=mc21克H核聚變?yōu)镠e核所虧損的質(zhì)量（按E=mc2公式），可產(chǎn)生6281×108J的熱能光球?qū)樱喝庋鬯L(fēng)太陽的耀眼奪目的太陽視表面。厚500km,5500oC,0.01g/cm3.色球?qū)樱汉?000-5000km，日全食時呈玫瑰紅色，可達100萬度K.日冕：最外層的稀薄等離子體太陽風(fēng)大氣層，d=10-12g/cm3.100萬K,800km/s,400km/s黑子：直徑2000-10000km，4200oC，具極強磁場；對氣候與生態(tài)變化的影響有11年周期.耀斑：在黑子群上空的亮點出現(xiàn)在色球?qū)又校琻秒鐘內(nèi)可擴大成纖維云狀物，直徑10萬km，T1.5萬-100萬度.所謂太陽黑子是光球?qū)由系暮诎祬^(qū)域，它的溫度大約為4500K，而光球其余部分的溫度約為6000K。在明亮的光球反襯下，就顯得很黑。89年3月5-18日的太陽表面一群黑子,面積約70個地球.10日黑子群爆發(fā)大耀斑,放出帶電粒子和輻射,使地面多處無線電通訊中斷太陽的耀斑在太陽活動極大年，日冕接近圓形；在太陽寧靜年則呈橢圓形“1970年3月7日日全食日冕”

太陽活動極大年的日冕太陽寧靜年的日冕日珥地球的衛(wèi)星月球的基本參數(shù)月球的引力作用對地球的影響月球的表面特征月球是地球的衛(wèi)星，是行星比較地質(zhì)學(xué)的主要研究對象。月球完全缺失大氣層，表面溫度白天+115°C，晚上-135°C。

月陸約占月球表面的84%，由結(jié)晶的基性巖組成，布滿了環(huán)狀的隕石沖擊坑。月海巖石主要由玄武巖組成，年齡在4200-3100Ma左右。

沒有水和CO2的痕跡，內(nèi)部活動已經(jīng)停止。月球的自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相等，都是一個恒星月月球的自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相同，都是逆時針方向1.2天球與天球坐標(biāo)系天球的概念天球坐標(biāo)系不同坐標(biāo)間的關(guān)系天體在天球坐標(biāo)系中的視運動我們站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都離我們一樣遠。星星就好像鑲嵌在一個圓形天幕上的寶石。

實際星星和我們的距離有遠有近，我們看到的是它們在這個巨大的圓球球面上的投影，這個假想的圓球就稱為天球，它的半徑是無限大。而地球就懸掛在這個天球中央。

天球坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系時角坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系黃道坐標(biāo)系1、地平坐標(biāo)系

以真地平為基本圈,天頂Z為基本點,南點(S)為原點的坐標(biāo)系為地平坐標(biāo)系.任一天體X,過他做一地平經(jīng)圈在天體的那一側(cè)與真地平交于M.

方位角A:

從南點S沿地平圈順時針方向量弧長SM,叫地平經(jīng)度,也叫方位角,范圍0-360°.地平高度h:弧長MX,叫地平緯度,也叫地平高度.范圍0-(+/-)90°.向北為正,向南為負.天頂距z:弧ZX，天體X到天頂Z的距離。從Z算，范圍0-90°。z=90-h

觀測者位置不同，同一天體地平坐標(biāo)不同；時間不同，同一天體地平坐標(biāo)也不同。所以，地平坐標(biāo)有地方性。在北半球，北天極高度等于當(dāng)?shù)氐乩砭暥取?/p>

2、時角坐標(biāo)系(第一赤道坐標(biāo)系）

時角坐標(biāo)系以天赤道為基本圈，北天極P為基本點，天赤道于天子午圈在南點附近的交點Q'為原點。過任一天體X作赤經(jīng)圈在天體一側(cè)角天赤道于T。

時角t：

從原點Q'開始順時針度量的弧長Q'T，即過天子午圈與過天體的赤經(jīng)圈所夾的角，叫時角t，范圍0-359°；有時也用時間時，分，秒表示，范圍0-24h。

赤緯δ：

從T延赤經(jīng)圈度量的弧長TX,叫赤緯。向北為正，向南為負，范圍0-（+/-)90°。

觀測者不同原點Q'不同，T隨天體周日視運動而變化，所以時角t隨時間和觀測地點不同而不同。赤緯δ只有天體和天赤道決定，不變化。

3、赤道坐標(biāo)系

（第二赤道坐標(biāo)系）：他與時角坐標(biāo)系的區(qū)別在于，它的原點不是Q‘，而是春分點γ。在赤道坐標(biāo)系中，過任一天體X做赤經(jīng)圈交天赤道于T點。赤經(jīng)a：以春分點為起點，沿天赤道逆時針方向計量的弧長γT的弧長。范圍：0-359°。赤緯δ：

