地球科学导论.ppt

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1、第一章 宇宙中的行星地球1 地球人类在宇宙中的惟一家园 1.1 太阳系的结构 1.2 太阳的能量 1.3 行星地球基本参数 2 地球在太阳系中的运动 2.1 地球自转 2.2 地月关系 2.3 地球轨道参数 2.4 星体影响和撞击事件太阳系的结构类地行星、巨行星、远日行星类地行星、类木行星 类类地地行行星星与与类类木木行行星星固固体体地地球球内内部部结结构构n液液态态木木星星内内部部结结构构n高压、导电性高压、导电性太阳的能量太阳的能量地球外部能量的主要来源太阳能量变化对地球的影响 地地球球的的内内外外动动力力n太太阳阳内内部部结结构构太阳内部的核聚变太阳内部的核聚变n 太阳直径：太阳直径：1

2、.41.410106 6 kmkm 太阳质量：地球质量（太阳质量：地球质量（6 610102121t t）的）的33.333.3万倍万倍，占太阳系总质量的占太阳系总质量的99.87%99.87%太阳平均密度：地球密度的太阳平均密度：地球密度的1/41/4左右，水的左右，水的1.411.41倍倍 太阳表面温度：太阳表面温度：6000K(=5726)6000K(=5726)太阳核心温度太阳核心温度/密度：密度：1.51.510107 7K K/水的水的160160倍倍 n在这种高温高压条件下，发生了在这种高温高压条件下，发生了核聚变核聚变（4个H原子核聚变为1个He原子核）作用。作用。n1克克H核

3、核聚变为He核核所亏损的质量（按E=mc2公式），可产生：6281x108J(或1500 x108cal)的热能（相当于燃烧15t石油石油或2700t煤煤）n 一一千千克克氢氢原原子子核核聚聚变变 转转化化的的能能量量太阳辐射与太阳常数太阳辐射与太阳常数n子子黑黑阳阳太太光球太阳大气最低的一太阳大气最低的一层层，即一般用白光所，即一般用白光所观测观测到的太阳到的太阳表面表面厚度厚度仅仅500公里左右公里左右。我。我们们接收到的太阳能量基接收到的太阳能量基本上是光球本上是光球发发出的。因此，太阳的光出的。因此，太阳的光谱实际谱实际上就是光上就是光球的光球的光谱谱。色球层色球层色球层色球层（chr

4、omosphere）是）是太阳太阳大气大气中间的一层，位于中间的一层，位于光球光球之上。平时，由于之上。平时，由于地球地球大气中的大气中的分子分子以及尘埃粒子散以及尘埃粒子散射了强烈的太阳射了强烈的太阳辐射辐射形成蓝天，色球和形成蓝天，色球和日冕日冕完全淹没在蓝完全淹没在蓝天之中。只有在天之中。只有在日全食日全食时，观测者才能用肉眼看到太阳圆时，观测者才能用肉眼看到太阳圆面周围的这一层非常美丽的面周围的这一层非常美丽的玫瑰玫瑰红色的辉光。它是由早期红色的辉光。它是由早期的日全食观测者发现的，于的日全食观测者发现的，于1869年年同治同治8年年由洛基尔和由洛基尔和弗兰克兰命名。红色是由于色球弗兰

5、克兰命名。红色是由于色球光谱光谱中波长为中波长为6562.8埃埃的的氢氢线线Ha在亮度上占绝对优势的缘故。在亮度上占绝对优势的缘故。日冕日冕日全食日全食时时，黑暗的，黑暗的太阳太阳外外围围是是银银白色的光芒，像帽子似地扣在太阳白色的光芒，像帽子似地扣在太阳上，因此称上，因此称为为日冕。日冕。日冕是太阳最外日冕是太阳最外围围大气大气。平。平时时要要观测观测日冕，需日冕，需要用特要用特别别的的日冕日冕仪仪。日冕的范。日冕的范围围很大，用日冕很大，用日冕仪仪只可以只可以观测观测到接近到接近太阳表面的那部分日冕，一般叫做内冕。它的太阳表面的那部分日冕，一般叫做内冕。它的边边界离太阳表面界离太阳表面约约

