地球概论

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丛书名：21世纪高等院校教材

• 作者：余明主编
• 出版时间：2022/4/1
• ISBN：9787030719980
• 出 版 社：科学出版社

适用读者:本书对地学、资源与环境、生态等专业的学生适用，同时，对广大热爱地球的读者也是一本值得一读的参考书。

• 中图法分类：H319.9 
• 页码：259页
• 纸张：胶版纸
• 版次：3
• 开本：16开
• 字数：(单位：千字)

内容简介

“地球概论”是高等师范院校地理科学专业的一门先行的基础课，讲授的是关于地球的宇宙环境以及行星地球整体性的基础知识。
　　《地球概论（第三版）》首先引入天体和天体系统、天球和天球坐标的概念，并简单介绍获取天体信息的主要手段以及时间历法；其次重点介绍天体的主体——恒星世界以及与地球有关的天体系统（如银河系、太阳系和地月系等）；再次讨论了日月地、日地关系以及近地环境对地球的影响，以及叙述了地球运动及其所产生的地理意义；*后对地球整体性知识、地球的演化以及数字地球做了介绍。课程实验指导和常用的数据安排在附录中。


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目 录

目录
第三版前言
第二版前言
第一版前言
第一章 天体及其研究方法 1
1.1 天体及天体系2 2
1.1.1 天体概念及主要天体 1
1.1.2 天体系统 2
1.2 获取天体信息的方法 2
1.2.1 电磁波 3
1.2.2 宇宙线 3
1.2.3 引力子 4
1.3 观测天体的主要工具和数据处理 4
1.3.1 天球 4
1.3.2 天球坐标 7
1.3.3 星图、星座和星表 14
1.3.4 天文望远镜 16
1.3.5 天文数据的处理方法和天文软件 第一
1.3.6 天文圆顶、天象厅和天文台以及虚拟天文台 第一
1.4 时间 23
1.4.1 时间计量系统 24
1.4.2 时间的种类与换算 26
1.5 历法 32
1.5.1 编历原则 32
1.5.2 历法的种类 32
1.5.3 历法的评价 37
第2章 恒星世界 39
2.1 恒星的基本特性 39
2.1.1 恒星的亮度及星等 39
2.1.2 恒星的距离 40
2.1.3 恒星的温度、颜色和光谱型 40
2.1.4 赫罗图 42
2.1.5 恒星的大小、质量和密度 42
2.1.6 恒星的运动 44
2.1.7 恒星的化学组成及其他 45
2.2 恒星的多样性 45
2.2.1 单星、双星、聚星、星团和星协 46
2.2.2 2星、新星和超新星 48
2.2.3 主序星、第一、白矮星、中子星、黑洞 50
2.3 恒星的结构、能源和演化 54
2.3.1 恒星的结构 54
2.3.2 恒星的能源 54
2.3.3 恒星的演化 55
第3章 星系与宇宙 62
3.1 银河系 62
3.1.1 银河系的结构特征 62
3.1.2 银河系的其他特征 64
3.1.3 银河系对地球宇宙环境的影响 65
3.2 河外星系 67
3.2.1 河外星系的分类 68
3.2.2 河外星系的光度和光谱 70
3.2.3 河外星系的结构 70
3.2.4 河外星系的运动 71
3.3 活动星系 72
3.3.1 射电源及射电星系 72
3.3.2 其他活动星系 73
3.3.3 活动星系核 74
3.4 星云 76
3.4.1 星云密度、质量和成分 76
3.4.2 星云的种类 77
