“地球概論”是高等師范院校地理科學(xué)專業(yè)的一門先行的基礎(chǔ)課，講授的是關(guān)于地球的宇宙環(huán)境以及行星地球整體性的基礎(chǔ)知識。
《地球概論（第三版）》首先引入天體和天體系統(tǒng)、天球和天球坐標(biāo)的概念，并簡單介紹獲取天體信息的主要手段以及時間歷法；其次重點(diǎn)介紹天體的主體——恒星世界以及與地球有關(guān)的天體系統(tǒng)（如銀河系、太陽系和地月系等）；再次討論了日月地、日地關(guān)系以及近地環(huán)境對地球的影響，以及敘述了地球運(yùn)動及其所產(chǎn)生的地理意義；*后對地球整體性知識、地球的演化以及數(shù)字地球做了介紹。課程實驗指導(dǎo)和常用的數(shù)據(jù)安排在附錄中。
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目錄
第三版前言
第二版前言
第一版前言
第一章 天體及其研究方法 1
1.1 天體及天體系2 2
1.1.1 天體概念及主要天體 1
1.1.2 天體系統(tǒng) 2
1.2 獲取天體信息的方法 2
1.2.1 電磁波 3
1.2.2 宇宙線 3
1.2.3 引力子 4
1.3 觀測天體的主要工具和數(shù)據(jù)處理 4
1.3.1 天球 4
1.3.2 天球坐標(biāo) 7
1.3.3 星圖、星座和星表 14
1.3.4 天文望遠(yuǎn)鏡 16
1.3.5 天文數(shù)據(jù)的處理方法和天文軟件 第一
1.3.6 天文圓頂、天象廳和天文臺以及虛擬天文臺 第一
1.4 時間 23
1.4.1 時間計量系統(tǒng) 24
1.4.2 時間的種類與換算 26
1.5 歷法 32
1.5.1 編歷原則 32
1.5.2 歷法的種類 32
1.5.3 歷法的評價 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 恒星的距離 40
2.1.3 恒星的溫度、顏色和光譜型 40
2.1.4 赫羅圖 42
2.1.5 恒星的大小、質(zhì)量和密度 42
2.1.6 恒星的運(yùn)動 44
2.1.7 恒星的化學(xué)組成及其他 45
2.2 恒星的多樣性 45
2.2.1 單星、雙星、聚星、星團(tuán)和星協(xié) 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 恒星的結(jié)構(gòu)、能源和演化 54
2.3.1 恒星的結(jié)構(gòu) 54
2.3.2 恒星的能源 54
2.3.3 恒星的演化 55
第3章 星系與宇宙 62
3.1 銀河系 62
3.1.1 銀河系的結(jié)構(gòu)特征 62
3.1.2 銀河系的其他特征 64
3.1.3 銀河系對地球宇宙環(huán)境的影響 65
3.2 河外星系 67
3.2.1 河外星系的分類 68
3.2.2 河外星系的光度和光譜 70
3.2.3 河外星系的結(jié)構(gòu) 70
3.2.4 河外星系的運(yùn)動 71
3.3 活動星系 72
3.3.1 射電源及射電星系 72
3.3.2 其他活動星系 73
3.3.3 活動星系核 74
3.4 星云 76
3.4.1 星云密度、質(zhì)量和成分 76
3.4.2 星云的種類 77
3.5 星系團(tuán)和總星系 78
3.5.1 雙重星系和多重星系 78
3.5.2 星系群和星系團(tuán) 78
3.5.3 總星系 80
3.6 星系的起源與演化 80
3.6.1 銀河系的起源與演化 80
3.6.2 河外星系的起源與演化 81
3.7 宇宙的起源 83
3.7.1 大爆炸宇宙模型 83
3.7.2 宇宙簡史 85
3.7.3 宇宙演化的幾個階段 85
第4章 太陽系及近地宇宙環(huán)境 88
4.1 太陽系主要天體的特征 88
