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文檔簡介
地球與地殼課程第1頁/共94頁恒星:行星:衛(wèi)星:彗星:流星:星云:質(zhì)量很大且能發(fā)光。憑肉眼能看到的天體,99%以上都是恒星(太陽)
自己不發(fā)光,質(zhì)量也遠較恒星小,但需要具有一定的質(zhì)量,并且繞恒星運動(地球)質(zhì)量比行星更小,繞行星運動,并隨著行星繞恒星運動,其包括人造衛(wèi)星和與此相對的天然衛(wèi)星(月亮)太陽系外圍行星形成后所剩余的物質(zhì)組成,是一種很小的、但具有特殊外表和軌道的天體質(zhì)量更小,也不發(fā)光,在行星際空間運行,當(dāng)接近地球,受到引力作用時,可以改變軌道甚至隕落,少數(shù)落到地面上即為隕石是一種云霧狀的天體,散布在銀河系內(nèi)、太陽系外的一堆堆非恒星形狀的塵埃和氣體,主要成份是氫和氮
星系:河外星系,簡稱為星系,是位于銀河系之外、由幾十億至幾千億顆恒星、氣體和塵埃物質(zhì)組成的天體系統(tǒng)第2頁/共94頁宇宙“大爆炸”學(xué)說
美國天文學(xué)家哈勃(EdwinHubble,1889-1953)
宇宙“大爆炸”這一理論(BigBangtheory)首先是由EdwinHubble提出,是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的學(xué)說,也是目前有關(guān)宇宙歷史最可能的一種解釋。
1923至1924年在威爾遜天文臺時,哈勃發(fā)現(xiàn)仙女座大星云的12顆造父變星,根據(jù)周光關(guān)系,推算出它們位于銀河系以外,是與銀河系一樣的恒星系統(tǒng),這一發(fā)現(xiàn)使哈勃成為星系天文學(xué)的奠基人第3頁/共94頁
哈勃認為宇宙大爆炸導(dǎo)致宇宙擴張,并壓迫空間物質(zhì)變?yōu)槌旅軋F。宇宙“大爆炸”的直接證據(jù)是1965年以來才有所發(fā)現(xiàn)的。那時候,有兩位科學(xué)家聲稱測到了“大爆炸”殘余微波,但未能對“大爆炸”后四處擴散的物質(zhì),如何重新凝聚從而形成星球及星系的問題做出解釋。宇宙大爆炸模型示意圖
僅僅是一種學(xué)說,是根據(jù)天文觀測研究后得出的一種設(shè)想第4頁/共94頁
“哈勃”號太空望遠鏡(1990年4月25日,由美國航天飛機送上太空軌道)是目前被送入軌道的口徑最大的望遠鏡。它全長12.8米,鏡筒直徑4.27米,重11噸,由三大部分組成,第一部分是光學(xué)部分,第二部分是科學(xué)儀器,第三部分是輔助系統(tǒng),包括兩個長11.8米,寬2.3米,能提供2.4千瓦功率的太陽電池帆板,兩個與地面通訊用的拋物面天線。
為紀(jì)念EdwinHubble對天文的貢獻,故命名為哈勃太空望遠鏡。
哈勃太空望遠鏡升空第5頁/共94頁“哈勃”新拍照片反映的是一顆遙遠恒星周圍的景象。這顆名為“V838Mon”的恒星位于麒麟星座方向,距離地球2萬光年。在照片上可以看到恒星周圍漩渦狀的塵埃云。據(jù)估計,這些漩渦狀塵埃云在星際空間中跨越數(shù)萬億公里?!肮迸恼盏囊活w恒星周圍的景象第6頁/共94頁關(guān)于宇宙“大爆炸”
1988年,英國的一位科學(xué)家在《時間簡史:從大爆炸到黑洞》中闡述,宇宙最初的模樣像一個豌豆大小的物體,懸浮于一片沒有時間的真空,在“大爆炸”前瞬間發(fā)生極其快速的膨脹過程。時間為距今約120×108年。第7頁/共94頁關(guān)于宇宙“大爆炸”
-黑洞黑洞是廣義相對論所預(yù)言的一種暗天體,它有一個封閉的視界面,外來物質(zhì)能夠進入而視界內(nèi)的任何物質(zhì)卻不能逃出視界。黑洞被認為由解體的星球殘余物質(zhì)形成。英國科學(xué)家用哈勃天文望遠鏡拍攝的照片,去除一層層耀眼光環(huán)后,觀察到了整個星系相互碰撞并被黑洞吞噬的景象,黑洞比億萬顆太陽還要大,星系相互碰撞后的物質(zhì),首先被吸進強旋渦中心,在被黑洞吞噬之前釋放出巨大能量。黑洞甚至吸收光線。黑洞吸引周圍物質(zhì)下落而發(fā)出X射線。日本科學(xué)家花了15年時間分析來自外太空的無線電波后,于1999年說,已發(fā)現(xiàn)銀河中心有24個黑洞。第8頁/共94頁2000年8月,美國麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家們宣布發(fā)現(xiàn)了銀河系中央存在黑洞的證據(jù),位于銀河系中央的一個區(qū)域,其質(zhì)量超過260萬個太陽質(zhì)量,但它的直徑不超過太陽和地球之間的距離。密度如此之大的天體,只可能是個黑洞。黑洞的假想圖第9頁/共94頁1995年由哈勃望遠鏡拍攝到的高度清晰的云柱,它們是新星群的育兒室。其中最大的頭尾兩端足有4光年的長度。圖中顯示“蒸發(fā)中的小氣團”
