1、自然地理学地球第一章 地 球第一节 地球在宇宙中的位置一、宇宙和天体宇宙中存在着无数的天体，根据它们各自的特点可归纳为恒星、行星、卫星、流星、彗星和星云等等类。恒星质量很大，自己能发光、凭肉眼能看到的天体，99以上都是恒星。 从地球上看，恒星的相对位置似乎是固定不变的，但实际上，一切恒星都在不停地运动。行星自己不发光，质量也远较恒星小，并且绕恒星运动。地球便是绕着太阳运动的行星之一。卫星质量比行星更小，绕行星运动，并随着行星绕恒星运动。流星的质量更小，也不发光。流星在行星际空间运行，当接近地球，受到引力时， 可以改变轨道，甚至陨落。当它进入地球大气层后，因与大气摩擦，迅速增温至白热化，发生燃烧
2、。绝大部分流星在到达地面以前就已完全烧毁，少数能落到地面上成为陨星。慧星是一种很小的，但具有特殊外表和轨道的天体。它由慧核、慧发和慧尾三部分组成。慧核是相对集中的疏松同体物质。慧发是慧核释放的分子和原子，成一团气体围绕着慧核。慧尾是由电离的分子和固体小粒子组成。这些分子和小粒子受到太阳光压的作用，形成一条背向太阳的尾巴，即慧尾。星云是一种云雾状的天体。离地球非常遥远的河外星云，处一些恒星系统，而作为银河系组成部分的银河星云 则是极端稀薄和高度电离的氢和氮的混合物。鉴于用普通的长度单位，甚至用地球和太阳的平均距离（14960104公里，称为天文单位），都难以表示宇宙空间的距离人们把光在一年中传播
3、的距离（94600108公里），即一个光年，作为量度天体距离的单位。现有的仪器已经能够观察到远离地球l00108光年的空间。在可以观察到的这部分宇宙中，约有1023个恒星。 几十亿到几百亿个恒星的集合体是一十星系。例如银河系，就是一个包括一千多亿个恒星的星系。银河系是一个旋转着的扁平体，绝大多数星体都密集在它的中心平面附近。它的直径约为10104光年，中心厚度约10000光年，其余部分厚度约1000光年。到目前为止，已经发现了十亿多个类似银河系这样的星系。星系表现为成对或成群的聚集状态，组成星群。例如，银河系和包括比邻星系以及大、小麦哲伦云在内的近二十个星系，组成本星系群。本星系群直径约300
4、104光年。比星系群更大，包括几百个到几千个星系的集团，称为星系团。例如室女座星系团，包含2700个星系，直径可达850104光年 已知宇宙的总体称为总星系。二、太阳和太阳系银河系直径约有10104光年包含1500108颗恒星，太阳只是其中之一。太阳位于距银河系中心（银心）约27000光年、距边缘23000光年的地方 并以每秒250公里的速度绕银心运动，大约二亿（2.5108）可绕行一周。太阳是一个炽热的发光球，它的内部不断进行着巨人的热核反应。太阳表面温度高达6000K，中心温度更高达1500104度在已知宇宙中，太阳是一个中等大小的恒星，直径约为140104公里，相当于地球直径的109倍，
5、表面积约为地球的12000倍，体积约为地球的130104倍，质量约1.9891027吨，相当于地球的33.3104倍，并且占整个太阳系质量的99.86。它的外层可见部分的密度约为水密度的1/1000000，中心部分的密度比水的密度人85倍，而平均密度则为1.4/cm3,约相当于地球密度的1/4。质量很大的太阳，以其巨大的引力维持着一个天体系统绕着它运动。这个天体系统就是太阳系。太阳位于太阳系的中心。太阳系包括9个大行星，49十卫星和成千上万个小行星，还有少数彗星。9个大行星中，距太阳最远的冥王星， 约为39.5个天文单位。如果以冥王星轨道为人阳系的边界，则太阳系直径为79个方文的位，即约120