3.5 星系团和总星系 78
3.5.1 双重星系和多重星系 78
3.5.2 星系群和星系团 78
3.5.3 总星系 80
3.6 星系的起源与演化 80
3.6.1 银河系的起源与演化 80
3.6.2 河外星系的起源与演化 81
3.7 宇宙的起源 83
3.7.1 大爆炸宇宙模型 83
3.7.2 宇宙简史 85
3.7.3 宇宙演化的几个阶段 85
第4章 太阳系及近地宇宙环境 88
4.1 太阳系主要天体的特征 88
4.1.1 太阳系的结构及其运动特征 90
4.1.2 太阳系行星的视运动 91
4.2 太阳 96
4.2.1 太阳的基本概况 97
4.2.2 太阳结构、能源与演化 98
4.3 行星、第一和太阳系小天体 99
4.3.1 太阳系八大行星 100
4.3.2 矮行星 107
4.3.3 太阳系的第一 108
4.3.4 太阳系的小天体 112
4.4 近地小天体对地球的影响 116
4.4.1 近地小行星 116
4.4.2 流星雨、陨星及陨石坑 117
4.4.3 近地彗星 118
第5章 日月地系2 第一1
5.1 地月系 121
5.1.1 月球绕地球公转的轨道 121
5.1.2 月球绕转地球的周期 1第一
5.1.3 同步自转 1第一
5.2 月相 123
5.2.1 月相的成因 123
5.2.2 月球对于太阳的相对运动 124
5.3 交食 124
5.3.1 交食成因和种类 124
5.3.2 交食的条件 125
5.3.3 交食的观测 127
5.3.4 交食过程 129
5.3.5 食限与食季 131
5.3.6 交食的概率 132
5.3.7 交食的周期 135
5.4 天文潮汐 136
5.4.1 潮汐现象 136
5.4.2 引潮力 138
5.4.3 海洋潮汐的规律性 141
5.4.4 潮汐的地理意义 144
5.5 日地关系 144
5.5.1 太阳活动 145
5.5.2 太阳活动对地球的影响 148
5.5.3 太阳活动的预报 152
第6章 地球运动及其效应 154
6.1 地球运动的主要方式 154
6.2 地球自转及其地理意义 154
6.2.1 地球自转的证明 155
6.2.2 地球自转的规律 157
6.2.3 地球自转的地理意义 159
6.3 地球公转及地理意义 163
6.3.1 地球公转的证明 163
6.3.2 地球公转的规律 165
6.3.3 地球公转的地理意义 166
6.4 2化中的地球运动 170
6.4.1 自转速率的2化 171
6.4.2 极移 171
6.4.3 地轴进动 172
6.4.4 极移和岁差的区别 176
第7章 地球物理特征及演化 178
7.1 地球物理特征 178
7.1.1 地球质量、大小和形状 178
7.1.2 地球的重力及其特征 179
7.1.3 地球的磁场及辐射带 180
7.1.4 地球结构及其特征 181
7.1.5 地球上的生命及成因探讨 183
7.1.6 地球的危机及防范 184
7.2 地球的形成与演化 185
7.2.1 太阳系的形成与演化 185
7.2.2 地球的形成和演化 190
第8章 数字地球及其应用 197
8.1 数字地球 197
8.1.1 数字地球概念及发展 197
8.1.2 对地观测技术及系统 200
8.1.3 地理信息系统 201
8.2 数字地球的应用 202
参考文献 205
附录A 课程实验内容与指导 207
附录B 实验项目汇总 245
附录C 常用的数据 246

