《地球科学概论》 2005年专业课讲课提纲 绪论 1地球科学的学科领域 自然科学分为数、理、化、天、地、生,其中“地”即地球科学,是研究地球的一门基 础学科。本课程所指的“地球科学”包括以下学科领域:地质学,地理学中的自然地理部分, 大气科学中的一部分,海洋科学中的一部分,环境科学中有关地球生态环境的部分 2地球科学的研究内容 资源一一提供人类生存发展所必需的资源 环境一一保护人类生存发展所必需的环境 灾害一一预防和减少自然灾害对人类的影响 起源一一—探索宇宙、地球、生命、人类的起源 演化一一建立地球的演化历史、预测演化趋势 3地球科学的特点 时间漫长、空间巨大一一时空尺度跨度大,思维方式和研究方法也要有所不同 系统庞大、对象复杂一一强调系统思想,有时定性分析和逻辑推理比定量计算更重要 重现性差、探索性强—一现场直接观测非常重要,不要受经验和理论所局限 信息量大、超越国界一一大量使用高新技术,重视学科交叉、国际合作 4地球科学的基本方法 调查观测一一推断解释一一实践实验 类比方法:由此及彼由已知到未知将今论古将古论今 注意,对于不可逆过程和偶然事件不能盲目地使用类比方法 5本课程的目的和要求 地球是人类的家园,人类从在地球上出现的那一天开始就没有停止过对地球和宇宙的探 索。对地球和宇宙的认识每前进一步,都使人类的思想更加远离愚昧,从而使文明和科学出 现一次大的发展。今天,如果一个受过教育的人对我们周围的地球和宇宙一无所知,那么, 他所受到的教育是不完全的。他可能具有某些才能和知识,但不一定具有良好的科学素养。 他不一定信神信鬼,但有可能被伪科学所迷惑。 本课程的目的就是要使大家了解我们的地球,了解人类在宇宙中的位置,了解人类与地 球的关系。在人类的力量足以改变地球的今天,思考一下我们应该怎样与地球保持和谐,使 人类社会持续发展。 地球科学是一门综合性学科,与大多数学科都有联系,运用几乎所有先进的技术手段, 地球科学家要有很宽的知识面。本课程是地球科学的入门课程,要求了解地球科学的基本知 识和基本理论,从整体上把握地球科学的系统脉络,避免在今后的学习中只见树木不见森林 本课程要求在学习专业知识的同时,特别注意培养科学素质和科学精神
1 《地球科学概论》 2005 年专业课讲课提纲 绪论 1 地球科学的学科领域 自然科学分为数、理、化、天、地、生，其中“地”即地球科学，是研究地球的一门基 础学科。本课程所指的“地球科学”包括以下学科领域：地质学，地理学中的自然地理部分， 大气科学中的一部分，海洋科学中的一部分，环境科学中有关地球生态环境的部分。 2 地球科学的研究内容 资源——提供人类生存发展所必需的资源 环境——保护人类生存发展所必需的环境 灾害——预防和减少自然灾害对人类的影响 起源——探索宇宙、地球、生命、人类的起源 演化——建立地球的演化历史、预测演化趋势 3 地球科学的特点 时间漫长、空间巨大——时空尺度跨度大，思维方式和研究方法也要有所不同 系统庞大、对象复杂——强调系统思想，有时定性分析和逻辑推理比定量计算更重要 重现性差、探索性强——现场直接观测非常重要，不要受经验和理论所局限 信息量大、超越国界——大量使用高新技术，重视学科交叉、国际合作 4 地球科学的基本方法 调查观测——推断解释——实践实验 类比方法：由此及彼 由已知到未知 将今论古 将古论今 注意，对于不可逆过程和偶然事件不能盲目地使用类比方法 5 本课程的目的和要求 地球是人类的家园，人类从在地球上出现的那一天开始就没有停止过对地球和宇宙的探 索。