地球概论课件

第二章地球的宇宙环境恒星和星系恒星星系太阳和太阳系太阳太阳系月球和地月系月球地月系EastChinaNormalUniversity第三节恒星和星系天文学的研究对象：天文学的研究对象是天体。它研究天体的位置和运动、研究它们的化学组成、物理状态和过程，研究它们的结构和演化规律，研究如何利用关于天体的知识造福人类。四方上下曰宇，往古来今曰宙。（战国《尸子》）空间时间天文学概说学科体系按研究方法分天体测量学：研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。天体力学：研究天体的空间运动规律。天体物理学：研究天体的引力场、磁场、辐射等现象和规律。按观测手段分光学天文学射电天文学红外天文学空间天文学作用为人类提供准确的时间，为测绘、航空、航海服务；天体力学知识提供了人造卫星轨道计算方法，促进航天技术的发展；天体物理学研究并预报太阳活动的变化规律，对人类有重大意义；在探索宇宙奥秘，发现自然规律等基本理论研究方面也占有重要地位。EastChinaNormalUniversity图2-1

恒星的空间速度及其两个分量：视向速度和切向速度（自行）。恒星一、恒星及其自行定义：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。恒星空间速度的两个分量：视向速度和切向速度

恒星自行 恒星的自行速度，一般都小于每年0.1″，迄今只发现有400余颗恒星的自行超过每年1″。图2-2

北斗七星的自行及形状变化EastChinaNormalUniversity二、恒星的亮度与光度恒星的发光恒星演化史上某个阶段的现象；要有巨大的质量。发光强度、体积、距离表示单位：星等（星等越小，亮度越大）亮度—视星等m光度—绝对星等M恒星的亮度和视星等亮度：是指地球上的受光强度或恒星的明暗程度。星等：星等相差1等，亮度相差2.512倍。R5=100，5lgR=2,lgR=0.4,R=2.512星等有零和负值，数字越小，亮度越大。星等以等差级数增大，亮度以等比级数递减。例：太阳的亮度-26.74等，是一等星亮度的(2.512)27.74=1300亿倍。EastChinaNormalUniversity假设有两个恒星,其亮度为E和E0，星等为m和m0。则：

E/E0=2.512m0-m

（2-1） 两边取对数,且有

lg2.512=0.4，得：

lgE0-lgE=0.4(m-m0

)

m-m0=2.5(lgE0-lgE)（2-2） 如果取零等星(m0=0)的亮度E0=1，则

m=-2.5lgE

（2-3）普森公式，根据恒星的亮度E推算星等m。图2-3

光源的视亮度与其距离的平方成反比，距离增加1倍，亮度便减为1/4EastChinaNormalUniversity亮度与距离的平方反比律EastChinaNormalUniversity光度和绝对星等标准距离10秒差距下的恒星亮度称绝对亮度，其星等称绝对星等。视星等、绝对星等和天体距离的关系设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度，由公式(2-1)得：

EM/Em=2.512(m-M)恒星亮度与距离平方成反比，如以秒差距为单位，则：

EM/Em=

d2/102

d2/102=2.512(m-M)

EastChinaNormalUniversity两边取对数，且有lg2.512=0.4，则：

2lgd-2=0.4(m-M

)

m-M

=5lgd-5

M=m+5-5lgd

（2-4）只要测定恒星的绝对星等，便可求知该星的距离。EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity三、恒星的发光和光谱恒星的发光恒星演化史上某个阶段的现象；要有巨大的质量。恒星的光谱恒星的光谱反映恒星温度的高低；光谱中的吸收线和发射线反映恒星化学组成(化学组成大同小异,主要成分是氢)。恒星光谱型按温度递减的顺序分为七类

恒星的周年视差：当日地连线（即地球轨道半径）同星地连线相垂直时（这种情况每年有二次），同一恒星的视差位移达到极大值。这个极大值被称为该恒星的周年视差，或简称年视差。四、恒星的距离恒星视差视差测距原理恒星视差恒星的距离：

秒差距秒差距：π＝1″时的距离若以秒差距为长度单位，则恒星的周年视差与距离成反比；恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒差距互为倒数：

D。天文学常用的距离单位

—天文单位，光年，秒差距1天文单位=1.496×108公里1光年＝9.46×1012公里＝63240天文单位1秒差距=206265天文单位=3.26光年EastChinaNormalUniversity五、恒星的多样性单星，双星，星团变星，新星，超新星巨星，超巨星，白矮星脉冲星，中子星光谱-光度图通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置。太阳位于主星序的中部，可见它是一颗很典型的恒星。图2-4

光谱-光度图图2-5

恒星大小的比较EastChinaNormalUniversity六、恒星的演化

现代天体物理学最大的成就之一就是基本上说明了恒星演化和元素演化两个重要问题。发生→发展→衰亡→转化EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity恒星是由星云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用下，收缩成比较密集的气体→引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量→向赫罗图上某个主序位置移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。EastChinaNormalUniversity恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度→热核反应代替引力收缩成为主要能源→温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡→恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命”的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小→质量愈大,引力愈强→它必须维持较高的温度和较久的辐射功率以与引力收缩抗衡→它的氢燃料消耗更快，寿命更短。EastChinaNormalUniversity热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域——生命的“晚年”。EastChinaNormalUniversity在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，到1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素→能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃→自行坍塌。EastChinaNormalUniversity红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星→以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星→终其一生。EastChinaNormalUniversity并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。那些质量和体积特别巨大的恒星，演化的最后阶段会发生爆炸——超新星爆发。如留下“残骸”的质量足够大（1.4~3.2倍太阳质量），便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。超过这个限度，甚至连核力也将在引力前面低下头来，中子也会崩塌，形成所谓黑洞。恒星在引力作用下“诞生”，也在引力作用下“死亡”。EastChinaNormalUniversity恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞”。目前没有密度大于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点→引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。EastChinaNormalUniversity星系一、银河与银河系同一事物的两个不同现象银河系是以银河命名的星系（形似圆盘）；银河是银河系主体在天球上的投影（环天光带）。银河系总质量：大约是太阳质量的1400亿倍；星数：1～2千亿颗。EastChinaNormalUniversity银河系结构银河系主体：圆盘体（直径约8万光年）和银晕；圆盘体：核球和银盘；核球中心：银核；银核中心：银心。图2-6银河系结构俯视图：图中十字符号代表银心；三条短黄线是太阳附近的三条旋臂图2-7银河系结构侧视图图中红点代表太阳）EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity二、太阳在银河系中的位置和运动位于银道面附近。银河为周天的环带。太阳在银河系内偏距银盘的一侧，向银心所在方向，太阳距银盘边缘约6.4万光年；向银心相反方向，太阳距银盘边缘约1.6万光年。太阳在银河系中的的运动相对于银心的旋转，其速度为250km/s，绕转周期为2.5亿年；相对于邻近恒星的运动：太阳系以20km/s的速度向武仙座方向（近织女星）前进，此方向所指的点谓之奔赴点。三、河外星系河外星系星系群星系团总星系EastChinaNormalUniversity天体系统层次总星系（宇宙）超星系团本超星系团星系群、星系团本星系群河外星系银河系太阳系其它恒星系四、宇宙EastChinaNormalUniversity科学宇宙：指总星系时间上有起源、空间上有边界；大爆炸宇宙学：在宇宙膨胀理论的基础上发展起来。EastChinaNormalUniversity哲学宇宙宇宙无限；空间无限：无边无际（无边界，形状和中心）；时间无尽：无始无终（无起源，年龄和寿命）。EastChinaNormalUniversity大爆炸宇宙学（1929年）