文 摘

第一章 天体及其研究方法
　　本章导读：
　　地球是宇宙中的一个天体，那么，如何观测天体？如何获悉天体的信息？天体是如何演化的？如何从整体上认识地球？ 所有这些问题都是人类所关心的。本章将对天体及研究天体的主要方法进行介绍。
　　1.1 天体及天体系统
　　1.1.1 天体概念及主要天体
　　1. 天体概念
　　宇宙中所有物质和能量，统称为天体。天文学研究的对象就是天体。常见的有自然天体（如黑洞、星系、恒星、类星体、行星、□□、彗星、流星体等）和人造天体（如人造□□、飞行器等）。在地球上看，天体都在天上。但实际上，地球也是一个自然天体，不过对人类而言，地球是一个特殊的天体。
　　□. 主要天体简介
　　（1）恒星是天体中的主体。一般由炽热的气体组成的、自身会发热发光的球状或类球状天体，称为恒星。太阳就是一颗恒星，除了月球和行星外，我们在夜晚所见到的天空群星大多为恒星（关于恒星的特点将在第□ 章介绍）。由成团的恒星组成的、被各成员星的引力束缚在一起的恒星群称为星团，一般分为球状星团和疏散星团两种。
　　（□）行星指绕恒星运行、自身不会发可见光的、以其表面反射恒星光而发亮的天体。据现代天文观测获知，行星并不是太阳系独有的。天空中每10 颗恒星至少有1 颗其周围有行星，甚至可能不止1 颗行星。□1 世纪以来，人类已经在800 多颗恒星周围发现了1000 多颗行星（候选体星），*多在一颗恒星周围发现了7 颗行星。目前人类对太阳系外行星的探索兴趣空前高涨。
　　（3）□□指绕行星运行、自身不会发可见光、以其表面反射恒星光而发亮的天体。如太阳系内的月球就是地球的□□。据科学报道，截至□0□0 年发现的太阳系自然□□数多达160 颗以上。
　　（4）彗星主要由冰物质组成，以圆锥曲线（包括椭圆、抛物线和双曲线）轨道绕恒星运行。当靠近恒星时，因冰物质受热融化、蒸发或升华，并在恒星粒子流的作用下（如太阳风）拖出尾巴的天体。至今人们仅观察到太阳系内的彗星。
　　（5）流星体指太阳系中较小的天体，其轨道千差万别。在太阳系中有些流星体是成群的，称为流星群。当流星体或流星群进入地球大气层时，由于速度很快，进入地球大气层因摩擦生热而燃烧发光，形成明亮的光迹，称为流星现象。大流星体未燃尽而降落在地面，称为陨星。有些陨星中含有许多种矿物元素，尤其□□来还发现在一些陨星中存在有机物。
　　（6）星云和星系 星云是指银河系空间气体和微粒组成的星际云，一般它们体积和质量较大，但密度较小；形状不一，亮暗不等。早期人类在星云性质未被了解之前，曾把星云分为河内星云和河外星云两种。随着观测手段的进步，人类已区分出河内星云的实质就是银河系内的一些星际物质；河外星云就是现在指的“河外星系”，简称“星系”。梅西叶天体（或M 天体）是特指的110 个星系和星云。深空天体（deep sky object，DSO）指的是天空上除太阳系天体（如行星、彗星或小行星）或恒星天体外，用肉眼难以见到，但用探测器可获悉的弱暗星系等天体（如M31、M104 等）。
　　（7）星际物质 是存在于星系和恒星之间的物质和辐射场的总称（除包括星际气体、星际尘埃和各种各样的星际云外，还包括星际磁场和宇宙线），星际物质在天体物理的准确性中扮演着关键性的角色（因为它是介于星系和恒星之间的中间角色），在现代天体物理中，星际物质研究越来越受到人们重视。
　　（8）人造天体在1957 年人造□□上天以后才有的天体，包括现有人造□□、宇航器（宇
　　宙飞船）和空间站等。虽然有的人造天体已解体，失去设计时的功能，但每一块小碎片（宇宙垃圾）仍然是人造天体。据估计，现运行在宇宙空间的人造天体已有上万个，为避免碰撞，国际组织或一些国家已开展对它们进行监测和监控。
　　（9）可视天体和不可视天体（暗物质）在宇宙中存在大量的物质和能量，人类把肉眼看得见的（在可见光波段）称为“可视天体”，看不见的称为“不可视天体”或“暗物质和暗能量”。现代天文研究表明，宇宙中存在大量暗物质与暗能量。
