第1章 宇宙中的行星地球
1.1 复习笔记
一、太阳系
1．太阳系结构
（1）太阳系定义
太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。
（2）太阳系基本组成单位
①太阳
太阳是太阳系的中心天体，其质量占太阳系总质量的99.865%。太阳的引力控制了整个太阳系，使其他天体绕太阳公转。整个太阳系中，只有太阳有热核能源辐射，其他天体主要以反射太阳光发亮。
②行星
a．类地行星
类地行星包括水星、金星、地球和火星，离太阳较近，具有体积小、质量小、密度大等共同特征，含重元素高，内部存在金属核。
b．巨行星
巨行星指木星和土星，它们体积大，质量大，但密度小，主要由氢、氦、氖等轻元素组成。
c．远日行星
远日行星包括天王星、海王星，离太阳较远。两者体积、质量介于上述两类行星之间，主要由氮、碳、氧及其氢化物组成。
d．小行星
九大行星外，还有大量小行星分布在火星与木星之间绕太阳公转。小行星的直径大多小于60～70km，最大的一颗称为谷神星，直径约760km。
③其他天体
a．卫星
卫星是围绕行星运行的天体。卫星数最多的是土星，水星和金星没有卫星环绕。
b．彗星
彗星的轨道有抛物线、双曲线和椭圆三种类型，只有椭圆轨道的彗星才能绕太阳公转。彗星质量小、密度小。
c．流星和陨石
流星是高速闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧而产生光迹的尘粒和固体块。陨石是坠落到地面的未燃尽的流星体。
d．行星际物质
行星际物质在太阳系内密度分布不均，在地球轨道附近的平均密度为5个正离子加5个电子每立方厘米。
2．太阳的能量
（1）太阳的热核反应
①质子
质子是指在高温、高压条件下，太阳的组成元素氢失去外层电子后的内部原子核。
②热核反应
高速运动的质子克服彼此间的静电斥力，发生猛烈碰撞，4个氢原子核聚变为1个氦原子核。
（2）太阳辐射和质量损耗
体积巨大的太阳通过热核反应不断以电磁波形式向外放射能量，赋予太阳系光和热。
①太阳常数
太阳常数是指在垂直于太阳光线的日地平均距离（1.496×108km）地球大气顶界处1cm2面积上每分钟接受的太阳辐射能量，数值为8.25J。
②太阳的质量损耗
太阳在大量释放能量的过程中，每秒钟内由于核聚变而损耗的质量达到4×107 t。由于目前太阳的热核反应状态已维持50亿年左右的历史，假定能量辐射率基本不变，50亿年累计损耗的质量可达6.305×1022t，是太阳全部质量的0.03%。
（3）太阳活动与黑子周期
①太阳活动
太阳活动是太阳表面密度很小的等离子气体直接受太阳磁场的支配处于局部的剧烈运动的过程。
②黑子周期
a．黑子
黑子是日面光球上经常出没的“暗黑”斑点，也是太阳活动的最基本标志。黑子也发光，只是温度比周围光球低，在明亮的光球反衬下呈暗黑色。
b．黑子周期
黑子周期开始时，一般出现在纬度±30°附近；高峰期，则出现在纬度约±15°处；结束时，赤道附近的黑子又都消失，下一个周期的黑子开始在纬度±30°附近出现，黑子时空分布形状像一群蝴蝶，故又称蝴蝶图。
③磁暴
磁暴是太阳黑子群里的耀斑爆发，在一二十分钟内释放出相当于10亿颗氢弹爆炸的能量，抛出的大量高能粒子流到达地球附近时，扰乱了地球磁场，出现类似地球磁场突然发生一场风暴的现象。
④太阳风
太阳风是日冕外部以超音速向外膨胀时，扫过地球达到木星轨道的现象，是行星际物质的重要来源。
3．行星地球基本参数
（1）日地距离及旋转周期
①日地距离
日地平均距离是地球半径的两万多倍，日地之间光速传递需要约8分钟，这个庞大的距离定义为1个天文单位（AU）。
②旋转周期
由于行星之间的差异，导致行星旋转周期的不同，如表1-1所示。
表1-1 八大行星基本参数
（2）体积和质量
①类地行星的体积和质量都比较小，逃逸速度也明显小于类木行星。但地球的体积和质量在类地行星中属于最大，其逃逸速度需要11.2km/s。
②水星的体积太小，只有地球的5.6%，逃逸速度为4.3km/s。
③金星的体积质量与地球接近，逃逸速度为10.3km/s。