6、108公里。如果把彗星轨道计算在内，则太阳系直径将达到68104天文单位，即9121012公里。9个大行星按其物理性质可以分为两组。星、土星、天王星、海王星和冥王星体积大，平均密度小，自转速度快，卫星数多，叫做木组行星。它们的性质见表l1。 表11 太阳系行星物理性质比较行星赤道半径(km)扁率质量(地球=1)密度(g/cm3)恒星日长赤道对轨道倾斜卫星数地组水星24400.00.055.4658.6日100金星60500.00.825.26243日60地球63780.00341.0005.5223时56分23271火星33950.00520.113.9624时37分24552木组木星7140
7、00.062317.941.339时50分3416土星600000.10895.180.7010时14分264523天王星259000.0114.631.24约24时97535海王星247500.02617.221.66约24时28482冥王星13500.00241.56.3日9时1太阳系中行星和卫星绕太阳的运动，具有以下几方面的共同特征：l. 所有行星的轨道偏心率都很小，几乎都接近于圆形；2. 它们的轨道面都近似地在一个平面上，对地球轨道面（黄道面）的倾斜也都不大；3. 所有行星都自西向东环绕太阳公转，除金星和天王星外，所有行星的自转方向也自西水星 金星、地球和火星，体积小平均密度大，自转速
8、度慢，卫星数少，称为地组行星；木向东，即和公转方向相同；4. 所有行星的赤道面对轨道面的倾斜都比较小，只有大王星是唯一的例外；5.绝大多数卫星的轨道都近似圆形，其轨道面接近母星的赤道面；6.绝大多数卫星、包括土星环在内，公转方向都和母星的公转方向相同。有关行星轨道运动的资料见表1-2 三、地球在天体中的位置曾经有一个很长的时期，人们认为地球是宇宙的中心，一切天体都绕着地球运行。直到1543年，哥白尼的天体运行论发表，“日心学说”创立，这个错误观念才逐渐被抛弃。但是无限广大的宇宙根本不存在中心。太阳只是太阳系的中心。而太阳在银河系中，又只不过是旋涡臂上的一个小点，一颗普通的恒星罢了。地球则只是太
9、阳系中一颗普通的行星。日地平均距离为 14960104公里，这个数字被确定为一个天文单位。地球并不是孤立地存在宇宙空间的，它和其他天体之间有着密切的联系并相互影响。例如，地球表面以太阳辐射能为最主要的热量来源；海、陆、大气和有机体中的许多过程，都以这种辐射能为基本动力。水能、风能都是由太阳能转化来的。当代地球上最重要的能源煤和石油，则是长期积累的化石化了的太阳能。太阳还把各种带电粒子流传送到地球上。具有极高能量的宇宙线，从宇宙空间侵入地球的大气上层，对地球上的极光、磁暴，以及大气中的某些气体分子从分子状态转变为离子状态等一系列现象，都产生影响。陨石从星际空间落到地球上，或地球大气外层的气体质点
10、扩散到星际空间，都表明地球与星际空间存在着直接的物质交换。至于地球在月球和太阳引力的作用力的影响下形成潮汐，以及大气和地壳的弹性变形，就更为人们所熟知了。第二节 地球的形状和大小地球的形状和大小是地球科学的基本课题之一。地球形状问题也是人类最古老的世界观的基本内容，是人类对于宇宙的认识的一个组成部分。相互交往及测算土地面积的客观需要，很早就促使人们去认识地球的形状和大小。但人类认识地球形状和大小的历史过程却相当复杂，并且始终充满了唯物论和唯心论的斗争。古代人类活动的范围极有限，且又缺乏精确可靠的观测手段，因此产生过许许多多关于地球形状的错误认识。例如，古巴比伦人认为宇宙是一个闭合的箱子，大地是
11、这个箱子的底板；古希伯莱人认为大地是一块平板；古印度人认为大地是四只大象背负的半球；古希腊人认为大地是由一条大洋河（river of ocean）环绕的圆盾；古俄罗斯人认为大地是由三条鲸驮着的圆盾，等等。我国古代则有“天圆地方”的说法，并且认为这个方形大地是从西北向东南倾斜的。随着人类社会生产力、科学技术和航海交通的发展，人们的活动范围逐渐扩大，视野日益开阔，大地的球形观念逐步形成起来。在西方，毕达哥拉斯学派最早明确指出大地为球形，但大地球形说的真正奠基者乃是古希腊学者亚里士多得。在我国，早在公元前两千年就出现过大地球形的传说，而第一个明确主张大地球形的则是东汉时期的张衡（公元78139）。他
