地球科学导论

1、地球科学导论第1页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第一章 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第2页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳系的结构类地行星、巨行星、远日行星 类地行星、类木行星第3页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 类地行星与类木行星第4页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二固体地球内部结构 第5页，共

2、70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二液态木星内部结构 高压、导电性第6页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二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第7页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 地球的内外动力 第8页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳内部结构第9页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳内部的核聚变 太阳直径：1.4106 km 太阳质量：地球质量（ 61021t）的33.3万倍， 占太阳系总质量的99.87% 太阳平均密度：地球密度的1/4左右，水的1.41倍

3、 太阳表面温度：6000K(=5726) 太阳核心温度/密度：1.5107K /水的160倍 在这种高温高压条件下，发生了核聚变（4个H原子核聚变为1 个He原子核）作用。 1克H核聚变为He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石油或2700t煤）第10页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 一千克氢原子核聚变 转化的能量第11页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳辐射与太阳常数 第12页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二子 黑 阳 太 第13页，

4、共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二光球太阳大气最低的一层，即一般用白光所观测到的太阳表面 厚度仅500公里左右 。我们接收到的太阳能量基本上是光球发出的。因此，太阳的光谱实际上就是光球的光谱。第14页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二色球层色球层（chromosphere）是太阳大气中间的一层，位于光球之上。平时，由于地球大气中的分子以及尘埃粒子散射了强烈的太阳辐射形成蓝天，色球和日冕完全淹没在蓝天之中。只有在日全食时，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玫瑰红色的辉光。它是由早期的日全食观测者发现的，于1869年 同治8年 由洛基尔和弗

5、兰克兰命名。红色是由于色球光谱中波长为6562. 8埃的氢线Ha在亮度上占绝对优势的缘故。第15页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二日冕日全食时，黑暗的太阳外围是银白色的光芒，像帽子似地扣在太阳上，因此称为日冕。 日冕是太阳最外围大气。平时要观测日冕，需要用特别的日冕仪。日冕的范围很大，用日冕仪只可以观测到接近太阳表面的那部分日冕，一般叫做内冕。它的边界离太阳表面约有3个太阳半径那么远，或者说约为200万千米。在此以外的日冕叫做外冕，它向外延伸到地球轨道之外。日冕的物质非常稀薄。内冕密度稍微大一些，但它的密度也低于地球大气的十亿分之一，几乎接近真空。 日冕的形状很不规则，

6、有时候呈圆形，有时候呈扁圆形，结构也很精细，在太阳赤道四周有很多向外流动的“冕流”伸向远处，太阳极区则有一些纤细的羽毛状的“极羽”。 第16页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳活动与黑子周期黑子与黑子周期 名为黑子其实不黑，仅温度比 周围光球低1000C, 在明亮 光球反衬下呈暗黑色。 黑子是太阳表面剧烈活动所激 起的气旋涡。 黑子数量和分布范围出现较规律的周期性变化，称为黑子周期。蝴蝶图 周期开始：少量黑子首先出现 在南、北纬30附近。高峰期：大量分布在15 周期结束：最后出现在赤道 附近的黑子又都消失。 绘出的黑子时空分布图其形状很像一群蝴蝶，称为蝴蝶图。 黑子周

7、期平均长度为11.1年。 第17页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 蝴蝶图 第18页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳活动极大、极小年的日冕第19页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳黑子与人类日常生活 黑子周期高峰期容易发生磁暴： 1989-3-13魁北克全城停电事件； 短波无线电通讯中断； 指南针失灵、候鸟迷失方向； 户外活动注意事项。 第20页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二耀斑太阳色球层中局部小区域的突然发亮，并迅速增强的现象，又叫色球爆发，它是各种太阳活动中最为剧烈的现象。位置在谱斑或光

8、斑附近，且常在黑子群周围。耀斑在几分钟内形成，可持续存在几个小时。能量大多是紫外辐射，也发出强X射线，还有宇宙线和非高能粒子。所释放的能量极大，最大可达到10的25次幂焦耳，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光速慢得多，因而1、2天后才能到达地球附近。耀斑发出的辐射和粒子同地球磁场和电离层相互作用，会使地球上的短波无线电通讯中断并出现极光。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，并有同一兴衰过程，活动周期为11年。第21页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 太阳黑子数与 北半球不同纬度带 降水量相关性 第22页，共

9、70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳黑子周期与灾害频发周期第23页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二行星地球基本参数地球惟一性的物质基础： 行星质量、日地距第24页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二“九”大行星基本参数比较 行星与太阳平均距离 1天文单位=1.496x108 km公转周期 （恒星年） 自转周期 （恒星日） 质量 地球=1 体积 地球=1密度 g/cm3水星 0.38 88日 58.6日 0.06 0.056 5.4金星 0.72 225日 243.0日 0.82 0.856 5.2地球 1.00365.25日 23

10、时56分 1.00 1.00 5.5火星 1.52 1.88年 24时37分 0.11 0.15 3.9木星 5.20 11.86年 9时50分 3181316 1.3土星 9.57 29.50年 10时14分 94 745 0.7天王星 19.28 84.00年 16时48分 15 65.2 1.3海王星 30.13164.80年 16时06分 17 57.1 1.7冥王星 39.50248.00年6天9时17分0.00250.009 2.0第25页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地球与金星比较 第26页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二惟独地球

