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第三章 现代天文学基本知识(4)
http://www.100md.com 《时空医学》
     第二节 地 球

    一.

    地球的形状和大小

    地球是绕太阳运转的第三颗行星,其形状似梨形,南北球并不相互对称,它的几何中心并不位于赤道平面,以北半球较细长,南半球较粗短。地球的赤道半径6368.16

    公里,赤道圆周是40076.6公里,总面积51010.09万平方公里。 地 球从内向外由内核、外核、地幔和地壳四个同心球层构成。

    二. 地球的表面轮廓

    地球的表面分为陆地和海洋两部分。陆地为地球表面积的29%,人们习惯地将其分为亚欧大陆、非洲大陆、北美洲大陆、南美洲大陆、澳大利亚大陆和南极洲大陆六大块。地球上约71%的表面为海洋所覆盖。人们把大洋分为太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋四大部分。
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    三. 地球周围的大气圈

    在陆地和海洋上面有一层空气,它包围着整个地球,人们称之为大气圈,大气是由氮、氧和二氧化碳等气体组成,其中氮占78%、氧占21%、二氧化碳占0.03%,其他气体的含量甚微。而大气的密度、成分及其物理特性是随着高度而发生变化,并呈现明显的层次性,即对流层、平流层、中间层、热层和外大气层等。从地面到11公里的高空称为对流层,它集中了约整个大气的四分之三的质量和几乎全部的水汽量;空气中的水汽是从海洋、江河、湖沼及土壤植物的表面蒸发而来的,由于水汽在空气中的含量时多时少,因而就使天气产生各种各样的变化。对流层以上到五十公里的高空是平流层,其密度大约只有地面空气的千分之一,臭氧就集中在这一层的下部,由于臭氧能大量吸收太阳短波辐射热而使空气温度大大升高,所以平流层的最大特点就是温度随高度的增高而增加,在其顶部温度可达700C。平流层以上到八十至九十公里的高空便是中间层,其气温随着高度的增加又重新降低,而有时温度只有-500C。中间层以上到八百公里的高空便是热层,其分子都电离了,温度非常高,可达几百度。根据大气的电离现象又可把大气分为电离层和非电离层;非电离层是指在六十公里高处以下的一层,大气的各种成分多处于中性,即非电离状态;在六十公里以上的高空即为电离层,由于太阳辐射的影响,大气物质开始电离。
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    四. 地球的磁场

    地球是一颗磁化球体,它有相当强烈的磁场,研究地球磁力的结果证明,围绕地球存在着一个磁力场,仿佛是由处在地球内部一条磁轴所引起的,这条磁轴发出的磁力线就从一极出发通向另一极,磁针在地面上任何一点所指的方向,就是磁针所在地方那个地点的磁力线方向。然而地球磁场并未摆脱外界扰动的影响,宇宙飞船已经检测出一种称为太阳风的存在,太阳风乃是一种由太阳发出并流经地球的带电微粒流。因为这些微粒带电,故太阳风具有磁场。太阳风磁场对地球磁场产生一种作用,好象要把地球磁场从地球上吹走似的。在地球的向日面,地球磁场向太空伸延到10个地球半径的地方。在10个地球半径的外面还发现了一个其外缘由激波构成的磁扰区。激波系太阳风的微粒与地球磁场相激发的产物。激波类似于抛掷石块于河面所溅起的波浪,激波以外的磁场则属于太阳系。在地球的背日面,地球的磁场形成了一个磁尾。在该方向25个地球半径的地方仍可测到地球磁场。磁尾的长度大概绵延40个地球半径左右。磁尾北部的磁力线指向地球,磁尾南部的磁力线则背向地球。磁尾内这两种磁性完全相反的部分之间的界面称为中性面,中性面上的磁场强度几乎是微乎其微(见图3-1)。
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    图3-1

    地球磁场及地磁尾

    五.

    地球的运动


    地球是太阳系中的一颗行星。地球一方面绕着太阳旋转,另一方面不停地绕着地轴旋转。地球绕地轴旋转叫做自转,假使我们处在赤道,左手指的是东,右手指的是西,则地球自转的方向是由西向东。地球自转一周约须24小时(实际为23时56分46秒)。人们把地球自转一周的时间叫做一天(图3-2)。地球自西向东绕着太阳旋转叫做公转。地球公转的路程成封闭曲线,这种曲线是椭圆形的,太阳就在这个椭圆形的两个焦点上的一个焦点上。地球绕太阳旋转的路程叫做地球公转轨道,其长度为九亿三千万公里,因为地球绕太阳的轨道是椭圆形的,所以地球有时离太阳近,有时离太阳远。每年一月三日前后地球离太阳最近,这点叫近日点;每年七月四日前后地球离太阳最远,这点叫远日点。地球以每秒钟29.8公里的速度绕太阳旋转,历以365天5小时48分46秒围绕太阳旋转一周,人们把地球绕太阳旋转一周的时间定为一年(图3-3)。
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    地球公转有一个重要特点,就是它的自转轴对于公转轨道平面是倾斜的,它们之间形成66030'的夹角。

