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如月地系统,太阳系、银河系等。
二、宇宙的起源
20世纪初,天文学家斯里弗尔(V.M.Slipher)发现星系以每秒数十万米高速退行;
1929年,哈勃(E.P.Hubble)观测到河外星系退行资料,离我们愈远退得愈快;
1916年,爱因斯坦(A.Einstien)提出广义相对论,演绎出宇宙在膨胀的理论;
天文学家继续观测证明,宇宙在膨胀;
宇宙大爆炸的产物;
距离今约150亿年。
第二节、银河系与太阳系
一、银河系(milkwaysysten):
是一个由大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成的庞大系统。
正面成旋涡状,侧面呈中间厚边缘薄的扁饼状。
银河系的直径约10万光年。
中心称银核,直径约1万光年;
核外边缘称银盘;
银盘的中心平面称为银道面。
银河系的所有天体大体顺着银道面绕核心快速旋转运动,这种运动称为银河系自转。
二、太阳系(solarsystem):
以太阳为中心并受太阳引力支配的天体系统。
(一)太阳系的主要特征:
1、太阳:
太阳是其中唯一的一颗恒星,占太阳系质量的99.87%,发出强光和热。
太阳外部大气中有73种元素,其中氢为71%,氦为26.5%,氧、碳、氮、氖等气体攻占2%,镁、硅、镍、硫、钙等占0.4%,其余60多种元素占不足0.1%。
太阳内部:
主要由氢构成,中心密度达160g/cm3,压力为3.4X108Pa,温度高达15X108℃。
在这里氢发生热核反应转变成氦(He)放出巨大的能量,这就是太阳发出光和热的能源。
光球层:
太阳表面是光球层,他金光夺目,平均温度高达5500℃,厚约3000㎞,不断发出光和热,传向四面八方。
只有约22亿分之一辐射到地球,造成地表合适的气温,为
地球生命的存活创造了条件。
在光球层中常常出现大小不等的黑斑点,称为太阳黑子;
黑子出现可引起磁暴,影响地磁场和无线通信。
色球层:
光球层外面是色球层,呈玫瑰红色,向外不断喷出锯齿状火焰,温度高达数万度,厚约7000㎞。
在色球层上空常常喷出高达数千公里的火舌,称为日珥;
有时可出现巨大的亮点,称为耀斑;
耀斑可发出强烈的电磁辐射和各种射线,引起地磁场和气候变化。
日冕:
色球层之外为日冕,是太阳最外层稀薄的“大气”,该层呈亮白色,温度高达100万度以上。
2、行星与卫星:
围绕太阳旋转的是8大行星,小行星带及卫星、陨星和彗星等;
太阳系天体以太阳为中心作高速旋转,自转和公转方向相同;
行星分布及运转几乎都在一个共同平面内,该平面叫赤道面。
靠近太阳的4颗行星分别是水星、金星、地球和火星,他们的大小和物理性质与地球相似,称为类地行星;
外侧的木星、土星、天王星和海王星四颗星个体较大,物理特性与木星相似,称为类木行星。
3、小行星带:
在火星与木星之间,也就是内圈星与外圈行之间有一个相对集中的小行星带。
4、卫星:
围绕行星运转的星体称为卫星。
木星有12颗卫星,土星有23颗卫星,地球有1颗卫星----月球。
5、陨星:
在太阳系还有一些无固定外形和轨道飞行的固态块体,称为陨星。
他们有些会坠入个行星表面,当然也有少数到达地球。
体积小的陨星在进入大气层时就烧化了,只留下一道流光,称为流星。
一些大的陨星进入大气层可因摩擦迅速升温而爆炸,没烧尽的落在地面形成陨石,散落较多的称陨石雨。
6、陨石:
分石陨石、铁陨石和过度类型的石铁陨石三类。
这是天赐的宇宙物质标本,对研究天体的物质组成、结构和演化有重要意义。
(二)太阳系的起源
康德—拉普拉斯星云假说。
1775年,哲学家康德(I.kant)认为,在万有引力作用下,原始弥漫物质逐渐分别凝聚,形成了太阳系内的各天体;
1796年,法国科学院院士拉普拉斯(P.S.Laplace)从数学和力学角度进行了阐述:
太阳系本是一团旋转的炽热气体,由于冷却收缩,越转越快,离心力加大,变得扁如圆盘;
当外缘离心力大于引力时,一部分物质被抛出,成为圆环;
抛出物分离,凝结成行星;
行星周围的卫星也有类似形成过程;
星云中心成为太阳。
第三节、地球的物理性质
一、地球的形状与大小:
地球是太阳系自内向外的第三颗行星。
距离地球约为1.496X10的8次方公里(一个天文单位)。
公转一周约365.256d。
自转一周的时间为23小时56分4秒。
1、形状:
古人认为地球是方的,有“天圆地方”之说。
后来经过环球航行,才弄清地球是圆的。
由于地球表面起伏不平,决非光滑的球面,也称为地球体。
实际上是一个近似的三轴椭球体。
我们现在说的地球形状指大地水准面所圈闭的形状。