（Big-bangcosmology）：在宇宙膨胀理论的基础上发展起来。主要观点：宇宙有一段由热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的。而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷，丛密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。EastChinaNormalUniversity大爆炸的整个过程：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。EastChinaNormalUniversity但因为整个体系在不断膨胀，结果温度在不断下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素。化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。EastChinaNormalUniversity这时，宇宙间的主要物质是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度下降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。EastChinaNormalUniversity大爆炸模型能统一地解释以下几个观测事实：大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

注：2003年2月份，美国国家航空航天局曾向全世界公布他们有关宇宙年龄的研究成果。根据其公布的资料显示，宇宙年龄应该为137亿岁。2003年11月份，国际天体物理学研究小组宣称，宇宙的确切年龄应该是141亿岁。地球的形成大约是距今45亿年。EastChinaNormalUniversity观测到河外天体有系统性的谱线位移，而且红移与距离大体呈正比。如果用多普勒效应来解释、那么红移就是宇宙膨胀的反映。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度产生很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。EastChinaNormalUniversity根据宇宙膨胀速度，以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一具体历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一的伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，在微波波段上，果然探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约3K。

上述观测事实无论在定性上还是在定量上都同大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在着一些未解决的困难问题。EastChinaNormalUniversity五、天文新发现

20世纪60年代天文学的“四大发现”：类星体、3K微波背景辐射、中子星、星际有机分子EastChinaNormalUniversity第四节太阳和太阳系太阳一、太阳的距离、大小和质量日地平均距离：1.496×108km（即天文单位）大小：半径约700000km（为地球半径的109倍）表面积：地球表面积的12000倍

体积：地球体积的1300000倍质量：1.989×1030kg（约为地球质量的33万倍）EastChinaNormalUniversity二、太阳的热能、温度和热源太阳热能太阳常数：8.16J/(cm2·min)；平均距离，太阳直射，大气界外；太阳辐射总量：3.826×1026J/s；地球所得：1.74×1017J/s（占22亿分之一）。图2-8推测出的太阳结构与剖面示意图EastChinaNormalUniversity太阳是我们惟一能观测到表面细节的恒星。直接观测到的是太阳的大气层，它从里向外分为

光球→色球→日冕EastChinaNormalUniversity太阳温度根据太阳辐射热量推算的温度称有效温度；根据太阳辐射光谱测定的温度称辐射温度；太阳光球温度：5770K

；太阳中心温度：15000000K；色球温度：100000K；日冕温度：1500000K。EastChinaNormalUniversity太阳热源产热过程：热核反应（氢核聚变为氦核）；产热方式：质量转化为能量；产能中心：在太阳核心。EastChinaNormalUniversity四、太阳活动：太阳大气各种变化的总称（太阳“天气变化”）黑子：扰动太阳的明显标志。耀斑：扰动太阳的主要标志，对地球的影响最强烈。磁暴：电离层干扰。产生极光。光球色球日冕厚度（km）约500约2000从色球顶部延伸至几十（70）个太阳半径处内冕：色球顶部到0.3太阳半径处外冕温度

6800K（底部）～4500K（顶部）

4500K～12万K(顶部)可达100万度颜色黄色玫瑰红白色密度(g/cm3）2×10-7～3×10-8（稀薄）10-8～10-11

约10-15，接近真空外部结构（太阳大气）光球色球日冕主要特征米粒组织（直径300km到1000km之间）黑子：具有强磁场的旋涡，温度低于光球光斑：温度高于光球临边昏暗连续光谱源针状物（很亮的气体组成的射流，“燃烧的草原”）日珥闪光光谱（色球光谱）谱斑耀斑冕洞：日冕上的暗黑区域太阳风：从太阳射出的高能粒子流备注11年的周期日全食时观测色球望远镜观测日全食时观测。日冕仪（人造日全食）米粒组织太阳黑子日珥太阳系

太阳系是由中心天体太阳及其巨大引力作用下，环绕太阳运行的行星、卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质所组成的天体系统。一、太阳系的发现

地心说日心说EastChinaNormalUniversity图2-9以地球和行星共同绕太阳运动来解释行星的视行，这是哥白尼日心说的精髓EastChinaNormalUniversity开普勒行星运动定律第一定律（轨道定律）：行星轨道都是椭圆；太阳位于椭圆的焦点之一；第二定律（面积定律）：行星向径在轨道平面上扫过的面积与时间成正比，即面速度不变；第三定律（周期定律）：两行星周期平方之比，等于其距离立方之比：