    而且在地球的公转进行中,不论在轨道的那一点自转轴总是指向北极星的。地球就是这样一方面不停地自转着,另一方面又不停地侧着身子绕着太阳转。

    六. 昼夜更替与四季形成

    地球从西向东自转,其向着太阳之面受到阳光照射是白昼,而背着太阳之面的是黑夜(图3-2),因为地球在不停地自转,所以地球上各个地方都有昼夜更替的现象,并且其东边的地方总比西边的地方首先看见太阳。

    图3-2
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    地球自转和昼夜更替

    当地球侧着身子绕太阳旋转的时候,总有半个球面比另外半个球面倾向太阳,因而受到太阳光线照射的方向比另外半个球面更垂直,这样,这半个球面受到太阳照射的热量既多,时间也长,所以地面比较热,气温比较高。相反另外半个球面受到太阳照射的热量既少,时间又短,所以地面比较寒冷,气温比较低。因此在一年公转一圈的过程中,开始是地球的北半球倾向太阳,地面受阳光照射较多;然后是两个

    半球都不倾向太阳,地面均匀接受太阳光照射;接着是南半球倾向太阳,地面接受较多的阳光;之后又是两个半球都不倾向太阳,阳光平均地照射到南北半球上;最后地球转完一圈回到原来的位置,北半球又倾向于太阳,开始公转的第二圈进程。这样,一年一个周期,地球的北半球的气温也就由热(夏)变到凉(秋),由凉变到冷(冬),由冷回升到暧(春),由暧上升到热,开始第二次循环。而地球的南半球则相反,由冷升到暧,由暖上升到热,由热变到凉,而由凉变到冷地循环(图3-3)。
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    图3-3

    地球公转和四季成因

    七.气候变化

    气候的变化主要是在大气中最低的一层,即对流层,它是一切气候变化的“演出舞台”,主要气候如雨、雪、云、雾、寒潮、台风、雷电、冰雹等均发生在这一层。对流层里

    空气热量的直接来源,主要是地面;因为太阳以短波辐射的形式向地球射来热量。而大气不善于吸收短波辐射热,因此,太阳射来的热量,大部分透过大气而被地面吸收了。可以说,对流层内的空气,主要是由被太阳晒热的地面烘热的。因而,靠近地面的空气受热多,远离地面的空气受热少,所以在对流层中越到高空,气温也就越低。大约是每上升一百八十米,气温降低10C。对流的大气中具有强烈对流特征。靠近地面的空气,吸收了热,变得轻了。轻的空气就向上升腾,远离地面冷而重的空气,就下沉来补充它的位置,这样就产生了对流。由于空气的对流运动,高层与低层的空气得以进行交换,近地面的热量、水汽、固体杂质等容易向上输送,遇冷凝结,便产生了云、雨、冰雪等现象。
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    地球的大气也同一切物质一样,永远处于无休止的运动之中,风是人们最熟悉的一种大气运动形式,其主要反映了空气的水平运动,而空气除了水平运动外还有上升运动和下降运动,有时候还有乱流运动,地球上冷热不同的影响和地球自转偏向力,造成全球性大气环流:赤道地方,终年炎热,被地面烘热的空气,体积膨胀,永远从地面向空中升起,造成低气压,叫做“赤道低气压带”。这里上升的空气到达了一定高度后,就在上空向南北流动,它们在流动过程中,受了地球自转偏向力的影响,愈往前进,风的方向就愈偏,到了副带(纬度200~300)高空,空气就逐渐堆积起来;同时,高纬度高空的空气也可能有一部分向南(就北半球而言)排挤到副热带上空来,这样就增加了副热带上空的气压,于是,高空的空气相继下沉。地面的空气加多了,气压随着增高。因此造成了“副热带高气压带”(回归线高气压带)。从回归线高气压带吹向赤道低气压带的风,因受到地球偏转力的影响,故在北半球形成东北风,在南半球形成东南风,它们的风向终年不变。而从副热带向高纬度流动的空气,也因地球自转而偏向,在北半球形成了西南风,在南半球形成了西北风,这种风愈向前进偏向愈甚,因此在广大的温带地区造成了盛行西风。在两极的地方,终年严冬,那些寒冷的空气在极地形成了极地高气压区;从极地高气压区南下(南半球则是北上)的空气,亦因地球自转而偏向,在北半球形成了东北风,在南半球形成了东南风,其统称为极地东风。盛行西风和极地东风在极圈附近相会,空气上升,相对地形成了极圈低气压。极圈低气压的上升气流在高空,一方面回到极地,再下沉充实极地高气压区,完成了极区的大气环流;另一方面又在高气压层中流回热带,构成了中纬度的大气循环。
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    八. 日食与月食

