05- 地月系统

1、Email: liufeng Tel: 138-6662-3095 Introduction to Planet Earth Basic Curriculum for Geography Science Lecturer in Chief： Feng Liu Academic Title： Instructor Major Lectured: Geography Science Introduction to Planet Earth Email: liufeng Tel: 138-6662-3095 地球概论 主讲教师： 刘 峰 职 称： 讲 师 授课专业： 地理科学 地理类专业基础课程地理

2、类专业基础课程 第五章 地月系统 Introduction to Planet Earth Feng Liu 一、天体的影锥与日月食的发生一、天体的影锥与日月食的发生 q 影锥分类：本影，半影、伪本影影锥分类：本影，半影、伪本影 v 本影：本影： 在太阳照射下，地球和月球都在背太阳方向拖着一在太阳照射下，地球和月球都在背太阳方向拖着一 条很长的影子，它主要部分是一个以其顶端背向太阳的会聚条很长的影子，它主要部分是一个以其顶端背向太阳的会聚 圆锥，太阳光辉全被遮蔽圆锥，太阳光辉全被遮蔽 v 半影：半影：在影区内，得到部分的太阳光辉在影区内，得到部分的太阳光辉 v 伪本影：伪本影：在半影、本影的延

3、伸部分，是一个与本影同轴而反在半影、本影的延伸部分，是一个与本影同轴而反 向的发光圆锥，得到太阳边缘部分光辉向的发光圆锥，得到太阳边缘部分光辉 第十一节 日食和月食 v 半影和伪本影的不同部分，明暗程度不同：愈接近本影，愈半影和伪本影的不同部分，明暗程度不同：愈接近本影，愈 阴暗；离本影愈远，日轮被遮蔽程度愈远，愈明亮。阴暗；离本影愈远，日轮被遮蔽程度愈远，愈明亮。 v 本影长度本影长度 l 天体半径愈大，距离愈远，其影锥愈长天体半径愈大，距离愈远，其影锥愈长 l 地球本影平均长度：地球本影平均长度：1 377 000km1 377 000km l 新月时，新月时，月影平均长度：月影平均长度：

4、374 500km374 500km（略小于月地平均距（略小于月地平均距 离）离） Introduction to Planet Earth Liu Feng q 日食种类日食种类 v 日全食：发生于月球本影笼罩的地面日全食：发生于月球本影笼罩的地面 v 日环食：发生于月球伪本影笼罩的地面日环食：发生于月球伪本影笼罩的地面 v 日偏食：发生于月球半影笼罩的地面日偏食：发生于月球半影笼罩的地面 q 月食种类月食种类 v 月全食，月球全部没入地球本影月全食，月球全部没入地球本影 v 月偏食，月球部分进入地球本影月偏食，月球部分进入地球本影 v 无月环食无月环食 月食的动态演示月食的动态演示 二、

5、日月食种类 Introduction to Planet Earth Liu Feng v 日食过程：日食过程：月轮向东赶超并掩蔽日轮的过程。月轮向东赶超并掩蔽日轮的过程。 l 月球和太阳都在天球上向东运行，月球以恒星月为周期，速月球和太阳都在天球上向东运行，月球以恒星月为周期，速 度为度为13131010 / /日，太阳以恒星年为周期，速度为日，太阳以恒星年为周期，速度为5959 / /日，显日，显 然，月球以然，月球以12121111 / /日的速度，自西向东追赶太阳和地球的日的速度，自西向东追赶太阳和地球的 本影本影 l 日食从日轮西缘开始，于东缘结束；日食从日轮西缘开始，于东缘结束；

6、q 日月食过程 v 月食过程：月食过程：月轮向东赶超地球本影，从而被掩的过程；月轮向东赶超地球本影，从而被掩的过程； 月食从月轮东缘开始，于西缘结束；月食从月轮东缘开始，于西缘结束；v 全食的三个阶段：全食的三个阶段： 偏食偏食全食全食偏食（日环食没有全食阶段）偏食（日环食没有全食阶段）v 全食的四个食相：全食的四个食相： v 初亏初亏食既食既（食甚）（食甚）生光生光复圆（偏食没有食既和生光）复圆（偏食没有食既和生光） v 食甚：日食和月食过程中，月轮中心与日轮地本影截面中心最食甚：日食和月食过程中，月轮中心与日轮地本影截面中心最 接近的瞬间接近的瞬间； v 食食分分：食：食甚甚时时月轮或日轮