4.1.1 太陽系的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動特征 90
4.1.2 太陽系行星的視運(yùn)動 91
4.2 太陽 96
4.2.1 太陽的基本概況 97
4.2.2 太陽結(jié)構(gòu)、能源與演化 98
4.3 行星、第一和太陽系小天體 99
4.3.1 太陽系八大行星 100
4.3.2 矮行星 107
4.3.3 太陽系的第一 108
4.3.4 太陽系的小天體 112
4.4 近地小天體對地球的影響 116
4.4.1 近地小行星 116
4.4.2 流星雨、隕星及隕石坑 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 月球繞地球公轉(zhuǎn)的軌道 121
5.1.2 月球繞轉(zhuǎn)地球的周期 1第一
5.1.3 同步自轉(zhuǎn) 1第一
5.2 月相 123
5.2.1 月相的成因 123
5.2.2 月球?qū)τ谔柕南鄬\(yùn)動 124
5.3 交食 124
5.3.1 交食成因和種類 124
5.3.2 交食的條件 125
5.3.3 交食的觀測 127
5.3.4 交食過程 129
5.3.5 食限與食季 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 潮汐現(xiàn)象 136
5.4.2 引潮力 138
5.4.3 海洋潮汐的規(guī)律性 141
5.4.4 潮汐的地理意義 144
5.5 日地關(guān)系 144
5.5.1 太陽活動 145
5.5.2 太陽活動對地球的影響 148
5.5.3 太陽活動的預(yù)報 152
第6章 地球運(yùn)動及其效應(yīng) 154
6.1 地球運(yùn)動的主要方式 154
6.2 地球自轉(zhuǎn)及其地理意義 154
6.2.1 地球自轉(zhuǎn)的證明 155
6.2.2 地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律 157
6.2.3 地球自轉(zhuǎn)的地理意義 159
6.3 地球公轉(zhuǎn)及地理意義 163
6.3.1 地球公轉(zhuǎn)的證明 163
6.3.2 地球公轉(zhuǎn)的規(guī)律 165
6.3.3 地球公轉(zhuǎn)的地理意義 166
6.4 2化中的地球運(yùn)動 170
6.4.1 自轉(zhuǎn)速率的2化 171
6.4.2 極移 171
6.4.3 地軸進(jìn)動 172
6.4.4 極移和歲差的區(qū)別 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 地球質(zhì)量、大小和形狀 178
7.1.2 地球的重力及其特征 179
7.1.3 地球的磁場及輻射帶 180
7.1.4 地球結(jié)構(gòu)及其特征 181
7.1.5 地球上的生命及成因探討 183
7.1.6 地球的危機(jī)及防范 184
7.2 地球的形成與演化 185
7.2.1 太陽系的形成與演化 185
7.2.2 地球的形成和演化 190
第8章 數(shù)字地球及其應(yīng)用 197
8.1 數(shù)字地球 197
8.1.1 數(shù)字地球概念及發(fā)展 197
8.1.2 對地觀測技術(shù)及系統(tǒng) 200
8.1.3 地理信息系統(tǒng) 201
8.2 數(shù)字地球的應(yīng)用 202
參考文獻(xiàn) 205
附錄A 課程實驗內(nèi)容與指導(dǎo) 207
附錄B 實驗項目匯總 245
附錄C 常用的數(shù)據(jù) 246
第一章 天體及其研究方法
本章導(dǎo)讀：
地球是宇宙中的一個天體，那么，如何觀測天體？如何獲悉天體的信息？天體是如何演化的？如何從整體上認(rèn)識地球？ 所有這些問題都是人類所關(guān)心的。本章將對天體及研究天體的主要方法進(jìn)行介紹。