6、有有3个太阳半径那么个太阳半径那么远远，或者，或者说约为说约为200万千米。在此以外的日冕叫做万千米。在此以外的日冕叫做外冕，它向外延伸到外冕，它向外延伸到地球地球轨轨道之外。日冕的物道之外。日冕的物质质非常稀薄。内冕非常稀薄。内冕密密度度稍微大一些，但它的密度也低于地球大气的十稍微大一些，但它的密度也低于地球大气的十亿亿分之一，几乎接分之一，几乎接近近真空真空。日冕的形状很不日冕的形状很不规则规则，有，有时时候呈候呈圆圆形，有形，有时时候呈扁候呈扁圆圆形，形，结结构也很精构也很精细细，在太阳，在太阳赤道赤道四周有很多向外流四周有很多向外流动动的的“冕流冕流”伸向伸向远处远处，太阳极区太阳极区

7、则则有一些有一些纤细纤细的的羽毛羽毛状的状的“极羽极羽”。太阳活动与黑子周期太阳活动与黑子周期黑子黑子与与黑子周期黑子周期名为名为黑子黑子其实不黑，仅温度比其实不黑，仅温度比 周围周围光球光球低低10001000C C,在明亮在明亮 光球反衬下呈光球反衬下呈暗黑色暗黑色。黑子黑子是太阳表面剧烈活动所激是太阳表面剧烈活动所激 起的起的气旋涡气旋涡。黑子黑子数量和分布范围出现较规律数量和分布范围出现较规律的周期性变化，称为的周期性变化，称为黑子周黑子周期期。蝴蝶图蝴蝶图周期开始：周期开始：少量少量黑子首先出现黑子首先出现 在南、北纬在南、北纬3030附近。附近。高峰期：高峰期：大量大量分布分布在在

8、1515 周期结束：周期结束：最后出现在最后出现在赤道赤道 附附近的黑子又都消失。近的黑子又都消失。绘出的黑子时空分布图其形状绘出的黑子时空分布图其形状很像很像一群蝴蝶，一群蝴蝶，称为称为蝴蝶图。蝴蝶图。黑子黑子周期周期平均长度为平均长度为11.1年。年。蝴蝴蝶蝶图图n太阳活动极大、极小年的日冕太阳活动极大、极小年的日冕太阳黑子与人类日常生活太阳黑子与人类日常生活 黑子周期高峰期容易发生黑子周期高峰期容易发生磁暴：磁暴：1989-3-13魁北克全城停电事件；魁北克全城停电事件；短波无线电通讯中断；短波无线电通讯中断；指南针失灵、候鸟迷失方向；指南针失灵、候鸟迷失方向；户外活动注意事项。户外活动

9、注意事项。耀斑耀斑太阳太阳色球层色球层中局部小区域的突然发亮，并迅速增强的现象，又叫中局部小区域的突然发亮，并迅速增强的现象，又叫色球爆色球爆发发，它是各种太阳活动中最为剧烈的现象。位置在，它是各种太阳活动中最为剧烈的现象。位置在谱斑谱斑或或光斑光斑附近，且附近，且常在常在黑子黑子群周围。耀斑在几分钟内形成，可持续存在几个小时。群周围。耀斑在几分钟内形成，可持续存在几个小时。能量能量大大多是多是紫外辐射紫外辐射，也发出强，也发出强X射线射线，还有，还有宇宙线宇宙线和非和非高能粒子高能粒子。所释放的。所释放的能量极大，最大可达到能量极大，最大可达到10的的25次幂焦耳，相当于百万吨级氢弹威力的次

10、幂焦耳，相当于百万吨级氢弹威力的100亿倍。粒子的运动速度比耀斑的亿倍。粒子的运动速度比耀斑的光速光速慢得多，因而慢得多，因而1、2天后才能到天后才能到达达地球地球附近。耀斑发出的附近。耀斑发出的辐射辐射和粒子同地球和粒子同地球磁场磁场和和电离层电离层相互作用，会相互作用，会使地球上的使地球上的短波短波无线电通讯中断并出现无线电通讯中断并出现极光极光。耀斑是太阳活动最主要的。耀斑是太阳活动最主要的标志。耀斑和黑子有密切关系，它多出现在黑子区的上空，并有同一兴标志。耀斑和黑子有密切关系，它多出现在黑子区的上空，并有同一兴衰过程，活动周期为衰过程，活动周期为11年。年。太太阳阳黑黑子子数数与与 北

11、北半半球球不不同同纬纬度度带带 降降水水量量相相关关性性n太阳黑子周期与灾害频发周期太阳黑子周期与灾害频发周期行星地球基本参数行星地球基本参数地球惟一性的物质基础：地球惟一性的物质基础：行星质量、日地距行星质量、日地距“九九”大行星基本参数比较大行星基本参数比较 行星行星与太阳平均距离与太阳平均距离 1天文单位=1.496x108 km公转周期公转周期 （恒星年）自转周期自转周期 （恒星日）质量质量 地球=1 体积体积 地球=1密度密度 g/cm3水星水星 0.38 0.38 88 88日日 58.6 58.6日日 0.06 0.06 0.056 0.056 5.4 5.4金星金星 0.72