7、月轮或日轮的被的被“食食”程度。（以日月视直径为程度。（以日月视直径为 单位）。单位）。 Introduction to Planet Earth Liu Feng 此图在假定日、月没有此图在假定日、月没有 周日运动条件下，表示周日运动条件下，表示 同一地点所见的日全食同一地点所见的日全食 过程。过程。 日全食的过程（一） 图 Introduction to Planet Earth Liu Feng 月球向东赶超太阳月球向东赶超太阳 的运动，是在二者的运动，是在二者 各自向西周日运动各自向西周日运动 过程中发生的，具过程中发生的，具 体情况又因纬度、体情况又因纬度、 季节和南北半球而季节和南

8、北半球而 不同。不同。 1.1.天赤道向南倾斜，天北极为仰极，可知是在北半球；天赤道向南倾斜，天北极为仰极，可知是在北半球；2.2.天赤道天赤道 与地平圈交角为当地余纬，故纬度为与地平圈交角为当地余纬，故纬度为45 45 N N； 3.3.太阳周日圈太阳周日圈( (赤纬赤纬) )在在天赤道以南，故北半球正值冬季；天赤道以南，故北半球正值冬季；4.4.日、日、 月正在向西方地平下落，可见时间接近傍晚。月正在向西方地平下落，可见时间接近傍晚。 日全食的过程（二） 图 Introduction to Planet Earth Liu Feng 月全食的过月全食的过 程（假定地程（假定地 球影锥在天球

9、影锥在天 球上的位置球上的位置 不动）不动）. . 图图 Introduction to Planet Earth Liu Feng q 朔望条件：朔望条件： 日食必发生在朔，月食必发生在望。在一个朔望月内，只有日食必发生在朔，月食必发生在望。在一个朔望月内，只有 逢朔的日期，地球才有可能位于月影所在的方向；逢望的日逢朔的日期，地球才有可能位于月影所在的方向；逢望的日 期，月球才有可能位于地影所在的方向。期，月球才有可能位于地影所在的方向。 q 交点条件：交点条件： 白道和黄道之间有白道和黄道之间有5 599的交角（称黄白交角），而月轮和的交角（称黄白交角），而月轮和 日轮的视直径都只有日轮的

10、视直径都只有0.50.5左右。二者在天球上真正叠合，还左右。二者在天球上真正叠合，还 须要它们的黄纬相等（或相近，黄纬差在须要它们的黄纬相等（或相近，黄纬差在0.50.5 以内）。这以内）。这 就要求月球和太阳同时位于黄白交点或其附近。就要求月球和太阳同时位于黄白交点或其附近。 四、 日月食的条件 Introduction to Planet Earth Liu Feng q 食限食限 v 日月两轮相切时，黄白交点到日轮中心的一段黄经差，叫日日月两轮相切时，黄白交点到日轮中心的一段黄经差，叫日 食限。（若以日月相冲取代日月相合，以地球本影截面取代食限。（若以日月相冲取代日月相合，以地球本影截面

11、取代 日轮，则为月食限）；日轮，则为月食限）； v 食限的大小取决于黄白交角、日地距离和月地距离；食限的大小取决于黄白交角、日地距离和月地距离； v 黄白交角愈大，日食限和月食限愈小；黄白交角愈大，日食限和月食限愈小； v 月地距离愈大，月轮的视半径愈小，日食限和月食限愈小；月地距离愈大，月轮的视半径愈小，日食限和月食限愈小； v 日地距离愈大，则日轮的视半径愈小，日食限愈小；但地影日地距离愈大，则日轮的视半径愈小，日食限愈小；但地影 截面的视半径却增大，因此月食限愈大；截面的视半径却增大，因此月食限愈大； v 日食限月食限（不计半影食）。日食限月食限（不计半影食）。 五、 食限和食季 q 食