④火星的体积为地球的15%，质量接近10%，它的逃逸速度约5.1km/s。
⑤类木行星体积和质量较大，逃逸速度高出地球的2～5倍，都能保持大气圈。
（3）密度和内部物性分异
①类地行星
类地行星的密度明显大于类木行星，较小体积星体具有较大密度，反映了类地行星物质组成中以重元素为主，具有坚硬的岩石圈外壳和金属或金属硫化物核部的特点。
②磁场
地球磁场在太阳风作用下形成的磁层，可以阻挡和捕获来自太阳和其他宇宙天体的高能粒子，对保护生物界免受损害同样具有重要意义。
二、地球在太阳系中的运动
1．地球自转与昼夜交替
（1）地理坐标系
①地轴
地轴是地球自转时的旋转轴。
②南极和北极
南极和北极是地轴通过地心与地面相交的两个端点。
③赤道
赤道是通过地心而又垂直于地轴的平面与地表相交而成的圆。
④纬线
纬线是所有与地轴相垂直与地表相交而成不同大小的圆的面。
⑤经线圈
经线圈是所有通过地轴和地球表面相交而成为同样大小的圆的平面。
⑥经线
经线是指每个经线圈分成的两条相差180°的半圆弧。
⑦子午面
子午面是通过经线的平面。
⑧本初子午线
本初子午线是在1884年经过国际协议，确定的以通过英国伦敦当时的格林威治天文台的经线，代表经度的0°线。由此分别划分东经和西经180°经度。
（2）天球坐标系
①天球模型
a．天轴
天轴是将地轴无限延长的轴线。
b．天北极和天南极
天北极和天南极是天轴与天球的交点。
c．天赤道
天赤道是地球赤道无限扩展与天球相交的大圆圈。
②基本构成
a．黄道
黄道是地球绕太阳作公转运动时，太阳在天球上每年的视运动路线。
b．黄赤交角
黄赤交角是黄道面和天赤道面之间存在的夹角（23°26’）。
c．黄极
黄极是黄道面法线在天球上的交点。
d．白道
白道是月球绕地球公转的轨道在天球上的投影。
e．天顶和天底
天顶和天底是从观察者所在位置作铅垂线，向上、下延长与天球相交的点。
f．地平面
地平面是通过地心并与上述铅垂线垂直的平面。
g．地平圈
地平圈是地平面与天球相交而成的大圆圈。
h．天球子午圈
天球子午圈是连结天球两极和观察者天顶的大圆圈。
i．中天时刻
中天时刻是天体由东往西运行经过子午圈的时间。
（3）地球的自转
①自转方向
地球绕地轴旋转的方向为自西向东，即从北极上空俯视呈反时针方向旋转。
②自转周期
a． 恒星日
恒星日是距地球遥远的恒星（或春分点）连续两次通过同一子午圈的时间，代表地球自转360°的真正周期，长度为23h56min4s。
b． 太阳日
太阳日是日常生活中昼夜交替为一日的概念太阳日，是太阳连续两次通过同一地点子午圈的时间。由于地球不仅自转，还有公转，一个太阳日地球平均自转360°59'，所以太阳日比恒星日长3min56s。
③自转速度
a．角速度
角速度是物体整体转动时的转动速度，单位为弧度/秒，地球自转角速度除两极点外，到处都是每个恒星日360°，每小时约15°。
b．线速度
线速度是质点作圆周运动时的切线速度，地球上各点的自转线速度并不相同，赤道上线速度最大，为464m/s，两极则为零。
（4）昼夜交替和标准时区
①地方时
地球自转导致不同经度地区昼夜交替的时间参差不齐，也造成同一时刻、不同经线上具有不同的地方时。
②建立标准时区的原因
随着近代交通、通讯事业发展以及地区和国际间交流日益频繁，需要有一种全球通用的世界时或称格林尼治时间。
③区时
区时是采用中央经线的地方时作为全区的标准时间的方法。
（5）地球自转的地学意义
①科里奥利力（地转偏向力）
法国人科里奥利于1835年首先发现，由于地球自西向东自转，作为地表定方向的经线和纬线发生了偏转，在北半球自赤道向极地运动的物体发生向右偏转，在南半球则向左偏转。此现象称为科里奥利力（地转偏向力）。
其计算公式：
F为科里奥利力，m为运动物体质量，v为其水平运动速度，ω为地球自转角速度，φ为地理纬度。
②自转速度变化
人们通过长期的天文观测实践，发现天体（特别是月球）位置的观测数据总是与理论推算不相符合，证实地球自转速度是存在变化的。
2．地月关系
（1）月球基本参数
①月地距离