12、0.72 225 225日日 243.0 243.0日日 0.82 0.82 0.856 0.856 5.2 5.2地球地球 1.00 1.00365.25365.25日日 23 23时时5656分分 1.00 1.00 1.00 1.00 5.5 5.5火星火星 1.521.52 1.88 1.88年年 24 24时时3737分分 0.11 0.11 0.15 0.15 3.9 3.9木星木星 5.20 5.20 11.86 11.86年年 9 9时时5050分分 318 31813161316 1.3 1.3土星土星 9.57 9.57 29.50 29.50年年 10 10时时1414分

13、分 94 94 745 745 0.7 0.7天王星天王星 19.28 19.28 84.00 84.00年年 16 16时时4848分分 15 15 65.2 65.2 1.3 1.3海王星海王星 30.13 30.13164.80164.80年年 16 16时时0606分分 17 17 57.1 57.1 1.7 1.7冥王星冥王星 39.50 39.50248.00248.00年年6 6天天9 9时时1717分分0.00250.00250.0090.009 2.0 2.0地地球球与与金金星星比比较较n惟独地球有磁场nn太阳风与磁暴太阳风与磁暴地球的惟一性地球的惟一性迫使科学家们去认真思考

14、地球这颗行星能适宜于迫使科学家们去认真思考地球这颗行星能适宜于生命繁衍特殊环境的原因：生命繁衍特殊环境的原因：行星的质量行星的质量（最大的类地行星，决定了地球的重力、结构、（最大的类地行星，决定了地球的重力、结构、磁场等基本物理性质）磁场等基本物理性质）和和 行星到太阳的距离行星到太阳的距离（直接影响行星表面的温度和太阳风（直接影响行星表面的温度和太阳风 对行星表面气体的驱赶能力）对行星表面气体的驱赶能力）是决定行星内部结构、表面特征及演化历史的是决定行星内部结构、表面特征及演化历史的 主要因素。主要因素。地球自转地球自转地球自转的速度变化地球自转的速度变化及其地学意义及其地学意义第一个主题n

15、有关该主题的详细内容 n支持信息和示例 n该主题与听众的联系 科里奥利力（地转偏向力）科里奥利力（地转偏向力）假定地球没有自假定地球没有自转，那么要保持转，那么要保持在同一经线上绕在同一经线上绕各自所在纬线一各自所在纬线一周，则这周，则这5个物体个物体的相互位置要如的相互位置要如左图的排列才能左图的排列才能完成。完成。即要保持同一角即要保持同一角速度，经线上各速度，经线上各质点的线速度就质点的线速度就要由两极向赤道要由两极向赤道越来越快。越来越快。现实生活n讲述现实生活中的一则示例或轶事 u如有必要，对听众的处境表示有同感 大大气气环环流流n地球表面的温度（地球表面的温度（19881988年年

16、6 6月）月）n厄尔尼诺现象厄尔尼诺现象与地球旋转速度变化关系与地球旋转速度变化关系地月关系月球基本参数月球基本参数地月系地月系西东月垂点地球自转方向潮汐隆起迁移方向西东引力作用点F F地球引力偏西分量观察者位置观察者位置月球月球地球轨道参数地球轨道参数星体间的相互影响星体间的相互影响偏心率、黄赤交角、岁差偏心率、黄赤交角、岁差米兰科维奇学说米兰科维奇学说米兰科维奇轨道参数米兰科维奇轨道参数天文学研究早已证明：天文学研究早已证明：相邻大行星（木星、金星）相邻大行星（木星、金星）对对地球公转和自转轨道地球公转和自转轨道 的的微弱摄动微弱摄动，可以使地球轨道三个可以使地球轨道三个基本参数基本参数(

17、偏心率、偏心率、斜度、岁差斜度、岁差)发生周期性变化。发生周期性变化。前南斯拉夫学者前南斯拉夫学者M.Milankovich(1920)最早指出：最早指出：第四纪第四纪冰川时期冰川时期的成因和的成因和地球轨道要素地球轨道要素变化有关。变化有关。经过长期争论，现在已公认为经过长期争论，现在已公认为米兰科维奇学说米兰科维奇学说或或米兰科维奇轨道参数米兰科维奇轨道参数。n 斜度与地球气候变化1.每个行星在椭圆轨道上环绕太阳运动，而太阳每个行星在椭圆轨道上环绕太阳运动，而太阳在一个焦点上。在一个焦点上。2.太阳和行星的矢径在相等的时间间隔中扫过相太阳和行星的矢径在相等的时间间隔中扫过相等的面积。等的面