T12/T22=a13/a23EastChinaNormalUniversity图2-10开普勒第二定律：面速度不变第一牛顿用万有引力定律，修正了第三定律：

T12(M+m1)/T22(M+m2)=a13/a23 T1和T2分别表示两行星的的公转周期，a1和a2分别表示它们与太阳的平均距离（即各自轨道的半长轴）EastChinaNormalUniversity开普勒认为，行星单纯绕太阳中心运动；牛顿认为，行星和太阳都绕它们的共同质心；质心的位置取决于二者的质量比。开普勒廓清了行星轨道的几何特征，指出了行星怎样运动；获得了“天空立法者”的美誉；牛顿解释了行星运动的物理原因，回答了行星为什么这样运动。至此太阳系理论完全确立。EastChinaNormalUniversity二、太阳系的组成八大行星水星，金星，地球，火星，土星，天王星，海王星。其他成分小行星，卫星，彗星，流星体等。关于太阳系内行星、矮行星、小天体的最新定义：行星：成员包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。定义：围绕太阳运转，自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。矮行星：成员包括冥王星和谷神星等。定义：与行星同样具有足够的质量，呈圆球状，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。太阳系小天体定义：围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的物体。EastChinaNormalUniversity三、行星按照轨道位置划分以地球为界分为地内行星和地外行星；以小行星带为界分为内行星和外行星。按物理性质划分类地行星和类木行星：类地行星：水星，金星，地球，火星距太阳较近，质量较小，平均密度高，以重物质为主，温度高；类木行星：木星，土星，天王星，海王星，离太阳较远，质量大，平均密度低，以轻物质为主，温度低。

八大行星的轨道EastChinaNormalUniversity图2-11行星的轨道大小水星Mercury水星绕太阳一周只需87.969个地球日，而它自转一圈为58.6462个地球日。它的地表温度最高为610k，最低为零下150k。

金星Venus金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似。金星上没有海洋，它被厚厚的主要成份为二氧化碳的大气所包围，一点水也没有。它的云层是由硫酸微滴组成的。在地表，它的大气压相当于在地球海平面上的92倍。

由于金星厚厚的二氧化碳大气层造成的“温室效应”，金星地表的温度高达482摄氏度左右。金星上的一天相当于地球上的243天，比它225天的一年还要长。金星是自东向西自转的，这意味着在金星上，太阳是西升东落的。指“启明星”或“长庚星”，它是目前为止天空中最亮的星。火星Mars火星是太阳系中与地球最相似的一颗行星。它的体积比地球小，大气也比地球稀薄。

火星的体积比地球小，大气也比地球稀薄。大气压只有地球的千分之七。主要成份是二氧化碳，其他成份还有氮、氩、氧等。水在火星大气中的比重只有百分之零点零三。因而火星表面异常干燥。火星的平均气温为零下五十五摄氏度，而温差较大：在夏季的昼间，气温最高为二十摄氏度，而在冬季，气温则可低达零下一百多摄氏度。火星上经常有强风，因而常导致大范围的尘暴。

虽然火星大气中的水少得可怜，但科学家们发现，火星上的许多地区有被侵蚀的迹象，而且那纵横交错的河床似乎在告诉我们，火星上曾经有过液态的水，而且水还很多，它们聚集成大大小小的湖泊，甚至海洋。科学家们作出的解释是，在火星的形成初期，这个星球被厚厚的二氧化碳云层所包裹，导致了强大的"温室效应"，受太阳辐射后，火星表面的热量被云层阻隔，无法散发到外层空间，使得气温升高，使水能以液态存在。那时的火星温暖湿润，可能孕育过生命。在火星的两极有大量的固态二氧化碳，科学家们猜测，在这些巨大的冰盖下面可能存在着固态的水。木星Jupiter木星是太阳系中最大的行星。质量是太阳系中其它行星质量总合的两倍多。它没有固体外壳，它是一颗由液态氢组成的液态星球。

木星核是由铁和硅组成的固体核，温度高达30000℃。液态的氢分子层与液态的金属层合称为木星幔。外面是大气层，厚度有1000千米，几乎全由氢和氦构成。最引人注目的是位于木星南热带内的大红斑，它呈蛋形，长40000千米，宽14000千米。

土星Saturn土星是太阳系中唯一密度比水小的行星。是太阳系中卫星最多的大行星，23颗。

天王星Uranus天王星的赤道面与轨道面的倾角为97°55′以躺着的姿势绕太阳运动。

天王星还有结构复杂的光环，它由至少20个亮环组成，亮环之间还夹杂着很多暗环。海王星Neptune海王星是一个狂风呼啸、乱云飞渡、富有生气的世界。大气中有许多湍急紊乱的气旋在翻滚。在海王星的南半球有一个醒目的大黑斑，其形状、相对位置和行星的大小比例竟与木星大红斑类似。天文学家认为它也是一个大气旋，是令人惊心动魄的风暴区。

四、矮行星dwarf

planet

定义：与行星同样具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体、且不是一颗卫星的天体则被称为矮行星。谷神星Ceres

冥王星Pluto

卡戎Charon

“2003UB313”(昵称“齐娜”)冥王星Pluto和卡戎CharonEastChinaNormalUniversity五、彗星和流星体彗星本质上是在偏心率很大的轨道上绕日运行的冰物质彗星的奇特外貌是它通过近日点前后的暂时现象哈雷彗星EastChinaNormalUniversity图2-13哈雷彗星的轨道5,200,000,000kmEastChinaNormalUniversity图2-14彗星的结构短周期彗星与非周期彗星彗星的结构慧核慧发慧尾离子慧尾尘粒慧尾六、流星和流星体流星

火流星

偶发流星

EastChinaNormalUniversity图2-15下半夜的流星多而且明亮流星雨meteorshowerEastChinaNormalUniversity七、太阳系起源的星云假说行星轨道的共同特征：同向性，共面性，近圆性星云假说的基本论点形成太阳系的物质基础是弥散星云；形成太阳系的动力来源是自引力。意义：在“僵化的自然观上打开第一个缺口”（恩格斯语）。2-16太阳系起源示意图1太阳星云2星云变成扁球形3原始太阳和