对地球和宇宙的认识每前进一步，都使人类的思想更加远离愚昧，从而使文明和科学出 现一次大的发展。今天，如果一个受过教育的人对我们周围的地球和宇宙一无所知，那么， 他所受到的教育是不完全的。他可能具有某些才能和知识，但不一定具有良好的科学素养。 他不一定信神信鬼，但有可能被伪科学所迷惑。 本课程的目的就是要使大家了解我们的地球，了解人类在宇宙中的位置，了解人类与地 球的关系。在人类的力量足以改变地球的今天，思考一下我们应该怎样与地球保持和谐，使 人类社会持续发展。 地球科学是一门综合性学科，与大多数学科都有联系，运用几乎所有先进的技术手段， 地球科学家要有很宽的知识面。本课程是地球科学的入门课程，要求了解地球科学的基本知 识和基本理论，从整体上把握地球科学的系统脉络，避免在今后的学习中只见树木不见森林。 本课程要求在学习专业知识的同时，特别注意培养科学素质和科学精神
第一章宇宙、太阳系、地球 1宇宙、星系和宇宙起源 人类探索地球和宇宙的历程 天圆地方:共工触不周山:古希腊,毕达哥拉斯,亚里士多德;公元前240年,埃拉托 尼色,亚历山大港的井;1519~-1522,麦哲伦,环球航行:;天地之体,形如鸟卵;亚里士多 德一托勒密的地心说:哥白尼(1473~1543)的日心说:1600,布鲁诺,1632,伽利略:开 普勒,提丢斯,哈雷,牛顿,康德,拉普拉斯;爱因斯坦,哈勃,宇宙大爆炸学说:射电望 远镜,宇宙飞船,太空望远镜。 地球在宇宙中的位置 人类经过漫长的探索认识到:地球是一个球体,平均半径6371千米,两极略扁。地球 是围绕太阳运转的一颗行星,而非宇宙中心。太阳是一颗恒星,太阳系中已知有九颗大行星, 66颗卫星,1万多颗小行星(估计超过10万颗),数以亿计的彗星和流星。太阳系是银河系 中的一个天体系统,银河系中有2000多亿颗恒星。银河系是总星系中的一个星系,总星系 中有500亿个星系。总星系就是人类目前能够观察到的宇宙,大小超过150亿光年,年龄超 过150亿年。 在如此巨大的宇宙中,地球是微不足道的,人类更不可妄自尊大,认为人类可以主宰宇 宙是愚昧无知的。 宇宙的起源 唯物主义哲学认为宇宙是无边无际、无始无终的。但是我们可以观测到的宇宙是有限的 客观存在,应该是有边有际、有始有终的 1927年勒梅特写了一本名为《 BIG BANG》的书,提出宇宙起源于一次大爆炸的设想 1929年,哈勃根据星系红移现象的大量观测和计算发现,距离我们越远的星系,离开 我们而去的速度越快,这就是著名的哈勃定律。它表明我们周围的星系正在四散离开,宇宙 正在膨胀。 宇宙大爆炸模型 大爆炸前,宇宙物质和能量全部集中在一个点上,温度约为103K,平衡只能维持极短 时间。爆炸开始后,在1034秒内体积膨胀1030倍。1秒后温度降至101K,物质存在形式为 辐射能和基本粒子。3分钟后温度降至10°K,形成氘核、氦核、锂核。1百万年后宇宙间 弥漫着等离子体。2.5亿年后温度降至103K,形成正常气体。10亿年后星系开始形成。50 亿年后首批恒星出现。150亿年后的今天,温度降至3K,仍在膨胀 支持宇宙大爆炸学说的证据有:哈勃的发现:氦的丰度:3K微波背景辐射 科学家对宇宙大爆炸模型提出了一些问题,并且不断地提出新的模型,使我们对于宇宙 起源的探索不断深入 宇宙是永远膨胀下去还是转为收缩?—目前的认识是如果宇宙的总质量小于某个临 界值则将永远膨胀下去,我们已知物质(包括暗物质)的总质量小于临界值的10%,据此 应该永远膨胀而不会转为收缩。但可能有未知形式的物质。因为已经膨胀了150亿年,所以 即使现在开始收缩,宇宙应该至少还会存在150亿年 大爆炸最初阶段物质是什么状态?为什么在我们周围的宇宙中正物质比反物质多得 政道和杨振宁,克罗宁和费兹两对诺贝尔奖获得者的研究可以解释。 如果宇宙是有始有终、有边有际的,那么大爆炸之前的宇宙是什么?宇宙之外又是什 么?——仍然需要一个上帝?——霍金提出“无边界模型”,试图回答上述问题,在“无边界 模型”中宇宙是无始无终、无边无际的—不需要上帝? 2
