資源簡介

《地球科學導論》學習指導
學習方法：
本課程基本上是闡述性、敘述性的講授，內容也不像中學、數理化一類有嚴格的數學推導，許多問題是定性講敘。方法上，學生應調節自己，適應課程特點——閱讀。
學習特點：
大量閱讀，認真理解、總結歸納、
要求：
課前要預習，課堂認真聽講，課后閱讀參考書，消化當天內容。因同學們第一次接觸相對陌生的課程內容，同時課程特點與中學差別較大，應在學習中注意培養自己專業課學習的良好的習慣和方法。
宇宙中的行星地球――起源和演化
地球是屬于太陽系中的一顆行星，在了解地球起源及演化前先了解太陽系的起源。
§1.地球――人類在宇宙中惟一家園
1.1太陽系的結構
太陽系：是由太陽、行星及其衛星、小行星、彗星、流星體和行星際物質構成的天體系統。
太陽是太陽系的中心天體。太陽的質量占太陽系總質量的99.865%，太陽的引力控制了整個太陽系，使其他天體繞太陽公轉。整個太陽系中，只有太陽是一顆有熱核能源輻射的發光恒星，其他天體主要被太陽光照射后反射光線才能發亮。
小行星：除九大行星外，還有大量小行星分布在火星與木星之間繞日公轉。估計小行星總數多達幾十萬顆，已正式編號的有7 625顆（截止1997年4月22日）。有的軌道離地球很近，但總質量只有地球的萬分之四。小行星除質量、體積微小外，相互之間物質成分的差異也很明顯。
彗星：以其特殊的明亮長尾和周期性地出現在夜空而引人注意。迄今已知的彗星約1600多顆，每年能觀測到的彗星約10個，其中新發現的約占50%。彗星的軌道有拋物線、雙曲線和橢圓三種類型，只有后一種橢圓軌道的彗星才能繞太陽公轉，前二種一旦出現后不再回到太陽系。彗星的質量、密度很小，當遠離太陽時只是一個由水、氨、甲烷等凍結的冰塊和夾雜許多固體塵埃粒子的“臟雪球”。當接近太陽時，彗星在太陽輻射作用下分解成彗頭和彗尾，狀如掃帚。
行星際物質：太陽系內密度分布不勻，在地球軌道附近的平均密度為5個正離子加5個電子每立方厘米。
1.2 太陽的能量
（1） 太陽的熱核反應
作為太陽系中心天體的太陽，是距地球最近的一顆能夠向空間輻射光和熱的恒星，也是地球外部能量的主要來源。對地球上的人類來說，太陽是地球以外最重要的天體。
太陽表面的溫度約為6000k（=5726°C），所以看起來呈橙黃色。中心部分溫度推測可高達1.5×107K, 密度達到水的160倍。在這種高溫、高壓條件下，組成3/4太陽物質的氫元素會失去外層電子，僅剩的內部原子核中的質子以極大速度運動時可以克服彼此間的靜電斥力，發生猛烈的碰撞，由4個氫原子核聚變成為1個氦原子核。這種不斷進行的熱核反應，使太陽成為一所巨大的天然原子能工廠。
（2） 太陽輻射和質量損耗
由于太陽體積的巨大和熱核反應頻頻發生，就能源源不斷地以電磁波（含可見光、紫外線、紅外線、無線電波、X射線和γ射線）的形式向四周放射能量，是整個太陽系光和熱的主要源泉。
太陽輻射輸出可以作如下計算：在日地平均距離（1.4961×108km）處的地球大氣頂界，垂直于太陽光線的1cm2面積上，每分鐘接受的太陽輻射能量稱為太陽常數，以熱量單位表示為8.25J。
根據太陽常數乘以假設被太陽光垂直照射的半個地球圓面積，就可獲得一分鐘內太陽向地球輻射輸送的能量，一年中太陽給地球的熱量是目前全世界發電量的幾十萬倍。從太陽系整體角度看，地球吸收到的熱量僅是太陽輻射總量中的很小一部分。太陽在大量釋放能量的過程中（假定能量輻射率基本不變），50億年累計損耗的質量只不過是太陽全部質量的0.03%。根據銀河系內部不同演化階段的恒星演化史推算，太陽現在仍處于壯年期，它的壽命估計可達到100億年。所以從人類歷史的時間尺度來看，太陽的熱核反應和能量輻射是取之不盡的能量來源。