圆环体4太阳和行星的形成5太阳系EastChinaNormalUniversity太阳通过热核聚变，靠燃烧集中于它核心处的大量氢气而发光，平均每秒钟要消耗掉600万吨氢气。就这样再燃烧50亿年以后，太阳将耗尽它的氢气储备，然后核区收缩，核反应将扩展发生到外部，那时它的温度可高达1亿多度，导致氦聚变的发生。以后太阳会极度膨胀，进入所谓"红巨星"阶段，它的光亮度将增至如今的100倍，并把靠它最近的行星如水星、金星吞噬掉，地球也会被"烤焦"，生命将无法继续生存。随着时间的推移，太阳会越来越快地耗尽它的全部核能燃料，步入风烛残年，随之塌缩成一颗黯淡的白矮星。在这种白矮星上，一块火柴盒大小的物质就可达1吨左右。白矮星没有核反应，它是恒星核反应结束以后留下的残骸，依靠收缩自己的体积来继续辐射出微弱的能量，最后，太阳将成为一个无光无热的"褐矮星"，消逝在茫茫的宇宙深处，结束它辉煌而平凡的一生。EastChinaNormalUniversity月球据测定，月球的地平视差为57'

，它与地球半径r和月地距离d的关系为：

csc57'=d/r

d=rcsc57'=60r即月地距离为地球半径的60倍。第五节月球和地月系图2-17地平视差天体位于天顶时，视差为零；天体位于地平时，视差最大，称为天体的地平视差EastChinaNormalUniversity一、月球的距离和大小月地平均距离：384400公里半径：1738公里，地球赤道半径的27.25%表面积：地球表面积的7.4%体积：地球体积的2.03%质量：7.196×1022kg，地球质量的1/81.3平均密度：3.34g/cm3，约为地球的60.5%月面重力加速度：1.622m/s2，约为地面的1/6EastChinaNormalUniversity二、月球表面月海月陆环形山辐射纹月谷

三、月面的物理状况月海，月陆，环形山没有大气，没有水分，没有生命地月系一、地月系的绕转EastChinaNormalUniversity图2-18月球和地球都绕它们的共同质心而运动（共同质心在地球内部位置的变化）EastChinaNormalUniversity月球绕转地球轨道形状椭圆，偏心率0.0549；白道：月球轨道在天球上的投影；黄白交角：白道面相对于黄道面的交角（5º9'

）；周期：27.32日（恒星月）；速度：角速度：33'/小时，线速度1.02km/s。

EastChinaNormalUniversity几个概念恒星月：月球在白道上连续两次通过同一恒星（无明显自行）所需的时间：27.3217日。从这一次新月（或满月）到下一次新月（或满月）所经历的时间：29.5306日。近点月：以月球近地点为参考点，月球的公转周期：27.5546日。交点月：以月球升交点（或降交点）为参考点，月球的公转周期：27.2122日。EastChinaNormalUniversity依月球公转周期可求出月球公转角速度：

360°÷27.3217日=13.2°/日 即为月球公转平均角速度由于月球公转轨道是个椭圆，所以公转速度是不均的。近地点最快，约为15°/日；远地点最慢，约为11°/日。月球在公转轨道上平均每日自西向东移行了13.2°，因地球自转所造成的月球自东向西的周日视运动，必然逐日向后推迟，地球自转13.2°约需52分钟，所以月球每日出没地平的时间平均向后延迟52分钟。这就是我们日常所见明月当空逐日推迟的道理。EastChinaNormalUniversity月球绕地的角速度为13°10′/日，太阳周年运动速度为59’/日，二者相差：

13°10′/日-59′/日=12°11′/日 此即月球相对于太阳的会合速度，月球以此速度赶超太阳的周期为：

360°÷12°11′=29.53(日)EastChinaNormalUniversity图2-19月球的同步自转，使它始终以同一半球对着地球月球自转月球自转与其公转同步，即方向相同，周期相等。因此称同步自转；大体上只看到相同的半个月面。地球EastChinaNormalUniversity二、月相和朔望月月相变化的因素：太阳照射方向；地球观测方向方向相反，新月；方向相同，满月；方向垂直，上下。EastChinaNormalUniversity图2-20

月相的变化（一）上半月由亏转盈，凸面向西，下半月由盈转亏，凸面向东（外圈表示地球上所见的月相）太阳光线上图：旧历上半月傍晚所见的月亮；EastChinaNormalUniversity图2-20

月相的变化（二）下图：旧历下半月清晨所见的月亮

月相变化周期：29.5306日（朔望月）月相、方位和时刻月相

距角

与太阳出没比较

月出

中天

月落

见月时间

新月0º

同升同落

清晨正午黄昏彻夜无月满月180º此起彼落黄昏半夜清晨通宵见月上弦月90º迟升后落正午黄昏半夜上半夜西天下弦月270º早升先落半夜清晨正午下半夜东天月亮愈圆见月时间越长；月牙愈窄，见月时间愈短。满月通宵可见，弦月半夜可见，新月则不见。第六章地球的结构和物理性质

地球的形状和大小地球是一个球体地球是一个扁球体地球是一个不规则的扁球体地球的结构地球的圈层结构地球的表面结构地球内部的物理性质地球的磁性地球的质量和密度地球的重力和压力地球内部的温度和热源第十三节地球的形状和大小

地球的形状指理论上的表面形状（全球静止海面或大地水准面）证据地球大小的测定地球引力与地球形状一、地球是一个球体二、地球是一个扁球体钟摆在赤道附近变慢，重力变小地球自转与地球形状直接造成地球扁球体的是自转的惯性离心力它的水平分量指向赤道；垂直分量在很小程度抵消一部分重力地理纬度和地心纬度地理纬度是地面法线同赤道面的交角强调弧的度数地心纬度是地球半径同赤道面的交角强调弧所张的球心角地理纬度>地心纬度因经线曲率自赤道向两极递减南北纬45度，二种纬度的差值最大（1132）因南北纬45度的经线曲率是平均值，是两种纬度间差值持续增加的终点和持续减小的起点三、地球是一个不规则的扁球体参考扁球体十分迫近大地水准面形状的扁球体；以大地水准面对于参考扁球体的偏离大小来表示前者形状。关于“梨形地球”似梨：第十四节地球的结构