1.1 天體及天體系統(tǒng)
1.1.1 天體概念及主要天體
1. 天體概念
宇宙中所有物質(zhì)和能量，統(tǒng)稱為天體。天文學(xué)研究的對象就是天體。常見的有自然天體（如黑洞、星系、恒星、類星體、行星、□□、彗星、流星體等）和人造天體（如人造□□、飛行器等）。在地球上看，天體都在天上。但實際上，地球也是一個自然天體，不過對人類而言，地球是一個特殊的天體。
□. 主要天體簡介
（1）恒星是天體中的主體。一般由熾熱的氣體組成的、自身會發(fā)熱發(fā)光的球狀或類球狀天體，稱為恒星。太陽就是一顆恒星，除了月球和行星外，我們在夜晚所見到的天空群星大多為恒星（關(guān)于恒星的特點(diǎn)將在第□ 章介紹）。由成團(tuán)的恒星組成的、被各成員星的引力束縛在一起的恒星群稱為星團(tuán)，一般分為球狀星團(tuán)和疏散星團(tuán)兩種。
�。ā酰┬行侵咐@恒星運(yùn)行、自身不會發(fā)可見光的、以其表面反射恒星光而發(fā)亮的天體。據(jù)現(xiàn)代天文觀測獲知，行星并不是太陽系獨(dú)有的。天空中每10 顆恒星至少有1 顆其周圍有行星，甚至可能不止1 顆行星�！�1 世紀(jì)以來，人類已經(jīng)在800 多顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)了1000 多顆行星（候選體星），*多在一顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)了7 顆行星。目前人類對太陽系外行星的探索興趣空前高漲。
�。�3）□□指繞行星運(yùn)行、自身不會發(fā)可見光、以其表面反射恒星光而發(fā)亮的天體。如太陽系內(nèi)的月球就是地球的□□。據(jù)科學(xué)報道，截至□0□0 年發(fā)現(xiàn)的太陽系自然□□數(shù)多達(dá)160 顆以上。
（4）彗星主要由冰物質(zhì)組成，以圓錐曲線（包括橢圓、拋物線和雙曲線）軌道繞恒星運(yùn)行。當(dāng)靠近恒星時，因冰物質(zhì)受熱融化、蒸發(fā)或升華，并在恒星粒子流的作用下（如太陽風(fēng)）拖出尾巴的天體。至今人們僅觀察到太陽系內(nèi)的彗星。
�。�5）流星體指太陽系中較小的天體，其軌道千差萬別。在太陽系中有些流星體是成群的，稱為流星群。當(dāng)流星體或流星群進(jìn)入地球大氣層時，由于速度很快，進(jìn)入地球大氣層因摩擦生熱而燃燒發(fā)光，形成明亮的光跡，稱為流星現(xiàn)象。大流星體未燃盡而降落在地面，稱為隕星。有些隕星中含有許多種礦物元素，尤其□□來還發(fā)現(xiàn)在一些隕星中存在有機(jī)物。
�。�6）星云和星系 星云是指銀河系空間氣體和微粒組成的星際云，一般它們體積和質(zhì)量較大，但密度較�。恍螤畈灰�，亮暗不等。早期人類在星云性質(zhì)未被了解之前，曾把星云分為河內(nèi)星云和河外星云兩種。隨著觀測手段的進(jìn)步，人類已區(qū)分出河內(nèi)星云的實質(zhì)就是銀河系內(nèi)的一些星際物質(zhì)；河外星云就是現(xiàn)在指的“河外星系”，簡稱“星系”。梅西葉天體（或M 天體）是特指的110 個星系和星云。深空天體（deep sky object，DSO）指的是天空上除太陽系天體（如行星、彗星或小行星）或恒星天體外，用肉眼難以見到，但用探測器可獲悉的弱暗星系等天體（如M31、M104 等）。
�。�7）星際物質(zhì) 是存在于星系和恒星之間的物質(zhì)和輻射場的總稱（除包括星際氣體、星際塵埃和各種各樣的星際云外，還包括星際磁場和宇宙線），星際物質(zhì)在天體物理的準(zhǔn)確性中扮演著關(guān)鍵性的角色（因為它是介于星系和恒星之間的中間角色），在現(xiàn)代天體物理中，星際物質(zhì)研究越來越受到人們重視。
�。�8）人造天體在1957 年人造□□上天以后才有的天體，包括現(xiàn)有人造□□、宇航器（宇
