天文学5 地球和月球

1,普通天文学,第五章 地球和月球 (1),2,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,3,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,4,一、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 1021kg,占1/4000 大气圈质量为5.136 1018kg, 占1/1000000,如何称地球的质量？,5,地球的大小 赤道半径：6378.136km 极半径：6356.753km 扁率：1/298.257 体积：1.083207×1012km3 表面积：5.100657×108km2,弧度测量 人造地球卫星观测,6,地球的形状,天圆地方球形,古希腊哲学家毕达哥拉斯最早提出地球是球形 亚里士多德给出了地球是球形的第一个科学证据,7,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”,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 ,8,在月球上看地球,9,但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,10,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,11,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,12,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 gal 微伽 ugal = 10-6 gal,在地球重力学中，重力实际上是重力加速度的简称,13,二、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),14,地壳 上地幔 下地幔 液态外核 固态内核,地壳和地幔顶部由刚性岩石组成，称为“岩石圈”。岩石圈下面是“软流圈”。,15,16,17,大陆漂移,18,洋底扩张,19,板块运动,20,21,三、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,22,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。 按温度变化，可分为： 对流层 平流层(同温层) 中间层 热层 外层,23,24,按大气的组成分： 均质层 非均质层 按大气电离层度分： 中性层 电离层,25,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,26,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 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,27,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,28,大气运动的根本能源是太阳辐射能,29,地球大气的起源,原始大气：地球形成初期已不复存在 还原大气 放射性元素的衰变和引力势能的转化，部分地球物质处于熔化状态，气体从地球内部逸出。主要成分：二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氨 氧化大气 绿色植物的光合作用还原二氧化碳，以及太阳辐射使水分解，产生出游离氧，形成现代以氮、氧为主的氧化大气,30,温室效应,31,32,冰川融化,33,海面上升50m，中国的海岸线,34,35,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,36,37,2、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,38,水循环,39,动态平衡的水循环,40,太阳辐射可以使水分解出氢，氢易逃逸到太空，导致地球水总量减少。如何补充？ 地球形成时保存在地幔的水通过火山岩浆释放出来 富含水冰的彗星陨落带到地球,41,四、地球的磁场和磁层,指南针,42,1、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,43,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,44,磁暴,地磁场的强烈扰动 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,45,炫丽的极光就是磁暴 干扰电离层的结果,46,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。,近350万年，至少发生了九次南北极颠倒,47,THE DAY AFTER TOMORROW,群鸟迅速迁徙甚至一头撞向墙壁，大如拳头的冰雹砸向四处躲避的人群。电影为我们展示了地球磁场易位对人类的危害。,48,2、地球磁层,49,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地球磁层,太阳风和地磁的交界面,50,3、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,51,范艾伦带,范艾伦带,内辐射带,外辐射带,52,五、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,53,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,54,1、地球自转,55,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,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向西,56,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24h50m,57,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,58,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,59,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,60,(2)傅科摆,61,(3)天球的周日视运动,62,(4)昼夜的交替,夜半球,昼半球,太阳光线,63,(5)水平运动物体的偏转 科氏力,64,2、地球公转,65,地球公转的轨道,半长径： 偏心率： 升交点黄经： 近日点角距： 轨道倾角： 过近日点时刻：,1个天文单位(AU) 0.0167114 0 90° 黄赤交角 一月初左右,66,地球公转的周期,地球绕日公转的周期统称为“年”，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),67,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一,68,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,69,(3)昼夜长短的季节变化,秋分,70,(4)地球上的五带(热带，南、北温带，南北、寒带),71,3、地轴进动(岁差),72,地轴,黄轴,赤道,月球,73,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),74,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,75,4、极移(polar motion),地极的移动，地球自转轴在地球本体内部的运动,76,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根本不同。 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。,77,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？,