    日食正如昼夜的更替一样,当月亮走到太阳和地球之间而三者恰好在一直线上的时候,地球上的人们就可以看到太阳被月亮所遮盖,那就是日食的现象(图3-4)。日食的发生必须具备两个条件,其一日食必须在朔日;其二月球的位置必须靠近黄道、白道的交点之一。我们知道地球绕太阳旋转的路线叫黄道;月亮绕地球旋转的路线叫白道。而月亮在绕地球旋转一周的时间中,总有一次在太阳和地球的中间,这个日子就是朔,但是,这不是说每逢朔日便会出现日食现象。因为黄、白两道并不是处在同一平面上,它们彼此相交成509'的交角,平时月球总是在地球的上面或下经过,难得有机会从正中走过去,也就是说月亮不常有机会和地球、 太阳在一直线上,因此并不是每月朔日都会发生日食。

    日食可分为三类:有日全食,日偏食,日环食。当月球上影子完全落在地球上,地球上那个地区的人们看到整个太阳被月球所遮盖,这叫日全食;而当月球仅是部分地遮住太阳,人们所看到的日食便叫偏食;此外,当月影不能达到地面,那么在被月影延长线所包围的地球区域里,人们只能看到太阳的边缘,也就是说月球只遮盖了太阳的中心部分,这种现象叫日环食。
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    月食比日食的道理更简单,由于地球的本影很长,在月球轨道外,地球本影的宽度约为月球直径的2.7倍; 因此月食只有全食和偏食两种。月球全部钻进地球本影,就发生月全食;月球在地球本影的边缘掠过,只有一部分进入本影就形成月偏食(图3-4)。

    图3-4 日食月食示意图

    就全地球而言,一年内至少有二次日食,月食可能没有,但因日食带的范围不大,而月食在半个地球上都能看到,所以对全地球来说日食发生的次数虽然比月食多,但对某一地点而言,看到月食的机会比日食多。

    九. 海潮

    月亮不单单通过日食和月食来影响地球上的人类,而且月亮还是海洋发生潮汐现象的主要原因。潮汐现象起因于天体(月亮)的摄引作用,但该种作用随天体与地球距离的增大而减弱。假如月亮(或太阳)不存在,地面上的水层就会象图3-5.1中那样均匀分布。但在月球吸引力的作用下,地球上靠近月亮的部分要遭到较强的摄引作用,因此海面与其底部相比,则被拉得更加靠近月亮。在地球的另一面,海底比海面离月亮近,因而它被月亮拉近的程度就比海面强。这样一来,海洋就在两个方面隆起,即朝向月亮的一面和背向月亮的一面。而海潮正是在这些地区出现高潮,但在这两者之间的地区则处于低潮,它们为高潮区补给海水。
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    图3-5.1 图3-5.2 图3-5.3

    图3-5 海潮发生示意图

    地球在潮汐隆起下面转动,因而每日形成两次高潮和两次低潮。但在地球自转一周的期间内,月亮也在轨道上向东运动。所以地球要完成一个完整潮汐周期,就必须多转动一些。这样一来,实际是每24小时49分才出现两次高潮和两次

    低潮。

    潮高的变化因地而异。在海岸上3至6英尺高的潮汐极为常见。但有的地方因口岸呈漏斗状,高低潮差竟可达50英尺,如加拿大的芬地湾。正是这一类型的海湾以及像白令海峡那样的浅水道,才发生潮汐和地面的摩擦。由于摩擦的作用,地面可将潮汐隆起拖着一起转,因为地球的自转比月亮的公转较快。所以,潮汐隆起将不会与月亮并肩发生,而是略为超前(图3-5.3)。

    太阳同样也可影响潮汐,但因太阳距离我们比月亮远得多,故太阳引起的效果就不及月亮强。但每逢新月和满月时,太阳、月亮、地球的联线呈直线,太阳和月亮的引力就会叠加在一起,从而形成大潮(图3-6)。在大潮期间,其高潮比平时的高潮还要高,而其低潮又比平时的低潮还低。还有另外一种极端情况,叫做小潮,小潮发生在上弦与下弦期间(图3-6)。每逢小潮时,太阳和地球的联线与月亮和地球的联线垂直。月亮的摄引作用在地球的向月面和背月面两边引起高潮,而太阳却在这两个地区形成低潮,结果是高潮没有平常的高潮高,而低潮亦不及平常的低潮低。

    图3-6

    大潮小潮产生示意图

    地球也不是刚体,由于天体的引力作用,它的本身也会发生轻微的潮汐效应。这一效应虽然很弱,但还是被人测到了。我们称它为固体潮。固体潮的存在就证明我们立足的地面并非像我们感觉到的那样“坚如磐石”,因为我们脚下的地面每12小时25分钟便经历一次轻度的起落。, 百拇医药