lectures

• Chapter 2 地球和地球系统
  • 2.1 地球在宇宙中位置
  • 2.2 地球的形状、大小和结构
  • 2.3 地球的运动
  • 2.4 地理坐标
  • 2.5 地球表面的基本形态和特征

教学重点（key point）：

• 认识地球的宇宙环境及其形状、大小、圈层结构及表面形态结构特征
• 掌握地球运动规律及其地理意义

Chapter 2 地球和地球系统

2.1 地球在宇宙中位置

天体：地球大气以外的宇宙空间各种星体的统称。宇宙中的物质以各种形态存在着，聚集态的星体、弥散态的星云、星际气体和尘埃统称为天体。分为恒星、行星、流星、彗星、星云等。

恒星：炽热的气体组成、能自身发光的球形天体

太阳系：银河系直径约100万光年，太阳在距银心27000光年，距边缘23000光年的地方，以每秒250公里的速度绕银心运动，约两亿年绕行一周。

太阳系包括8大行星、67个卫星和至少50万个小行星，还有少数彗星。

太阳结构从里到外：

• 热核反应区
• 辐射转移区
• 对流层
• 光球层
• 色球层
• 日冕层

太阳系中行星和卫星绕太阳的运动共同特征（key point):

• 所有卫星轨道偏心率都很小，几乎都接近圆形
• 轨道面都近似在一个平面上，对地球轨道面（黄道面）的倾斜也都不大
• 所有行星都自西向东环绕太阳公转；除金星和天王星外，所有行星的自转方向也自西向东
• 所有行星的赤道面对轨道面的倾斜都比较小，只有天王星例外
• 绝大多数卫星轨道都近似圆形，轨道面接近母星的赤道面
• 绝大多数卫星、包括土星环在内，公转方向都和母星的公转方向相同

木星的结构：

• 铁和硅组成固体核
• 氢组成的液态氧的海洋
• 氢和氦组成的1000多千米厚的大气层

类地行星 & 类木行星

	类地	类木	冥王星
行星	水金地火	木土天海	冥王星
质量	较小	较大	较小
体积	较小	较大	较小
密度	较高	较低	较低
光环	无	有	无
表面温度	较高	较低	较低
卫星数目	少	多	少

日地距离及其环境意义（key point）：

• 距离不近不远，为生命孕育创造了条件
• 接受太阳辐射比较合适，使地表平均温度高于水的冰点、低于水的沸点，大部分水以液态存在，为生命的孕育创造了条件。

2.2 地球的形状、大小和结构

地球形状就是大地水准面的形状。
大地水准面：大地测量中的地球形状，以平均海水面表示的平滑封闭曲面。
赤道直径比两极直径长42.5千米

地球形状的物理意义（key point）：

• 日地平均距离为14960*1E+4km，这样可以将投射到地面的太阳光线是为平行光线。当平行光线射到地球表面时，不同纬度地区的正午太阳高度角将不相同。
• 造成地球上热量的带状分布和与地表热状况相关的自然现象的地带性分布。

地球的大小 地球赤道半径 约为6 378 140m，极半径约为6 356 755m，总面积5.1×10^8km2，总体积约为10 820×10^8km3，总质量为5.98×10^27g。

地球大小的重要意义：（key point）

• 巨大质量，使它能吸引维持周围气体，保持一个具有一定质量和厚度的大气圈
• 没有这样的大气圈，就没有海洋和河湖，没有风，没有生物

地球的圈层构造：在高空和地球内部，基本上是上下平行分布的，但是在地球表面附近，各圈层是相互渗透重叠的。

• 内部圈层：
  • 地壳：地表至莫霍洛维奇面之间厚度极不一致的岩石圈的一部分
  • 地幔：莫霍面以下，深度35~2900km的圈层，下界为古登堡面
  • 地核：2900km以下至地心为地核
• 外部圈层：
  • 岩石圈：地球表层由固体岩石组成的圈层
  • 大气圈：环绕地球的由气体组成的圈层
  • 水圈：地球表层由各种形态存在的水组成的圈层
  • 生物圈^：地球表层所有活着的有机体组成的圈层