(星蛋)正從氫分子與塵埃所形成的氣柱中浮現(xiàn)出來,內(nèi)部的氣體密度很高,以致于可以因重力而形成恒星。在每個云柱的頂端,因周圍熾熱年青亮星所造成的強大輻射,將密度低的物質(zhì)蒸發(fā)掉,使新誕生的恒星從致密的星蛋中顯現(xiàn)出來。從老鷹星云的星蛋中孵化而出的恒星(老鷹星云位于距離地球7000光年處)第10頁/共94頁
近日,美國宇航局公布了探測器拍到最年輕的宇宙“嬰兒期照片”,是近年來最重要的科研成就之一,為宇宙大爆炸理論提供了新的依據(jù)??茖W(xué)家由照片推測出宇宙的年齡約137億年,誤差不超過1%?!昂阈怯齼菏摇比炜請D片
各向異性微波探測器觀測到的宇宙第一束光線--宇宙大爆炸的余輝。我們今天所看到的宇宙微波背景輻射出現(xiàn)在宇宙誕生后38萬年,經(jīng)過130億年才傳播到地球上第11頁/共94頁1989年,美國太空總署發(fā)射了一顆“宇宙背景探測衛(wèi)星”,該資料表明,觀測到了在宇宙的遙遠邊際存在著一堆極其龐大的波浪形物質(zhì),這種波形物質(zhì)伸展達(590×108)×(1000×108)哩,并且已有150×108年歷史。由于該波浪形物質(zhì)是在宇宙大爆炸僅30×104年后便已形成,所以它被喻為是宇宙誕生的證據(jù)。這種波浪形物質(zhì)形成后,萬有引力使愈來愈多的物質(zhì)凝聚起來,最后變成星系。第12頁/共94頁
后來,一個國際科學(xué)家小組利用歐洲航天局紅外太空觀測衛(wèi)星(ISO)的觀測數(shù)據(jù),對一種氘氫分子進行分析測算后發(fā)現(xiàn),在距地球約1500光年的獵戶星云中高度活躍的恒星形成區(qū),氘原子與氫原子的比例為1:10×104。宇宙中所能探測到的所有氘元素,可能都是在宇宙“大爆炸”幾分鐘后的原始核聚變過程中產(chǎn)生的,有關(guān)氘元素豐度的最新測算結(jié)果再次證實,宇宙中正常物質(zhì)總是無法遏止宇宙無限膨脹的趨勢。第13頁/共94頁
1999年德國的天文學(xué)家稱發(fā)現(xiàn)了距今約700年的一次超新星爆發(fā)留下的氣體云,估計其溫度為3000×104K,為太陽核心溫度的兩倍,氣體云延伸的直徑達到25光年。第14頁/共94頁
在宇宙空間中可能不均勻地漫布著由“大爆炸”或恒星炸裂而產(chǎn)生的塵云物質(zhì),它們有可能被吸引聚積而形成星體。哈勃望遠鏡拍攝的照片第15頁/共94頁
據(jù)天文觀測,在星際空間和星云中,有大約99%氣體和1%灰塵組成的稀疏物質(zhì),氣體大部分是氫和氦,塵狀物類似于地球物質(zhì)的成分,如硅化合物、二氧化鐵、冰晶以及包括有機分子在內(nèi)的許多細小分子,于是提出了分凝序列模型。
韋扎克(C.F.vonWeizsacker,1944)的計算結(jié)果,在一大旋渦作湍動收縮時,就產(chǎn)生出一些子旋渦,一個子旋渦足以產(chǎn)生一個太陽系,在太陽旋渦的外緣有一些亞子旋渦,兩個亞子旋渦的嚙合部位塵埃粒子的碰撞結(jié)合,從而形成星子-行星。第16頁/共94頁
西班牙加里克.伊斯拉埃良等人在一顆恒星的光譜里找到了它曾經(jīng)吞食過行星的證據(jù)。HD82943里所含的微量鋰-6,就像小貓胡子上沾的牛奶一樣,是這顆恒星可能曾經(jīng)吞食過行星的有力證據(jù)。恒星吞食行星
最近全世界都在盛傳這樣一則報道:再過75億年地球的命運將會怎樣?我們的太陽會急劇膨脹,以致毫不留情地吞食掉地球。但是在此之前地球上早已沒有任何生物,一切生物在2億年后就已被太陽的強烈輻射所燒死。
研究人員認為,HD82943在過去3000萬年之內(nèi)的某個時候吞食了一顆繞它旋轉(zhuǎn)的行星,除此之外沒有別的合理解釋。第17頁/共94頁哈勃望遠鏡拍下大星系吞食小星系照片
正如天文學(xué)家預(yù)測的那樣,一個大型的星系正在吞食一個微型星系,而且首次有了照片證據(jù)來證明這種宇宙中的“大魚吃小魚”現(xiàn)象。天文學(xué)家表示,小星系因為受到大星系的萬有引力而解體,小星系里被吸附走的星體將成為螺旋狀大星系周圍環(huán)繞的球形暈輪的一部分。第18頁/共94頁哈勃發(fā)回新照片“大爆炸”理論遭質(zhì)疑“哈勃”望遠鏡本次拍攝到了一些宇宙深處的星體,這些星體大概形成于宇宙誕生后的5億年內(nèi)(約130億年前)。然而,這些星體的數(shù)量卻遠遠少于科學(xué)家們原來的估計。為“大爆炸”
理論打上一個重重的問號。第19頁/共94頁經(jīng)過近期的技術(shù)升級,哈勃望遠鏡現(xiàn)已投入正常工作。哈勃望遠鏡的最新儀器包括:廣角照相機3和新型超敏感聲譜儀,該聲譜儀是2009年5月宇航員在為期13天的太空任務(wù)中在哈勃望遠鏡上安裝的。此外,還恢復(fù)了該望遠鏡兩個儀器:哈勃主高級勘測照相機和多功能圖像聲譜儀,在此之前這兩種儀器未被修理過“亞特蘭蒂斯”號宇航員2009.5.18日為修復(fù)哈勃望遠鏡進行第5次太空行走,這次太空行走完成后,修復(fù)哈勃望遠鏡的工作也宣告基本完成。第20頁/共94頁高級勘測照相機3拍攝的棒旋(轉(zhuǎn))星系NGC6217同時,廣角照相機3拍攝的“星系五重奏”一組5個星系的圖片,密集的恒星星團第21頁/共94頁哈勃望遠鏡上的相機拍攝的船底座星云中的由炙熱的氣體和塵埃組成的“創(chuàng)造之柱”。船底座星云位于距離地球7500光年的船底星座,是孕育恒星的地方。哈勃望遠鏡上的相機拍攝的近50億光年的星系A(chǔ)bell370第22頁/共94頁銀河系(人類、地球以及太陽系所處的星系
