固體地球物理學(xué)概論第三章-03

1、3.5 地球的公轉(zhuǎn)地球的公轉(zhuǎn) 根據(jù)萬有引力的作用，根據(jù)萬有引力的作用，一個天體環(huán)繞另一個天體環(huán)繞另一個天體的旋轉(zhuǎn)運動，稱為公轉(zhuǎn)。一個天體的旋轉(zhuǎn)運動，稱為公轉(zhuǎn)。 地球環(huán)繞太陽的運動稱為地球的公轉(zhuǎn)。地球環(huán)繞太陽的運動稱為地球的公轉(zhuǎn)。 地球的公轉(zhuǎn)，實質(zhì)是地球和太陽環(huán)繞共地球的公轉(zhuǎn)，實質(zhì)是地球和太陽環(huán)繞共同的質(zhì)量中心同的質(zhì)量中心 (離太陽中心約離太陽中心約450km)的的運動運動。 由于地球的公轉(zhuǎn)會造成地球上白晝長短由于地球的公轉(zhuǎn)會造成地球上白晝長短有規(guī)律的變化，使地球表面受到太陽輻有規(guī)律的變化，使地球表面受到太陽輻射也會出現(xiàn)有規(guī)律的變化，從而形成四射也會出現(xiàn)有規(guī)律的變化，從而形成四季變化。季變化。

2、這些變化與人類的生產(chǎn)和生活都有著密這些變化與人類的生產(chǎn)和生活都有著密切的關(guān)系。切的關(guān)系。 地球公轉(zhuǎn)的軌道、周期和速度地球公轉(zhuǎn)的軌道、周期和速度 地球公轉(zhuǎn)運動的方向是自西向東，地球公轉(zhuǎn)運動的方向是自西向東，軌軌道是個橢圓道是個橢圓 (扁率為扁率為 1/60或偏心率為或偏心率為0.0167)的，公轉(zhuǎn)軌道的長半徑為的，公轉(zhuǎn)軌道的長半徑為 149597870km，太陽位于這個橢圓的兩，太陽位于這個橢圓的兩個焦點之一，如圖個焦點之一，如圖3.5.3所示，所示， 因此，日地間的距離也是隨著時間而變因此，日地間的距離也是隨著時間而變化的?；摹?1月月3日地球最靠近日地球最靠近太陽，稱為太陽，稱為近日點近日

3、點，此時的日地距離為此時的日地距離為1.4703x108km。 7月月4日地球離太陽日地球離太陽最遠稱為最遠稱為遠日點遠日點，其距離為其距離為1.5187x108km。 地球公轉(zhuǎn)的軌道平面即稱為黃道面。地球公轉(zhuǎn)的軌道平面即稱為黃道面。 由于地球公轉(zhuǎn)運動受到其他行星和月球由于地球公轉(zhuǎn)運動受到其他行星和月球等天體的等天體的引力引力作用，黃道面的空間位置作用，黃道面的空間位置是是有變化有變化的。的。 實用中黃道的嚴格定義是實用中黃道的嚴格定義是:在任一瞬間，在任一瞬間，只考慮長期運動的軌道平面稱為瞬時平只考慮長期運動的軌道平面稱為瞬時平均軌道平面，這一平面與天球相交的大均軌道平面，這一平面與天球相交

4、的大圓稱為黃道。圓稱為黃道。 太陽太陽 位于地球軌道面上，但從地球上看位于地球軌道面上，但從地球上看來，太陽好像終年在這個平面上運動，來，太陽好像終年在這個平面上運動，這就是太陽的視周年運動。這就是太陽的視周年運動。 我們說的黃道，我們說的黃道，實際是太陽視運動的軌實際是太陽視運動的軌道，黃道所在的面就是黃道面。道，黃道所在的面就是黃道面。 地軸與地球軌道面約成地軸與地球軌道面約成66033的交角，因的交角，因而赤道面與黃道面的交角約為而赤道面與黃道面的交角約為23027。 黃道與天赤道的交角叫黃赤交角。黃道與天赤道的交角叫黃赤交角。 黃道與天赤道相交兩個點為春分點和秋黃道與天赤道相交兩個點為