12、季食季 v 太阳经过食限的一段时间叫食季，大体上说，一年有两个食太阳经过食限的一段时间叫食季，大体上说，一年有两个食 季，相隔约半年；季，相隔约半年； v 食限愈大，食季愈长。食限愈大，食季愈长。 根据食限的大小和太阳周年运动的根据食限的大小和太阳周年运动的 速度（速度（59/59/日），可以推算食季的约略日数；日），可以推算食季的约略日数； v 就全球而论，发生日食的次数比月食多，对一地而言，见到就全球而论，发生日食的次数比月食多，对一地而言，见到 月食的次数远多于日食。月食的次数远多于日食。 Introduction to Planet Earth Liu Feng q 沙罗周期沙罗周期

13、v 与日月食相关的天文周期，如朔望月、交点月、交点年和近与日月食相关的天文周期，如朔望月、交点月、交点年和近 点月的共同周期点月的共同周期 ( (最小公倍数最小公倍数) )，称为沙罗周期；，称为沙罗周期； v 沙罗周期长沙罗周期长6 585.326 585.32日，合日，合1818年年11.3211.32日；日； v 经历一个沙罗周期后，日、月、黄白交点三者相对位置及月经历一个沙罗周期后，日、月、黄白交点三者相对位置及月 地距离远近，长度相同；地距离远近，长度相同； v 一个沙罗周期内，大体上有相同次数和种类的日、月食；一个沙罗周期内，大体上有相同次数和种类的日、月食； v 每一次日月食，都要

14、在一个沙罗周期后重复出现每一次日月食，都要在一个沙罗周期后重复出现。 六、 日月食的周期 q 沙沙罗周期没有绝对意义罗周期没有绝对意义 v 非太阳日的整数倍，对应的二次日、月食不发生在非太阳日的整数倍，对应的二次日、月食不发生在 同一日内的同一时刻同一日内的同一时刻； v 非严格地等于交点月、近点月和食年的整数倍，对非严格地等于交点月、近点月和食年的整数倍，对 应的日、月食只是大同小异，并非完全一样应的日、月食只是大同小异，并非完全一样； v 总之，总之，未包括同日月食有关的全部因素未包括同日月食有关的全部因素； v 不能代替日月食的具体推算。不能代替日月食的具体推算。 Introductio

15、n to Planet Earth Liu Feng 一、一、 潮汐现象潮汐现象 q 潮汐涨落潮汐涨落 v 从局部地区看，潮汐是周期性海面升降；从局部地区看，潮汐是周期性海面升降； v 涨潮和落潮：周期是半太阴日（约涨潮和落潮：周期是半太阴日（约1212时时2525分）分） v 潮差：潮差：高潮和低潮的水位差；高潮和低潮的水位差； v 大潮和小潮：大潮和小潮：潮差最大时和最小时的潮差最大时和最小时的潮汐；潮汐； v 波和潮流：海面垂直升降和海水水平流动波和潮流：海面垂直升降和海水水平流动。 第十二节 海洋天文潮汐 q 地球的潮汐变形地球的潮汐变形 v 力学原因：力学原因： 天体天体 m m（太

16、阳或月球）对地球（太阳或月球）对地球 M M 的引力的引力 F = GMm/dF = GMm/d2 2 如果取地球上单位质量，则： 如果取地球上单位质量，则： F = Gm/DF = Gm/D2 2 , ,D=d-r D=d-r、d+rd+r v 引力分解：引力分解： l 向心力：地球（或其单位质量物质）绕转日地质心向心力：地球（或其单位质量物质）绕转日地质心 l 引潮力：潮汐变形（地球由正球体变成长球体）引潮力：潮汐变形（地球由正球体变成长球体） Introduction to Planet Earth Liu Feng v 潮汐变形的机制：潮汐变形的机制： l 地球各部分受太阳地球各部分受