（3） 太陽活動與黑子周期
太陽正處于中心區氫核聚變而輻射巨大能量階段，總輻射量變化不到1%。太陽表面的大氣圈從里向外分為光球、色球和日冕三層，其中灼熱的等離子氣體密度很小，直接受太陽磁場的支配處于局部的劇烈運動之中，成為太陽活動（solar activity）。太陽活動的最基本標志是日面光球上經常出沒的“暗黑“斑點，即黑子（sunspot）。黑子其實也發光，只是因為溫度比周圍光球低1 000℃左右，在明亮的光球反襯下看起來呈現暗黑色。黑子在日面的移動可以證明太陽也有自轉，其赤道部分約25日自轉一周。黑子分布范圍主要集中與日面南、北緯5°～25°之間。每個黑子周期開始時，黑子一般出現在緯度±30°附近；黑子數最多的高峰期，則出現在緯度約±15°處；黑子周期結束時，赤道附近的黑子又都消失，下一個周期的黑子又開始在緯度±30°附近出現，黑子時空分布形狀很象一群蝴蝶，故又稱蝴蝶圖。平均長度為11.1年的黑子周期已獲得公認。
太陽黑子群的耀斑爆發，可以在一二十分鐘內釋放出相當于10億顆氫彈爆炸的能量，拋出的大量高能粒子流到達地球附近時，擾亂了地球磁場，類似地球磁場突然發生一場風暴，成為磁暴。磁暴發生時會導致地球上短波無線電通訊中斷、羅盤指針劇烈顫動而失去作用和變壓器受損而大停電等現象，對于人類的通訊、生活、軍事等活動造成直接危害。
1.3 行星地球基本參數
(1)日地距離及旋轉周期
日地平均距離是地球半徑的兩萬多倍，日地之間光速傳遞需要約8分鐘，這個龐大的距離定義為1個天文單位(AU)。AU是太陽系內表示天體距離的常用單位。從太陽系行星接受太陽輻射能量角度看，1AU是最佳的距離。加上地球公轉和自轉的周期適當，存在四季變化和晝夜交替，使地球表面均勻地適量吸收太陽輻射能量，地表平均溫度在15℃左右，有利于液態水圈存在和生命萬物生長。
(2)體積和質量
逃逸速度即表面物質脫離本星體引力必需達到的速度。類地行星和冥王星的體積和質量都比較小，相應的逃逸速度也明顯小于類木行星。但地球的體積和質量在類地行星中屬于最大的，其逃逸速度需要11.2 km/s。在地球表面任何物質都逃不脫地球引力的影響，包圍在地球最外層的大氣圈才得以保存。而其他類地行星則大氣層很稀薄。
類木行星體積和質量較大，逃逸速度高出地球的2～5倍，都能保持大氣圈。大氣成分以氫、氦為主，也有甲烷、氨和水等，只不過由于星體表面溫度太低，使氨和水大部分都冷凝為冰態。
在九大行星的大氣圈成分中，惟獨地球大氣中氧含量高達21%，為高級動、植物的呼吸作用提供了良好基礎。高空氧在太陽紫外線作用下形成的臭氧層，在吸收太陽紫外輻射以保護地球表面生物界不受侵害方面，也是地球得天獨厚的有利條件。
(3)密度和內部物性分異
類地行星的密度明顯大于類木行星，較小體積星體具有較大密度，反映了類地行星物質組成中以重元素為主，具有堅硬的巖石圈外殼和金屬或金屬硫化物核部。地球的密度達到5.52 g/cm3，在九大行星中名列第一，更證明金屬核占有重要的地位，也可能存在某種超密物質。
地球堅硬的巖石圈能貯存液態水圈，并在物理、化學和生物作用下形成土壤圈，為高等動、植物生長發育提供理想條件。類木行星密度很低，星體表面都呈氣態和液態，高等生物無法生存。