5、春分點和秋分點。分點。 地球公轉(zhuǎn)是周期性的運動，繞太陽一周地球公轉(zhuǎn)是周期性的運動，繞太陽一周的時間叫做一年。的時間叫做一年。 若以恒星為標(biāo)準(zhǔn)，這段時間叫做一恒星若以恒星為標(biāo)準(zhǔn)，這段時間叫做一恒星年。年。 它有它有365.25636個平均太陽日。個平均太陽日。 每百年約增長每百年約增長0.01s，這是地球公轉(zhuǎn)真正，這是地球公轉(zhuǎn)真正周期。周期。 若以春分點為標(biāo)準(zhǔn)，就得到回歸年，若以春分點為標(biāo)準(zhǔn)，就得到回歸年，它它有有365.2422個平均太陽日，每百年約短個平均太陽日，每百年約短0.53s。 民用和紀年一般都采用回歸年，民用和紀年一般都采用回歸年，因為季因為季節(jié)變化取決于太陽相對于春分點位置。節(jié)變

6、化取決于太陽相對于春分點位置。 回歸年比恒星年約短回歸年比恒星年約短20min。3.6 地球的形狀地球的形狀 地球形狀，是研究地球整體性質(zhì)的一個地球形狀，是研究地球整體性質(zhì)的一個重要組成部分。重要組成部分。 如果地球沒有自轉(zhuǎn)運動，則自身吸積的如果地球沒有自轉(zhuǎn)運動，則自身吸積的結(jié)果應(yīng)形成結(jié)果應(yīng)形成正球體正球體，然而，地球在長期，然而，地球在長期自轉(zhuǎn)作用和自身物質(zhì)運動作用下，形成自轉(zhuǎn)作用和自身物質(zhì)運動作用下，形成為一個為一個三軸橢球體三軸橢球體; 地球在日月引力作用下，也會發(fā)生變形地球在日月引力作用下，也會發(fā)生變形 (固體潮汐固體潮汐)，其力學(xué)參數(shù)與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其力學(xué)參數(shù)與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。有關(guān)

7、。 總之，總之，地球形狀是地球演化、地球自轉(zhuǎn)地球形狀是地球演化、地球自轉(zhuǎn)和內(nèi)部運動的總體現(xiàn)。和內(nèi)部運動的總體現(xiàn)。 反之，反之，從地球形狀反推這三個方面從地球形狀反推這三個方面，尤，尤其是其是反推深部狀態(tài)反推深部狀態(tài)。也是研究地球內(nèi)部。也是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。 本節(jié)主要是從地球整體性質(zhì)的角度，介本節(jié)主要是從地球整體性質(zhì)的角度，介紹有關(guān)地球的形狀，對于地球形狀的測紹有關(guān)地球的形狀，對于地球形狀的測定將放在后續(xù)課程中講授。定將放在后續(xù)課程中講授。 一、地球形狀的基本概念一、地球形狀的基本概念 1直觀感覺直觀感覺 整個地球物理學(xué)的研究，可以說是從地整個地球物理學(xué)的研究，

8、可以說是從地球形狀的研究開始的。球形狀的研究開始的。 從公元前從公元前6世紀希臘人開始形成大地為球世紀希臘人開始形成大地為球體的模糊認識，到體的模糊認識，到19世紀牛頓建立精確世紀牛頓建立精確的引力理論，使地球形狀研究走上嚴格的引力理論，使地球形狀研究走上嚴格的道路，幾乎長達的道路，幾乎長達25個世紀。個世紀。 實際上，生活在大地上的人們，對于整實際上，生活在大地上的人們，對于整個大地的形狀一直抱有濃厚興趣。不過，個大地的形狀一直抱有濃厚興趣。不過，由于活動范圍所限，生活在平原地區(qū)的由于活動范圍所限，生活在平原地區(qū)的人，人，誤認為大地是平的，他們看蔚藍的誤認為大地是平的，他們看蔚藍的天空像一口