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地球在宇宙中的位置-太陽和太陽系-第23頁/共94頁銀河系的構(gòu)造第24頁/共94頁地球隨太陽在銀河系中運動
地球隨太陽圍繞銀河系中心做旋轉(zhuǎn)運動。太陽繞銀心旋轉(zhuǎn)一周約2.8×108-3×108a.,平均速度約250km/S,軌道偏心率為0.07-0.10之間,它的近銀點是退行的。千秒差距:量度距離的一種單位,等于3260光年第25頁/共94頁哈勃望遠鏡拍到一銀河系的星星光環(huán)
這張是美國哈勃空間望遠鏡捕捉到的一銀河系的環(huán)形的星群照片,該照片比這個銀河系的任何現(xiàn)有的照片都清晰。整個星系大約120,000光年寬,比我們的銀河星系稍微大。光環(huán)主要由藍色的小恒星組成,與黃色的核心形成鮮明對比。第26頁/共94頁
宇航船在距地球100萬公里的第二拉格朗日點軌道上運行,背景為太陽、地球和月亮。第27頁/共94頁太陽系
太陽系中的行星分別為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。行星中的前四顆較近太陽稱為地球族行星(地組),共同特點是體積小,平均密度大,自轉(zhuǎn)速度慢,衛(wèi)星數(shù)少;后四顆較遠太陽稱為大行星(木組),共同特點是體積大,平均密度小,自轉(zhuǎn)速度快,衛(wèi)星數(shù)多。第28頁/共94頁太陽系主要星體的基本參數(shù)第29頁/共94頁太陽是一個熾熱的發(fā)光球,它的內(nèi)部不斷進行著巨大的熱核反應(yīng),中心溫度更高達1500×104k,太陽表面溫度高達6000k。在已知宇宙中,太陽是一個中等大小的恒星,直徑約為140×104km,相當(dāng)于地球直徑的109倍;表面積約為地球的12000倍;體積約為地球的130×104倍。質(zhì)量約1.989×1027t,相當(dāng)于地球的33.3×104倍;并且占整個太陽系質(zhì)量的99.86%。太陽與日-地系統(tǒng)
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太陽在約46×108a.以前由氣體和塵粒物質(zhì)開始積聚而從星云中形成。物質(zhì)積聚,收縮或凝結(jié)使其內(nèi)部的壓強和溫度急劇升高,溫度升高到足以發(fā)生核聚變,以至太陽最終成為一顆恒星。產(chǎn)生核聚變要求的最低溫度估計約500×104℃,氫聚變反應(yīng)式為:
4H→1Hе+能量即4個氫原子核聚合形成1個氦原子核并釋放出能量。該能量是質(zhì)量減少的轉(zhuǎn)變,按愛因斯坦的著名方程E=mc2來測算,每秒鐘約有5×108T質(zhì)量變成能量,并將600×108T的氫變成氦,太陽還能維持約50×108年。第31頁/共94頁彗星:彗星是在萬有引力作用下繞太陽運動的一類質(zhì)量很小的天體,是太陽系的成員之一。由彗核、彗發(fā)、彗云和彗尾組成。小行星是太陽系內(nèi)類似行星繞太陽運動,但體積和質(zhì)量比行星小得多的天體。是地球唯一的天然衛(wèi)星,是距離我們最近的天體。與地球的平均距離約為384401km.半徑相當(dāng)?shù)厍虬霃降?7.28%;質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量1/81;平均密度為3.24g/cm3,只及地球的0.6。月球本身并不發(fā)光,只反射太陽光。小行星:月球:太陽風(fēng):從太陽大氣最外層的日冕向空間持續(xù)拋射出來的物質(zhì)粒子流。第32頁/共94頁彗星
第33頁/共94頁行星與星-地系統(tǒng)
各行星與太陽的距離按提丟斯-波得定則(Titius-Boderule,1766)排列。按照這個定則,應(yīng)在火星與木星軌道之間,即距太陽約2.8個天文單位處還有一顆同樣繞太陽運轉(zhuǎn)的大行星,但始終沒有發(fā)現(xiàn),恰在這個空間范圍內(nèi)自1801年以來相繼發(fā)現(xiàn)了谷神星、智神星等約2400多顆小行星。它們的形狀不規(guī)則,繞太陽旋轉(zhuǎn)的周期為1-14年左右不等,很可能曾是一顆大行星遭撞擊破碎的產(chǎn)物。第34頁/共94頁