地球內部存在核、幔、殼不同層圈分異，不同層圈之間經常發生物質-能量交換事件。而液態導電的金屬核較快旋轉導致形成的永久性偶極地球磁場使地球在太陽風作用下形成磁層，可以阻擋和捕獲來自太陽和其他宇宙天體的高能粒子，對于保護生物界免受損害同樣具有重要意義。
綜上所述，通過比較九大行星各項基本參數及其與地球內外不同圈層特征的相互關系，地球確實是得天獨厚的幸運兒，恰好具備有利于生命演化和人類發展所必需的多種自然條件。無論是哪一項參數，只要稍有改變，對生物界和人類的生存都會引起嚴重的甚至毀滅性的后果。
§2.地球在太陽系中的運動
2.1 地球自轉與晝夜交替
(1)地理坐標系
地軸，北極，南極，赤道，緯線，經線。
(2)天球坐標系
與地球的實體概念相反，天球是研究天體的視位置和視運動而引進的一個假想的圓球。
天球實際上是將地球的地理坐標系擴展為以無限長為半徑的球體：
將軸無限延長稱為天軸，天軸與天球相交的兩個點即天北極和天南極。
地球赤道無限擴展與天球相交的大圓圈，就是天赤道。
地球繞太陽作公轉運動（由于地球的自西向東自轉，人們看到的則是每日太陽東升西落的現象），太陽在天球上每年的視運動路線稱為黃道，也就是地球公轉的軌道。
黃道面（地球公轉軌道面）和天赤道面（地球赤道面）之間存在的夾角(23°26')，稱為黃赤交角。
黃道面法線在天球上的交點稱為黃極。
月球繞地球公轉軌道在天球上的投影，稱為白道，與黃道之間僅有5°9'交角，反映月球和地球的公轉軌道面相當接近。
(3)地球的自轉
地球繞地軸旋轉的方向為自西向東，即從北極上空俯視呈反時針方向旋轉。
自轉速度——有角速度和線速度兩種。角速度是物體整體轉動時的轉動速度，單位為弧度／秒，地球自轉角速度除兩極點外，到處都是每個恒星日360°，每小時約15°。線速度是質點作圓周運動時的切線速度，地球上各點的自轉線速度并不相同，赤道上線速度最大，為464m／s，到南北緯60°處幾乎減少一半，到兩極則為零。
(4)晝夜交替和標準時區
為了在全球范圍建立一個既有相對統一性，又保持一定地方性的完善時間系統，人們在地球表面按360°經度劃分出24個理論時區及國際日界線。每一時區跨經度15°，并以本初子午線所在的時區為零區，向東和向西各自依次為東1區、東2區……東12區及西1區、西2區……西12區。每一時區的東西界線距各自中央經線均為7.5°，就采用中央經線的地方時作為全區的標準時間，稱為區時。
(5)地轉偏向力
地轉偏向力＝科里奧利力
由于地球自西向東自轉，地球上的運動物體的運動方向依慣性原理而保持原有狀態，則在北半球出現物體運動偏右，在南半球物體運動偏左的現象。這是地轉偏向力作用的結果。
科里奧利力（地轉偏向力）的計算方式：
F＝2mνωsinΦ
其中，F為科里奧利力，m為運動物體質量，ν為其水平運動速度，ω為地球自轉角速度，Φ為地理緯度。可見F的大小和運動物體質量、速度和緯度的正弦成正比，相同質量和速度的運動物體，F隨緯度增高而加大。
地球自轉速度是不均勻的。其變化與地球不同圈層中出現的多種突發性事件之間可能存在廣泛而深刻的聯系，但其機制至今未知。
2.2 地月關系
（1）月球基本參數
月地距離：月球是距離地球最近的天體。已經測得的月地平均距離是384，401±1 km，約為地球半徑的60倍，是日地距離的1/389。
月球大小：月球的半徑約為地球半徑的3/11。月球表面積約為地球的1/4，比亞洲面積略小。月球的體積僅為地球的1/49。