大地水准面(geoid)----由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。
地球的真实形状略呈梨形,南极向内下凹30m,北极向上凸出约10m。
2、大小:
国际大地测量与地球物理联合会(1980)公布地球大小主要数据:
赤道半径:
a=6378.137km;
赤道周长40075.7km;
两极半径:
c=6356.752km;
子午线周长40008.08km;
平均半径:
6371.012km;
表面积5.101X108km2;
扁率:
a-c/a=1/298.257体积10832X108km3
二、地球的重力(gravity);
地球表面某点的重力是该点所受地心引力和绕轴旋转的离心力的合力。
具有随纬度增高而增加的规律。
重力在地球内部0km—2900(或2885)km递增,地表(0km)为981Gal,在33~35km处为983Gal,650km处为995Gal,2885km为1069Gal,且达最大值;
2900(2885)km往地心递减,最终变为0反映地内物质的密度存在巨大变化。
三、地球的密度和压力:
1、密度(density):
密度=质量/体积;
0km处密度约2.6g/cm3;
<33km处密度约2.9g/cm3;
>33km处密度约3.32g/cm3;
<2900(2885)km处密度约5.56g/cm3;
>2900(2885)km处密度约9.98g/cm3;
内核处为12.51g/cm3;
总体规律:
从地表到地心,密度逐渐增大,在33km、2900(2885)km以及其他深度,密度突然增高。
2、压力(compressivestress):
静压力,即压强(intensityofpressure)随深度增加压力不断增加;
33km处为1200Mpa,2900(2885)处为135200Mpa,地心处可达361700Mpa。
四、地球的温度(temperature):
地表的火山、温泉都告诉我们,地球的内部是炽热的。
据地内温度分布可分为三层:
1、变温层(外热层):
地表受太阳影响,温度一年四季,白天黑夜呈周期变化的表层。
2、常温层:
在外热层之下界一个厚度不大的地带,其地温常年保持不变。
3、内热层:
在常温层之下,由地球内热提供热量,使温度随深度增加而有规律的升高。
地温增量有如下两种表达方式:
地热增温率或地温梯度(geothermalgradient)—常温层之下,每向下加深100m所升高的温度,平均3℃。
地热增温级—温度每增加1℃所增加的深度,是地温梯度的倒数。
33km处约400℃—1100℃,2885km处为3700℃,地核高达4500℃。
所以地内热量主要用于造山作用和推动地壳水平运动;
太阳热引起大气运动、风化作用等外动力地质作用。
五、地球的磁场(magneticfield):
地球周围存在着磁场,称为地磁场(geomagneticfield)。
地磁场主要要素(geomagmetic)有:
1、磁偏角:
磁场强度矢量的水平投影与正北方向的夹角,即磁子午线与地理子午线之间的夹角。
2、磁倾角:
磁场强度矢量与水平面的交角。
3、磁场强度:
磁场大小的绝对值,平均为50μT。
4、磁异常(magneticanomaly):
地球浅部具磁性物质引起的局部异常。
地磁场不稳定,有三种变化:
1、磁场强度变化;
2、地磁极的移动;
3、地磁极性变化。
六、地球的弹塑性:
地球既有弹性特征,也有塑性变形特征。
1、地球具有弹性:
表现在地球内部能传播地震波,因为地震波是弹性波。
地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象,其幅度为7—8cm,这种现象称为固体潮。
2、地球具有塑性:
地球是旋转椭球体;
地球中的韧性变形。
第四节地球的结构
一、地球的内部圈层
1、划分依据:
最初,地质学主要是通过对地表出露的岩石、地下矿井直接观察地球内部进行研究。
其深度只有几千米,最深的钻井也只有12.5公里。
从地表海拔最高点加上最深的钻井也只有20来公里,和地球的半径相比只能说是皮毛。
后来,开始利用地震波进行研究,可以了解整个地球的内部结构。
地震波分纵波、横波和面波,面波只沿地面传播,因此在地球内部主要通过纵波和横波来研究。
纵波质点的振动方向与地震波的传播方向一致,横波质点的振动方向与地震波的传播方向垂直。
因此横波不能通过液态物质。
地震波在传播中遇到密度不同的物质波速回发生变化,遇到界面时会发生折射和反射,这就为研究地球内部圈层提供了依据。
地震波从地震的震源激发向四面八方传播,到达地表的各个地震台站后被地震仪所记录下来。