11、有磁场 第27页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 太阳风与磁暴第28页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地球的惟一性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： 行星的质量（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）和 行星到太阳的距离（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） 是决定行星内部结构、表面特征及演化历史的 主要因素。第29页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地球自转地球自转的速度变化 及其地学意义 第30页，共70页，2022年，5月20日，21点28分

12、，星期二第一个主题有关该主题的详细内容 支持信息和示例 该主题与听众的联系第31页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第32页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 科里奥利力（地转偏向力）第33页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二假定地球没有自转，那么要保持在同一经线上绕各自所在纬线一周，则这5个物体的相互位置要如左图的排列才能完成。即要保持同一角速度，经线上各质点的线速度就要由两极向赤道越来越快。第34页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二现实生活讲述现实生活中的一则示例或轶事 如有必要，对听众的处境表示有同感

13、第35页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 大气环流 第36页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第37页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地球表面的温度（1988年6月） 第38页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二厄尔尼诺现象与地球旋转速度变化关系第39页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地月关系月球基本参数 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地球引力偏西分量观察者位置月球第40页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地球轨道参数星体间的相互

14、影响 偏心率、黄赤交角、岁差 米兰科维奇学说 第41页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二米兰科维奇轨道参数天文学研究早已证明： 相邻大行星（木星、金星）对地球公转和自转轨道 的微弱摄动，可以使地球轨道三个基本参数 (偏心率、斜度、岁差)发生周期性变化。 前南斯拉夫学者M. Milankovich (1920)最早指出： 第四纪冰川时期的成因和地球轨道要素变化有关。 经过长期争论，现在已公认为 米兰科维奇学说或米兰科维奇轨道参数。 第42页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第43页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 斜度与地球气候

15、变化第44页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二1.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。 2.太阳和行星的矢径在相等的时间间隔中扫过相等的面积。 第45页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 第46页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二岁差 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25800年顺时针向（从北半球看）旋转一周 ， 描绘出一个圆锥面 。此圆锥面的顶角等于黄赤交角 23.5 。 于是天极在天球上绕

16、黄极描绘出一个半径为 23.5 的小圆 ， 也使春分点沿黄道以与太阳周年视运动相反的方向每 25800年旋转一周 ，每年西移约 50.3 。 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。第47页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 阳光对地球不同纬度的入射角 第48页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 光线入射角度的地表效应 第49页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二偏心率、黄赤交角、 岁差 偏心率（ eccentricity, e）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。目前地球

17、轨道的偏心率为0.017或1/60， 地质历史上存在 10万年、40万年两种变化周期, 其值在0.0050.0607之间。 冰期均发育于e 的最小值，相当于日地距离增加而日照量减少。 黄赤交角或斜度 （obliquity of ecliptic, ）黄道面与天赤道面的交角 ，即 地轴与地球轨道面夹角的余角。 现在是23 26 21.42 , 地质历史上存 在4万年左右的周期，其值变化于22 02 24 30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。 岁差（precession, P）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（“岁岁有差 ”）

18、。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进动。最近一次岁差周期约 2.5万 年，地质历史上一般在 1.92.3万年之间(平均 2万年左右）。 P 值变化对赤道带气候影响较大，对极区影响较小。 第50页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二地质记录中的轨道旋回证据 沉积纹层组合的时间匹配关系 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： 由小到大可分别称为 纹层、 层束、 层束组、超层束组， 它们的周期值大体为2万年、4万年、10万年、40万年。 因此推论分别相当于 岁差、 斜度、偏心率、长偏心率旋回 长偏心率：偏心率=1:4、

19、 偏心率：岁差 =1:5。第51页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 一比五的时间匹配超层束组：层束组：层束：纹层 偏心率：岁差 十万年：二万年 第52页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 成层岩石中规律性 一：五 旋回组合第53页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 南阿尔卑斯山脉灰岩峭壁第54页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二米兰科维奇周期 偏心率 斜度 岁差的沉积记录第55页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二太阳系内的星体撞击彗木撞击事件引起的反思 第56页，共70页，2022年

20、，5月20日，21点28分，星期二苏梅克-利维彗星列车的发现过程 成功经验: 1. 三结合科研集体 2. 迅速的国际学术联系 第57页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 第58页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 万古奇观 长达十六万千米的 彗星列车撞击木星第59页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二连珠炮式彗木撞击 第60页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 碎块 A 撞击后 升起的火球 第61页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二 第62页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二彗木撞击的破坏能量1994年7月19日4时15分22日 16时（北京时间）人类第一次科学预报并进行实时的定量化科学测算。 在130小时内共计22次较大的“连珠炮式”撞击（编号A- V），相当于20亿颗广岛原子弹爆炸总能量！平均每秒钟爆炸4200颗！ 美国9.11恐怖事件1/20广岛原子弹破坏能量。 木星上的撞击点相当于地球的80%面积，瞬间温度30000 50000。第63页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二第64页，共70页，2022年，5月20日，21点28分，星期二公元前5万年形成的陨击坑 位于美国亚利桑那州