　　1.1.□ 天体系统
　　宇宙中的天体是相互作用的。互有引力联系的若干天体所组成的集合体，称为天体系统。常见的有地月系、太阳系、银河系、河外星系、星系团、总星系。天体系统结构各异、大小悬殊。地球在宇宙中的相对位置如图1.1。与地球关系密切的天体系统有地月系、太阳系、银河系。
　　1.□ 获取天体信息的方法
　　除用肉眼外，人类主要是通过望远镜等天文仪器观测天体运动、研究天体的特性及演化。获悉天体信息的主要渠道有电磁波、宇宙线、中微子、引力子等。通过这些手段，人们可以了解有关天体的信息（如恒星的光度、温度、颜色、寿命等）以及天体的演化规律。
　　1.□.1 电磁波
　　电磁波（electromagnetic wave ）是在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。它具有波动性和粒子性两种性质。任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性，它既是现代遥感探测的依据，也是人类通过电磁波获取宇宙天体信息的主要方法。就波长来说，我们眼睛所能感觉到的，只是全部电磁波中很狭窄的一部分，即所谓的可见光，其波长范围为0.4～0.8μm（1μm=10.4cm）或4000～8000.（1.=10.8cm）。其他不可见光的电磁波有：紫外线100～4000.，X 射线0.01～100.，γ射线<0.01.，红外线7000.～1mm ，无线电短波1mm～30m ，无线电长波>30m。电磁波光谱如图1.□ 所示。
　　图1.□ 电磁波光谱图
　　由于地球大气对天体辐射的吸收、反射和散射等作用，所以天体只有某些波段的辐射能到达地面，人们把这些波段形象地称为“大气窗口”。大气窗口指大气对电磁辐射吸收和散射很小的波段，这些波段对地面观测获取天体信息非常有利。主要有以下几个大气窗口：①光学窗口，能透过可见光；②红外窗口，红外辐射主要由水分子所吸收，只有很少部分能在地面观测；③射电窗口，在射电波段有一个较宽的窗口。若要观测天体的全波段辐射，就必须摆脱地球大气的屏障，需到高空和大气外层进行观测。在地球大气上界和地面获取太阳能差异情况如图1.3 所示，其衰减强度随波长而异。
　　1.□.□ 宇宙线
　　宇宙线主要指来自宇宙的各种高能粒子流，包括质子、α粒子、电子、不稳定的中子和μ子等。不过，除中微子外，接收宇宙线必须用各种粒子探测器到大气上界进行。目前，人类在这方面研究虽已取得一定成果，但对太阳系之外的宇宙线还没办法做到系统化观测。
　　图1.3 大气上界和地面获取太阳能
　　中微子质量虽极其微小，但穿透本领很强。通过对中微子观测，人类可以获悉恒星内部热核反应的信息，但不易观测。□00□ 年，赛德伯勒中微子天文台已成功地观测到来自太阳的中微子，这对研究太阳内部意义重大，也解决了困惑人类多年的“太阳中微子之谜”。
　　1.□.3 引力子
　　在引力场中，由引力波传播的载体，称为引力子。人类通过对它们的研究，可以间接得到天体的一些信息。令人兴奋的是在□016 年初人类首次直接探测到引力波的存在。引力波的发现让人类认识宇宙增加了一个通道，也为人类探索宇宙的奥秘提供了另一种手段。
　　此外，天外来客（如陨星）、宇航取样等，也是人类了解宇宙天体的渠道。
　　1.3 观测天体的主要工具和数据处理
　　目前人类能观测的宇宙范围为150 亿～□00 亿光年，但肉眼能直接观测到的天体是很有限的。因此，在历史上，天文学家就一直致力于观测手段的改进和天文观测仪器的研制。可以说，从伽利略望远镜到哈勃太空望远镜，每一次观测手段的改进和新观测仪器的研制，都推动了天文学的发展。望远镜是人眼的延伸，从光学到射电波段，再到其他多波段观测；从地面到航空航天观测，天文仪器不断更新，天文望远镜的功能也日趋完善，人类获取的天体信息也越来越多。为更好地了解地球的宇宙环境，了解天体的运动规律。本节将简要介绍天球和天球坐标、星图和星表、天文望远镜等以及天文数据处理方法等。