17、太阳“差别吸引差别吸引”，使它发生潮汐变形，使它发生潮汐变形 l 同理，月球的同理，月球的“差别吸引差别吸引”，使地球在绕转月地共同质，使地球在绕转月地共同质 心中发生潮汐变形。心中发生潮汐变形。 引潮力 Introduction to Planet Earth Liu Feng q 引潮力引潮力 v 引潮力及其分布引潮力及其分布： l 引潮力是一地所受天体引力同全球平均引力的差引潮力是一地所受天体引力同全球平均引力的差 值值 l 正反垂点的引潮力最大。正反垂点的引潮力最大。 v 引潮力方向：两头（垂点）向上，中间向下引潮力方向：两头（垂点）向上，中间向下 v 潮汐隆起：向月（日）为顺潮；背月

18、（日）为对潮潮汐隆起：向月（日）为顺潮；背月（日）为对潮 q太阴潮与太阳潮太阴潮与太阳潮 v对地球产生潮汐作用的主要天体对地球产生潮汐作用的主要天体太阳和月球太阳和月球 v 两种潮汐两种潮汐太阴潮与太阳潮太阴潮与太阳潮 v 太阴潮和太阳潮的相对大小太阴潮和太阳潮的相对大小 2.2 2.2 ：1 1 l运用垂点引潮力公式比较运用垂点引潮力公式比较 l东汉王充东汉王充“涛之起也，随月盛衰涛之起也，随月盛衰”。 q 海洋天文潮汐的基本周期海洋天文潮汐的基本周期 v 太阴日周期太阴日周期 l 每太阴日二次高潮和二次低潮每太阴日二次高潮和二次低潮； v 朔望月周期朔望月周期 l 每朔望月二次大潮和二次小

19、潮每朔望月二次大潮和二次小潮； l 逢朔望发生大潮（初一、月半）；逢朔望发生大潮（初一、月半）； l 逢上下弦发生小潮（初八、廿三）。逢上下弦发生小潮（初八、廿三）。 二、 海洋天文潮汐的规律性 Introduction to Planet Earth Liu Feng v 日潮不等日潮不等 l 若月球赤纬不等于零，它的两个垂点分居南北两半若月球赤纬不等于零，它的两个垂点分居南北两半 球，以致同一纬度（除赤道外）的顺潮与对潮有所球，以致同一纬度（除赤道外）的顺潮与对潮有所 不同，造成一日内二次高潮之间的潮高差异不同，造成一日内二次高潮之间的潮高差异 q 潮汐的空间规律 v 不同纬度的潮汐类型不

20、同纬度的潮汐类型 l 赤道潮（分点潮）：赤道潮（分点潮）：月球赤纬月球赤纬 = 0 = 0 l 回归潮：回归潮：赤纬最大赤纬最大（ 28 28 3535 ）时发生的潮汐；月时发生的潮汐；月 球赤纬球赤纬 愈大，日潮不等愈显著愈大，日潮不等愈显著 l 半日潮：半日潮：在赤道上（或月球赤纬为在赤道上（或月球赤纬为0 0时，发生赤道时，发生赤道 潮），一太阴日内有等高的二次高潮和低潮，时间潮），一太阴日内有等高的二次高潮和低潮，时间 间隔均等间隔均等 l 全日潮：全日潮：其它日期，在其它日期，在 9090 范围内，纬线全范围内，纬线全 线位于顺潮（或对潮）半球内，以致那里每太阴日线位于顺潮（或对潮）

21、半球内，以致那里每太阴日 只有一次涨潮和落潮只有一次涨潮和落潮 l 混合潮：混合潮：在其它纬度带，每太阴日虽有二次涨潮和在其它纬度带，每太阴日虽有二次涨潮和 落潮，但涨潮高度有所不同，涨（落）潮历时也有落潮，但涨潮高度有所不同，涨（落）潮历时也有 差异差异 Introduction to Planet Earth Liu Feng 潮汐的年变化及多年变化潮汐的年变化及多年变化 q 潮汐的年变化潮汐的年变化 l 二分潮：春秋二分前后的朔望，日、月都在二分点二分潮：春秋二分前后的朔望，日、月都在二分点 附近，太阳潮和太阴潮潮汐隆起最为接近，潮差特附近，太阳潮和太阴潮潮汐隆起最为接近，潮差特 大，且

