地球科学概论第一章 宇宙中的地球

月球在绕地月系共同质心旋转的同时，还 随地球一起绕太阳公转，所以它在太阳系中的 实际运动轨迹是在公转轨道两侧起伏的波浪线 。当月球运行到与太阳同处于地球一侧的同一 方向上时（称日月相合），月球被太阳照射而 反光的一面正好背着地球，地球上看不见月球 ，这时称为朔月或新月；与此相对，当月球运 行到与太阳分处于地球两侧的同一方向上时（ 称日月相冲），月球受光面正好向着地球，这 时称为望月或满月；从朔月到望月，月球受光 面向着地球的比例逐渐变大，当到达一半时称 为上弦月；而从望月到朔月的一半时称为下弦 月。这种月亮圆缺的各种形状叫做月相。
远日点
图1－8 行星运行的椭圆轨道示意图
开普Leabharlann Baidu第二定律:当行星绕太阳公转时，行
星同太阳的连线(称行星的向径)在单位时间内在 轨道平面上扫过的面积相等。依据该定律，行
星公转的角速度和线速度因椭圆轨道的位 置而发生不均变化，在近日点附近速度最 大，在远日点附近速度最小。但是，由于 行星公转的椭圆轨道的扁率很小，所以行 星公转的速度不均匀程度并不大。
当地球顺黄道面公转到轨道的最南点时，太 阳直射点到达地球上北纬最高的地方，该纬度等 于赤黄交角23°26′，称为北回归线，其时令正 是北半球的夏至日（南半球的冬至日）；与此相 对，地球公转到轨道的最北点时，太阳直射点到 达地球上南纬最高的南回归线处，此时为北半球 的冬至日（南半球的夏至日）；当地球公转到上 述位置呈90°处，太阳直射点在地球赤道附近， 此时为春分与秋分日。这种太阳直射点在地球赤 道两侧南北回归线之间的往返运动称为太阳直射 点的回归运动，回归运动的周期称为回归年，它 正是地球上季节变化的周期。
图1－2 天体在天球上的投影
图1－3
天球上的天极和天赤道
为了便于认识恒星，人们把天球上的恒 星分成若干群落，每个群落的恒星都有自己 独特的形状并占据一定的空间，这样的恒星 群落称为星座。古代人把星座中一些较亮而 邻近的星联成图形，结合神话中的人物或动 物为星座命名，这些名称一直沿用到现在。 全天球可分成88个星座。可把天球的球面按 赤经的不同分成四个星区，每个星区跨赤经 6时(或90°)。四个星区可根据各自代表性 星座分别称为仙后星区、御夫星区、大熊星 区和天琴星区，简称“后、御、熊、琴”。
图1－14 发生日食的条件：日月相合于黄白交线
图1－15 发生月食的条件：日月相冲于黄白交线
第四节
地球的形态
一、地球的形状与大小
二、地球的表面形态
一、地球的形状与大小
地球形状是指大地水准面所圈闭的形状,所谓 大地水准面是指由平均海平面所构成并延伸通过陆 地的封闭曲面。地球的整体形状十分接近一个扁率 非常小的旋转椭球体（即扁球体）。其赤道半径略 长、两极半径略短，极轴相当于扁球体的旋转轴。 赤道半径 6378.37 km 两极半径 6356.752 km 平均半径 6371.012 km 扁率 1/298.257 赤道周长 40075.7 km 子午线周长 40008.08 km 表面积 5.101×108 km2 体积 10832×108 km3
恒星是宇宙中最重要的天体。恒星是由炽热气 体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体 。构成恒星的气体主要是氢，其次是氦，其它元素 很少。太阳就是一颗既典型又很普通的恒星。 拥有巨大的质量是恒星能发光的基本原因。由 于质量大，内部受到高温高压的作用，导致进行由 氢聚变为氦的热核反应，释放出巨大的能量，以维 持发光。恒星的温度愈高，向外辐射能量的电磁波 波长愈短，因而颜色发蓝；相反，颜色发红。恒星 的质量相差不大，多在0.1-10倍太阳质量之间；恒 星的体积却相差非常悬殊，大的恒星直径为太阳的 2000倍左右，小的恒星直径小于1000 km，比月球 还小；因此，恒星的平均密度相差也很悬殊。
在恒星与恒星之间存在着极其广大的空间，称 为星际空间。弥漫于星际空间的极其稀薄的物 质称为星际物质。主要的星际物质有两类，即 星际气体和星际尘埃。星际气体包括气态的原 子、分子、电子和离子，其中以氢为最多，氦 次之，其它元素都很少。星际尘埃就是微小的 固态质点，它们分散在星际气体之中，它们的 主要成分是水、氨和甲烷的冰状物以及二氧化 硅、硅酸铁、三氧化二铁等矿物。星际物质是 很稀薄的，一般不过每立方厘米0.1个质点。 但是，在一些星际空间区域，其密度可以超过 每立方厘米10个甚至1 000个,这些区域称为星 际云。同星际云相比较，星云是星际物质的更 加庞大和更加密集的形式。