9、倒扣的大鍋，罩在平坦的大天空像一口倒扣的大鍋，罩在平坦的大地上，就產(chǎn)生地上，就產(chǎn)生“天圓地方天圓地方”說法。說法。 地球整體是一個球體，而它的表面的一地球整體是一個球體，而它的表面的一小塊地方，似乎是平的。這是一種錯覺。小塊地方，似乎是平的。這是一種錯覺。 如果你站在海灘，只能看到如果你站在海灘，只能看到46km以內(nèi)以內(nèi)的海面，如果你在晴朗的日子里站在平的海面，如果你在晴朗的日子里站在平坦的原野，也只能看到坦的原野，也只能看到45km以內(nèi)的東以內(nèi)的東西。西。 但是，如果你登山遠望，眼界就變得開但是，如果你登山遠望，眼界就變得開闊了；闊了；如果您從如果您從10000m高空的飛機上俯高空的飛機上俯

10、瞰大地，就能看到瞰大地，就能看到300一一400km遠的地方。遠的地方。 其道理就是常說的其道理就是常說的“站得高，望得遠站得高，望得遠” ，這句話反映了這句話反映了“高高”與與“遠遠”之間有一之間有一定聯(lián)系。這種聯(lián)系有著更深一層的科學(xué)定聯(lián)系。這種聯(lián)系有著更深一層的科學(xué)合義，合義，這就是地球形狀的影響。這就是地球形狀的影響。 從目擊者高度從目擊者高度h、 目擊最遠距離目擊最遠距離 l和地球和地球半徑半徑 r ，可以得出以下關(guān)系，可以得出以下關(guān)系; （rh）2 l2r 2 上式是在目擊者與最遠目標(biāo)連線為地面上式是在目擊者與最遠目標(biāo)連線為地面切線的假定下得到的。切線的假定下得到的。 用用hr條件，

11、簡化上式，得出地球半條件，簡化上式，得出地球半徑的估計式徑的估計式: rl 22h 我們用上面的兩個實驗檢驗一下我們用上面的兩個實驗檢驗一下: 對于海灘遠眺，人的高度對于海灘遠眺，人的高度h=1.65m=1.65x 103 km，l4.6km,代入式代入式(3.6.1)，可得，可得， r=6412km; 對于飛機俯瞰，取對于飛機俯瞰，取h=10000m,l350km，代入式代入式(361)， 可得可得 r=6125km。 實測的地球半徑為實測的地球半徑為6370km(平均值平均值)。用。用式式(361）估算出來的數(shù)值，竟然與實際）估算出來的數(shù)值，竟然與實際測定的數(shù)值，能在頭一、二位一致，決測定

12、的數(shù)值，能在頭一、二位一致，決不是偶然的。不是偶然的。2、地球形狀的定義、地球形狀的定義 談起地球形狀，很容易理解為地球表面談起地球形狀，很容易理解為地球表面的自然形態(tài)，例如海陸差異，陸上與海的自然形態(tài)，例如海陸差異，陸上與海底的地勢起伏等。這樣的理解，雖然有底的地勢起伏等。這樣的理解，雖然有一定道理，但是很不確切，因為造成這一定道理，但是很不確切，因為造成這種自然形態(tài)的原因，主要在地球上部而種自然形態(tài)的原因，主要在地球上部而不是深部。因此不是深部。因此，嚴格地說，地球的表，嚴格地說，地球的表面形態(tài)不屬于地球理學(xué)的研究范疇。面形態(tài)不屬于地球理學(xué)的研究范疇。 作為作為地球物理學(xué)地球物理學(xué)的一個內(nèi)