英國一太空研究專家日前稱一顆巨大的名為2002NT7的小行星將于17年內(nèi)撞擊地球,屆時地球上的生命將遭受毀滅性的打擊。據(jù)稱這個小行星是迄今為止所探測到對地球威脅最大的物體,它的直徑約兩公里,預(yù)料撞擊速度達每秒28公里,無論撞落在地球五大洲的任何一地,都足以摧毀整個洲塊,并造成全球性的氣候劇變。藝術(shù)家眼中的小行星撞地球情景第35頁/共94頁金星和金星上的火山“金星快車”拍攝的金星表面火山區(qū)“金星快車”號是在“火星快車”和“羅賽塔”探測器的基礎(chǔ)上耗時4年開發(fā)而成的,共搭載了7種科學(xué)儀器,可以對金星大氣、離子環(huán)境及其與太陽風(fēng)的相互作用等進行測量?!敖鹦强燔嚒庇?005年11月9日由俄羅斯的“聯(lián)盟”運載火箭從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空。儲存的燃料足夠支持其運行1000天。第36頁/共94頁金星火山口照片“金星快車”號拍攝的金星火山照片金星上的火山第37頁/共94頁火星風(fēng)暴2000年8月,美國的火星探測器觀測到了火星上的大風(fēng)暴,風(fēng)暴始于15日,26日加劇并急速擴展,已覆蓋了超過半個火星表面。預(yù)計它還會繼續(xù)擴展,直到造成一次全球性風(fēng)暴。圖為該風(fēng)暴在火星上的位置。第38頁/共94頁火星古洪水
美國科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)了證明火星在較近的時間內(nèi)發(fā)生過大規(guī)模洪水的證據(jù)。原因是火山噴發(fā),造成地下冰融化。地面上也有一些小河道,十分清楚地證明了許多地方曾受到侵蝕。在過去,火星表面顯然存在過水,甚至可能有過大湖和海洋。但是這些東西看來只存在很短的時間,而且據(jù)估計距今也有大約四十億年了?;鹦巧显凰蜎]第39頁/共94頁“勇氣”號與“機遇”號火星車第40頁/共94頁勇氣號彩照(2004)2004年1月23日“火星快車”探測器發(fā)現(xiàn)火星南極存在冰凍水2004年1月14日“勇氣”號傳回照片:奇特的火星地貌讓科學(xué)家大吃一驚2004年1月24日“機遇”又發(fā)回火星照片顯示火星土壤含赤鐵礦第41頁/共94頁拍攝于美國當(dāng)?shù)貢r間26日傍晚,照片上可以看到一個巨大的沖擊盆地攝于美國東部時間27日清晨6點左右,這張照片上可以分辨出一個橢圓形火山和實際長度達4000多公里的火星峽谷
這兩張照片所拍攝的分別是火星近乎相反的兩面。照片上火星南極的白色冰冠相當(dāng)顯眼,還可以清晰地看到不少隕石坑。負責(zé)對照片進行分析的專家說,從照片上看,火星南半球目前正處于相對溫暖的夏季,其南極冰冠正在融化縮小。第42頁/共94頁人類探索火星?近來,隨著美國“火星探路者”號飛船成功地在火星阿瑞斯平原著陸,這顆“神秘”的星球又一次成為世人矚目的焦點。從1965年“水手4號”火星探測飛船首次探測火星起,迄今人類已先后向火星發(fā)射過十幾次探測飛船,三次在火星陸地著陸。
地球人對火星執(zhí)著的探索,是人類探索宇宙生命。美國科學(xué)家在一塊來自火星的隕石上發(fā)現(xiàn)了古代微生物痕跡,這使得科學(xué)家對地球生命有了全新的認識。根據(jù)火星隕石內(nèi)古微生物痕跡的啟示,科學(xué)家進一步對地球生命起源年代重新研究。結(jié)果表明,地球上出現(xiàn)生命的時間遠遠早于人們過去認為的38億年前?;鹦翘剿鲗⒂兄诮议_地球生命及人類起源的奧秘。第43頁/共94頁人類探索火星還可使地球人了解地球今后的命運。最近探測表明,火星上曾發(fā)生過特大洪水。也許火星曾經(jīng)是一個溫暖、濕潤,適宜于生物生長的星球。但根據(jù)目前探測結(jié)果,火星上現(xiàn)在除南北極存在“水冰”外,大部分地區(qū)是極干燥的“戈壁灘”。通過對火星深入研究,可以使地球人了解星球的歷史變遷,更好地保護我們自已的星球免遭毀滅。比如科學(xué)家登上月球后,通過對隕石坑研究,了解到地球在歷史上曾遭受過許多“宇宙炮彈”的轟擊,從而對恐龍滅絕等自然事件有了新的認識。探索火星,最終也是為人類征服火星作準(zhǔn)備??茖W(xué)家設(shè)想,隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,人類有可能在火星上建立適合人類生存的“生態(tài)環(huán)境圈”,讓火星成為“第二個地球”,成為地球人未來最佳的“避難所”。第44頁/共94頁木星木星是太陽系中最大的行星。亮度僅次于金星。它的質(zhì)量是地球的1316倍,是太陽系中其他行星加在一起的二倍半。木星沒有固體外殼,在濃密的大氣之下是液態(tài)氫組成的海洋。木星的內(nèi)部是由鐵和硅組成的固體核,溫度高達30000度。但木星大氣的平均溫度約為-140度。太陽系中有七個帶有衛(wèi)星的行星,最多的是土星有23個、木星有16個衛(wèi)星,天王星20顆衛(wèi)星,其中15顆是近幾年才發(fā)現(xiàn)的。第45頁/共94頁地球在天體中的位置第46頁/共94頁地球系統(tǒng)是開放系統(tǒng)地球系統(tǒng)的性質(zhì)可以分為:孤立系統(tǒng):與外界沒有能量與物質(zhì)的交換。