2.3 地球的运动

自转
自转的发现和证明：

• 天体的周日运动：日月星辰移日为周期在天球上绕地球自东向西运动的现象。
• 昼夜交替现象

天球：一个与地球同球心，并有相同的自转轴，半径无限大的球。

自转的证明（key point）：

• 两极扁缩：（惯性离心力角度）赤道半径a=6378km，极半径b=6348km
• 落体偏东：从高处下落的物体，并不垂直的降落到地面点，而是稍稍偏向东方的一点。
• 傅科摆的偏转：
  • 原理：惯性使摆的摆动方向超然于地球自转。
  • 傅科摆特点：特殊的悬挂装置、长摆绳（67m）、重摆锤（27kg）、刻有度数的圆盘（直径6m的沙盘）
  • 傅科摆实验：傅科摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹，在直径6米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大于3毫米。

自转的规律性：地球绕地轴旋转，称为地球自转，自转一周的时间即欸自转周期，叫做一日。

• 方向：（自西向东）握住地轴，拇指指向北极（北极星），则四指指向自转方向。
• 周期：
  • 恒星日——取春分点为标准，则春分点连续两次通过同一子午面的时间，叫做一恒星日。
  • 太阳日——如果取太阳为标准，则地球上同一地点连续两次通过地心与日心的连线所需的时间，叫做一个太阳日。
  • 恒星日与太阳日的区别？
• 速度:
  • 角速度：单位时间内地球绕轴自转的角度 $\omega=360^{\circ}/T=360^{\circ}/23^h56^m\approx15^{\circ}/h$
  • 线速度：随纬度升高而减小，随高度升高而增大。

自转的意义和影响：（key point）

• 是确定地理坐标的基础。如果没有两个极点，不可能建立统一的地理坐标。
• 自转决定昼夜交替，使地表各种过程有昼夜节奏。
• 自转使所有在北半球做水平运动的物体都发生向右偏转，在南半球向左偏。
  • 科里奥利力：地球自转情况下运动物体的偏转力。
  • $D=2v\omega \sin{A}$
    • v为运动物体的速度
    • $\omega$是地球自转角速度
    • A是运动物体所在纬度
  • 原因：
    • 地球上的方向是以经纬线为标准的
    • 由于地球自转，经纬线的方向是变化的
    • 惯性使物体力图保持原运动状态不变
  • 特点：只影响运动物体的反向，而不影响其速率；而运动物体的速度却决定着偏转力的大小。当物体静止不动，即v等于零时，偏转力也等于零。
  • 影响：科里奥利力对气团、洋流、流水的运动方向和其他许多自然现象有着明显的影响。
• 地球自转造成同一时刻、不同经线上具有不同的地方时间。
• 由于地球和月球的引力，地球发生弹性形变，在洋面表现为潮汐，地球自转使潮汐变为已知相反的潮汐波，并反过来对它起阻碍作用。
• 地球的整体自转运动，同它的局部运动：地壳运动、海水运动、大气运动等，都有密切的关系。大陆漂移、地震、潮汐摩擦、洋流等现象都在不同程度上受到地球自转的影响。

公转
公转轨道：

• 半长轴$a=1.496\times10^8km$
• 半短轴$b=1.4958\times10^8km$
• 近日距离$=1.471\times10^8km$
• 远日距离$=1.521\times10^8km$