13、容來研究地球的一個內(nèi)容來研究地球形狀，其形狀，其目的在于探索地球深部狀態(tài)和目的在于探索地球深部狀態(tài)和大尺度結(jié)構(gòu)大尺度結(jié)構(gòu)。這就是說，。這就是說， 要所究建立在要所究建立在重力位理論基礎(chǔ)重力位理論基礎(chǔ)上的上的“大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面”形形狀狀。 從物理圖象上看，從物理圖象上看，地球形狀，是指全球地球形狀，是指全球上靜止海面的形狀。上靜止海面的形狀。 所謂所謂海面形狀海面形狀，是指不考慮表面的海陸，是指不考慮表面的海陸差異，也不考慮大陸和海底的地勢起伏。差異，也不考慮大陸和海底的地勢起伏。 所謂所謂靜止海面靜止海面，即指，即指平均海面平均海面，因而不，因而不考慮海上的波浪，潮汐和洋流?？紤]海上的波浪

14、，潮汐和洋流。 所謂所謂全球性靜止海面全球性靜止海面的形狀，不但包括的形狀，不但包括實際存在的太平洋、大西洋、印度洋和實際存在的太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的海面北冰洋的海面，而且，而且包括所有陸地底下包括所有陸地底下的假想的假想“海面海面”，這種假想，這種假想“海面海面”是是實際海面的自然延伸。兩者總稱為大地實際海面的自然延伸。兩者總稱為大地水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面。 這個面既是陸地高度的起算面，也是海這個面既是陸地高度的起算面，也是海底深度的起算面。通常說的海拔高度就底深度的起算面。通常說的海拔高度就指本含義指本含義 那么，為什么不用固體表面，而用海平那么，為什么不用固體表面，而用海平面作標(biāo)準(zhǔn)面作

15、標(biāo)準(zhǔn)?又為何采用陸地底下的假想又為何采用陸地底下的假想“海面海面”呢呢? 這兩個問題，實際是一個問題，這兩個問題，實際是一個問題，即如何即如何照顧地球的表面形態(tài)來定義一個能反映照顧地球的表面形態(tài)來定義一個能反映深部物理狀態(tài)的地球形狀。深部物理狀態(tài)的地球形狀。 地球的表面有地球的表面有3/4是海洋是海洋;海洋作為液體具海洋作為液體具有流動性，其表面在靜止的情況下是一有流動性，其表面在靜止的情況下是一個等位面。個等位面。 而地球的固體表面，僅占全球的而地球的固體表面，僅占全球的1/4，而，而且不具備流動性（固體地球的流變性，且不具備流動性（固體地球的流變性，是以地質(zhì)時間為尺度的，無法與海水相是以地

16、質(zhì)時間為尺度的，無法與海水相比比)。這便是主要取海平面不取固體表面這便是主要取海平面不取固體表面為標(biāo)準(zhǔn)的原因。為標(biāo)準(zhǔn)的原因。 既然占地球表面既然占地球表面3/4的地區(qū)以海面形狀作的地區(qū)以海面形狀作為地球形狀，那么，對于陸地，很自然為地球形狀，那么，對于陸地，很自然想到，應(yīng)該取其想到，應(yīng)該取其重力位等于海平面重力重力位等于海平面重力位數(shù)值的那個幾何面，位數(shù)值的那個幾何面，就是那個假想就是那個假想海海面面。 請注意，這個陸地底下的假想請注意，這個陸地底下的假想“海面海面” ，并不是什么地質(zhì)構(gòu)造面并不是什么地質(zhì)構(gòu)造面。僅僅是。僅僅是重力位重力位在數(shù)值上等于海平面處重力值的虛構(gòu)的在數(shù)值上等于海平面處重