18、积。n岁差岁差地球自转轴的进动引起春分点位移的现象。在日、月的引地球自转轴的进动引起春分点位移的现象。在日、月的引力作用下，地球自转轴的空间指向并不固定，呈现为绕一条力作用下，地球自转轴的空间指向并不固定，呈现为绕一条通过地心并与黄道面垂直的轴线缓慢而连续地运动，大约通过地心并与黄道面垂直的轴线缓慢而连续地运动，大约25800年顺时针向（从北半球看）旋转一周年顺时针向（从北半球看）旋转一周，描绘出一个描绘出一个圆锥面圆锥面。此圆锥面的顶角等于黄赤交角。此圆锥面的顶角等于黄赤交角23.5。于是天极于是天极在天球上绕黄极描绘出一个半径为在天球上绕黄极描绘出一个半径为23.5的小圆的小圆，也使春也使

19、春分点沿黄道以与太阳周年视运动相反的方向每分点沿黄道以与太阳周年视运动相反的方向每25800年旋年旋转一周转一周，每年西移约，每年西移约50.3。这种由太阳和月球引起的地这种由太阳和月球引起的地轴的长期进动（或称旋进）称为日月岁差。轴的长期进动（或称旋进）称为日月岁差。阳光对地球不同纬度的入射角 n 光线入射角度的地表效应n偏心率、黄赤交角、偏心率、黄赤交角、岁差岁差 偏心率偏心率（eccentricity,e）地球椭圆形轨道的最长直径（长轴）与最短直地球椭圆形轨道的最长直径（长轴）与最短直 径（短轴）之差与赤道半径之比径（短轴）之差与赤道半径之比。目前地球轨道的偏心率为目前地球轨道的偏心率为

20、0.0170.017或或1/601/60，地质历史上存在地质历史上存在 1010万年、万年、4040万年万年两种变化周期两种变化周期,其值在其值在0.0050.0050.06070.0607之间。之间。冰期均发育于冰期均发育于e e 的最小值的最小值，相当于日地距离增加而日照量减少相当于日地距离增加而日照量减少。黄赤交角黄赤交角或或斜度斜度（obliquity of ecliptic,）黄道面与天赤道面的交角黄道面与天赤道面的交角，即即 地轴与地球轨道面夹角的余角。地轴与地球轨道面夹角的余角。现在是现在是2323 26 26 21.42 21.42 ,地质历史上存地质历史上存 在在4 4万年万

21、年左右的周期，其左右的周期，其值变化于值变化于2222 02 02 24 24 30 30之间。之间。值增大使冬、夏温差增强，对极区冰盖发育影响较大，对赤道影响小。值增大使冬、夏温差增强，对极区冰盖发育影响较大，对赤道影响小。岁差岁差（precession,P）天球上的春分点沿黄道逐年自西往东缓慢后退天球上的春分点沿黄道逐年自西往东缓慢后退 50.2786 的现象（的现象（“岁岁有差岁岁有差”）。原因是地球不是理想球形，日、月对地原因是地球不是理想球形，日、月对地 球引力产生的力矩使地轴绕黄道面法线作圆周状球引力产生的力矩使地轴绕黄道面法线作圆周状进动进动。最近一次岁差周期约 2.5万 年，地

22、质历史上一般在 1.92.3万年之间(平均 2 2万年万年左右）。P P 值变化对赤道带气候影响较大，对极区影响较小。值变化对赤道带气候影响较大，对极区影响较小。地质地质记录中的轨道旋回证据记录中的轨道旋回证据沉积纹层组合沉积纹层组合的时间匹配时间匹配关系 野外成层岩石内，有时可以识别出不同级别的沉积纹层组合：野外成层岩石内，有时可以识别出不同级别的沉积纹层组合：由小到大可分别称为由小到大可分别称为 纹层、纹层、层束、层束、层束组、超层束组层束组、超层束组，它们的周期值大体为它们的周期值大体为2 2万年、万年、4 4万年、万年、1010万年、万年、4040万年万年。因此推论分别相当于因此推论分