2 第一章 宇宙、太阳系、地球 1 宇宙、星系和宇宙起源 人类探索地球和宇宙的历程 天圆地方；共工触不周山；古希腊，毕达哥拉斯，亚里士多德；公元前 240 年，埃拉托 尼色，亚历山大港的井；1519~1522，麦哲伦，环球航行；天地之体，形如鸟卵；亚里士多 德—托勒密的地心说；哥白尼（1473~1543）的日心说；1600，布鲁诺，1632，伽利略；开 普勒，提丢斯，哈雷，牛顿，康德，拉普拉斯；爱因斯坦，哈勃，宇宙大爆炸学说；射电望 远镜，宇宙飞船，太空望远镜。 地球在宇宙中的位置 人类经过漫长的探索认识到：地球是一个球体，平均半径 6371 千米，两极略扁。地球 是围绕太阳运转的一颗行星，而非宇宙中心。太阳是一颗恒星，太阳系中已知有九颗大行星， 66 颗卫星，1 万多颗小行星（估计超过 10 万颗），数以亿计的彗星和流星。太阳系是银河系 中的一个天体系统，银河系中有 2000 多亿颗恒星。银河系是总星系中的一个星系，总星系 中有 500 亿个星系。总星系就是人类目前能够观察到的宇宙，大小超过 150 亿光年，年龄超 过 150 亿年。 在如此巨大的宇宙中，地球是微不足道的，人类更不可妄自尊大，认为人类可以主宰宇 宙是愚昧无知的。 宇宙的起源 唯物主义哲学认为宇宙是无边无际、无始无终的。但是我们可以观测到的宇宙是有限的 客观存在，应该是有边有际、有始有终的。 1927 年勒梅特写了一本名为《BIG BANG》的书，提出宇宙起源于一次大爆炸的设想。 1929 年，哈勃根据星系红移现象的大量观测和计算发现，距离我们越远的星系，离开 我们而去的速度越快，这就是著名的哈勃定律。它表明我们周围的星系正在四散离开，宇宙 正在膨胀。 宇宙大爆炸模型 大爆炸前，宇宙物质和能量全部集中在一个点上，温度约为 1032K，平衡只能维持极短 时间。爆炸开始后，在 10-34 秒内体积膨胀 1030 倍。１秒后温度降至 1010K，物质存在形式为 辐射能和基本粒子。３分钟后温度降至 109K，形成氘核、氦核、锂核。１百万年后宇宙间 弥漫着等离子体。2.5 亿年后温度降至 103K，形成正常气体。10 亿年后星系开始形成。50 亿年后首批恒星出现。150 亿年后的今天，温度降至 3K，仍在膨胀。 支持宇宙大爆炸学说的证据有：哈勃的发现；氦的丰度；3K 微波背景辐射。 科学家对宇宙大爆炸模型提出了一些问题，并且不断地提出新的模型，使我们对于宇宙 起源的探索不断深入。 宇宙是永远膨胀下去还是转为收缩？——目前的认识是如果宇宙的总质量小于某个临 界值则将永远膨胀下去，我们已知物质（包括暗物质）的总质量小于临界值的 10%，据此 应该永远膨胀而不会转为收缩。但可能有未知形式的物质。因为已经膨胀了 150 亿年，所以 即使现在开始收缩，宇宙应该至少还会存在 150 亿年。 大爆炸最初阶段物质是什么状态？为什么在我们周围的宇宙中正物质比反物质多得 多？——李政道和杨振宁，克罗宁和费兹两对诺贝尔奖获得者的研究可以解释。 如果宇宙是有始有终、有边有际的，那么大爆炸之前的宇宙是什么？宇宙之外又是什 么？——仍然需要一个上帝？——霍金提出“无边界模型”，试图回答上述问题，在“无边界 模型”中宇宙是无始无终、无边无际的——不需要上帝？