月球是距离地球最近的天体。已经测得的月地平均距离是384401±1km，约为地球半径的60倍，是日地距离的1/389。
②月球大小
月球的半径为1738km，约为地球半径的3/11。月球表面积约为地球的1/4，月球的体积仅为地球的1/49。
③月球质量
总质量达到7.35×1025g，相当地球质量的1/81.3。月球的平均密度为3.34g/cm3，相当于地球密度的3/5。
（2）月球的旋转
①地-月系
月球是地球的唯一天然卫星，在太阳系所有卫星和本行星大小对比关系上，月球是最大的一个。因此，有时可以把地球和月球看成是两相伴随的双行星系统，即地-月系。
②月球的公转
由于地—月系的存在，月球围绕地球的公转在严格意义上是绕共同质心的旋转。地球的公转实际上也是绕日地共同质心而运动。
③月球公转周期
a．恒星月是月球中心连续两次由西往东回到同一恒星方向上所经历的时间，是月球公转一周的真正周期，相当于27d7h43min11.4s；
b．朔望月是月球连续两次新月（朔）或满月（望）所经历的时间，相当29d12h44min3s。由于朔望月多旋转θ度，所以比恒星月长2d5h0min51.6s。
④月球的自转
月球绕地球公转时，大体上以同一面向着地球，也反映了月球自转周期与它的公转周期相等，都是一个恒星月。月球自转和公转的方向相同，都是反时针方向的。
（3）天文潮汐和地球自转速度变慢
①潮汐变形
潮汐变形是月球和太阳对地球的引力使地球发生周期性变形的现象。
②海洋潮汐
a．定义
海洋潮汐的产生是由于天体（主要是月球）的摄引作用。
b．影响
海洋潮汐作用引起全球海平面变形，使地球整体由正球体变成椭球体。
③潮汐作用
a．潮流
潮流是潮汐作用导致海面产生自高潮区向低潮区的水平流动的现象。
b．潮汐摩擦
潮汐摩擦是潮流对海底的摩擦作用。
3．地球轨道参数
（1）偏心率
①定义
偏心率是地球公转椭圆轨道中1/2焦点距与半长轴之比。
②近日点
近日点是地球在椭圆形轨道上公转，每年1月初离太阳最近（1.741×108km）的点。
③远日点
远日点是地球在椭圆形轨道上公转，每年7月初离太阳最远（1.521×108km）的点。
（2）黄赤交角
①定义
黄赤交角是黄道面与天赤道面的夹角，大小等于地轴与地球轨道面夹角的余角，约23°26'（2000年的精确值ε=23°26'21.42"）。
②春分点和秋分点
春分点和秋分点是黄道和天赤道相交的两个点。
③夏至点和冬至点
夏至点和冬至点是黄道上距天赤道最远的两个点。
④太阳回归运动
太阳回归运动是由于黄赤交角的存在，太阳在天球上周年运动的同时，还表现为相对于天赤道的上下往复运动。
⑤回归年
回归年是太阳沿黄道连续二次经过春分点的回归运动周期。
（3）岁差
①定义
岁差是春分点沿黄道存在由西向东逐年缓慢后退现象。
②起因
a．进动引起岁差
进动是指转动物体的转动轴环绕另一个轴作的圆锥形运动。地轴的进动与太阳和月球对地球非理想球体（赤道部分稍隆起）的摄引有关。其结果是引起地轴绕黄轴（地球轨道面法线）作圆锥形运动。
b．北极星的变迁
由于岁差的存在，不同历史时期的北极星并非固定不变。
4．星体影响和撞击事件
（1）米兰科维奇理论
米兰科维奇理论即从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论。这个理论的核心是单一敏感区的触发驱动机制,即北半球高纬气候变化信号被放大、传输进而影响全球的过程。
（2）彗木撞击及启示
北京时间1994年7月17日晨4时15分至22日16时期间，根据事先准确的预报，人类第一次亲自目睹了宇宙间彗星与木星的猛烈撞击过程。这是天文学研究史上的一项重大进展，对于地球科学研究具有启迪意义。
（3）科学预警与迷信邪说
九星联珠可能因星体间力距（非引力）效应的调整对地球不同圈层的运动规律和相互关系产生一些异常影响，有时与地球上的某些天灾、人祸在时间上存在耦合关系，值得进一步研究。大多数学者和有科学知识的人们都知晓，太阳和地球的关系在50亿年内不会发生根本性变化，世纪之交的局部灾难不会引起地球和人类灭亡，对待相关的迷信邪说，要用科学的态度解答。