12、在浑天仪图注中说：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄天之包地，如壳之裹黄。”但是，只是在经历了十五世纪末和十六世纪初的地理大发现之后，尤其是环球航行成功之后，大地球形观念才最终得到证明，并从此深入人心。恩格斯高度评价地理大发现的丰功伟绩，认为这才是真正发现了地球。从“非球”到“球形”，是人类认识地球形状的一大飞跃。但是，球形观念只是地球形状的第一个近似观念。十九世纪以来，人们进一步知道了地球是一个赤道突出、两极扁平的椭球体；近年来，有些人认为地球实际上是一个“梨状体”。一、地球的形状及其地理意义大地测量中所谓的地球形状，是指一种假想的，用平均海平面来表示的、平滑的封闭曲面。这个曲面叫做大地
13、水准面。所以，这里所说的地球形状就是指大地水准面的形状。研究地球的形状，无论是对人类的生产实践，还是对诸如地球内部状态和结构、天体物理、空间技术等许多方面的科学实践，都有重要的意义。人类很早就掌握了大地球形的简单证据。例如，一个人沿南北方向旅行时，发现星星在地平线上的高度不断变化，一些星出现了，而另一些星不复可见；驶离海岸的船只，总是船身首先从岸上观察者的视野中消失；月食时出现在月球表面的地影总呈圆形；日出前和日落后天空中出现曙暮光；等等。以后，科学的发展提供了更丰富的证据，人们的认识也随之不断深化。1671 年，法国天文学家里希尔到今法属圭亚那首府卡宴（52.5，5）进行天文观测时，发现由巴
14、黎带来的摆钟每天慢两分半。他调整了摆长以校准时钟，但回到巴黎后，摆钟每天又快两分半。里希尔指出发生这一现象的原因可能是地球并非真正的球体。后来，牛顿运用万有引力定律对这种现象做了解释。牛顿认为，摆钟变慢是由重力加速度变小引起的。而重力加速度之所以变小，一方面是由于赤道附近的离心加速度增大，另方面则是地球的赤道部分比较凸出，使那里所受的地心引力减小所致。我们知道，当一个长度为 的摆的摆动幅度与 相比很小时，摆动一次的时间 ，可由下列公式算出： 式中 为重力加速度。如果摆长不变，时间 只可能随重力加速度的改变而改变。这就说明摆动变慢，是由于重力加速度减小，即赤道上的地表比高纬度地区同海拔地表距地心
15、更远。现代精密测量的结果告诉我们，通过赤道的地球直径比通过两极的直径长42.5 公里。这就证实了地球不是正球体，而是一个两极比较扁平、赤道部分相对突出的椭球体；通过两极的地球断面是椭圆形而不是正圆形；椭球体的最大圆周在赤道上，而不在通过两极的椭圆上（图 11）。由于地球两极扁平，那里的地面曲率就比赤道地面曲率小。从图 11 中可以看出，两极附近 5弧的弧长大于赤道上 5弧的弧长；相应于前者的圆半径，比相应于后者的圆半径大。虽然椭球体一词比较接近真实地反映了地球的形状，但是椭球体曲面与地水准面仍然有一些微小的差异。大地水准面以海平面为基准，在大陆部，它因重力减小而上升，在海洋部分又因重力增大而下
16、降。所以，大地水面实际上是一个不规则的起伏表面。在南北两半球，椭球体不同程度地偏大地水准面，但以两极的偏离幅度最大（图13）。人造卫星提供的信息使人们获得了对大地水准面的崭新认识。长期以，人们把大洋表面看作一个平缓的、稳定的旋转椭球面。其实地球洋面上少各有三个较大的隆起区和凹陷区。前者如澳大利亚东北的洋面、大西洋南伊斯兰附近洋面和非洲东南洋面，分别隆起76、68 和 48米；后者如印半岛以南海面、加勒比海区和加利福尼亚以西海面，分别凹进112、64 和6米。这些凹陷区直径都在30005000公里间。隆起区和凹陷区的存在使大洋面发生倾斜，因而成为一个复杂的面。人造卫星测到的地球的沿赤道断面，也不