图1－4
大熊星座图形
图 1 － 5 四 瓣 简 明 星 座 图
第二节
银河系与太阳系
一、银河系 二、太阳系
一．银河系
银河系（milky way system）是一个由 大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成 的庞大天体系统。侧面看呈中间厚边缘 薄的扁饼形，正面看呈旋涡形。银河系 的直径约10万l.y.。中心部分称为银核 ，直径约1万多l.y.；银核外侧称为银盘 ；银盘的中心平面称为银道面。太阳是 银河系中的一颗中等恒星，位于距银河 系中心约3万l.y.的银盘内，太阳附近银 盘厚度约3 000 l.y.，太阳距银道面约 26 l.y.，几乎就在银道面上。
银河系的所有天体大体顺着银道面绕核 心作飞快的旋转运动，这种运动称银河系 自转，但银河系自转不同于固体转动，银 盘内从中心到边缘的不同地方自转的角速 度不同。太阳附近银河系自转角速度为 0.0053″／a，线速度为250km/s，这也就 是太阳绕银河系核心公转的速度。太阳公 转一周的时间约为2.8亿-３亿a。太阳一方 面大体沿银道面作公转，同时还进行着往 返于银道面两侧的波状位移。
二、月球和地月系
月球直径约为地球的1/4，质量约为地球的 1/81。地球和月球在引力作用下组成一个双天 体系统——地月系，月球绕地球旋转（公转）， 其旋转的角速度为33′/h,线速度约1 km/s，旋 转一周的时间为27.32 d。月球也有自转， 其 自转周期等于绕地球公转的周期，因而月球总 是以同一面朝向地球。 严格地说，月球是绕地月系的共同质心（ 位于地心与月心连线上距地心4671km处）旋转 ，地球也绕该共同质心与月球作同步对称绕转 ，但绕转半径比月球小80余倍，这种绕转使得 月球与地球之间的引力和离心力达到平衡。
二．太阳系
太阳系（solar system）是以太阳为中心并 受太阳引力支配的一个天体系统 。太阳是其中 唯一恒星，其质量占整个太阳系的99.87％，能 发出强烈的光和热。围绕太阳旋转的是一个行星 体系，主要有九大行星及众多的小行星、卫星、 彗星和陨星等。太阳系目前以冥王星轨道为边界 ，直径为11.8×109 km。太阳系中行星的分布及 运转几乎都在一个共同的平面内，这个平面称为 黄道面。行星运动有两种主要形式：自转和绕太 阳公转。绝大部分行星绕太阳公转的方向及其自 转方向都相同，与太阳自转的方向一致（从地球北 极上空朝下看皆为逆时针运转）。
第一章
第一节 第二节 第三节 第四节
宇宙中的地球
宇宙 银河系与太阳系 地球、月球和地月系 地球的形态
第一节
宇宙
一、宇宙中的天体和物质 二、宇宙中天体的相对位置
一、宇宙中的天体和物质
宇宙(universe)是天地万物，是物质世界。 “宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙” 是时间的概念，是无始无终的。 宇宙是无限的空间和无限的时间的统一。 在宇宙空间弥漫着形形色色的物质，如恒星 、行星、气体、尘埃、电磁波等，它们都在不 停地运动、变化着。 当代最大的光学望远镜已可观测到200亿l.y.( 光年)的遥远目标（1 l.y.≈9.46×1012 km） ，这就是现今人类所能观测到的宇宙部分。
宇宙中的物质是运动的，运动的主要方式是天 体按照一定的系统和规律相互吸引和相互绕转，形 成不同层次的天体系统。如月球和地球构成地月系 ;地球和其他行星围绕太阳公转，它们和太阳构成 高一级的天体系统，即太阳系;太阳系又是更高一 级天体系统——银河系极微小的一部分，银河系中 像太阳这样的恒星就有1 000多亿颗。银河系以外 ，还有许许多多同银河系规模相当的庞大的天体系 统，称为河外星系(简称星系)。在人类现今所能观 测到的宇宙范围内，大约存在着10亿个以上的这样 的星系。通常，把我们现在观测所及的宇宙部分称 为总星系，它是现在所知的最高一级天体系统。