2太阳系和太阳系的形成 太阳系的形成 星云说是目前关于太阳系形成的比较合理的假说。星云说认为,距今100亿年前,银河 系中出现恒星。大恒星很快演化为超新星,又变为星云。经过多次星云——恒星——超新星 星云这样的过程,到50亿年前,某一团星云形成了太阳系。太阳属中等恒星,不会演 化为超新星,所以寿命很长。星云由气体和宇宙尘埃组成,在引力作用下逐渐收缩,并且越 转越快。由于离心力的作用,在星云的赤道上分离出一个或几个圆盘。中心收缩形成太阳。 圆盘中的物质相互吸引形成行星和卫星。太阳风把气体吹到远处,形成类木行星(木星、土 星、天王星、海王星),近处留下的固体物质形成类地行星(水星、金星、地球、火星)。冥 王星可能是一个例外。在火星与木星之间有10万颗小行星,木星的引力使它们无法形成大 行星。在5000亿千米之外还有一个奧尔特云带,其中有5万亿颗彗星。 3地球的起源和演化 盘古开天地,“混沌初开,乾坤始奠。轻清者上浮为天,重浊者下凝为地。” 地球是和太阳系同时形成的。地球的形成和早期演化过程:星云吸积—一形成最初的地 球——收缩、撞击、放射性元素——变热、熔融、重力分异——形成地核、地幔、地壳- 引力足够大一形成大气圈—温度下降——形成水圈—有机大分子—一出现生物 地球的年龄是46亿年:地壳的年龄是42亿年:最早的生物出现于38亿年前 4地球上存在生命的条件和生命起源问题 行星地球的主要特征 地球到太阳的距离=1.496×10%km=1天文单位:地球的半径=6371km;地球的质量 5976×1024kg:地表平均温度=15℃;地球上的逃逸速度=112km/s;地球上有液态水;有 土壤;地球大气成分以氮气和氧气为主,氧气多达21% 地球接受的太阳辐射能量 太阳表面温度600K,中心温度1.5×10K,密度160g/cm3。在这样的高温高压下,物 质处于等离子状态,氢聚变为氦,放出能量。1克氢聚变为氦损失0.029/4.0316=0.007193g 质量,产生6281×101J,即1.5×10%kcal的能量,按每千克标准煤发热700kcal计算,相 当于燃烧21.43吨标准煤 太阳以电磁波的形式向外辐射能量,从无线电波到γ射线,主要波长范围是4000 inm,50%为可见光(760~400nm),43%为红外线,7%为紫外线 在日地平均距离(1496×10km)处正对太阳的地球大气层顶面接受的太阳辐射能量为 825J/cm2min,这一数值称为太阳常数 取大气层顶面距地面的高度为250km,则大气层顶面每分钟接受的全部太阳辐射能量为 825×π(6621×10°)2=1.136×109,相当于燃烧3.876×103吨标准煤。一年累计为597 1024J,按1kWh=3.6MJ计算,相当于发电1659×1018kWh 太阳发出的辐射能量为825×4m(1496×101)2=232×1023/min,地球接受的仅仅是其 20亿分之一。太阳每秒钟转变为能量的质量为4.3×10°吨,50亿年来累计损失质量为6.78 ×1023吨,仅占太阳总质量的0.034% 由于大气削弱作用,就全球平均而言,到达地面(或海面)的太阳辐射大约只有太阳常 数的45%。每平方米地面每小时接受的太阳辐射能量大约为8.25×045×60×104=223 105J=062kWh,或者说到达地面的太阳辐射的功率大约为620W/m2。这一数值随纬度、海拔 高度、水汽、日照时间等因素的变化而变化,不同地点有很大差异,通常在进行有关计算时 取1000W/m2作为理论数值或标准数值,实际数值用辐照计在当地长期观测得到 地球是已知唯一有生命的星球 地球到太阳的距离不远不近,不至于太热或太冷,恰好可以有液态水