封閉系統(tǒng):可與溫度確定不變的外界交換能量而不交換物質(zhì),體系溫度保持恒定。開放系統(tǒng):可與外界交換能量和物質(zhì)。在孤立系統(tǒng)中實際發(fā)生的過程,總是使系統(tǒng)的熵增加,狀態(tài)只能自發(fā)地從非平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶?,從有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序,而不可能逆轉(zhuǎn)。對于封閉系統(tǒng),當(dāng)體系和外界的溫度足夠低時,有可能形成低熵的有序平衡結(jié)構(gòu),如晶體和相變。對于開放系統(tǒng),在時間間隔(dt)內(nèi),體系熵的改變(ds)等于熵流(des)加熵的產(chǎn)生(dis)。目前,已能從以下幾個方面來討論地球系統(tǒng)是開放系統(tǒng)。第47頁/共94頁“地心說”
“日心學(xué)說”
曾經(jīng)有一個很長時期,人們認為地球是宇宙的中心,一切天體都是繞地球運行。直到1543年,哥白尼的“天體運行論”發(fā)表,“日心學(xué)說”創(chuàng)立,這個錯誤觀念才被拋棄。地球則只是太陽系中的一顆普通的行星,地球沿著橢圓形軌道繞太陽運行,太陽處在橢圓形軌道的焦點之一上。第48頁/共94頁哥白尼
-偉大的波蘭天文學(xué)家,日心說的創(chuàng)立者,近代天文學(xué)的奠基人開普勒
-德國天文學(xué)家,發(fā)現(xiàn)了行星沿橢圓軌道運行,并且提出行星運動三定律,為牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律打下了基礎(chǔ)。伽利略
-意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家,近代實驗科學(xué)的先驅(qū)者。布魯諾
-意大利哲學(xué)家和思想家。牛頓
-英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家第49頁/共94頁地球的形狀與大小地球極半徑6356.779km,南極比北極半徑短15.2m;地球赤道半徑6378.14km,某些地方相對高出430m;地球平均半徑6317.03km;地球圓周長39840km。地球表面海洋面積3.524×108km,占約71%,平均水深3729m,最深點-11033m,海洋水面的隆高最大+76m,海洋水面的低洼最低-104m。地球表面陸地面積1.484×108km2,占地球表面約29%,在南半球陸地面積占約17%,在北半球陸地面積占約39%,陸地平均高度+875m,陸地上的最高點,珠穆朗瑪峰+8848m,陸地上的最低點死海水面-392m。第50頁/共94頁
地球的圈層結(jié)構(gòu):散逸層:約>800km
電離層:約80-800km
中間層:約52-80km
平流層:約10-52km
對流層:約0-10km
地殼:平均厚度17km
地幔:平均厚度2900km
地核:平均厚度3470km
地球質(zhì)量5.976×1024kg,平均密度5.52g/cm3
第51頁/共94頁地球的形狀地球兩極扁平的程度稱為地球的扁率α,可用下式計算a橢球體半長軸b為地球兩極半徑,即半短軸ab第52頁/共94頁地球的運動
地球的自轉(zhuǎn)地球的公轉(zhuǎn)第53頁/共94頁地球的自轉(zhuǎn)太陽直射點的變化
由于地球自轉(zhuǎn)軸的指向不變,太陽輻射在一年中直射地球表面的緯度發(fā)生變化,并導(dǎo)致地球表面晝夜的長短變化和一年四季的變化。夏至?xí)r,太陽直射北回歸線,北半球白天最長、黑夜最短,北極圈內(nèi)為極晝;南半球黑夜最長、白天最短,南極圈內(nèi)為極夜。冬至?xí)r,南、北半球的情況相反。最大的晝、夜時間差,赤道為零小時零分,向極區(qū)方向逐漸增大,極圈處達24小時零分第54頁/共94頁時間的確定地方時:太陽時:世界時:子午線以通過格林威治的經(jīng)線作為標(biāo)準(zhǔn)時間的參照線
北京時:子午線以當(dāng)?shù)亟?jīng)線作為標(biāo)準(zhǔn)時間的參照線
子午線以東經(jīng)120o的經(jīng)線作為標(biāo)準(zhǔn)時間的參照線
取太陽為標(biāo)準(zhǔn),則地球上同一地點連續(xù)兩次通過地心與日心連線所需的時間叫做一個太陽日第55頁/共94頁日界線國際經(jīng)度會議規(guī)定:原則上以180o經(jīng)線作為地球上“今天”和“昨天”的分界線,叫作“國際日期變更線”,簡稱“日界線”。第56頁/共94頁運動物體的偏轉(zhuǎn)-地轉(zhuǎn)偏向力(科里奧利力)-V:運動物體的速度ω:地球自傳角速度φ:緯度第57頁/共94頁地球的公轉(zhuǎn)