根据这些记录,人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点,了解地球的内部构造。
2、内部圈层的划分:
根据地震波在地球内部波速的变化和折、反射情况,可将地球内部划分为由两个一级不连续界面(33km处的莫霍面,2900(2885)km处的古登堡面)分割的三个一级圈层。
这些界面和地表一样,不是光滑平整的球面,他们也凹凸起伏。
(一)、地壳(crust):
是固体地球的最外一圈,由岩石组成,是一个相对刚性的外壳。
地壳厚5—70km,平均33-35km,其底界为莫霍面。
可分为大陆型地壳和大洋型地壳。
1、大陆型地壳:
薄的地方不到20km,最后可达70-80km,平均厚35km。
陆壳具双层结构,上层主要是氧、硅、铝等轻元素,故称硅铝层(Si-Al层),其平均密度2.7g/cm3,以酸性岩浆岩(花岗岩)和变质岩为主;
下层主要成分为氧、硅、铁、镁,故称硅镁层(Si—Mg层)。
其平均密度3.0g/cm3,主要岩石为基性岩浆岩(玄武岩),故又称为玄武岩质层。
2、大洋型地壳:
大洋地壳厚度变化在5-8km,平均厚6km,大洋地壳只有玄武质层,缺失硅铝质层。
艾利的山根说
美国天文学家艾利(G.B.Aity,1855)认为,厚度大的地壳有较大重量,但因其下沉深,所获的浮力大;
而厚度小的地壳具有较小重量,因其下沉浅,所获的浮力小,故两者都能达到均衡。
艾利看法的重点是高山之下有“根”,故称山根说(theoryofmountainroot)。
例如海中航行的船只,水中漂浮物等。
目前的观点认为:
均衡现象是存在的,但是引起均衡的动力不是岩块的浮力,而是重力。
其原理是,地球内部某一深度可以找寻一个水平面,称为补偿基面(compensationlevel)。
在此面单位面积上的所承受的上覆岩块的总重量都相同。
以此补偿基面为准,高山地区地势虽高,地壳厚度大,但其下部地幔厚度小;
大洋地区地势虽低,但其拥有的地幔厚度大。
故两处岩块的总重量相等,从而可保持重力均衡(isogtasy)。
(二)、地幔(mantle):
介于莫霍面与古登堡面之间,33—2885km。
其厚度超过2800km,平均密度4.5g/cm3,横向变化不大。
据650km处的地震波速变化,又可分为上地幔和下地幔。
其中上地幔(33—650km)平均密度3.5g/cm3,主要成分是超基性岩的橄榄岩。
其顶部部为固态(33—70km);
中部为部分熔融状态(70—250km,岩浆发源地),下部为固态(250—650km)。
下地幔也为固态(650-2885km)。
(三)、岩石圈和软流圈:
上地幔上部的固态与地壳组成岩石圈,为刚性,有强度。
在大陆区有硅铝层、硅镁层及橄榄岩层;
在大洋区只有硅镁层和橄榄岩层。
岩石圈之下,70~250km为上地幔中部的低速层,物制成部分熔融状态,为软流圈。
板块构造认为岩石圈板块可在软流圈之上漂移,就像冰在水上漂一样。
(四)、地核(core):
外核(2885—4170km),液态;
过渡层(4170—5155km),固液态过渡带;
内核(5155—6371km),固态。
地核成分与铁陨石(ironmeteorolite)相近,表明主要为铁、镍物质,其次有少量硅、硫等轻元素组成的合金。
莫霍面(mohodiscontinuity):
前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现(1909年)地壳与地幔的不连续面,平均深度为33km。
古登堡面(Gutenbergdiscontinuity):
美国地球物理学家古登堡首先发现(1914年)地幔与地核的分界面,平均深度为2885km。
地核的运动:
早有学者推测地核转动较快,但证据不足。
1996年,旅美中国学者宋晓东博士与里查兹教授通过地震波研究,发现地核的对称轴比地球的旋转轴每年向东偏移1.1°
(其后苏维加等人认为地核比地幔自转速度每年快2°
-3°
),这就意味着地核的旋转速度比地球每年快20km(如图3-2)。
成为96年国际十大科技新成果之一,
地球的诞生
行星地球是宇宙中的尘埃在引力的作用下逐渐形成的。
冷星云—星子—尘埃集合体;
温度高,轻者跑掉,重者以固体为主,留在地球表面,受万有引力作用向中心聚积,体积缩小,物质密度越来越大;
收缩停止,热者上升,又发生膨胀,轻者上升,重者下沉,形成了地核、地幔、地壳和水圈、大气圈等内部、外部圈层构造。
思考题
(一)基本概念:
1.宇宙;
2.恒星;
3.大陆裂谷;
4.岛弧—海沟系;
5.重力均衡;
(二)1、恒星的主要特征是什么?