3 2 太阳系和太阳系的形成 太阳系的形成 星云说是目前关于太阳系形成的比较合理的假说。星云说认为，距今 100 亿年前，银河 系中出现恒星。大恒星很快演化为超新星，又变为星云。经过多次星云——恒星——超新星 ——星云这样的过程，到 50 亿年前，某一团星云形成了太阳系。太阳属中等恒星，不会演 化为超新星，所以寿命很长。星云由气体和宇宙尘埃组成，在引力作用下逐渐收缩，并且越 转越快。由于离心力的作用，在星云的赤道上分离出一个或几个圆盘。中心收缩形成太阳。 圆盘中的物质相互吸引形成行星和卫星。太阳风把气体吹到远处，形成类木行星（木星、土 星、天王星、海王星），近处留下的固体物质形成类地行星（水星、金星、地球、火星）。冥 王星可能是一个例外。在火星与木星之间有 10 万颗小行星，木星的引力使它们无法形成大 行星。在 5000 亿千米之外还有一个奥尔特云带，其中有 5 万亿颗彗星。 3 地球的起源和演化 盘古开天地，“混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地。” 地球是和太阳系同时形成的。地球的形成和早期演化过程：星云吸积——形成最初的地 球——收缩、撞击、放射性元素——变热、熔融、重力分异——形成地核、地幔、地壳—— 引力足够大——形成大气圈——温度下降——形成水圈——有机大分子——出现生物。 地球的年龄是 46 亿年；地壳的年龄是 42 亿年；最早的生物出现于 38 亿年前。 4 地球上存在生命的条件和生命起源问题 行星地球的主要特征 地球到太阳的距离＝1.496×108km=1 天文单位；地球的半径＝6371km；地球的质量＝ 5.976×1024kg；地表平均温度＝15℃；地球上的逃逸速度＝11.2km/s；地球上有液态水；有 土壤；地球大气成分以氮气和氧气为主，氧气多达 21%。 地球接受的太阳辐射能量 太阳表面温度 6000K，中心温度 1.5×107K，密度 160g/cm３。在这样的高温高压下，物 质处于等离子状态，氢聚变为氦，放出能量。1 克氢聚变为氦损失 0.029/4.0316=0.007193g 质量，产生 6.281×1011J，即 1.5×108kcal 的能量，按每千克标准煤发热 7000kcal 计算，相 当于燃烧 21.43 吨标准煤。 太阳以电磁波的形式向外辐射能量，从无线电波到γ射线，主要波长范围是 4000～ 150nm，50%为可见光（760～400nm），43%为红外线，7%为紫外线。 在日地平均距离（1.496×108km）处正对太阳的地球大气层顶面接受的太阳辐射能量为 8.25J/cm2·min，这一数值称为太阳常数。 取大气层顶面距地面的高度为 250km，则大气层顶面每分钟接受的全部太阳辐射能量为 8.25×π(6.621×108 ) 2＝1.136×1019J，相当于燃烧 3.876×108 吨标准煤。一年累计为 5.97× 1024J，按 1kWh=3.6MJ 计算，相当于发电 1.659×1018kWh。 太阳发出的辐射能量为 8.25×4π(1.496×1013) 2＝2.32×1028J/min，地球接受的仅仅是其 20 亿分之一。太阳每秒钟转变为能量的质量为 4.3×106 吨，50 亿年来累计损失质量为 6.78 ×1023 吨，仅占太阳总质量的 0.034%。 