一、地球的圈层结构地球的外部结构岩石圈、水圈、大气圈、生物圈地震波与地球内部结构体波：纵波（P波）、横波（S波）面波地球的内部结构四个圈层地壳————莫霍洛维奇界面（莫霍面），地面以下20—30km，P波、S波波速急剧上升地幔————古登堡界面，2900km，P波速度急剧下降，S波停滞不前外核————利曼界面，5100km，P波又急剧加速，S波重新出现内核各圈层物质组成二、地球的表面结构地球表面的海陆分布水半球与陆半球陆地大陆：七大洲岛屿：大陆岛、火山岛、珊瑚岛大陆轮廓特征北宽南窄，呈倒三角形较大的岛屿群大多位于大陆东岸大陆东岸有系列岛弧分布大洋两岸轮廓相似，一个大陆的凸出部分正好是另一个大陆的凹进部分大陆的东西边缘多隆起的高山，中部有低陷的平原大陆漂移学说、板块碰撞学说

世界地图

东非大裂谷海洋海：地中海、内海和边缘海洋：太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋大洋海底地形特征在大洋边缘，有一个坡度和深度都不大的海陆间的过渡地带—大陆架。在大陆向深海的一方，有一个深度不大而坡度特大的地带—大陆坡。大陆架和大陆坡之外是海盆，是海洋的主体部分。海盆里有海岭、海沟和洋中脊。第十五节地球内部的物理性质一、地球的磁性地磁和地磁要素磁极、磁轴、磁赤道地球磁场是弱磁场地磁要素：磁倾角与磁偏角地磁要素的分布偶极磁场与非偶极磁场磁极、地磁极、地理极和磁赤道、地磁赤道、地理赤道的区别无偏线地磁异常地磁要素的变化地磁要素的长期变化地磁要素的短期变化平静变化干扰变化：如磁暴地球磁层和辐射带地球磁场的成因居里点二、地球的质量和密度地球的质量和平均密度地球内部的密度圈层上限深度（km)上限密度（g/cm）下限深度（km）下限密度（g/cm）地壳0152.83地核153.3128785.62外核28789.89516112.70内核516112.70637113.00EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity三、地球的重力和压力地面重力及其纬度分布地面重力因纬度而不同，其原因是由于地面上的引力和自转的惯性离心力，都因纬度而不同。地面上的引力两极最大、赤道最小。地球内部的重力地面以上，重力因高度而不同地面以下，重力因深度而不同EastChinaNormalUniversity地球内部的压力从地面到地心，地球内部的压力一直随深度的增加而增加。压力增加的速度因深度而不同同一深度压力的大小相同。地球表面存在海洋和陆地的差异EastChinaNormalUniversity四、地球内部的温度和热源地球内部的温度地温梯度：地内温度随深度而增加的速度地内温度随深度增加而升高，地心是全球最高温度所在；温度随深度升高的速度，却随深度的增加而降低。EastChinaNormalUniversity地球内部的热源和温度的演变地面热能来源：太阳+地球内部地球内部热源地内物质因受到压缩增温而放出热量；内物质分异成地壳、地幔和地核过程中，重物质下沉轻物质上升，因降低重力位能而产生大量热能；而地球自转速度减慢过程中所消耗的动能一部分转化为热能。第三章地球的运动地球的自转地球自转及其证明：傅科摆实验地球自转的规律性：极移、进动，地球自转的周期、速度，真太阳日与平太阳日地球自转的后果：天体的周日运动，水平运动的偏转地球的公转地球公转及其证明：恒星周年视差、光行差、多普勒效应地球公转的规律性：公转轨道、周期、速度地球公转的后果：恒星周年视差，太阳周年运动，行星同太阳的会合运动，月球同太阳的会合运动

第六节地球的自转

地球自转及证明一、傅科摆实验北半球为顺时针偏转，证明了地球自转的为逆时针（向东）方向；偏转速度为sinφ·15°/h，在两极，傅科摆偏转速度最大，等于地球自转的角速度；（30°N，θ=7.5°/h）证明了地球自转的周期傅科摆的特点是绳长、锤重，使摆动能持续较长时间，并在沙盘上留下摆动的轨迹。图3-1傅科摆示意图

该傅科摆是一个镀金球体,球内装有一些铜,球体由一根不锈钢丝从75英尺高的天花板上悬吊下来。万向接头使它可以自由地朝任何方向摆动。傅科摆下方的电磁铁抵销了空气摩擦力,使摆可以持续地均匀摆动。由于地球的自转,摆在一天中摆动的方向似乎会变化。这个球体需要36小时45分钟才能完成一个周期。图3-2联合国总部的傅科摆二、落体偏东：高空下落的物体，由于原来的自转线速度大于地面，因而有趋前（即偏东）的现象。（在很深的矿井中做实验）三、水平运动的偏转：北半球向右，南半球向左四、天体的周日视运动：自东向西图3-3落体偏东

由地面上A点自由下落的物体，在地球不自转时，应落到a点；在地球自转时，由于A点的初速度大于a点的初速度，物体落到地面时，a点转到a’点，A点下落的物体的落点超前于a’，到达a”点，a”在a’的东边，即“落体偏东”。地极：地球瞬时自转轴与地球表面的交点。

CIO（国际习用原点）：统一的地极坐标原点极移（polarmotion）定义：地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。（或南北两极在地面上的移动）原理：地球内部物质不均匀性，不规则椭球体造成。

地球自转的规律性一、地轴和极移极移特征：南北两极在地面上的移动，极移范围不超过±0.″4，15米极移周期：包括14个月的周期，1年为周期的受迫摆动（主要成分）结果：各地经纬度变化，不造成天北极在天球上的变化。

极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化；进动造成天极的移动，不涉及地极在地面上的位置的变化图3-4极移与进动的比较二、地轴进动（岁差：Precession）定义：在外力作用下，地轴绕黄轴的缓慢的周期性的圆锥形运动，引起了春分点位置沿黄道的西退和天北极位置在星空中的变迁。（或地轴绕黄轴的圆锥形运动）地轴的一种圆锥运动圆锥轴垂直于轨道平面，指向黄极；圆锥半径23