二、宇宙中天体的相对位置
天球是为了研究天体在天空中的位置和运动引 进的一个假想的圆球,它的球心就是观测者所在 的地球的中心，它的半径是无穷大的。这样，地 球以外的天体在天球上都有各自的投影位置。 地球的自转轴无限延长，同天球球面相交于 两点，这叫做天极；与地球的南、北极方向相同 的两个极分别称为南天极和北天极。地球赤道平 面无限扩大，同天球相交的大圆，叫做天赤道。 有了天极和天赤道，天球就可以定出自己的经线 和纬线，分别称为赤经和赤纬。于是，人们说明 天体在天球上投影的位置就方便了。
图1－9 行星向径在相同时间扫过相同面积
开普勒第三定律:行星到太阳平均
距离a的立方同公转周期T的平方成正比， 即对于任何行星：a3/T2=常数。该定律是 关于行星轨道大小和公转周期的定律。即 距太阳愈远的行星(a愈大)，公转周期就 愈长(T愈大)。周期愈长又意味着平均角 速度愈小，例如地球公转一周要1 a，而 冥王星公转一周要248 a。
第三节
地球、月球和地月系
一、地球 二、月球和地月系
一、地
球
地球（earth）是太阳系自中心向外的第三颗行 星，它到太阳的平均距离约为1.496×108km(1个天 文单位)。地球绕太阳公转的角速度平均为59′08″ ／d,线速度约为30 km/s,公转一周时间平均约为 365.256 d。地球绕自己的极轴自转的角速度约为 15°/h（或15′／min、15″／s），赤道处的线速 度为465m／s，自转一周的时间为23h56min4s。 地球自转的赤道面与地球公转的黄道面交角为 23°26′。由于该赤黄交角的存在，地球在绕太阳 公转一周即一年的时间中，太阳光顺黄道面到达地 球表面的直射点将会发生周期性变化，并形成了年 复一年的时令与节气往复。
8月24日，布拉格，国际天文学联 合会（IAU）第26届大会上 提出：
按照行星新定义：
a “行星”指的是围绕太阳运转; b自身引力足以克服其刚体力而使 天体呈圆球状; c并且能够清除其轨道附近其他物 体的天体。
开普勒第一定律: 行星绕太阳公转的轨道是 椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。由于太阳 取椭圆中某一偏心的焦点位置，行星至太 阳的距离便因公转运动发生周期性变化， 当行星到达椭圆长轴两端时，行星至太阳 的距离取最大、最小值，分别称为远日点 和近日点。当行星在近日点一边的半椭圆 中运行时，其与太阳的距离将小于椭圆的 长半径a；而在远日点一边的半椭圆中运行 时距离将大于长半径a；行星至太阳的平均 距离则正好等于椭圆的长半径a。
图1－1
北斗七星形状的变化示意图
在地球上用肉眼观察到的恒星的明亮程 度被称为亮度。古代人们将恒星的亮度分 为6个等级，称为视星等。其中把15个最亮 的恒星称一等星，而把正常视力所能辨认 的最暗的星称六等星。后来，由于光学和 光学仪器的发展，人们测定了视星等和亮 度的数量关系：即一等星比六等星亮100倍 ，视星等每差一等，亮度就差2.512倍。恒 星的亮度受恒星到地球距离远近不同的影 响，因而并不完全代表恒星本身的真正发 光能力。恒星本身的发光能力被称为光度 ，光度的等级则称为绝对星等。
当月球运行到太阳和地球之间，月球遮住了 太阳，便是日食；当月球运行到地球的背后，进 入地球的阴影，便是月食。可见，日食一定发生 在农历初一的朔，月食一定发生在农历十五或十 六的望。但并非每月的初一都有日食，每月的十 五、十六都有月食。这与月球的运行轨道有关。 月球绕地球运行的轨道面称为白道面，它与地球 绕太阳运行的黄道面不在同一个平面上，两者有 5°09′的交角。黄白两轨道面在空中有一交线 ，如果日月相合、相冲且正好在黄白交线上，则 发生日食和月食现象。
当太阳直射点位于北半球时，昼半球向 北偏转，北半球相同纬度圈上昼半球覆盖的 弧长大于夜半球的弧长，因而昼长夜短，并 且纬度愈大，白昼愈长，直到在纬度等于 90°减太阳直射点纬度的地方,开始出现连 续24 h的白昼，称为极昼；与此同时，南半 球则昼短夜长，并在与北半球相对应的纬度 上出现极夜（连续24 h的黑夜）。当太阳的 直射点位于南半球时则正好相反。极昼和极 夜出现的最大纬度为66°34′（90°减赤黄 交角），称为南、北极圈。