22、日潮不等现象不显著；大，且日潮不等现象不显著； l 二至潮：冬夏二至前后的朔望，情形有所不同；二至潮：冬夏二至前后的朔望，情形有所不同； q 潮汐的近点月周期潮汐的近点月周期 l 近地潮与远地潮：近地点时的太阴潮比远地点时要近地潮与远地潮：近地点时的太阴潮比远地点时要 大大39.1%39.1%； Introduction to Planet Earth Liu Feng 影响潮汐的因素 q影响潮汐的因素影响潮汐的因素 l天文因素天文因素 天体引（潮）力、地球自转周期，地、月天体引（潮）力、地球自转周期，地、月 公转的周期和轨道（如日、月赤纬的变化，公转的周期和轨道（如日、月赤纬的变化， 月球的

23、近地与远地等）月球的近地与远地等） l 气象因素气象因素 l 水文因素水文因素 l 近海地形因素近海地形因素 Introduction to Planet Earth Liu Feng 四、潮汐作用 q 引潮力是一种瓦解力引潮力是一种瓦解力 l 导致天体潮汐变形导致天体潮汐变形 l 导致天体裂解（引潮力作用的极端形式）导致天体裂解（引潮力作用的极端形式） l 后一情况是否发生后一情况是否发生取决于引潮力的大小取决于引潮力的大小，进，进 而而决定于天体质量和天体距离决定于天体质量和天体距离 q 潮汐摩擦潮汐摩擦 l 潮流对海底的摩擦作用潮流对海底的摩擦作用 l 导致天体自转或公转速度长期减慢导致

24、天体自转或公转速度长期减慢 Introduction to Planet Earth Liu Feng 图片链接 Picture Interlinkage Introduction to Planet Earth Liu Feng 本章结束本章结束 日食 Introduction to Planet Earth Liu Feng 日食的带食而没日食的带食而没 日日 食食 日日 全全 食食 Introduction to Planet Earth Liu Feng Sun 半影 影锥类型与月球影锥 日食类型 本影 半影半影 半影 伪本影 Moon 日食类型 Introduction to Pla

25、net Earth Liu Feng 日全食 日偏食 日环食 日偏食 月球影锥与日全食、日环食 Introduction to Planet Earth Liu Feng 地球影锥与月食类型 月食发生时，最多只有偏食和全食月食发生时，最多只有偏食和全食 地球本影影锥长度大于月地距离地球本影影锥长度大于月地距离 在月地距离上，地本影影锥截面大于月轮直径在月地距离上，地本影影锥截面大于月轮直径 在地球的半影区，月球向日表面均可接受太阳线，在地球的半影区，月球向日表面均可接受太阳线， 只是量少了，月球比平时暗淡。也叫月半影食只是量少了，月球比平时暗淡。也叫月半影食 月全食月全食 月偏食月偏食月半影食

26、月半影食 月偏食月偏食 Introduction to Planet Earth Liu Feng 地本影地本影 Sun 日月食的条 件：交点附 近的朔和望 Introduction to Planet Earth Liu Feng 日月两轮相切时，自黄白交点至日轮中心的一段黄道弧长，即日月两轮相切时，自黄白交点至日轮中心的一段黄道弧长，即 此刻日轮中心与邻近的黄白交点的黄经差。此刻日轮中心与邻近的黄白交点的黄经差。 日 食 限 图 Introduction to Planet Earth Liu Feng 天体引力的分解 单位质量所受天体引力单位质量所受天体引力 单位质量所受天体引潮力单位质

27、量所受天体引潮力 单位质量绕转日地质心所受向单位质量绕转日地质心所受向 心力心力 月球月球 地心单位质量所受引力为全球的地心单位质量所受引力为全球的 平均引力，平均引力，f f0 0 = = Gm/d Gm/d2 2 ，全部提 ，全部提 供为向心力。供为向心力。 为了计算方便，将其他地点所受为了计算方便，将其他地点所受 向心力均用平均引力向心力均用平均引力 f0 代替代替 Introduction to Planet Earth Liu Feng 0324861012915 X 潮汐变形示意图 差别受力差别受力 （差别吸引）（差别吸引） 不受力不受力 Introduction to Plane