（黄赤交角）；方向向西（与地球自转和公转方向相反）；速度每年50

（主要为日月岁差，还有行星岁差）

；周期25800年。图3-5左：陀螺的进动（向东）右：地球的进动（向西）地轴进动的原因地球形状；黄赤交角；地球自转。图3-6力矩M1>M2，合力矩使地轴趋近黄轴地轴进动的表现天极周期性运动；北极星变迁；赤道面（和天赤道）的系统的变化；二分点沿黄道西移（交点退行）；图3-7北极星的变迁使回归年小于恒星年（我国古称“岁差”）太阳巡天一周，有别于季节上的一周岁，差值为20

；春分点西移：赤道坐标系中：恒星赤经和赤纬都缓慢而持续变化；黄道坐标系中：春分点沿黄道西移，恒星黄经持续变化，黄纬不变。

三、地球自转的周期恒星日：同一恒星连续两次在同地中天的时间，地球自转的真正周期（有细微差别），23小时56分恒星日是同恒星时（春分点的时角）相联系的；天文学以春分点定义恒星日；太阳日：太阳连续两次在同地中天时间

24小时00分太阴日：月球连续两次在同地中天时间

24小时50分太阳日和太阴日不同，二者具有不同的速度图3-8太阳日与恒星日四、地球自转的速度角速度：除极地为0外，全球相等。线速度：随纬度增大而减小，随高度增大而增大。地球自转速度的变化：长期变慢季节变化不规则变化图3-9地球自转速度演示角速度：15

/h线速度：V0＝2

R/T=465m/sV

V0

cos

V0为赤道上的线速度V

为纬度

上的线速度

T/s为地球自转周期

R/m为赤道半径

地球自转的后果一、不同天体的周日运动恒星周日运动的路线（周日圈），即各自所在的赤纬圈，都以南北天极为不动的中心天和地的关系，犹如球面和球心的关系，周日运动的方向应同地球自转方向相反恒星周日运动的周期和速度，如实反映了地球自转的周期和它的角速度二、不同纬度的周日运动恒显星、恒显区和恒显圈恒显星：在北半球看来，天北极周围恒星永不落地平，这部分周日圈全部位于地平以上的恒星；恒隐星：天南极周围恒星永不升起南方地平，这部分周日圈全部位于地平以下的恒星；出没星：介于上述两部分星区之间的恒星，有东升西落，这部分周日圈与地平圈相交的恒星；图3-10不同纬度的天球周日运动

（左）：在北极，只有恒显星和恒隐星，而无出没星；周日圈平行于地平圈。（中）：在赤道，只有出没星，而无恒显星和恒隐星；周日圈垂直于地平圈。（右）：在北半球某纬度，南北天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北是出没星。北天恒星在地平以上的时间较长，南天恒星反之。周日圈倾斜与地平圈，倾角为当地余纬（90-

）。恒显星区：恒显星在天球上的赤纬范围；恒显圈：恒显星区的界线，即在北点与地平圈相切的赤纬圈。纬度越高，恒显（隐）星区愈大，出没星区愈小：周日圈与地平的交角愈小；纬度越低，恒显（隐）区愈小，出没区愈大：周日圈与地平的交角愈大。恒显（隐）圈的仰（俯）极距=

出没星区宽度=2(90

－

周日圈与地平交角=90

三、水平运动偏转偏转方向：北半球偏右，南半球偏左科里奥利力（地转偏向力）

F

V

m·sin

科里奥利力只改变运动方向，不改变速率影响地球大气环流，对形成行星风带、天气系统和洋流有重要作用

第七节地球的公转

地球公转及其证明一、恒星周年视差恒星年视差地球轨道位置对恒星视位置的影响；当日地连线垂直星地连线时，视差位移达最大值（每年二次），为该恒星年视差大小。图3-11（上）恒星年视差当地球轨道半径垂直于星地连线时，同一恒星的视差位移达极大，被称为该恒星的年视差。图3-12（下）恒星年视差恒星愈远，其年视差愈小（比邻星年视差为0.76

）；恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒差距互为倒数：

D

恒星愈远，其年视差愈小。若年视差以角秒为单位，距离以秒差距为单位，则二者互为倒数。图3-13恒星年视差与恒星距离

椭圆的偏心率因黄纬而不同：在黄极是正圆，在黄道是一直线，其余都是椭圆。不论偏心率大小如何，圆的半径，椭圆的半长轴和直线的一半，都是恒星年视差。图3-14恒星年视差椭圆恒星愈远，其年视差愈小（比邻星年视差为0.76

）；恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒差距互为倒数：

D二、光行差光行差是由于地球轨道速度对于光速的影响，使星光视方向与真方向之间存在着一定的偏离，这就是恒星的光行差位移。地球向某一恒星接近，在相互关系上，也可以看作该恒星向地球接近。在地球上的观测者看来，来自恒星的光线，既以每秒300000千米的速率投向地球，同时，又以每秒30千米的速率作平行于轨道面的运动。这样，地球上所看到的星光的视方向，实际上是这两种运动的合成方向，因而不同于星光的真方向。

V

雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨伞愈应向前方倾斜。与此类似的，地球的轨道速度：

=30km/s星光光速：

V=300000km/s则：

tan

=30/300000=0.0001

=20.47

这个角度为光行差常数。图3-15光行差与雨行差示意图图3-16光行差由于地球轨道速度对于光速的影响，使星光视方向与真方向之间存在着一定的偏离，这就是恒星的光行差位移。图3-17光行差椭圆

地球公转以一年为周期，恒星视位置绕转其真位置也以一年为周期，恒星视位置的绕转路线，被叫做光行差轨道，其形状则因恒星的黄纬而不同。在南北黄极，光行差轨道是半径为20"的椭圆（与地球轨道形状相同）。在黄道上，变成长度为20"

2的一段直线。在其他黄纬，光行差轨道都是半长轴为20的椭圆：愈近黄极，椭圆扁率愈小；愈近黄道，椭圆扁率愈大。年视差和光行差比较黄纬愈高，年视差椭圆的偏心率愈小；恒星年视差沿轨道半径方向偏离其平均位置；恒星光行差则沿轨道切线方向偏离其真位置。三、多普勒效应地球轨道速度对星光频率的影响。图3-18年视差（左）和光行差（右）的比较恒星年视差位置的偏离方向，二者有90

之差。图3-19地球与地球共转轨道面的交角6634′地球公转的规律性一、地球轨道轨道形状：椭圆轨道半长轴（a）：149600000km；天文单位轨道半短轴（b）：149580000km；半焦距（c）：2500000km；周长（l）：940000000km；偏心率（e=c/a