與時角坐標(biāo)系中赤緯定義相同。

春分點時角t=天體赤經(jīng)a+天體時角t4、黃道坐標(biāo)系：黃道坐標(biāo)系以黃道為基本圈，北黃極為基本點，春分點為原點。過任一天體X做黃經(jīng)圈叫黃道于D。黃經(jīng)λ：

自春分點λ沿黃道逆時針計量的弧長λD。范圍：0-359°。黃緯β：

自黃道沿黃經(jīng)圈的弧長DX,向北為正，向南為負。范圍：0-（+/-）90°。

1.2.4天體在天球坐標(biāo)系中的視運動由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，以及天體本身的空間運動等原因，地面觀測者直接觀測到的天體運動，稱為天體的視運動。天體的視運動有周日視運動和周年視運動兩種主要形式。1.2.4.1天體的周日視運動由于地球的自轉(zhuǎn)，地面上的觀測者所看到的天體，在一個恒星日內(nèi)，在天球上自東向西沿著與赤道平行的小圓圈轉(zhuǎn)過一周，這種直觀的運動稱為天體的周日視運動。1、不同緯度所見的天體周日旋轉(zhuǎn)天體的周日視運動雖然周期相同，但視速度不一，赤緯0°處最大，隨赤緯增高而減小，到南北天極為0。從不同的緯度看天體的周日視運動，有不同的運行狀況：在北極看，天體以天頂為中心，作與地平面平行的圓周視運動。因此，在那里看來，天體既不升，也不落，永遠保持在一個高度。但南半個天球的天體卻完全看不到。在南極則與此相反；在赤道與兩極之間的地區(qū)，天體周日視運動的路線與地平面斜交。有些天體每日上升和下落，有些天體永不上升或永不下落。在赤道上看來，天體視運動的路線是沿著垂直于地平面的圓周，自東向西作周日視運動，所以那里的人們看到天體是直上直下地移動。在這里，同一天晚上，既可以看到天球北半部的天體，也可以看到天球南半部的天體。2、天體的中天和出沒中天：天體經(jīng)過觀測者的子午圈時稱為中天。經(jīng)過包括天極和天頂?shù)哪前雮€子午圈時，天體到達最高位置，稱為上中天;經(jīng)過包括天極和天底的那半個子午圈時,天體到達最低位置，稱為下中天。出沒：天體經(jīng)過觀測者的地平圈時稱為出沒，也稱升落。天體從地平圈下升到地平圈上稱為出，反之稱為沒。永不下落和永不上升的天體沒有出沒現(xiàn)象。以太陽的周日視運動為例1.2.4.2太陽的周年視運動太陽除參與因地球自轉(zhuǎn)引起的周日視運動外，還存在因地球公轉(zhuǎn)引起的在恒星背景上的相對運動，即周年視運動。太陽因周年視運動在黃道上自西向東每天移動約1°。在一年的不同日期內(nèi),太陽的赤經(jīng)、赤緯的變化，引起晝夜長度的變化。對北半球來說，一年內(nèi)只有兩天，即春分和秋分，太陽由東點出，西點沒，晝夜相等。從春分起,太陽的出沒方位逐漸北移,夏至日到達最北點。在這段時間內(nèi)，太陽出的時刻逐日提早，而沒的時刻逐日延遲。同時中天高度越來越高，白晝變長，黑夜縮短。夏至那天中天高度最高，白天最長。夏至以后，太陽的出沒方位逐漸南移，中天高度逐漸下降。秋分以后，太陽的出沒位置已在東、西點以南，晝短夜長。這個過程一直延續(xù)到冬至日為止。這時，太陽的出沒位置到達最南點，白晝最短,黑夜最長。以后,太陽的出沒點重新北移，到春分點時晝夜又相等，完成一年一周的運動。由于緯度不同，太陽周日視運動的變化情況也有所不同。緯度越高，夏季白天越長，冬季白天越短。極圈以北開始出現(xiàn)“白夜”和“黑晝”。在地球北極，則是半年白天，半年黑夜，太陽不再每天東升西落。南半球的情況和北半球完全相同，只是冬和夏、春和秋，恰好相反。在赤道上，一年四季晝夜的長短是不變的。1.3時間的計量時間的概念和計量時間的基本原則及計量系統(tǒng)恒星時與太陽時地方時與標(biāo)準時時間如何計量？大家都知道，長度、質(zhì)量、時間是三大基本物理量，時間計量對生活、生產(chǎn)、科學(xué)研究等人類一切活動都具有最基本的意義。時間計量包含既有差別又有聯(lián)系的兩個內(nèi)容：時間間隔和時刻的測定。時間間隔是指客觀物質(zhì)運動的兩個不同狀態(tài)之間所經(jīng)歷的時間歷程；時刻是指客觀物質(zhì)在某一種運動狀態(tài)的瞬間與時間坐標(biāo)軸原點之間的時間間隔。一般通過某種選定的物質(zhì)運動過程作參考，把其它物質(zhì)的運動過程與這個參考過程進行比較，判別和排列事件發(fā)生的先后順序并據(jù)此導(dǎo)出事件發(fā)生的時刻和運動過程所經(jīng)歷的時間間隔。