地球圍繞太陽的周年旋轉(zhuǎn)運動,稱地球公轉(zhuǎn)運動。公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓,長半徑1.4959×108km,短半徑1.4957×108km,偏心率0.016722。太陽位于地球公轉(zhuǎn)橢圓軌道內(nèi)的一個焦點上,地球的近日距離為1.471×108km,遠日距離為1.521×108km,近日點時間為每年的1月3日或4日,遠日點為7月2日或3日。第58頁/共94頁
地球公轉(zhuǎn)的平均速度29.79km/S,由于地球繞日運動的向徑在等時間內(nèi)掃過的面積相等,因而在地球近日點時公轉(zhuǎn)速度最快,達30.27km/S,遠日點時最慢,僅29.27km/S。因此,北半球處冬半年(自秋分至春分)的時間為179天,處夏半年(自春分至秋分)為186天。南半球的情況相反。第59頁/共94頁
在一年當(dāng)中,實際上是地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周,但從地球上看相當(dāng)于太陽高度角由大到小又由小到大一次反復(fù),也相當(dāng)于太陽在恒星間的視運動相對于地球運行一周。中國創(chuàng)立的二十四節(jié)氣,即以春分點起算,每隔黃經(jīng)15°劃出一個節(jié)氣,比較宏觀地表達了各時期太陽輻射量與溫濕條件的變化第60頁/共94頁地軸的傾斜太陽光線與地軸第61頁/共94頁冬至與夏至第62頁/共94頁地球公轉(zhuǎn)軌道偏心率的變化
據(jù)張家祥(1982)推算,地球公轉(zhuǎn)軌道偏心率的變化范圍,為0.0024-0.0571,據(jù)伯格(A.Berger,1984)推算為0.0005-0.0607。偏心率最大的時候,地球的遠日距1.581×108km比近日距要遠0.171×108km左右,比目前的0.05×108km要大3.4倍左右;偏心率最小的時候,公轉(zhuǎn)軌道近于正圓。
公轉(zhuǎn)軌道偏心率從最小到最大又到最小的變化準(zhǔn)周期為9.5×104a.(A.Berger,1984)或10×104a.。據(jù)么枕生(1959)計算,目前近日點位于冬至日附近,太陽輻射強度在近日點大于遠日點7%。因此,當(dāng)偏心率增大和遠日公轉(zhuǎn)速度放慢、時日延長的時候,地球接收的太陽輻射總量就會有所減少,尤其是北半球夏半年的太陽輻射總量會比較多地減少,會出現(xiàn)連續(xù)幾萬年的氣候變冷。第63頁/共94頁太陽與日-地系統(tǒng)
地球自轉(zhuǎn)軸與地球公轉(zhuǎn)軌道面即黃道面的交角66o33'(到2000年為66o33'38".552),即地球赤道面與黃道面的交角(黃赤交角)約23o27'(到2000年為23o26'21".448)。第64頁/共94頁太陽與日-地系統(tǒng)
近日點進動是轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)軸繞另一旋轉(zhuǎn)軸的運動,它是由轉(zhuǎn)動物體受到垂直于其動量矩的外力矩作用而產(chǎn)生的。地球近日點進動表現(xiàn)為地球近日點在黃道上順地球公轉(zhuǎn)方向的移動,轉(zhuǎn)一周所需時間與地球軌道偏心率變化周期近于一致。第65頁/共94頁太陽與日-地系統(tǒng)
地球繞太陽系質(zhì)心運動地球的公轉(zhuǎn)
嚴(yán)格地說,并非地心繞日心公轉(zhuǎn),而是地-月系質(zhì)心繞太陽系公共質(zhì)心的公轉(zhuǎn)。在黃道面上,行星的力矩效應(yīng)對日心至太陽系公共質(zhì)心的距離變化有比較大的影響,僅木星的力矩效應(yīng)就可使所述的距離偏差74×104km,若出現(xiàn)如下所述的八星會聚中的地心會聚那樣的極端情況,會使日地距離縮短1%左右,并影響到地球在公轉(zhuǎn)軌道上運行的速度;還會使太陽的自轉(zhuǎn)角動量發(fā)生變化,并使太陽活動也受到影響;且兩者都會使地球氣候和地理環(huán)境發(fā)生一些變化。第66頁/共94頁黃赤交角的變化:
黃赤交角是地球自轉(zhuǎn)的赤道面與繞日公轉(zhuǎn)的黃道面之間的夾角,又稱黃道傾斜。黃赤交角決定著太陽光直射在一年內(nèi)到達最北(北回歸線)與最南(南回歸線)的地理緯度,同時也決定著一年內(nèi)出現(xiàn)極晝與極夜(北極圈與南極圈)的地理緯度,也即決定著地球表面各緯度帶年內(nèi)接收的太陽輻射量。黃赤交角變小時,南(北)回歸線向赤道靠攏,而南(北)極圈向極地推移;黃赤交角變大時,上述四線均反方向移動。黃赤交角的變化是由黃道面位置的改變而引起的(任振球,1990),但它相當(dāng)于地球自轉(zhuǎn)軸傾斜角度的變化,或赤道平面傾斜度的變化。黃赤交角變化的范圍在22o00'-24o30'之間,即回歸線的地理緯度變化在南、北緯22o-24o30'之間,南、北極圈的地理緯度變化在南、北緯68o-65o30'之間。它的變化周期為4.1×104a.,上一次黃赤交角達最大值的時間是9ka.BP.,達最小值的時間是28ka.BP.。目前,黃赤交角正以47"/100a.的速度變小,到15ka.BP之后黃赤交角再一次達到最小。第67頁/共94頁歲差、章動和極移當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)旋進時,春分點西移,故地球自轉(zhuǎn)不到一周即可兩次經(jīng)過春分點,這就是歲差。春分點每年西移50.2564“。由圖可知,地球自轉(zhuǎn)旋進周期約為25700年,既每25700年描繪出一個圓錐形。第68頁/共94頁