2、太阳系有哪些主要特征?
3、宇宙的内涵究竟怎样理解?
如何认识?
4、何谓均衡原理?
第一章地球
地球的外部圈层:
生物圈;
水圈;
大气圈
地球的外部圈层大气圈
一、大气的组成:
大气圈(atmosphere)是因地球引力而聚集在地表周围最外部的气体圈层。
1、恒定组分
:
主要由氮(78.09%)、氧(20.94%)、氩(0.93%)、二氧化碳和氖、氦等惰性气体组成。
见表2-1.
2、可变组分
二氧化碳、臭氧和水蒸气,随季节、气象、和人类活动的影响而发生变化。
3、不定组分
这部分物质在大气中含量变化非常大,如尘埃、硫化氢、煤烟、金属粉尘等。
它们一是来源自然界,二是来自人类生产、生活活动。
二、大气圈的结构:
自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层(对流层和平流层重要)。
1、对流层(troposphere):
大气圈最下一层,平均厚度11-13公里。
对流层的主要特征是:
①温度随高度增加而降低,平均升高1km温度降低6℃(大气降温率);
②空气具有强烈的对流运动,因而发生一系列天气现象,如风、雪、云、雨等;
③气象要素水平分布不均匀,天气现象复杂;
④受人类活动影响最显著,污染严重;
⑤占大气圈总质量的70%—75%。
2、平流层(stratosphere):
平流层是从对流层顶至35—55km高空的大气层,特征是:
①约占大气圈总质量的20%;
②气流以水平方向运动为主(最显著特征);
③不存在对流层中各种天气现象;
④随高度增加温度升高。
⑤该层上部存在含臭氧的层,能吸收紫外线,因而是生物的保护伞;
3、中间层(mesosphere):
自平流层顶至85km高空的大气层,气温随高度增加而下降,故又称冷层,空气又出现对流。
4、暖层(thermosphere):
从中间层顶到800km高空的大气层,温度随高度增加而上升,氧、氮被分解成电离状态,称电离层。
5、散逸层(exosphere):
位于800km以上至2000—3000km的高空,地球引力作用弱,气体质量不断扩散,亦称外逸层。
三、大气的热状况:
太阳以电磁波的形式源源不断的向宇宙空间放射能量,我们称其为太阳辐射。
太阳辐射的能量主要集中在波长较短的可见光部分,因此太阳辐射也称为短波辐射。
太阳辐射到达地球,首先要进入大气圈。
在经过大气时:
平流层中的臭氧能强烈的吸收波长较短的紫外线;
对流层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波长较长的红外线;
能量最多的可见光很少被其吸收,所以大部分可见光能穿透大气而到达地面。
1、大气受热过程:
太阳辐射到达地球表面后,近一半(约47%)辐射能量被地面吸收,使地面温度增高。
同时地面也以电磁波的形式向外辐射热量。
地面辐射主要集中在红外线部分,容易被对流层中的水汽和二氧化碳所吸收,大约有75%-95%被吸收,可导致低层大气增温。
2、气温的日变化、年变化和水平分布:
日变化:
地球上同一地点,因地球自转使太阳辐射强度发生的昼夜变化。
年变化:
地球上同一地点,因地球公转引起季节变换,而发生气温的年变化(让学生根据春、夏、秋、冬和白天、晚上及不同纬度区气温变化经讨论后回答)。
水平分布:
气温的水平分布是指一定时期内不同地区的气温情况。
通常用1月与7月的月平均气温分布状况来反映的地区气温的差异。
四、大气的运动
1、大气运动的动力
1)、真正造成大气水平运动的动力是水平梯度力。
2)、运动的大气还会受到地转偏向力等的作用。
地转偏向力,也称科里奥利力。
是由于地球自西向东自转和地球的球面效应所引起的(图2-1),北半球向右,南半球向左。
低纬度向高纬度运动的大气,使风向东偏。
高纬度向低纬度运动的大气,使风向西偏。
北半球的旋风多是顺时针方向。
2、大气环流:
大气环流是指大范围的大气运动状态,它反映了大气运动的基本格局。
低纬环流:
在赤道地区,手太阳辐射强,气温高,空气受热上升,形成赤道低气压带;
该带空气以上升为主,而且带有较多水汽,到高空后遇冷凝结成水降雨,形成赤道无风带和湿热多雨气候。