客觀世界的物質(zhì)運動千差萬別，不可能選取一種物質(zhì)運動過程作為計量時間的標(biāo)準，如天體的年齡可達100多億年，而某些基本粒子的壽命卻只有10-24秒。不同的時間計量方法分屬不同的學(xué)科分支或不同的技術(shù)門類。測量天體的年齡使用天體物理的方法；日、月、年、世紀的協(xié)調(diào)和研究屬于天文學(xué)中的歷法范疇；秒以下時間的測定、保持、傳遞則是授時機構(gòu)的任務(wù)。

時間的定義在日常生活中，我們是采用地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周作為時間年的單位、月球圍繞地球公轉(zhuǎn)一周作為月的單位、地球自轉(zhuǎn)一周作為天的單位。在科學(xué)上，1956年國際計量委員會將秒規(guī)定為1900年1月0日12時正回歸年長度的1/31556925.9747。這種以地球公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間標(biāo)準稱為*歷書秒。1967年第十三屆國際計量大會又采用以原子內(nèi)部輻射頻率為基準的時間計量系統(tǒng)，成為*原子時。按新規(guī)定，“秒是銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間的躍遷所對應(yīng)輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間”。幾種時間計量系統(tǒng)所達到的精度時間計量系統(tǒng)時間測量誤差（秒/天）頻率準確度世界時(UT)10-3

10-8歷書時(ET)10-4

10-9

原子時(TA)10-14

10-16

它是以地球自轉(zhuǎn)周期為基準所建立的一種時間系統(tǒng)。其測量方法是選取春分點作為參考點，其連續(xù)兩次過測站上中天所經(jīng)歷的時間，稱為一恒星日，一個恒星日分為24恒星小時，一恒星小時分為60恒星分，一恒星分分為60恒星秒。1.3.2.1恒星時1.3.2.2太陽時太陽相繼兩次經(jīng)過同一地方子午圈所經(jīng)歷的時間間隔為1太陽日.太陽日有真太陽日和平太陽日之分,所以也就有兩種太陽時.實際上我們?nèi)粘Ｓ玫挠嫊r是平太陽時，平太陽時假設(shè)地球繞太陽是標(biāo)準的圓形，一年中每天都是均勻的。北京時間是平太陽時，每天都是24小時。而如果考慮地球繞日運行的軌道是橢圓的，則地球相對于太陽的自轉(zhuǎn)并不是均勻的，每天并不都是24小時，有時候少有時候多。考慮到該因素得到的是真太陽時。

真太陽時：日常生活用的鐘和手表都是用的平太陽時，而以真正的太陽為參考點，以真太陽的視運動來計算地球自轉(zhuǎn)一周的時間，即太陽視圓面中心連續(xù)兩次上中天的時間間隔叫一個真太陽日。1真太陽日分為24個真太陽時，1真太陽時又分為60個真太陽分，1真太陽分又分為60真太陽秒。

真太陽時要求每天的中午12點，太陽處在頭頂最高。傳統(tǒng)上確定時辰，需使用真太陽時，所以要把平太陽時調(diào)整為真太陽時。真太陽時與平太陽時之差值表（用平太陽時加減差值得真太陽時時），如：

1月01日-3分9秒1月02日-3分38秒1月03日-4分6秒

1月04日-4分33秒1月05日-5分1秒1月06日-5分27秒

1月07日-5分54秒1月08日-6分20秒1月09日-6分45秒

1月10日-7分10秒1月11日-7分35秒1月12日-7分59秒

1月13日-8分22秒……真太陽時換算舉例城市名：云南昆明鐘表時間為：陽歷2008年4月8日11時12分

云南昆明的地方時間比中原時間慢69分4秒

真太陽時比平均太陽時慢1分17秒修正后的天文時間為：2008年4月8日10時1分39秒（星期二）

平太陽時：太陽連續(xù)兩次經(jīng)過中午的時間間隔，稱為真太陽日。我們知道，地球沿著橢圓形軌道運動的，太陽位于該橢圓的一個交點上，因此，在一年中，日地距離不斷改變。根據(jù)開普勒第二定律，行星在軌道上運動的方式是它和太陽所聯(lián)結(jié)的直線在相同時間內(nèi)所劃過的面積相等，可見，地球在軌道上做的是不等速運動，這樣一來，一年之內(nèi)真太陽日的長度便不斷改變，不易選做計時單位，于是引進平太陽的概念。天文學(xué)上假定由一個太陽（平太陽）在天赤道上（而不是在黃赤道上）作等速運行，其速度等于運行在黃赤道上真太陽的平均速度，這個假想的太陽連續(xù)兩次上中天的時間間隔，叫做一個平太陽日，這也相當(dāng)于把一年中真太陽日的平均稱為平太陽日，并且把1/24平太陽日取為1平太陽時。通常所謂的“日”和“時”，就是平太陽日和平太陽時的簡稱。