地球的形狀軸(對稱軸)和自轉(zhuǎn)軸并不重合,而形狀軸和地面的焦點才是真正的地極。地轉(zhuǎn)軸以425-440天為周期繞形狀軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生振幅約為0.1-0.2的搖擺運動。從真正的地極來看,地球自轉(zhuǎn)軸大約在3m距離處,每14個月繞這個點旋轉(zhuǎn)一周。這種現(xiàn)象就是極移
然而,月球、太陽與地球的相對位置的不斷變動使引力方向也不斷變化。太陽每年兩次,月球則每月兩次通過地球赤道面,這就在地軸旋進的平均位置上附加了一個短周期擺動,使地球自轉(zhuǎn)軸在空間掃過的軌跡成荷葉邊形的錐面,而不是一般的圓錐面。附加在圓上的這種短周期擺動叫做章動
第69頁/共94頁宇宙中的地球
2.地球的質(zhì)量及其環(huán)境效應(yīng)
地球質(zhì)量不大也不小,從而引力適中,形成了適宜的大氣圈與水圈,為生命的誕生準(zhǔn)備了必要的條件。3.
地球的形狀及其地理意義
造成地球上熱量的帶狀分布和所有與地表熱狀況相關(guān)的自然現(xiàn)象(如氣候、土壤、植被等)的地帶性分布。
1.日地距離及其環(huán)境意義
距離不近也不遠,為生命的孕育創(chuàng)造了條件。第70頁/共94頁4.地球的運動及其環(huán)境效應(yīng)1)地球自轉(zhuǎn)及其環(huán)境效應(yīng):地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了晝夜更替地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了地方時地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了地轉(zhuǎn)偏向力2)地球公轉(zhuǎn)的地理意義:地球的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致季節(jié)的變化地球的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致晝夜長短的變化地球運動對地表溫度調(diào)節(jié)、孕育生命第71頁/共94頁地球的大小與意義
科學(xué)家人為,行星的質(zhì)量如果偏大,氫、氦、甲烷等原始大氣就會被他牢牢地吸引住,造成一個缺氧的大氣環(huán)境,不利于生命的誕生與進化;但如果行星的質(zhì)量偏小,引力就會偏小,就不能保持一個像今天一樣稠密的大氣層,也不能集中足夠的水,生命的誕生與進化也就無法進行,地球的質(zhì)量適中,不大不小,從而引力適中,形成了適宜的大氣圈與水圈,為生命的誕生準(zhǔn)備了必要的條件。第72頁/共94頁
長期以來,人們把大洋表面看作一個平緩的、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)橢球面。其實地球洋面上至少有三個較大的隆起區(qū)和凹陷區(qū)。前者如澳大利亞東北洋面、大西洋南伊斯蘭附近洋面和非洲東南洋面,分別隆起76m、68m和48m;后者如印度半島以南海面、加勒比海區(qū)和加利福尼亞以西海面,分別凹進112.64m和56m。這些凹陷區(qū)直徑都在3000-5000km。隆起區(qū)和凹陷區(qū)的存在使大西洋發(fā)生傾斜,因而形成一個復(fù)雜的面大地水準(zhǔn)面第73頁/共94頁
月球重力只有地球的1/6,沒有如地球維持大氣圈的重力引力。月球上缺水。所找到的月球巖石都已磁化。在月球運行接近地球時,有時發(fā)生月震。據(jù)此推測,月球可能是由太陽系的另一部分,在失去揮發(fā)元素的高溫環(huán)境形成的,后來被地球捕獲而成為地球的衛(wèi)星。
月球是地球唯一的1個衛(wèi)星。地月質(zhì)量比約81.3,地月平均密度比約1.652。通過遙測和載人不載人的登月探測,月球表面有盆狀月海,為熔巖流覆蓋,估計是隕石撞擊并引發(fā)熔巖噴溢所致。月球表土層是幾十億年來由微隕石、宇宙線與太陽粒子轟擊產(chǎn)生的巖石碎塊屑簡單堆積而成。月球和地-月系統(tǒng)
第74頁/共94頁