17、力值的虛構(gòu)的幾何面幾何面。這就是。這就是“自然延伸自然延伸”的含義。的含義。 3、地球形狀的物理含義、地球形狀的物理含義 地球形狀首先是幾何問題，地球形狀首先是幾何問題，但同時又是但同時又是一個物理問題。一個物理問題。 作為靜止海面的性質(zhì)及其自然延伸的物作為靜止海面的性質(zhì)及其自然延伸的物理基礎(chǔ)，是重力等位面。理基礎(chǔ)，是重力等位面。 即在這個面上移動，物體的位能既不能即在這個面上移動，物體的位能既不能增加，也不能減小。增加，也不能減小。 這個幾何面的形狀是不規(guī)則的，但是各處這個幾何面的形狀是不規(guī)則的，但是各處的重力位相等。的重力位相等。 因此，當(dāng)一個輪船從兩極駛向赤道時，除因此，當(dāng)一個輪船從兩極

18、駛向赤道時，除抵抗摩擦力外，輪船沒有消耗動能，也沒抵抗摩擦力外，輪船沒有消耗動能，也沒有增加位能。因為重力位近似等于有增加位能。因為重力位近似等于 重力加速度與高度的乘積，所以相等的重重力加速度與高度的乘積，所以相等的重力位意味著，力位意味著，重力加速度與高度成反比。重力加速度與高度成反比。 這在重力加速度較小的這在重力加速度較小的赤道赤道，海面本身在，海面本身在幾何上必定是幾何上必定是較高較高的，相反，在重力加速的，相反，在重力加速度較大的度較大的兩極兩極，其海面本身在幾何上必定，其海面本身在幾何上必定是是較低較低的。的。 只有這樣，海面才能是一個等位面。只有這樣，海面才能是一個等位面。 因

19、此，在海平面為等位面的前提下，地因此，在海平面為等位面的前提下，地球的形狀是一個赤道凸起的球體，有人球的形狀是一個赤道凸起的球體，有人稱之為地球的赤道稱之為地球的赤道凸腹凸腹 。 既然用重力等位面既然用重力等位面 (海平面及其自然延海平面及其自然延伸伸)作為地球形狀的標(biāo)志，作為地球形狀的標(biāo)志，那么這個等位那么這個等位 面形狀就應(yīng)該反映地球的質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)面形狀就應(yīng)該反映地球的質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動慣性。動慣性。 質(zhì)量分布決定重力中的引力部分，而轉(zhuǎn)質(zhì)量分布決定重力中的引力部分，而轉(zhuǎn)動慣性決定重力中的慣性力部分。動慣性決定重力中的慣性力部分。 質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動慣性，正是地球演化、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動慣性，正是地球演

20、化、地球自轉(zhuǎn)和內(nèi)部運動的綜合結(jié)果。地球自轉(zhuǎn)和內(nèi)部運動的綜合結(jié)果。 總之，不要把地球形狀看成是一個單純總之，不要把地球形狀看成是一個單純的幾何問題，而是一個有著深刻內(nèi)容的幾何問題，而是一個有著深刻內(nèi)容 的的物理問題。物理問題。 在一定意義上說，地球形狀是引力、離在一定意義上說，地球形狀是引力、離心力和內(nèi)部應(yīng)力平衡的產(chǎn)物。心力和內(nèi)部應(yīng)力平衡的產(chǎn)物。 4確定地球形狀的步驟確定地球形狀的步驟 如上所述，如上所述，地球的形狀就是大地水準(zhǔn)面地球的形狀就是大地水準(zhǔn)面形狀，或者說，是與靜止海平面相重合形狀，或者說，是與靜止海平面相重合的等重力位面的形狀。的等重力位面的形狀。 這個形狀是很復(fù)雜的，從力學(xué)可知，這

21、個形狀是很復(fù)雜的，從力學(xué)可知，地地球的自引力是造成地球球形的唯一因素。球的自引力是造成地球球形的唯一因素。 如果沒有其他外力影響，地球只能是正如果沒有其他外力影響，地球只能是正球體。球體。但自轉(zhuǎn)卻使地球變成了扁球體但自轉(zhuǎn)卻使地球變成了扁球體。 如果再沒有其因素的影響，如果再沒有其因素的影響，地球會是一地球會是一個標(biāo)準(zhǔn)的扁球體。個標(biāo)準(zhǔn)的扁球體。 但地球并不是一個回轉(zhuǎn)扁球體，它的緯但地球并不是一個回轉(zhuǎn)扁球體，它的緯線不是嚴格的正圓，經(jīng)線圈也不是真正線不是嚴格的正圓，經(jīng)線圈也不是真正的橢圓。的橢圓。 地球的南北半徑并不對稱地球的南北半徑并不對稱!地球的幾何中地球的幾何中心并不位于赤道平面。心并不位于