月球質量：總質量相當地球質量的1/81.3。月球的平均密度相當地球密度的3/5。月球上物質重力分異程度較低，內部缺乏金屬核，因此幾乎沒有磁場。月球上的逃逸速度僅為地球的1/5左右。同樣質量的物體在月球上的重量只及地球上重量的1/6。月球上無法保持大氣圈和水圈，也缺乏磁層包圍，無論是太陽系中的大小不等固體巖塊、塵埃還是各種高能粒子流、宇宙線，都可以直接轟擊月面。所以月面滿布各種隕擊坑，既無生命存在的痕跡，也是聽不到聲音的萬籟俱寂世界。
（2）月球的旋轉
　　地月系：月球是地球的惟一天然衛星，在太陽系所有衛星和本行星大小對比關系上，月球是最大的一個。因此，有時可以把地球和月球看成是兩相伴隨的雙行星系統，即地月系。地月系具有一個共同質心，其位置在地球內部，距地心 4,671km處，地球顯然是地月系的中心天體。
　 月球的公轉：由于地月系的存在，月球圍繞地球的公轉在嚴格意義上是繞共同質心的旋轉，地球的公轉實際上也是繞共同質心而運動。月球公轉的軌道是個橢圓形，所以在公轉周期內存在近地點和遠地點的差別。月球在軌道上運動的速度，在近地點時快，遠地點時慢。
　　月球公轉周期：因計量公轉周期的參考點不同，也有不同定義。最常用的有：恒星月是月球中心連續兩次由西往東回到同一恒星方向上所經歷的時間，是月球公轉360°的真正周期；朔望月是月球連續兩次新月（朔）或滿月（望）所經歷的時間，與日常生活中一個月內的月相變化周期一致。朔望月比恒星月長。
月球的自轉：月球繞地球公轉時，大體上以同一面向著地球。所以我們在地球上只能看到略大于半個月球(59%)的面貌。這也反映了月球自轉周期與它的公轉周期相等，都是一個恒星月；月球自轉和公轉的方向相同，都是反時針的方向。
(3)天文潮汐和地球轉速度慢
月球和太陽的引力都會使地球發生周期性變形現象，稱為潮汐變形。這種作用在地球流體圈層和固體圈層中都會產生影響，但以海洋的潮汐漲落表現最為突出。
月球引力使地球上靠近月球的海洋凸出；地球旋轉產生的離心力在近赤道產生凸起。
海洋潮汐(tides)現象起因于天體（主要是月球）的攝引作用。月球對地球的引力作用與地月之間的距離有關。地球上的近月端比遠月端距離月球近12870 km。這就意味著月球對地球的近月端的引力最大，而對遠端的引力最小，地球中間的部分受的力在最大力和最小力之間。
地球向月突出部分（月垂點）離月亮最近，受到的月球引力大于以地心所受月球引力為代表的全球平均值，這個差值導致產生面向月球的引潮力，月球把地球面向它這邊的水向自己的方向吸引，在海面形成潮汐隆起。地球背月部分（反垂點）離月亮最遠，月球對地心的拉力作用比對反垂點要強，所以地心就被拉向遠離反垂點的水體，這樣在海面也形成潮汐隆起。于是海洋潮汐作用引起全球海平面變形，使地球整體由正球體變成橢球體。
潮汐作用不僅導致海面垂直漲落，也產生自高潮區向低潮區的水平流動，稱為潮流。潮流對海底的摩擦作用稱為潮汐摩擦。由于海水粘性及海底摩擦，潮汐隆起在向西遷移過程中總是滯后于月垂點，即位于垂點以東。這種月地間引力作用偏離地球中心的現象，導致產生力矩，即月球對于地球的引力有一個向西的分量，對于自西向東自轉的地球起了減速剎車作用，見下圖。經過大量觀測資料的收集和計算，潮汐磨擦能導致地球自轉速度長期減慢的學說已經得到普遍承認。
觀察者位置——月球
從全球看，一些地方漲潮，則在另一些地方落潮；反之亦然。潮汐漲落是通過海水的流動實現的，流入則漲潮，流出則落潮。
2.3 地球軌道參數
地球公轉環繞的是日地共同質量中心，這個中心距日心僅450km。對于具有近7×105km半徑的太陽來說，可以忽略不計，也可以視為地球質心圍繞太陽質心的轉動。地球公轉方向和自轉相同，也是自西向東，從北極上空鳥瞰，均呈反時針方向。
