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中国地质大学 地球科学概论 教学课程PPT part1


一 宇



(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。

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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。

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25.12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。

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。

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1-2 天体在天球上的投影

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”。

大熊星座图形

四 瓣 简 明 星 座 图



天圆地方?

空间探测技术 - 地球的全貌
(一个以蓝色为主的、色彩丰富的星球)

敕勒川,阴山下。 天似穹庐,笼盖四野。 天苍苍,野茫茫。 风吹草低见牛羊。
- 世界各地人们最初都有类似的错觉

天道圜(圆),地道方,圣王法之 ,所以立上下(上君下臣)。
公元前3世纪 吕不韦 主持编成的《吕氏春秋》解释 天圆地方
日月交替,东升西降,变换有序。如果大地是一个平面,那日月星 辰又落到何处呢?板状的大地靠什么依托?大地的另一面又是什 么样子?

善于运用逻辑方法思维的古希腊人,率先提出了大 地是一个圆球的想法。 先有毕达哥拉斯(Pythagoras,前571~前497), 后来亚里士多德(Aristotle,前384 ~ 前322) 更把地球摆在他设想的宇宙体系中心 ? 埃拉托色尼(Eratosthenes,前276 ? ~ 前196),在亚历山大及其南边约920km锡 恩的观察 ? 张衡(78 ~139年)观测中发现月蚀的阴 影边缘总是弧形的,证明大地是圆的。

1519年9月 麦哲伦(F.D.Magalhhaes,1480 ? ~ 1521)环球航行

1687年7月,牛顿(Sir Issac Newton,1642 ~ 1727)的传世名著 《自然哲学的数学原理》
地球转动产生惯性离心力
人类经过漫长的探索终于证实大地是一个球体

三 从地球中心说到太阳中心说

? 天地之体,形如鸟卵
-张衡

? 亚里士多德的地球中心说
太阳、月球、水星、金星、火星、木星、 土星分别在七个天层里围绕地球转动, 其外为恒星天层;最外边 的原动力天层

希腊天文学家托勒密(Claudius Ptolemy, 90?~168)
? 补充了行星在被称为均轮轨道上围绕地 球转动时,同时也在自己的、被称本轮 的较小的圆形轨道上转动等内容。 ? 亚里士多德 - 托勒密的地球中心说,被 人们奉为真理,长达十几个世纪。在一 般人的感觉中,太阳真是好像在围着地 球转(据美国1997年调查,在该国,仍 有27%的人不知道地球是在围着太阳转)

哥白尼(Nicholas Copernicus,1473~1543)
? 天体运行的轨道,已记录到70多个(行 星-游荡者) ? 按照托勒密的方法计算编制的历书,屡 屡出现差错 ? 随着他对这个体系了解的增多,他对这 个体系愈来愈怀疑。 ? 不是太阳围着地球转,而是地球围着太 阳转。

哥白尼(Nicholas Copernicus,1473~1543)
? 《天体运行论》中宣布:太阳在万物的 中心统驭着;在这座最美好的神庙里, 另外还有什么更好的地点安置这个发光 体,使它能一下子照亮这个宇宙呢?
(拉丁文,流传不广)。

布鲁诺(Giordano Bruno,1548 ~1600)
? 1583年在牛津大学作一系列讲演 ? 1584年他又提出宇宙无限的观念,太阳中心说显 示出的思想解放意义愈来愈明显,以致成为异端 ? 1591年布鲁诺被骗回意大利,9年后,1600年2月 17日,在罗马的闹市繁花广场上,他被绑在火刑 柱上活活烧死。

未来的世纪会了解我,知道我的价值
? 1889年,还是在繁花广场,竖起布鲁诺的铜像

伽利略(Galilei Galileo,1564~ 1642)
? 《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 ? 付印前已通过审查,但出版后所产生的轰动效应 ,使它随即成为禁书 ? 伽利略也在1633年2月被软禁,经过刑讯逼供, 他被迫表示 “ 相信并将始终相信教会所承认的 和教导的东西都是正确的” ? 被判决在3年内每星期背诵7篇规定的忏悔诗。四 年后伽利略双目完全失明,九年后,与世长辞。

四 认识太阳系
? 哥白尼的时代只认识太阳,地球等6个行 星(土星最远),和1个卫星即月球 ? 1609年,伽利略-原始的望远镜(清晰 十倍) ? 看到恒星,木星的4颗卫星,太阳黑子,

开普勒(Johannes Kepler, 1571~1630)
? 行星都是沿“ 椭圆形”轨道围绕太阳旋转的 ? 行星轨道都位于同一个好像圆盘的“平面”(黄 道面)上,太阳和行星的联线在相等的时间内扫 过相等的面积 ? 行星轨道平均半径(以地球与太阳的距离为1) 的三次方与公转周期(以地球年为单位)的平方 相等

提丢斯 - 波德定则
? 以天文单位来计算,每个行星与太 阳的距离等于 (4+n) / 10 ? n为几何级数, 分别为0,3,6,12 ,24,48……
? 发现:天王星,第一颗小行星 ? 海王星,冥王星(未守定则) ? 哈雷慧星

牛 顿
? 在前人成果的基础上,总结出万 有引力定律 ? 将力学推广应用到天体上

? 使哥白尼的太阳中心说在理论上 得到了圆满的解释

太 阳 系
? 9个大行星 ? 66颗卫星 ? 1万多颗小行星 ? 数以亿计的彗星和流星 ? 以及弥漫在看起来一无所有的空 间中的星际物质。

地球-太阳
? 地球不过是太阳系中的一颗行星 ? 它与月球组成地月系 ? 每秒约3万米的速度 ? 围绕太阳作公转(周期一年) ? 沿一条弯弯曲曲的、近似椭圆形 的蛇行轨道前进

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球(22/02/2001)

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。

地球参数
? ? ? ? ? 极半经为 6 356.8km 赤道半经为6 378.2km 平均半经为6 371km 扁率为 1 / 298 赤道一带稍微凸出,南北半球也不对称 ,加上表面凹凸不平,地球是一个不规 则的旋转椭球体 ? 基本上仍是一个圆球

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3°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 臵呈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。

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。

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。

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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。

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。

发生日食的条件:日月相合于黄白交线

发生月食的条件:日月相冲于黄白交线



天外有天

? 宇宙边缘? ? 视差法测天体间的距离?? ? 1784年赫歇尔观测到3亿颗恒星 (估算) ? 20世纪90年代,经多方法估算, 在2000亿颗以上--银河系

银 河 系
? 一个中心凸出并成旋涡状的圆饼 ? 银球,直径约1.63万光年,其核心称为银核,因 为这里恒星密集 ? 银盘,银球周围较为明亮的部分,展布如盘,表 现为若干旋臂,银盘直径近10万光年 ? 太阳系位于银盘的一侧,距银河系的中心尚有 2.7 ±0.33万光年之遥。

河外星系
? 20世纪初,许多人还把银河系当作整个宇宙。 ? 但随着探测技术和计算能力的提高,人们发现, 在银河系外,还有数以百亿计的星系存在。 ? 整个河外星系质量非常巨大,但由于占据了巨大 的空间,因而其密度是很小的,平均只有10-31 g/cm3 ,这比我们在一般实验室所获得的“真空 ”的密度还要低。



独一无二的人类家园
(暂时说)

? 还是地球好!
(土地,水,生命,适中的温度,利于生 物的空气)

? 维护好人类共同的家园


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