23、别相当于 岁差、岁差、斜度、偏心率、长偏心率旋回斜度、偏心率、长偏心率旋回 长偏心率：偏心率长偏心率：偏心率=1:41:4、偏心率：岁差偏心率：岁差 =1:51:5。一一比比五五的的时时间间匹匹配配超超层层束束组组：层层束束组组：层层束束：纹纹层层 偏偏心心率率：岁岁差差 十十万万年年：二二万万年年n 成成层层岩岩石石中中规规律律性性 一一：五五 旋旋回回组组合合n南阿尔卑斯山脉灰岩峭壁米米兰兰科科维维奇奇周周期期偏偏心心率率 斜斜度度 岁岁差差的的沉沉积积记记录录太阳系内的星体撞击太阳系内的星体撞击彗木撞击事件引起的反思彗木撞击事件引起的反思苏梅克苏梅克-利维彗星列车的发现过程利维彗星列车的

24、发现过程成功经验成功经验:1.1.三结合科研集体三结合科研集体 2.2.迅速的国际学术联系迅速的国际学术联系 n 万万古古奇奇观观 长长达达十十六六万万千千米米的的 彗彗星星列列车车撞撞击击木木星星连连珠珠炮炮式式彗彗木木撞撞击击n 碎碎块块 A A 撞撞击击后后 升升起起的的火火球球nn彗木撞击的破坏能量1994年年7月月19日日4时时15分分22日日 16时（北京时间）时（北京时间）n人类第一次科学预报并进行实时的定量化科学测算。人类第一次科学预报并进行实时的定量化科学测算。n在130130小时小时内共计22次较大的“连珠炮式连珠炮式”撞击（编号A-V），相当于2020亿颗广岛原子弹亿颗广

25、岛原子弹爆炸总能量！平均每秒钟平均每秒钟爆炸爆炸42004200颗！颗！美国美国9.119.11恐怖事件恐怖事件1/201/20广岛原子弹破坏能量。广岛原子弹破坏能量。n木星上的撞击点撞击点相当于地球的80%面积面积，瞬间温度3000050000。公元前公元前5 5万年形成的陨击坑万年形成的陨击坑 位于美国亚利桑那州，直径位于美国亚利桑那州，直径2km 2km，坑底白色处是建筑物，坑底白色处是建筑物地球上已知的陨击坑（地球上已知的陨击坑（19931993年前）年前）n 恐恐龙龙绝绝灭灭与与星星体体撞撞击击 地球既有幸，又要提高警惕！地球既有幸，又要提高警惕！n太阳系中的大行星（特别是太阳系中的

26、大行星（特别是木星木星）吸引了大部分小行星和彗星，使地球免）吸引了大部分小行星和彗星，使地球免遭撞击。遭撞击。n直径直径 10km10km小星体撞击地球并小星体撞击地球并摧毁全球生态系统（大灾变）摧毁全球生态系统（大灾变）的几率，大约的几率，大约每每100100百万年百万年只有只有一次一次（上一次发生于（上一次发生于65百万年前）百万年前）。n太阳正常供应地球能量的寿命至少还有太阳正常供应地球能量的寿命至少还有4040亿年亿年，人类有足够的准备时间。，人类有足够的准备时间。现有对近地小行星的监测网存在现有对近地小行星的监测网存在两大漏洞两大漏洞（南北不匀、存在死角）。（南北不匀、存在死角）。2

27、000年年9月仅在月仅在5天前预报一颗小行星（天前预报一颗小行星（2000QW7）将）将“擦擦”过地球，如撞上地球则可能过地球，如撞上地球则可能 毁灭毁灭1515亿人亿人！同年！同年12月月23日凌晨，又有一颗事先未能预报的小行星（日凌晨，又有一颗事先未能预报的小行星（2000YA,直径直径50m）掠地而过，时速）掠地而过，时速11.5万万km,相距地球仅相距地球仅80万万km。迄今已知最危险的小行星迄今已知最危险的小行星（2000SG344，直径约直径约30-7030-70米），米），可能于可能于2071年接近地球。年接近地球。发生相撞的可能性为发生相撞的可能性为1/1000，由于两者，由于两者“转向转向”一致，可能一致，可能不会与地球不会与地球“迎头相撞迎头相撞”。国际上准备在南半球布置一批大望远镜，我国国际上准备在南半球布置一批大望远镜，我国紫金山天文台紫金山天文台决定投资决定投资2000万元万元建设国内最大的建设国内最大的小行星望远镜站小行星望远镜站。课外科普电影课外科普电影 宇宙与人宇宙与人 ENDTHANKS!