1.3.3.1地方時某一地區(qū)具體時刻的規(guī)定，與該地區(qū)的地理緯度存在一定關(guān)系。例如，我們在上海，太陽當(dāng)頭照的時候，是中午12點。但如果在這同一時刻，對遠離上海以西約1700公里的地方，太陽還在偏東方向離開當(dāng)頭照還差1個小時，也就是說，對該地而言只是11點鐘。相反，對上海以東約1700公里的地方，太陽早已偏西了1個小時，它已經(jīng)是下午1點鐘了。如果整個世界統(tǒng)一使用一個時刻，則只能滿足在同一條經(jīng)線上的某幾個地點的生活習(xí)慣。所以，整個世界的時刻不可能完全統(tǒng)一。這種在地球上某個特定地點，根據(jù)太陽的具體位置所確定的時刻，稱為“地方時”。所以，真太陽時又叫做“地方真太陽時”（地方真時），平太陽時又叫做“地方平太陽時”（地方平時）。地方真時和地方平時都屬于地方時。

1.3.3.2標(biāo)準時(區(qū)時)1879年，加拿大鐵路工程師伏列明提出了“區(qū)時”的概念，這個建議在1884年的國際子午線會議上得到認同，由此正式建立了統(tǒng)一世界計量時刻的“區(qū)時系統(tǒng)”?！皡^(qū)時系統(tǒng)”規(guī)定，地球上每15°經(jīng)度范圍作為一個時區(qū)（即太陽1個小時內(nèi)走過的經(jīng)度）。這樣，整個地球的表面就被劃分為24個時區(qū)。各時區(qū)的“中央經(jīng)線”規(guī)定為0°（即“本初子午線”）、東西經(jīng)15°、東西經(jīng)30°、東西經(jīng)45°……直到180°經(jīng)線，在每條中央經(jīng)線東西兩側(cè)各7.5°范圍內(nèi)的所有地點，一律使用該中央經(jīng)線的地方時作為標(biāo)準時刻。“區(qū)時系統(tǒng)”在很大程度上解決了各地時刻的混亂現(xiàn)象，使得世界上只有24種不同時刻存在，而且由于相鄰時區(qū)間的時差恰好為1個小時，這樣各不同時區(qū)間的時刻換算變得極為簡單。因此，一百年來，世界各地仍沿用這種區(qū)時系統(tǒng)。1.4季節(jié)與晝夜太陽高度的變化晝夜長短的變化季節(jié)與地球的五帶1.4.1太陽高度的變化太陽高度的概念：太陽高度是指太陽光入射方向與地平面之間的夾角（即太陽在當(dāng)?shù)氐难鼋牵胔表示，它在數(shù)值上等于太陽在天球地平坐標(biāo)系中的地平高度（緯度）。直射點最大為90度。晨昏線上為0度。

太陽高度是決定地球表面獲得太陽熱能數(shù)量的最重要因素。

I=I0sinh正午太陽高度隨地球公轉(zhuǎn)變化的原因由于黃赤交角的存在，使地球在繞日公轉(zhuǎn)中太陽直射點在南北回歸線之間移動，從而引起各地正午太陽高度的變化。正午太陽高度變化的規(guī)律：春秋二分，由于太陽直射赤道，赤道正午太陽高度為90度，太陽高度由赤道向南北兩方降低。夏至日，太陽直射北回歸線，北回歸線上正午太陽高度為90度，太陽高度由北回歸線向南北兩方降低，北回歸線以北的地區(qū)正午太陽高度達一年最大值，南回歸線以南的地區(qū)達一年最小值。冬至日，太陽直射南回歸線，南回歸線上正午太陽高度為90度，太陽高度由南回歸線向南北兩方降低，北回歸線以北的地區(qū)，正午太陽高度達一年最小值，南回歸線以南的地區(qū)正午太陽高度達一年最大值。在回歸線以內(nèi)的地區(qū)，每年兩次受到直射。太陽高度角的計算公式對北半球：H（正午太陽高度）=90度－（各地地理緯度－太陽直射點的緯度）對南半球：H（正午太陽高度）