28、t Earth Liu Feng v 对正反的正反垂点而言，引潮力的因素有三：对正反的正反垂点而言，引潮力的因素有三： 引潮天体质量引潮天体质量m m 、天体距离、天体距离d d 、地球半径、地球半径r r v 引潮力公式的导出：引潮力公式的导出： 按引力定律，在正反垂点所受引力分别为：按引力定律，在正反垂点所受引力分别为： 1 2 () Gm f dr 2 2 () Gm f dr 引潮力公式 Introduction to Planet Earth Liu Feng 正垂点的引潮力为：正垂点的引潮力为： 10 22 () GmGm Fff drd 与与d d相比，相比，r r值是很小的。为

29、简便起见，分子分母中的值是很小的。为简便起见，分子分母中的r r 均略去，使得均略去，使得 同理反垂点：同理反垂点： 3 2Gmr F d 3 2 Gmr F d 2222 22 )( )2( )( )( drd rrd Gm drd rdd Gm Introduction to Planet Earth Liu Feng v 引潮力的大小，同天体距离的三次方成反比引潮力的大小，同天体距离的三次方成反比 v 公式中，公式中，G G 、r r 都是常数，不同天体的引潮力大小，都是常数，不同天体的引潮力大小， 仅取决于天体的质量仅取决于天体的质量m m 和距离和距离d d v 上述公式不是引潮力普

30、适公式，只适用于正反垂点，上述公式不是引潮力普适公式，只适用于正反垂点， 且是近似的且是近似的 引潮力公式运用注意的问题 Introduction to Planet Earth Liu Feng 细箭头为平均引力，粗箭头为实际引力，双线箭头为引潮力。细箭头为平均引力，粗箭头为实际引力，双线箭头为引潮力。 引潮力引潮力= =实际引力实际引力 平均引力。正反垂点的引潮力最大。平均引力。正反垂点的引潮力最大。 引潮力及其分布图-1 Introduction to Planet Earth Liu Feng 引潮力的水平分力都指向正反垂引潮力的水平分力都指向正反垂 点，并在那里形成两个潮汐隆起，点，

31、并在那里形成两个潮汐隆起， 使地球由正球体变成长球体。使地球由正球体变成长球体。 正反垂点的引潮力向上，中间正反垂点的引潮力向上，中间 的引潮力向下，地球由正球体的引潮力向下，地球由正球体 变成长球体。变成长球体。 引潮力及其分布图-2 Introduction to Planet Earth Liu Feng 潮汐的基本周期（一）潮汐的基本周期（一） 潮汐的太阴日周期 Introduction to Planet Earth Liu Feng 每太阴日二次高潮每太阴日二次高潮 和二次低潮和二次低潮 海洋天文潮汐的 朔望周期 逢朔、望，太阳与月球引逢朔、望，太阳与月球引 潮力产生的潮汐隆起（垂

32、潮力产生的潮汐隆起（垂 点）最为接近。太阳潮最点）最为接近。太阳潮最 大限度的增强太阴潮。大限度的增强太阴潮。 此时，高潮潮位特高，低此时，高潮潮位特高，低 潮潮位特低，潮差最大。潮潮位特低，潮差最大。 称为大潮称为大潮 大潮（朔） 潮汐的基本周期（二）潮汐的基本周期（二） Introduction to Planet Earth Liu Feng 大潮（望） Introduction to Planet Earth Liu Feng 小潮 （上、下弦） 逢上（下）弦，太逢上（下）弦，太 阳与月球引潮力产阳与月球引潮力产 生的潮汐隆起（垂生的潮汐隆起（垂 点）相距最远。太点）相距最远。太 阳潮最大限度的减阳潮最大限度的减 弱太阴潮。弱太阴潮。 此时，高潮潮位最此时，高潮潮位最 低，低潮潮位最高，低，低潮潮位最高， 潮差最小。称为小潮差最小。称为小 潮潮 Introduction to Planet Earth Liu Feng 月球直射的半球，顺潮月球直射的半球，顺潮 对潮；非直射半球，顺潮对潮；非直射半球，顺潮 对潮（二者都是高潮）对潮（二者都是高潮） 低潮则出现在该纬度距两低潮则出现在该纬度距两 垂点最远的地点垂点最远的地点 如：月球直射点（正垂