从赤道上升的气流到高空变冷后,形成高气压,向南北两侧流动,由于地球自转偏向力的作用,向东加大偏转,在南北纬30度的高空与纬线基本平行,气流不再向南北流动,形成副热带高压带,也称静风带。
而在地面上,副热带高压带的空气分别向赤道和两极流动,形成赤道两侧的大气环流。
高纬环流和中伟环流:
在两极地区终年寒冷,大气冷凝收缩,形成极地高压带,地面空气由两级向中纬度地区流动,在南北纬60度地区,与副热带高压带向两极流动的气流相遇,而转向上升运动,形成副极地低压带,该带高空气体向两极和中纬度区流动,分别形成高纬环流和中纬环流。
水圈(hydrosphere):
指由地球表层水体所构成的连续圈层,以气态、固态和液态三种形式为主。
海洋占97%,冰川占2.15%,地下水占0.6%。
一、水圈的组成:
1、水的分布:
自然界的水以气态、固态和液态三种形式存在于大气圈、生物圈和水圈中。
地球水体的总质量约为1.5X1018吨,体积约1.4X1018立方。
其中海洋占97%,冰川占2.15%,地下水占0.6%。
2、水的类型:
据天然水所处的环境不同分海水、大气水和陆地水三类
(一)海水(seawater)
1、物理性质:
包括温度、密度、压力和透明度。
2、化学性质:
海水中已知元素有72种,常见有12种。
海水中溶解的全部盐类物质与海水重量之比称为盐度,以千分率表示
①海水盐度介于3‰—37‰之间,以35‰代表海洋的标准盐度,如果明显高于35‰的海洋称为咸化海,如红海(>40‰),低于35‰的为淡化海,如波罗的海(<10‰)。
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3、海水的运动:
有波浪、潮汐、海流和浊流等形式。
波浪:
波浪是海水运动的基本形式。
水质点基本绕某个平衡位置作圆周运动,只是向前移动很小距离。
海啸(tsunami):
地震、火山喷发可释放出巨大的能量,产生汹涌的海浪,波高几十米。
潮汐(tide):
全球性海水周期性涨落现象
太阳、月球对地球的引力与离心力的合力为引潮力。
在地—月体系中,该合力在对月点和背月点最大,且方向垂直指向球面外空间,因而可使海面上升凸起,发生涨潮。
而在对月点、背月点方位为90°
的地区,合力最小,形成落潮。
由于地球自转,地球上同一地点一天内可出现两次涨潮和落潮。
如果月球、太阳、地球处在一条直线上时,可出现特高潮和特低潮。
海(洋)流(oceancurrent):
大洋中沿一定方向有规律移动的海水。
浊流(turbiditycurrent):
海洋或湖泊中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流,多由地震、火山等因素引发,具有较大的剥蚀、搬运能力,常形成冲槽、冲沟,沉积物具鲍马序列。
(二)陆地水(continentalwater)
1、地面流水:
可分暂时性流水和常年性流水。
暂时性流水包括片流(sheetflow):
刚下雨后,沿山体斜坡无固定水道的面状流水。
洪流(floodflow):
下雨后沿山谷或河道流动的暂时性线状流水。
常年性流水:
河流(river):
地球表面具有固定河道的线状常年性流水。
水系和干流的概念:
大大小小若干条河流组成的水流系统为水系。
水系与水系之间以分水岭相隔,如长江、黄河水系。
水系中最大、直接注入海洋或湖泊者为干流,如长江、黄河。
注入干流者为支流,如渭河为黄河的一个重要支流。
2、地下水(groundwater)
地下水是指埋藏在地表以下岩石和松散沉积物空隙中的水体。
岩石和松散沉积物中存在孔隙、裂隙和溶孔。
包气带水:
埋藏在包气带中的水。
包气带是指地表浅层沉积物中空隙未被地下水充满的地带。
潜水:
埋藏在地表之下第一个稳定隔水层以上,具有自由表面的重力水(饱水带水)。
承压水:
埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水(层间水)。
3、湖泊(lake)
世界上最大的湖泊是西亚的里海(咸水湖),面积约43×
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