由于大气削弱作用，就全球平均而言，到达地面（或海面）的太阳辐射大约只有太阳常 数的 45%。每平方米地面每小时接受的太阳辐射能量大约为 8.25×0.45×60×104＝2.23× 106 J=0.62kWh，或者说到达地面的太阳辐射的功率大约为 620W/m2。这一数值随纬度、海拔 高度、水汽、日照时间等因素的变化而变化，不同地点有很大差异，通常在进行有关计算时 取 1000W/m2 作为理论数值或标准数值，实际数值用辐照计在当地长期观测得到。 地球是已知唯一有生命的星球 地球到太阳的距离不远不近，不至于太热或太冷，恰好可以有液态水；
地球的自转产生昼夜变化,使光照均匀,温差不至于太大; 地球内部的热能可以使岩石熔化,从而分异出水和气体 地球的大小适中,引力足以抓住水和气体 大气圈不太厚,能够保温又不至于使地面温度过高; 因为有液态的地核和比较快的自转,所以有磁场,屏蔽了太阳风 有臭氧层吸收了来自太阳的紫外线 大气圈挡住了大部分撞向地球的陨石 所有这些条件恰巧集于一身,得天独厚,所以地球上才有生命 生命起源问题 生命起源问题至今尚未解决,目前一般认为,早期地球的海洋是热的,酸的,类似于今 天的海底火山喷气口。生命很可能就起源于这样的“原始汤”中。从无机物到有机物,再到蛋 白质、核酸这样的大分子有机物,再到非细胞生物,再到原核细胞生物,再到真核细胞生物 一步步进化 生命是物质的最复杂的运动形式。地球上的生物丰富多彩,千姿百态。今天在地球上生 存的物种估计有450万个。寒武纪以来曾经在地球上生存过的已绝灭的物种估计有3亿个。 所有的物种都有一个共同的起源,人类也不例外。了解生物的起源和演化,了解人类和其他 生物的关系,了解生物和地球环境的关系,有助于了解地球的历史和把握人类自己的未来 外星人 不排除在太阳系的其他行星或卫星上存在某种简单生物的可能,但肯定没有高等生物。 太阳系以外应该存在与地球相似的行星,但找到外星人的可能性并不大。天文学家推测宇宙 中有1万颗行星上有生命,其中有的行星可能有智慧生物。这个概率并不大,在上百亿年的 时间和上百亿光年的空间中,人类与它们相遇的概率就更小了。 5地球毁灭的可能性 不能排除地球在宇宙中被毁灭的可能,但是概率很小。 小行星或彗星确实有可能撞击地球,地球历史上也多次发生过撞击事件,但引起巨大灾 难的撞击平均大约5000万年才有1次,而且从未使地球毁灭。 太阳的寿命约100亿年,稳定存在的时间至少70亿年。也就是说,地球至少还可以稳 定地存在20亿年。 人类还可以存在多少年呢?人类所担心的毁灭是否发生,实际上取决于人类自己的行
4 地球的自转产生昼夜变化，使光照均匀，温差不至于太大； 地球内部的热能可以使岩石熔化，从而分异出水和气体； 地球的大小适中，引力足以抓住水和气体； 大气圈不太厚，能够保温又不至于使地面温度过高； 因为有液态的地核和比较快的自转，所以有磁场，屏蔽了太阳风； 有臭氧层吸收了来自太阳的紫外线； 大气圈挡住了大部分撞向地球的陨石； 所有这些条件恰巧集于一身，得天独厚，所以地球上才有生命。 生命起源问题 生命起源问题至今尚未解决，目前一般认为，早期地球的海洋是热的，酸的，类似于今 天的海底火山喷气口。生命很可能就起源于这样的“原始汤”中。从无机物到有机物，再到蛋 白质、核酸这样的大分子有机物，再到非细胞生物，再到原核细胞生物，再到真核细胞生物， 一步步进化。 生命是物质的最复杂的运动形式。地球上的生物丰富多彩，千姿百态。今天在地球上生 存的物种估计有 450 万个。寒武纪以来曾经在地球上生存过的已绝灭的物种估计有 3 亿个。 