17、是正圆形而是卵圆形，其长轴方向的赤道直径比其他方向要长427米。整个地球的形状，从通过两极，垂直于赤道平面的断面来看，呈现梨形。如图13所示，这个“梨形体”和标准椭球体相比较，南极凹进24米，北极高出 14 米，从赤道至60S之间。高出基准面，而自赤道至 45 之间又低于基准面。考虑到所有这些起伏相对于地球的巨大直径来说，毕竟太微小，因此我们仍主张把地球形状视作旋转椭球体。地球的形状具有非常重要的地理意义。我们知道，太阳辐射是地球表面最主要的能量来源，而太阳同地球的平均距离长达 14960104 公里。这样，就可把投射到地球表面的太阳光线视为平行光线。当平行光线照射到地球表面时，不同纬度地区的
18、正午太阳高度角将各不相同。太阳光线与地球赤道面的相对关系，即一定的黄赤交角，决定了太阳正午高度角有规律地从2327 和 之间向两极减小（图14）。因此，太阳辐射使地表增暖的程度也按同样的方向降低，从而造成地球上热量的带状分布和所有与地表热状况相关的自然现象（如气候、植被和土壤等）的地带性分布。 二、地球的大小及其地理意义在人类尚未掌握先进的测量技术和方法以前，“地球究竟有多大”这个难题是无从解答的。我国古代文献中，从大地方形观念出发，曾有过“东西五亿有九万七千里，南北亦五亿有九万七千里（吕氏春秋）”；“东极至于西极，二亿三万三千五百里七十步”，“北极至于南极，二亿三万三千五百里七十步（淮南子）
19、和“南北二亿三万一千五百里，东西二亿三万三千里”（河图括地象）等无根据的臆说，过分夸大了地球的规模。五藏山经说“天地之东西二万八千里，南北二万六千里”，又显然偏小。也是没有根据的。亚里士多得（公元前 384322 年）在其著作中曾引用一位数学家的计算数据，指出地球圆周长为 40万斯台地亚（stadia）。斯台地亚为古希腊长度单位，约相当于 0.16 公里，据此换算，则地球圆周长64000公里，也与事实相去甚远。只有通过测量才能够获得地球大小的准确数据。首次进行这种测量的是昔兰尼人埃拉托色尼（公元前 284192 年）。他在担任亚历山大城缪斯学院图书馆长时，测出亚历山大和塞恩（Syene，在今埃
20、及阿斯旺附近）夏至日正午太阳高度角相差 7.2，认为这一角度正是两地间的弧距。他根据两地的距离计算出地球圆周长为 25万斯台地亚，非常接近 40000公里。但是，亚历山大和塞恩并不在同一经线上，而是有 230经度差。两地的距离当时系根据商队路线估计的，也并不准确。所以，埃拉托色尼的计算结果与现代观测结果的近似，只是一种巧合。然而毫无疑问，他的方法是一项重要的创举。公元723 年，我国唐朝的僧一行（张遂）、南宫说等人分别在13个地方测量当地的地理纬度，测出经线 1弧长为 350 唐里80步，约相当于现在的 132.3 公里。这一结果显然偏大。现在，人类对地球大小的测量已经相当准确。1975年9月
21、，国际大地测量和地球物理联合会第18届全会推荐了一批有关地球大小的数据，其中，地球赤道半径 a为 6,378,1405米，极半径c为 63567555米，总面积 5.1108平方公里，总体积10820108 立方公里，总质量 5.981027克。近年又报道了总体积 10833108立方公里，总质量 6.5881027克。在实际运用中，常常把与地球体积相等的正球体半径作为地球的平均半径，即6,371,110 米。地球的经线周长为 40,008,548 米，赤道周长为40,076,604米。地球的巨大质量和体积，使它能够吸着周围的气体，保持一个具有一定质量和厚度的大气圈。地球上的物体至少需有 11