地-月系統(tǒng)繞太陽公轉(zhuǎn),真正的公轉(zhuǎn)軌道是地-月系統(tǒng)公共質(zhì)心的軌道,地心的運動軌道則時而在公轉(zhuǎn)軌道以內(nèi),時而又在公轉(zhuǎn)軌道之外,時而超前于地-月公共質(zhì)心,時而又落后于地-月公共質(zhì)心。具體為在朔時(農(nóng)歷初一)由于月球位在日-地之間,故地心在公轉(zhuǎn)軌道之外4671km;在望時(農(nóng)歷十五或十六)地球在日-月之間,故地心又在公轉(zhuǎn)軌道以內(nèi)4671km;在上弦時它超前地-月公共質(zhì)心;在下弦時又落后于地-月公共質(zhì)心。也就是說,實際上,地球繞日公轉(zhuǎn)的速度是變化的,自下弦至朔到上弦期間相對加快,要從落后于地-月公共質(zhì)點到超前于它,所以地球公轉(zhuǎn)速度要加快,超上去9342km;自上弦至望到下弦期間則相反。自朔至望,日-地距離要增大9342km;自望至朔又相反。第75頁/共94頁
月球的繞行軌道比較接近各行星繞太陽運行的公轉(zhuǎn)平面,不會超過地球上28o36'N-28o36'S的區(qū)間。月球的繞行加上地球自轉(zhuǎn),在地球表面產(chǎn)生比較規(guī)則的潮波,包括海潮,固體潮,并對大氣環(huán)流也有一定的影響。持之以恒的海潮被認為是地質(zhì)歷史時期地球自轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定放慢的原因。第76頁/共94頁月全食
1975年11月18、19日月球月食形成圖第77頁/共94頁
維持地表系統(tǒng)運行、地表環(huán)境發(fā)展的能量,主要來自太陽的輻射。太陽輻射作用于地表,由于地表接受的太陽輻射的差異,導(dǎo)致了行星風(fēng)帶的產(chǎn)生、季風(fēng)的形成、水汽的運移、洋流的產(chǎn)生以及風(fēng)化作用的進行。地外系統(tǒng)對地表環(huán)境的影響1.能量的來源2.引力的影響
太陽與太陽系行星引力的作用,使地球沿著自身固有的軌道運行,具有特定的運行周期與速度。由于太陽與月亮引力的作用,產(chǎn)生了地球上的潮汐現(xiàn)象。第78頁/共94頁潮汐運動示意圖
在地球系統(tǒng)中的地-月支系統(tǒng)最突出的是引力作用。在太陽系內(nèi),月球與其繞轉(zhuǎn)的地球的質(zhì)量比,高于其它衛(wèi)星與其繞轉(zhuǎn)的行星的質(zhì)量比。月球?qū)Φ厍虻囊σ忍枌Φ厍虻囊Υ笠槐抖?,其它行星對地球的引潮力小于月球引潮力的萬分之一。第79頁/共94頁3.隕石撞擊的環(huán)境效應(yīng)4.其他宇宙因素的影響
地表系統(tǒng)與地外系統(tǒng)之間,也存在著物質(zhì)的交換;太陽活動;太陽風(fēng)。改變了地表形態(tài),造成隕石坑與環(huán)型山;隕石撞擊導(dǎo)致地震;隕石撞擊地球,導(dǎo)致地表環(huán)境的災(zāi)變;大的撞擊還會導(dǎo)致巖石圈的破裂,引起板塊分裂與運動。第80頁/共94頁1.能量的來源地內(nèi)系統(tǒng)對地表系統(tǒng)的影響
地內(nèi)活動還對地表環(huán)境產(chǎn)生了一些其他的影響?;鹕?、地震;地核、地幔物質(zhì)的運動與相變。3.地內(nèi)活動的其他環(huán)境效應(yīng)地內(nèi)系統(tǒng)與地表系統(tǒng)在不斷地進行著物質(zhì)的交換。2.物質(zhì)的交換
盡管太陽輻射是地表系統(tǒng)運行與發(fā)展的主要能量來源,但地球內(nèi)能也對地表系統(tǒng)與環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的作用與影響。第81頁/共94頁地理坐標(biāo)緯線和緯度經(jīng)線和經(jīng)度第82頁/共94頁流星和隕星
流星是指夜空中星光如箭掠過的現(xiàn)象,實際上是星際空間被叫做流星體的較細小物體,在它們闖入地球大氣層時因摩擦而燃燒發(fā)光的現(xiàn)象。1999年8月12日,當(dāng)?shù)貢r間下午七時,在北美見到每小時50-150顆流星燃燒著掠過天際,那是一年一度的英仙座流星雨。英仙座流星雨跟其他流星雨一樣,本是慧星殘骸。1999年撞入澳大利亞沙漠的一顆流星,發(fā)出“不可置信的藍色亮光”和“藍白色閃光”歷數(shù)分鐘之久。1833年11月13日,北美見到了稱為“獅子座流星群”型的流星雨,它看起來象是從獅子座中某一點輻射出來的,高空“焰火盛會”長達幾小時之久。第83頁/共94頁流星第84頁/共94頁一顆小行星
隕星是指質(zhì)量較大的流星體在地球大氣層中未完全燒毀而落到地面上的碎塊。荷馬史詩《伊利亞特》中提到一個作為獎品的粗糙鐵塊,可能是公元前3000年左右的一塊隕鐵?!洞呵铩でf公七年》記有“夜中星隕如雨”。第85頁/共94頁
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