1月初通过近日点，7月初通过远日电。近日点每年东旋$11^{\prime\prime}$

公转速度

• 恒星年和回归年
  • 地球连续两次通过太阳和另一个恒星与地球轨道的交点所需时间365天6时9分9.5秒，称为一个恒星年。
  • 地球连续两次通过春分点的平均时间为365天5时48分46秒，称为一个回归年。
  • 岁差是地球自转轴长期进动，引起春分点沿黄道西移，致使回归年短于恒星年的现象。岁差是地球公转和地轴运动相结合的结果，这决定了二分二至地球位置不是定点，而是在公转轨道上不断西移的动点，从而导致地球公转一周不等于太阳直射点纬度变化一周。正是由于春分点的移动，太阳直射点的回归运动（回归年）较之恒星年存在月20分钟的差别，岁差因此得名。
• 近日点和远日点：大致1月3日，地球最接近太阳，此位置称为近日点；大致7月4日，地球最远离太阳，此位置称为远日点。
• 黄赤交角：
  • 太阳视运动的路线叫做黄道，黄道所在的黄道面和地球轨道面是重合的。黄道面与赤道面的交角即为黄赤交角，为$23^\circ27^\prime$。
  • 赤道和黄道面的两个交点称为春分点和秋分点（key point）。
  • 地轴的倾斜方向固定不变，因此，太阳光只能直射地球上南北纬$23^\circ27\prime$之间的地方。地球绕太阳公转的结果，使太阳光线直射范围在南北纬$23^\circ27\prime$之间作周期性改变，从而形成了四季的更替（key point）。
• 太阳高度角：太阳光线与地平面之间的夹角。日出时是0，正午达到最大。

公转的地理意义

• 四季的划分：由于黄赤交角的存在，太阳回归运动是地球四级交替的根本原因。
• 五带的划分
  • 热带：有太阳直射，终年炎热
  • 南北温带：无太阳直射，无极昼极夜，四季分明
  • 寒带：有极昼极夜，终年严寒
  • 回归线：$23.5^\circ$
  • 极圈：$66.5^\circ$

太阳回归运动是地球五带形成的最根本原因。在地球大气上界，太阳辐射的纬度分布差异形成了五带。五带的性质纯属天文热量带。天文热量带的地学意义在于它是所有自然地理要素纬度地带性的根本原因。

2.4 地理坐标

纬线与纬度

• 纬线：所有与地轴垂直的面和地表相交而成的圆，就是纬线。所有纬线都相互平行，赤道是最大的纬圈。
• 纬度：一地的纬度就是该地铅垂线对赤道面的夹角。

经线与经度

• 经线圈：所有经过地轴的平面，和地球表面相交而成的圆，就是经线圈。每个经线圈都包含两条相差$180^\circ$的经线，一条经线是一个半圆弧。

2.5 地球表面的基本形态和特征

• 海陆分布
  • 海洋占明显的优势：地表面积$5.1\times10^8km^2$，海洋面积占71%，陆地面积占29%。
  • 海陆分布不均匀：以新西兰为中心太平洋为主体水半球（海洋90.5%），以法国为中心陆半球（陆地47.3%）。
  • 海陆分布的对蹠（zhi）现象：地球大陆上任一点的对蹠点，95%以上可能是海洋。
  • 除南极洲外，所有的大陆都是成对的。北美和南美，欧洲与非洲，亚洲和澳洲。
  • 每个大陆都是北部宽广，向南逐渐变窄，像一个底边位于北方的三角形。
  • 南半球各个大陆西边都是向里凹进，东边向外突出。
• 地表起伏曲线
  • 最高8848.13m
  • 最低-11022m
  • 平均陆地高程875m
  • 平均海底高程-3795m
• 岛屿：被海洋环绕，但面积比陆地小的小块陆地，称为岛屿。
  • 大陆岛：大陆附近，地质构造上与相邻大陆有密切联系。
  • 海洋岛：火山岛、珊瑚岛
• 地球表面基本特征（key point）
  • 太阳辐射集中分布于地表，太阳能的转化也主要在地表进行。
  • 固态、液态、气态物质同时并存于地表，使海洋表面成为液——气界面，海底称为液——固界面，陆地表面成为气——固界面，而沿岸地带成为三相界面。
  • 地球表面具有其特有的，由其本身发展形成的物质和现象，如生物，风化壳，土壤层等。
  • 相互渗透的地表各圈层之间，进行着复杂的物质，能量交换和循环，如水循环，地质循环等，并且在交换和循环中伴随着信息的传输。
  • 地球表面存在着复杂的内部分异。
  • 地球表面使人类社会发生、发展的环境，是人类活动的基本场所。