22、.2公里秒的速度才能脱离地球，而大气中气体微粒的运动速度最快也只及上述数字的1/7。这就保证了地球的大气不致逸散。而如果地球没有现在这样大和这样重，就不可能有现在这样的大气圈。因而也没有海洋和河湖，没有风，也没有生物。地表平均温度将比现在低得多，温度较差将大得多，紫外线辐射将强得多，总而言之，我们的地球将呈现完全异样的景象。第三节 地球的运动生活在地球上的人类，不能感觉地球的运动，却能直接看到日月星辰绕地球旋转，因此，很容易误认为地球是静止不动地居于宇宙的中心，于是地心说应运而生。亚里士多得最早提出的地心说，经过托勒密（公元90168年）在二世纪中叶加以系统化之后，曾风靡世界达一千五百年之久。
23、15101516 年间，波兰天文学家哥伯尼（14731543年）完成了六卷巨著天体运行论，首先明确提出“地球是动的”，“行星旋转的中心不是地球而是太阳”，“地球不是宇宙的中心”，而“是围绕太阳旋转的一颗普通的行星”，等等，从而建立了日心说。哥伯尼认为，地球绕轴自转发生昼夜的交替，同时绕太阳公转，导致季节的变化。通过布鲁诺（15461600年），开普勒（15711630 年）、伽利略（15641642 年）和牛顿（16421727 年）等许多杰出科学家的努力，日心说逐步取代了地心说。而 1781年天王星的发现，1846 和 1930 年海王星和冥王星的发现，则使日心说在对地心说的斗争中最终取得了
24、彻底的胜利。一、地球的自转太阳系是一个比较稳定的旋转系统。地球在太阳系形成过程中获得的一定的角动量主要分布在地球的自转、公转和地月转动系统中。地球的椭球体形状与离心力的作用有关，而离心力又只在物体旋转时才可能产生，可见地球是旋转的。科学实验早已证明了地球旋转的事实。1851年，傅科在巴黎众神殿上以长度为200英尺的一条绳子悬吊一个60磅重的铁球，做成摆，并在铁球下装一细针，球摆动时，针可在地面铺的沙层上划出记号。根据力学定律，摆动物体都力图保持它原有的摆动平面。傅科在实验中却发现，摆总是逐渐向右偏转，在 49 的巴黎，每小时偏 11多，每 32小时偏转一周（360）。后来的研究表明，在极地摆动
25、平面每小时偏转 15，每 24小时偏转一周。但在赤道上却不发生偏转。既然摆动平面是固定不变的，这种偏转就只能是视偏转了，它说明不同纬度上的经线方向在不断变化。地球是自西向东旋转的。在赤道上，经线的切线平行于地轴，因此它的方向不因地球旋转而变化。在两极，经线的切线与地轴相互垂直，因此它们的方向每天变化360，每小时变化 15，与地球旋转角速度相同。摆动平面的视偏转与地球旋转方向相反，即在北半球向右或顺时针，在南半球向左或逆时针。不同纬度上，摆动平面每小时偏转的角度等于地球每小时自转的速度与所在纬度正弦的乘积，其公式为：15sin地球绕地轴旋转，称为地球自转。自转一周的时间即自转周期，叫做一日。但
26、由于观测周期采用的参考点不同，一日的定义也略有差别。如果取春分点为标准，则春分点连续两次通过同一子午面的时间，叫做一恒星日。如果取太阳为标准，则地球上同一地点连续两次通过地心与日心的连线所需的时间，叫做一个太阳日。但是地球不但自转，还绕太阳公转，公转轨道又呈椭圆形，所以一年中的太阳日并不是等长的。取一年的平均值就得到一个平均太阳日，即 24 小时。这是地球平均自转 36059的时间，其中59是地球公转造成的。所以，它比一个恒星日长3分 55.909 秒平均太阳时。地球自转速度包括线速度和角速度两种。赤道上线速度最大，为464/，到 60 和 处几乎减少一半，到两极则为零。不同纬度的线速度L 可