(1)偏心率
地球公轉軌道呈橢圓形，太陽位于橢圓的二個焦點之一的位置上。橢圓的長軸與短軸之差＝焦點矩，1/2焦點矩與半長軸的比為偏心率。
地球在橢圓形軌道上公轉，日地距在一年內發生周期性變化，每年1月初離太陽最近稱為近日點；7月初離太陽最遠為遠日點。據開普勒定律在單位時間內地球與太陽連線在地球軌道上掃過的面積相等。所以地球公轉速度在近日點時最大,遠日點時最小)。
(2)黃赤交角
由于黃赤交角的存在，太陽在天球上周年運動的同時，還表現為相對于天赤道的上下往復運動，稱為太陽回歸運動。太陽在天球上所能達到的南、北界線，稱為南、北回歸線。太陽相對于天赤道的回歸運動，使太陽光線直射的范圍在南北緯23°27'回歸線之間作周期性往返運動，從而形成地球上的春夏秋冬四季更替和氣候分帶現象（見書圖1－17）。
夏季
陽光
　　
冬季
(3)歲差
黃赤交角天球模型中，如果地軸（赤道面的法線）不改變方向，春分點位置不變，回歸年與恒星年應當相等。但通過大量觀察發現春分點沿黃道存在由西向東逐年緩慢后退現象，稱為歲差(precession)。
歲差現象的根源是地軸發生進動。物理學中，將轉動物體的轉動軸環繞另一個軸作圓錐形運動稱為進動（見書圖1-18）。地軸的進動是太陽和月球對地球非理想球體（赤道部分稍隆起）的攝引有關。其結果引起地軸繞黃軸（地球公轉軌道面法線）作圓錐形運動。
由于進動，所以不同歷史時期的北極星并非固定不變，一萬多年后的北極星將由織女星來擔任，地軸進動也必然影響到赤道面的變動，使天赤道與黃道的交點（春分點）在黃道上向西移動（交點退行）。
2.4　星體影響和撞擊事件
太陽系的結構包括了不同類型星體的復雜軌道系統，它們總體上受到中心天體（太陽）引力場控制并繞其公轉，實際上反過來對中心天體以及相互之間也都存在引力影響。太陽系內有的小天體受到較大行量的引力影響，可能突然偏離原有軌道，導致發生星體間的猛烈碰撞。
相鄰大行星對地球軌道的微弱攝動，可以使地球軌道扁心率和地軸斜度（黃赤交角）發生周期性變化。現在已知偏心率(e)在500萬年內可發生自0.0005 ~0.0607范圍變化（現為0.0167），變化周期為10萬年左右和40萬年左右。e值改變引起地球日照量的季節變化可達30%，對地球表面溫度有重要影響。地軸斜度(ε)在百萬年內變化的范圍為22°02'～24°30'（現在是23°26'21″），變化周期約4萬年。ε值越大，一年中冬夏差異越大，對極區冰蓋的發育有很大影響。歲差(p)周期約2萬年左右，對赤道帶的氣候影響較大。南斯拉夫學者米蘭科維奇（M·Milanko- vich,1920）首先研究三個軌道要素變化和第四紀冰川成因的關系，得出“軌道要素變化周期導致地球的夏季半年日照量減少是冰期形成主要因素”的結論。米蘭科維奇的上述假說提出后，學術界一直存在爭論。直到20世紀70年代獲得大量地質記錄中古氣候變化研究成果提供的有力支持后，才成為廣泛承認的米蘭科維奇學說。
太陽系九大行星
水星
金星
地球
火星
木星
土星
天王星
海王星
冥王星
類地行星：密度大、體積小、自轉慢慢、衛星少，硅酸鹽物質多。
類木行星：密度小、體積大、自轉快、衛星多，氣體云層組成。
——物性近地球，運轉周期類似木星
西
東on
月垂點
地球自轉方向
潮汐隆起遷移方向
西
東on
引力作用點
Fon
地球引力偏西分量
北
北
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