）：0.016；扁率（f=(a-b)/c

）：

7000。⒊相关概念偏心率（c/a），扁率（f=(a-b)/c）,天文单位（轨道半长轴），中距点（地球轨道短轴的两端，地球4月初和10月初过中距点），近日点与远日点（分别位于长轴的两端，地球1月初归近日点，7月初过远日点）太阳在轨道中的位置：两焦点之一近日点（地球一月初经过）：147100000km；远日点（地球七月初经过）：152100000km。中距点（地球轨道短轴的两端，地球4月初和10月初过中距点）图3-20地球的近日点和远日点图3-21地球的轨道面二、黄赤交角三、地球公转的周期

参考点周期名称地球公转角度周期长度（日）恒星恒星年360°365.2564春分点回归年359°59′9″.74365.2422近日点近点年360°0′11″365.2596黄白交点交点年（食年）341°.6346.6200

恒星年，地球公转真正周期；回归年，季节变化周期；近点年和交点年均与日月食发生有关。参考点自东向西移动，对应周期缩短，如回归年、食年；参考点自西向东移动，对应周期加长，如近点年。图3-22四种年的比较四、地球公转速度角速度：平均每日59

（因距离而变化）线速度：平均每秒30km（因距离而变化）面速度：不变（开普勒第二定律）一、恒星周年视差二、太阳周年运动二十四气

我国古代把黄道按黄经等分为24个弧段。从太阳黄经270°冬至起，每段跨黄经15°。太阳在黄道上视行通过这二十四等分点的日期时刻，结合地面上的物候气候的特征给以专名，形成二十四节气。在二十四节气中，逢单数的叫节气，逢双数的叫中气。

黄道十二宫西方的天文学家把黄道按黄经等分成12个弧段，叫做黄道十二宫，每宫跨黄经30°。名称来源于它们几千年前所在的星座。

二分点、二至点地球公转后果二十四气表

节气太阳黄经太阳赤纬阳历日期间隔日数中气太阳黄经太阳赤纬阳历日期间隔日数立春315°-16°20′2.4（5）14.83雨水330°-11°32′2.19（18）14.93惊蛰345°-5°57′3.6（5）15.04春分0°0°3.21（20）15.17清明15°5°57′4.5（4）15.30谷雨30°11°32′4.20（21）15.43立夏45°16°20′5.5（6）15.54小满60°20°16′5.21（22）15.64芒种75°22°44′6.6（5）15.70夏至90°23°26′6.21（22）15.73小暑105°22°44′7.7（8）15.71大署120°20°16′7.23（22）15.68立秋135°16°20′8.8（7）15.61处暑150°11°32′8.23（24）15.51白露165°5°57′9.8（7）15.38秋分180°0°9.23（24）15.25寒露195°-5°57′10.8（9）15.12霜降210°-11°32′10.23（24）15.00立冬225°-16°20′11.7（8）14.89小雪240°-20°16′11.22（23）14.80大雪255°-22°44′12.7（8）14.75冬至270°-23°26′12.22（21）14.72小寒285°-22°44′1.6（5）14.72大寒300°-20°16′1.21（20）14.76二十四气表

（续）

图3-25一年的不同时间在地球上能看到的星座图3-26黄道十二宫与星座间的关系三、行星同太阳的会合运动行星同太阳的会合运动：太阳和行星都在天球上沿黄道带（黄道南北8°的球带）运动，由于它们的周期和角速度各不相同，因而彼此间存在着相对运动。这种相对运动，叫做行星同太阳的会合运动（又叫行星的动态)行星与太阳的会合运动实质是行星同地球的会合运动会合周期：设E、P分别表示地球和行星的周期，S为会合周期。便有：

360

S

=360+

3- 360

S

=

3-

代入(1)，消去

，整理后，得：

1/S=1/P-1/E

同理，地外行星则有：

1/S=1/E-1/P周期相差愈大，会合周期愈短；反之，则愈长。图3-27会合速度角速度是周期的倒数。行星与地球的会合速度（1/S），就是二者的角速度（1/P和1/E）之差。左图：地内行星右图：地外行星行星同太阳相对位置的变化地内行星：上合—东大距—下合—西大距—上合行星与太阳的距角（或黄经差）在0°～大距之间变化金星的位相地外行星：合—西方照—冲—东方照—上合行星与太阳的距角（或黄经差）在0°～360°之间变化

图3-28行星的会合运动(假定地球不动)左图：地内行星右图：地外行星图3-29行星的会合运动（地球和行星同时运动）左图：地内行星右图：地外行星行星相对于恒星的视运动顺行：行星相对于恒星向东运动。逆行：行星相对于恒星向西运动。地内行星在下合前后逆行；地外行星在冲日前后逆行。留：顺行与逆行的转折处，留时，行星的视位置保持不动。行星的顺行、逆行是周期性的，其周期等同于上述的会合周期。图3-40行星的逆行左图：地内行星；右图：地外行星

图3-41地内行星留的解释地内行星在东大距以后和西大距以前，地外行星在西方照以后和东方照以前，都要通过留。行星的逆行图3-42火星相对于恒星的视运动在一个会合周期里，行星的动态地内行星：上合—东大距—留—下合—留—西大距—上合顺行段|逆行段|顺行段|||不可见

昏

见

不可见

晨

见

不可见地外行星：

合—西方照—留—冲—留—东方照—合顺行段|逆行段|顺行段

|||不合后,冲日,冲后,不可日出前与太阳日没前可见升起,此起升起,见以后彼落,并逐日逐日整夜提早提早可见四、月球同太阳的会合运动类似于地外行星同月相变化相联系朔望（合和冲）上下弦（东西方照）始终向东没有逆行会合周期（朔望月）：1/S=1/M-1/E

图3-43恒星月与朔望月的比较第四章地球运动的地理意义四季和五带太阳回归运动昼夜长短及其变化规律太阳高度及其变化规律四季和五带历法阴历阳历阴阳历时间时间的本质和含义时间的计量原理时间服务第八节四季和五带太阳回归运动一、太阳回归运动和太阳赤纬的周年变化