27、用下式表示：464cos自转角速度除两极点外，到处都是每日 360，每小时15。长期以来，人们认为地球自转速度非常稳定，因此把它作为计算时间的标准。实际上，地球自转速度并不是永远固定不变的。据推测，在地球形成的初期，自转周期仅有4 小时。而现在已经计算出，距今 5108年前的寒武纪晚期，自转周期为 20.8 小时，至泥盆纪增至21.6小时，石炭纪 21.8 小时，三迭纪 22.7 小时，白垩纪 23.5小时，始新世23.7小时，目前为24小时。我们知道，活的珊瑚每天分泌碳酸钙，形成躯壳上的细小日纹。现代珊瑚每年有365条日纹，而五、六亿年前的珊瑚化石每年却有四百多条日纹。这就说明当时地球自转速
28、度比现在要快得多，即当时的一天要比现在短。地球自转速度并不是一直变慢，也有以变快为主的阶段，但减慢是主要趋势，而减慢的原因则是多种多样的。早在二百多年前康德就已指出，月球和太阳引潮力造成的潮汐从东向西冲击地壳，而地球自转方向为自西向东，潮汐与地壳摩擦产生的阻滞地球自转的力，将减慢地球自转速度。也有人认为地球自转速度减慢是太阳活动的影响和地球不断膨胀和增大的结果。但是，地球自转速度变化的根本原因仍然在地球的内部。地球上比重大的物质在重力作用下不断向地心集中。据估计每秒钟有5104 吨铁从地幔进入地核，这种运动将使地球自转加快；而火山爆发、岩浆活动等过程使地幔物质流向地表，当然也会引起自转速度的变
29、化。除了长期的变化之外，地球自转还有季节变化。每年34 月，地球自转速度最慢，8月最快。但季节性日长变化不超过 0.50.6 毫秒。自转的季节性变化可能与地球上纬向风速、洋流和冰雪分布的季节变化有密切关系。因为它们影响地球质量分布于转动轴线间的距离，因之影响到地球的转动惯量。当转动惯量增大时，转速将减慢；反之，转速将加快。 地球绕轴自转这一事实是确定地理坐标的基础，如果没有两个极点，就几乎不可能建立统一的地理坐标。地球自转的重要的地理意义表现在以下几方面：1地球自转决定了昼夜的更替，并使地表各种过程具有一昼夜的节奏。地球是不透明的，任何时候，太阳都只能照射地球的一半，使地球表面产生昼和夜的区别
30、。如果地球只有公转而没有自转，那么昼夜更替的周期将不会是一日而是一年。在这种情况下，与地表热量平衡相联系的一切过程，包括气压、气流、蒸发、水汽凝结以及有机界的状况，都将发生和现在全然不同的变化。比如，巨大的昼夜温差将会引起十分强烈的风暴，过度的炎热和严寒将会造成生物的死亡，等等。但由于地球有自转，而且既不像金星那样慢，也不象木星那样快，昼夜更替适中，地表增温和冷却不超过一定的限度，生物才得以生存，其他许多过程才不朝极端方向发展。2由于地球自转的结果，所有在北半球作水平运动的物体都发生向右偏转，在南半球则向左偏。假设在北半球任何一点的地平面上有南北线 NS和东西线 ，有四个物体从这两条线的交点
31、C分别向 ， 和 四个方向运动，由于地球自转的缘故，地平面按反时针方向旋转。因此，经过一定时间以后，南北线和东西线分别落到了 N1S1和W1E1 的位置（图15），而四个物体按惯性规律力图保持其原来的运动速度和方向，从而向右偏离了位置（图15），而四个物体按惯性规律力图保持其原来的运动速度和方向，从而向右偏离了地面的基线。这一现象可以用地球自转的线速度来解释。物体自 点向北运动，是从线速度较大的纬度转移到线速度较小的纬度，由于惯性的作用，它必然超越其出发点 的经线；向南运动时，情况正相反，它自线速度较小的纬度转移到线速度较大的纬度，所以便落后于其出发点的经线，结果仍然是向右偏转。当物体沿东西方向运动时，实际上是沿纬线的切线方向运动，即仍由高纬向低纬运动，故运动方向仍将发生偏转。科里奥利首先发现地球自转情况下运动物体的偏转力，因此称为科里奥利力。科里奥利力D可用下式表示：2vWsin式中v为运动物体的速度；W为地球自转的角速度；为运动物体所在纬度。地表某一点的角速度和纬度正弦值的乘积，只影响运动物体的方向，而不影响其速率；而运动物体的速度却决定着偏转力