所有的物种都有一个共同的起源，人类也不例外。了解生物的起源和演化，了解人类和其他 生物的关系，了解生物和地球环境的关系，有助于了解地球的历史和把握人类自己的未来。 “外星人” 不排除在太阳系的其他行星或卫星上存在某种简单生物的可能，但肯定没有高等生物。 太阳系以外应该存在与地球相似的行星，但找到外星人的可能性并不大。天文学家推测宇宙 中有１万颗行星上有生命，其中有的行星可能有智慧生物。这个概率并不大，在上百亿年的 时间和上百亿光年的空间中，人类与它们相遇的概率就更小了。 5 地球毁灭的可能性 不能排除地球在宇宙中被毁灭的可能，但是概率很小。 小行星或彗星确实有可能撞击地球，地球历史上也多次发生过撞击事件，但引起巨大灾 难的撞击平均大约 5000 万年才有 1 次，而且从未使地球毁灭。 太阳的寿命约 100 亿年，稳定存在的时间至少 70 亿年。也就是说，地球至少还可以稳 定地存在 20 亿年。 人类还可以存在多少年呢？人类所担心的毁灭是否发生，实际上取决于人类自己的行 为
第二章地球的天体运动 1地理坐标系和大地测量 纬线一一垂直于自转轴的平面与地面的交线称为纬线,分北纬和南纬,各90°,赤道 为0°,两极为90°。 经线一一包含自转轴的平面称为子午面,子午面与地面的交线称为经线(子午线),分 东经和西经,各180°,通过原格林威治天文台的经线(本初子午线)为0°。 用经度和纬度构成的坐标系称为地理坐标系,可以表示地球表面上任何一点的平面位 置。再加上海拔高度,便可以表示三维空间地理位置 全球定位系统(GPS)使测量地理位置变得极为方便,目前精度已达米级或厘米级。 在大地测量中,用一个旋转椭球面拟合地球表面,这个椭球称为地球椭球。采用不同的 椭球,有不同的地理坐标系,也称大地坐标系。我国目前常用的有1954北京坐标系,1980 国家坐标系(也称西安坐标系),WGS-84坐标系。 我们通常使用的地图是平面直角坐标系,是用数学方法将地球表面的点投影到平面上得 到的。投影方法有多种,我国的地图多采用高斯一克吕格投影 2地球自转与时差和科里奥利现象 地球的自转 地球自转和公转的方向都是自西向东,从北极上空向下看为逆时针转动。 地球自转周期—一太阳日为24小时,恒星日为23小时56分4秒。地理北极和南极 地球自转轴与地面的交点。赤道面一一通过地心且垂直于自转轴的平面。赤道一一赤道面与 地面的交线 时差 地球自转产生昼夜变化,世界各地昼夜不同时。古时世界各地的日期和时间是不同的。 现在世界各地都用公元纪年和世界时作为计算日期和时间的统一的标准。但是,由于习惯, 各地的人们都认为还是使用根据当地的日出日落来确定的地方时比较好。为了解决各地时间 不一致的问题,人们规定了时区和国际日期变更线。 将全球分为24个理论时区,每个时区的中央经线相差15°,地方时相差1小时,以中 央经线的地方时作为该时区的标准时间,称为区时 由于行政管理的需要,时区的界线照顾到国家或地区的疆界,各国有自己的规定。例如 中国国土跨东5区到东9区,但全国都用东8区的中央经线的地方时作为标准时间,称为北 京时间。 国际日期变更线 由于地球自转,世界各地进入新的一天的时间有先有后。习惯上各地都以午夜0点作为 新的一天的开始。当北京为当地时间上午8点时,伦敦为当地时间0点,因为伦敦在北京的 西面,比北京晚见到日出,所以说伦敦时间比北京时间晚8个小时。此时惠灵顿时间为12 时,因为惠灵顿在北京的东面,比北京早见到日出,所以说惠灵顿时间比北京时间早4个小 时。此时温哥华时间为16时,如果认为温哥华在惠灵顿的东面,更早见到日出,那么温哥 华时间比北京时间早8个小时,是当天下午;如果认为温哥华在伦敦的西面,更晚见到日出, 那么温哥华时间比北京时间晚16个小时,是前一天的下午。 显然,必须规定一条东、西方的界线,这就是国际日期变更线,在这条线的西侧最早见 到日出,东侧最晚见到日出,相差24小时 各地时间用各自的地方时,日期用同一个日历 从西向东跨越国际日期变更线要将日期退一日,例如星期三变为星期二:反之要进一日