EastChinaNormal

University形成四季和五带的根本原因是黄赤交角由于黄赤交角，使太阳周年运动表现为对于天赤道的回归运动回归线：太阳回归运动的南北界线回归年：太阳回归运动的周期晨昏线（圈）：分纬线（圈）为昼弧和夜弧二部分，昼弧和夜弧的弧长，决定该地昼长和夜长：每15º折合1小时EastChinaNormal

University太阳回归运动定量地表现为太阳赤纬的变化。任何时候，太阳赤纬总是等于太阳直射点纬度）二十四节气按太阳黄经划分，其更重要的区别在于太阳赤纬的不同太阳赤纬决定：昼夜长短和正午太阳高度EastChinaNormal

University二、太阳回归运动与地球公转根据太阳黄经求知所对应的太阳赤纬： sin

=0.4sin

太阳回归运动的根本原因，是地球公转的南北分量EastChinaNormal

University昼夜长短一、昼夜长短概说晨昏线：昼夜两半球之间的分界线。各地昼夜长短，因晨昏圈随太阳直射点的移动而发生变化EastChinaNormal

University图4-1春秋二分：太阳直射赤道，晨昏线等分所有纬线，全球昼夜平分图4-2北至日：太阳直射北回归线，北半球各地昼最长，夜最短；北极圈内为极昼。南半球则相反EastChinaNormal

University图4-3南至日：太阳直射南回归线，南北半球的昼夜长短与北至日相反EastChinaNormal

University半昼弧公式地平圈分太阳周日圈（赤纬圈）为昼弧和夜弧两部分

cost=-tan

tan

（式中的

和

皆以北半球为正，南半球为负）此公式表明，决定昼夜长短有两个因素：当地地理纬度

和当时的太阳赤纬

（即太阳直射点纬度）。前者是空间因素，即地理因素；后者是时间因素，即季节因素EastChinaNormal

University简言之：昼夜长短因纬度而不同，因季节而变化昼夜等长条件：t=90°,cost=0,

若：

在赤道上终年昼夜等长。

在春秋二分时，全球昼夜等长回归线：太阳回归运动的南北界线昼长夜短条件：

，

同号（太阳直射半球）昼短夜长条件：

，

异号（非太阳直射半球）EastChinaNormal

University极昼(极夜)条件：

=

,(

=-(

))二、昼夜长短的纬度分布全球分极昼，昼长夜短，昼短夜长，极夜四个地带（两分除外）

为正值，全球昼长向北递增；

为负值，向南递增

的绝对值愈大，极昼（夜）地带愈大EastChinaNormal

University三、昼夜长短的季节变化二分时，全球昼夜平分，均为12小时二至时，昼夜长短极端各地全年平均昼长相等，皆为12小时四、昼夜长短的其他因素太阳视半径大气折光作用眼高差EastChinaNormal

University图4-4极昼（夜）区的季节变化

此图表示南北两半球极昼（夜）区的季节性扩大和缩小。图中每个圆面分上下两半，分别表示北极和南极地区。三个同心圆分别表示66

34

，69

44

和78

28

的三条纬线。EastChinaNormal

University五、晨昏蒙影按晨光始和昏影终的太阳“低度”标准分三级民用：6

航海：12

天文：18

纬度愈高，持续时间愈长高纬度（高于48.5

）夏至日，昏影未终，晨光已始，叫“白夜”EastChinaNormal

University太阳高度一、太阳高度概说任意时刻太阳高度（h）包含三个因素：太阳赤纬

（周年变化因素）当地纬度

（分布因素）当地太阳时角t（周日变化因素）由余弦公式可得：sinh=sin

sin

+cos

cos

costEastChinaNormal

University正午太阳高度（H）正午太阳时刻，t=0,cost=1,消去周日变化因素，公式便简化为：

sinH=sin

sin

+cos

cos

按复合角公式有：

cos(

－

)＝cos

cos

+sin

sin

于是便有：

sinH=cos(

－

)=sin[90

－(

－

)]

H＝90

－

＋

（式中

以夏半年为正，冬半年为负）EastChinaNormal

University正午太阳高度因纬度而不同，因季节而变化；式中的(90

－

)可看作上点高度。注意北半球H以南点为起点（南半球反之）；当

=

时，H=90

，只有南北回归线之间，才可能达到90

的太阳高度；南北回归线之间（不包括南北回归线），当

>

时，H>90

；极圈内冬半年，若

>90

－

，H<0

。EastChinaNormal

University夜半太阳“低度”

H

=-(90

－

)+

=

+

－90

式中的-(90

－

)为下点的低度白夜的纬度界限

-18

＝

＋23.5

－90

＝48.5

EastChinaNormal

University二、正午太阳高度的纬度分布

H=(90+

)－

(90+

)为赤道上不同季节的正午太阳高度，其他各地随纬度递减，

是对(90+

)的纬度订正。三、正午太阳高度的季节变化

H=(90

－

)+

(90

－

)为二分时的正午太阳高度，即全年的平均值；

是对(90

－

)的季节订正。各自半球的夏半年取正值，冬半年为负值。EastChinaNormal

University0°23°26´N23°26´S66°34´N66°34´S90°´N90°´S正午太阳高度的分布规律夏至日

二分日

冬至日EastChinaNormal

University四、地球上的四季四季的性质半球性现象：昼夜长短和正午太阳高度角是半球性的，季节变化的主要因素；全球性现象：日地距离的变化（影响很小）；首先是天文现象，然后是气候现象。EastChinaNormal

University图4-5季节的天文因素：昼夜长短和正午太阳高度的变化EastChinaNormal

University太阳直射点的移动和四季的递变太阳直射点在南北半球的移动：两半球冬夏半年相互替代；太阳直射点向北或向南移动，两半球的昼夜长短和正午太阳高度角变化相互倒转；太阳直射点向赤道移动，昼夜长短和的正午太阳高度角趋向齐平，极昼和极夜地区缩小；太阳直射点向回归线移动，则反之。EastChinaNormal

University天文学上四季的划分我国强调天文特征，以四立（立春、立夏、立秋、立冬）为四季的起止，以二分二至为四仲；西方侧重气候季节，以二分二至作为四季的起点。要使四季