22、赤道平面。 北半球較細、較長北半球較細、較長;南半球較粗、較短，南半球較粗、較短， 類似一個梨，如圖類似一個梨，如圖3.6.1所示所示。這個形狀。這個形狀是很復(fù)雜的，基本分兩步加以確定是很復(fù)雜的，基本分兩步加以確定: 第一步，首先確定與它最逼近的旋轉(zhuǎn)橢第一步，首先確定與它最逼近的旋轉(zhuǎn)橢球面作為參考面。這個面一般叫扁球面，球面作為參考面。這個面一般叫扁球面，通常用扁率通常用扁率描述。描述。 第二步，精確確定大地水準(zhǔn)面與參考橢第二步，精確確定大地水準(zhǔn)面與參考橢球面球面 (參考面參考面)的偏離，包括在緯度方向的偏離，包括在緯度方向上的偏離、經(jīng)度方向上的偏離以及局部上的偏離、經(jīng)度方向上的偏離以及局部偏

23、離。偏離。 總的來看，人類對地球形狀的認識，大總的來看，人類對地球形狀的認識，大致經(jīng)過這樣幾個階段致經(jīng)過這樣幾個階段: 正球體正球體扁球體扁球體緯向偏離緯向偏離經(jīng)向偏離經(jīng)向偏離局部偏離。局部偏離。本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 本章主要介紹了描述地球運動的參考系本章主要介紹了描述地球運動的參考系統(tǒng)統(tǒng) 天球坐標(biāo)系的基本知識，講述了地天球坐標(biāo)系的基本知識，講述了地球主要運動形式球主要運動形式 、自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的特征、自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的特征、變化規(guī)律及其產(chǎn)生的后果。變化規(guī)律及其產(chǎn)生的后果。 1、天球坐標(biāo)系是由天球面上一些基本點、天球坐標(biāo)系是由天球面上一些基本點、圈組成的，不同的點和圈構(gòu)成用途不同圈組成的，不同的點和圈

24、構(gòu)成用途不同天球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系。 它與地球坐標(biāo)系一樣，屬球面坐標(biāo)系統(tǒng)模型，它與地球坐標(biāo)系一樣，屬球面坐標(biāo)系統(tǒng)模型，由基圈、始圈、原點和終圈由基圈、始圈、原點和終圈(動點動點)等四要素等四要素構(gòu)成。我們常用的有地平坐標(biāo)系、第一赤道構(gòu)成。我們常用的有地平坐標(biāo)系、第一赤道坐標(biāo)系和第二赤道坐標(biāo)系坐標(biāo)系和第二赤道坐標(biāo)系 恰當(dāng)?shù)剡x用各坐標(biāo)系統(tǒng)，確定出天體某時刻恰當(dāng)?shù)剡x用各坐標(biāo)系統(tǒng)，確定出天體某時刻的位置，從而可準(zhǔn)確地描述其運動狀態(tài)。的位置，從而可準(zhǔn)確地描述其運動狀態(tài)。 2傅科擺試驗有力地證實了地球的自轉(zhuǎn)及其傅科擺試驗有力地證實了地球的自轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)速與周期。轉(zhuǎn)速與周期。 地球自轉(zhuǎn)特征地球自轉(zhuǎn)特征是是:其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)軸方向都具有高其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)軸方向都具有高度的穩(wěn)定性度的穩(wěn)定性; 因此，用地球自轉(zhuǎn)周期作為時間和紀年的標(biāo)因此，用地球自轉(zhuǎn)周期作為時間和紀年的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)。 然而，于外部日月星辰的引力作用