宙飛船）和空間站等。雖然有的人造天體已解體，失去設(shè)計時的功能，但每一塊小碎片（宇宙垃圾）仍然是人造天體。據(jù)估計，現(xiàn)運(yùn)行在宇宙空間的人造天體已有上萬個，為避免碰撞，國際組織或一些國家已開展對它們進(jìn)行監(jiān)測和監(jiān)控。
�。�9）可視天體和不可視天體（暗物質(zhì)）在宇宙中存在大量的物質(zhì)和能量，人類把肉眼看得見的（在可見光波段）稱為“可視天體”，看不見的稱為“不可視天體”或“暗物質(zhì)和暗能量”�，F(xiàn)代天文研究表明，宇宙中存在大量暗物質(zhì)與暗能量。
1.1.□ 天體系統(tǒng)
宇宙中的天體是相互作用的。互有引力聯(lián)系的若干天體所組成的集合體，稱為天體系統(tǒng)。常見的有地月系、太陽系、銀河系、河外星系、星系團(tuán)、總星系。天體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異、大小懸殊。地球在宇宙中的相對位置如圖1.1。與地球關(guān)系密切的天體系統(tǒng)有地月系、太陽系、銀河系。
1.□ 獲取天體信息的方法
除用肉眼外，人類主要是通過望遠(yuǎn)鏡等天文儀器觀測天體運(yùn)動、研究天體的特性及演化。獲悉天體信息的主要渠道有電磁波、宇宙線、中微子、引力子等。通過這些手段，人們可以了解有關(guān)天體的信息（如恒星的光度、溫度、顏色、壽命等）以及天體的演化規(guī)律。
1.□.1 電磁波
電磁波（electromagnetic wave ）是在真空或物質(zhì)中通過傳播電磁場的振動而傳輸電磁能量的波。它具有波動性和粒子性兩種性質(zhì)。任何目標(biāo)物都具有發(fā)射、反射和吸收電磁波的性質(zhì)，目標(biāo)物與電磁波的相互作用，構(gòu)成了目標(biāo)物的電磁波特性，它既是現(xiàn)代遙感探測的依據(jù)，也是人類通過電磁波獲取宇宙天體信息的主要方法。就波長來說，我們眼睛所能感覺到的，只是全部電磁波中很狹窄的一部分，即所謂的可見光，其波長范圍為0.4～0.8μm（1μm=10.4cm）或4000～8000.（1.=10.8cm）。其他不可見光的電磁波有：紫外線100～4000.，X 射線0.01～100.，γ射線<0.01.，紅外線7000.～1mm ，無線電短波1mm～30m ，無線電長波>30m。電磁波光譜如圖1.□ 所示。
圖1.□ 電磁波光譜圖
由于地球大氣對天體輻射的吸收、反射和散射等作用，所以天體只有某些波段的輻射能到達(dá)地面，人們把這些波段形象地稱為“大氣窗口”。大氣窗口指大氣對電磁輻射吸收和散射很小的波段，這些波段對地面觀測獲取天體信息非常有利。主要有以下幾個大氣窗口：①光學(xué)窗口，能透過可見光；②紅外窗口，紅外輻射主要由水分子所吸收，只有很少部分能在地面觀測；③射電窗口，在射電波段有一個較寬的窗口。若要觀測天體的全波段輻射，就必須擺脫地球大氣的屏障，需到高空和大氣外層進(jìn)行觀測。在地球大氣上界和地面獲取太陽能差異情況如圖1.3 所示，其衰減強(qiáng)度隨波長而異。
1.□.□ 宇宙線
宇宙線主要指來自宇宙的各種高能粒子流，包括質(zhì)子、α粒子、電子、不穩(wěn)定的中子和μ子等。不過，除中微子外，接收宇宙線必須用各種粒子探測器到大氣上界進(jìn)行。目前，人類在這方面研究雖已取得一定成果，但對太陽系之外的宇宙線還沒辦法做到系統(tǒng)化觀測。
圖1.3 大氣上界和地面獲取太陽能
中微子質(zhì)量雖極其微小，但穿透本領(lǐng)很強(qiáng)。通過對中微子觀測，人類可以獲悉恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)的信息，但不易觀測�！�00□ 年，賽德伯勒中微子天文臺已成功地觀測到來自太陽的中微子，這對研究太陽內(nèi)部意義重大，也解決了困惑人類多年的“太陽中微子之謎”。