5 第二章 地球的天体运动 1 地理坐标系和大地测量 纬线——垂直于自转轴的平面与地面的交线称为纬线，分北纬和南纬，各 90°，赤道 为 0°，两极为 90°。 经线——包含自转轴的平面称为子午面，子午面与地面的交线称为经线（子午线），分 东经和西经，各 180°，通过原格林威治天文台的经线（本初子午线）为 0°。 用经度和纬度构成的坐标系称为地理坐标系，可以表示地球表面上任何一点的平面位 置。再加上海拔高度，便可以表示三维空间地理位置。 全球定位系统（GPS）使测量地理位置变得极为方便，目前精度已达米级或厘米级。 在大地测量中，用一个旋转椭球面拟合地球表面，这个椭球称为地球椭球。采用不同的 椭球，有不同的地理坐标系，也称大地坐标系。我国目前常用的有 1954 北京坐标系，1980 国家坐标系（也称西安坐标系），WGS-84 坐标系。 我们通常使用的地图是平面直角坐标系，是用数学方法将地球表面的点投影到平面上得 到的。投影方法有多种，我国的地图多采用高斯—克吕格投影。 2 地球自转与时差和科里奥利现象 地球的自转 地球自转和公转的方向都是自西向东，从北极上空向下看为逆时针转动。 地球自转周期——太阳日为 24 小时，恒星日为 23 小时 56 分 4 秒。地理北极和南极—— 地球自转轴与地面的交点。赤道面——通过地心且垂直于自转轴的平面。赤道——赤道面与 地面的交线。 时差 地球自转产生昼夜变化，世界各地昼夜不同时。古时世界各地的日期和时间是不同的。 现在世界各地都用公元纪年和世界时作为计算日期和时间的统一的标准。但是，由于习惯， 各地的人们都认为还是使用根据当地的日出日落来确定的地方时比较好。为了解决各地时间 不一致的问题，人们规定了时区和国际日期变更线。 将全球分为 24 个理论时区，每个时区的中央经线相差 15°，地方时相差 1 小时，以中 央经线的地方时作为该时区的标准时间，称为区时。 由于行政管理的需要，时区的界线照顾到国家或地区的疆界，各国有自己的规定。例如， 中国国土跨东５区到东９区，但全国都用东８区的中央经线的地方时作为标准时间，称为北 京时间。 国际日期变更线 由于地球自转，世界各地进入新的一天的时间有先有后。习惯上各地都以午夜０点作为 新的一天的开始。当北京为当地时间上午８点时，伦敦为当地时间０点，因为伦敦在北京的 西面，比北京晚见到日出，所以说伦敦时间比北京时间晚８个小时。此时惠灵顿时间为 12 时，因为惠灵顿在北京的东面，比北京早见到日出，所以说惠灵顿时间比北京时间早４个小 时。此时温哥华时间为 16 时，如果认为温哥华在惠灵顿的东面，更早见到日出，那么温哥 华时间比北京时间早８个小时，是当天下午；如果认为温哥华在伦敦的西面，更晚见到日出， 那么温哥华时间比北京时间晚 16 个小时，是前一天的下午。 显然，必须规定一条东、西方的界线，这就是国际日期变更线，在这条线的西侧最早见 到日出，东侧最晚见到日出，相差 24 小时。 各地时间用各自的地方时，日期用同一个日历。 从西向东跨越国际日期变更线要将日期退一日，例如星期三变为星期二；反之要进一日