　　1.3.1 天球
　　1. 天球的概念
　　引力使运动宇宙中的天体能保持相对的平衡。当人们抬头仰望天空时，从视觉上很难辨别出天体距离的远近，似乎是等距的，它们同观测者的关系，犹如球面上的点与球心的关系。这样太阳、月亮和恒星看起来似乎都分布在一个很大的球面上（称天球）。地球上的人无论走到什么地方，都有这种感觉。天空的昼夜□化表明，天球不但存在于地平之上，而且还有一半隐入地平之下。
　　天文学对天球是这样定义的：以观测者为中心、以任意长为半径的一个假想的球体（图1.4）。它可作为研究天体视位置和视运动的辅助工具。如太阳每日的东升西落、月球在天空中的圆缺□化、日月食现象出现、行星的动态□化等都可借助天球来表示。
　　图1.4 天球示意图
　　□. 天球的类型
　　由于研究任务不同，天球中心可以选择为观测者、地心、日心或银心等，相应地就有观测者天球、地心天球、日心天球和银心天球等。地心天球，是地球上的观察者所构成的天球，它以地心为天球中心，但地球上的观察者只能在地面上观察，地心与地面的差距就是地球半径，在较大尺度的宇宙空间里，地球半径或直径的距离是可以忽略不计的，这就是天球的半径定义为任意的原因。所以，地心天球与以地面上的观察者为中心的天球是可以被看作是一致的，仅在必要的时候才作某些修正。地心天球主要用以表示太阳系以外的天体视位置和视运动。日心天球，以日心为天球中心，即假设观察者处于日心位置，这种天球主要用于表示太阳系以内天体的视位置和视运动。银心天球，以银心为天球中心，即假设观测者在银心位置，这种天球主要用于研究星系运动。
　　3. 天球上的基本点和基本圈
　　在天球上定义一些假想的点和大圆（基本线和基本圈），以便确定天体在天球上的视位置，或研究天体的视运动。因此，利用天球可以把各个天体方向间的相互关系的研究，分为球面上点与点或点与线或线与线之间相关位置的研究。同一球面上*大的圆，其圆心在球心的称为“大圆”，其他的圆则称为“小圆”。为此，我们先了解天球上的一些基本点和基本圈（圆）。
　　（1）天顶和天底 沿观测者头顶所指的方向作铅直线向上无限延伸，与天球相交的一点称为天顶（Z）；天球上距天顶180° 的点，即铅垂线在观测者脚底向地平以下无限延伸，与天球相交的另一点称为天底（Z′），观测者的眼睛则为天球的中心，如图1.5 所示。
　　（□）地平圈通过地心，并垂直于观察者所在地点的垂线的平面与天球相割而成的圆为地平圈，或表述为通过天球中心而垂直于天顶和天底连线的平面称为地平面，地平面与天球相交而成的大圆，称为“地平圈”，如图1.5 中的NWSE 。地平圈把天球分成可见和不可见的两个半球。天体每日视运动运行到距地平圈以上*高点称为“上中天（Q）”，运行到距地平圈*低点称为“下中天（Q′）”。
　　（3）北天极和南天极天轴是地轴的无限延伸。天轴与天球相交的点就是“天极”。天极有两个：北向的称“北天极（P）”；南向的称为“南天极（P′）”（有人称“天北极”和“天南极”）。离北天极约1°处有一颗不太亮的星，即小熊座α，中文名“勾陈一”，即现代北极星。南天极及其近旁没有亮星，故没有南极星，所谓“南极老人星”，其实离南天极还很远，离天赤道反而近，只因我国地处北半球，北方根本看不到这颗星，南方看那颗星在南边天际。所以才有“南极老人星”（即船底座α）的说法。
　　（4）天赤道与北天极和南天极距离相等，且垂直于天轴的大圆，称为“天赤道”，即地球赤道平面无限扩大与天球相割而成的大圆。它把天球分成南、北两个半球。
　　（5）四方点（或四正点）通过天顶和天底、北天极和南天极的大圈与地平圈相交的两点中，靠近南天极的那一点称为南