1.□.3 引力子
在引力場中，由引力波傳播的載體，稱為引力子。人類通過對它們的研究，可以間接得到天體的一些信息。令人興奮的是在□016 年初人類首次直接探測到引力波的存在。引力波的發(fā)現(xiàn)讓人類認(rèn)識宇宙增加了一個通道，也為人類探索宇宙的奧秘提供了另一種手段。
此外，天外來客（如隕星）、宇航取樣等，也是人類了解宇宙天體的渠道。
1.3 觀測天體的主要工具和數(shù)據(jù)處理
目前人類能觀測的宇宙范圍為150 億～□00 億光年，但肉眼能直接觀測到的天體是很有限的。因此，在歷史上，天文學(xué)家就一直致力于觀測手段的改進(jìn)和天文觀測儀器的研制。可以說，從伽利略望遠(yuǎn)鏡到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，每一次觀測手段的改進(jìn)和新觀測儀器的研制，都推動了天文學(xué)的發(fā)展。望遠(yuǎn)鏡是人眼的延伸，從光學(xué)到射電波段，再到其他多波段觀測；從地面到航空航天觀測，天文儀器不斷更新，天文望遠(yuǎn)鏡的功能也日趨完善，人類獲取的天體信息也越來越多。為更好地了解地球的宇宙環(huán)境，了解天體的運(yùn)動規(guī)律。本節(jié)將簡要介紹天球和天球坐標(biāo)、星圖和星表、天文望遠(yuǎn)鏡等以及天文數(shù)據(jù)處理方法等。
1.3.1 天球
1. 天球的概念
引力使運(yùn)動宇宙中的天體能保持相對的平衡。當(dāng)人們抬頭仰望天空時，從視覺上很難辨別出天體距離的遠(yuǎn)近，似乎是等距的，它們同觀測者的關(guān)系，猶如球面上的點(diǎn)與球心的關(guān)系。這樣太陽、月亮和恒星看起來似乎都分布在一個很大的球面上（稱天球）。地球上的人無論走到什么地方，都有這種感覺。天空的晝夜□化表明，天球不但存在于地平之上，而且還有一半隱入地平之下。
天文學(xué)對天球是這樣定義的：以觀測者為中心、以任意長為半徑的一個假想的球體（圖1.4）。它可作為研究天體視位置和視運(yùn)動的輔助工具。如太陽每日的東升西落、月球在天空中的圓缺□化、日月食現(xiàn)象出現(xiàn)、行星的動態(tài)□化等都可借助天球來表示。
圖1.4 天球示意圖
□. 天球的類型
由于研究任務(wù)不同，天球中心可以選擇為觀測者、地心、日心或銀心等，相應(yīng)地就有觀測者天球、地心天球、日心天球和銀心天球等。地心天球，是地球上的觀察者所構(gòu)成的天球，它以地心為天球中心，但地球上的觀察者只能在地面上觀察，地心與地面的差距就是地球半徑，在較大尺度的宇宙空間里，地球半徑或直徑的距離是可以忽略不計的，這就是天球的半徑定義為任意的原因。所以，地心天球與以地面上的觀察者為中心的天球是可以被看作是一致的，僅在必要的時候才作某些修正。地心天球主要用以表示太陽系以外的天體視位置和視運(yùn)動。日心天球，以日心為天球中心，即假設(shè)觀察者處于日心位置，這種天球主要用于表示太陽系以內(nèi)天體的視位置和視運(yùn)動。銀心天球，以銀心為天球中心，即假設(shè)觀測者在銀心位置，這種天球主要用于研究星系運(yùn)動。
3. 天球上的基本點(diǎn)和基本圈
在天球上定義一些假想的點(diǎn)和大圓（基本線和基本圈），以便確定天體在天球上的視位置，或研究天體的視運(yùn)動。因此，利用天球可以把各個天體方向間的相互關(guān)系的研究，分為球面上點(diǎn)與點(diǎn)或點(diǎn)與線或線與線之間相關(guān)位置的研究。同一球面上*大的圓，其圓心在球心的稱為“大圓”，其他的圓則稱為“小圓”。為此，我們先了解天球上的一些基本點(diǎn)和基本圈（圓）。
（1）天頂和天底 沿觀測者頭頂所指的方向作鉛直線向上無限延伸，與天球相交的一點(diǎn)稱為天頂（Z）；天球上距天頂180° 的點(diǎn)，即鉛垂線在觀測者腳底向地平以下無限延伸，與天球相交的另一點(diǎn)稱為天底（Z′），觀測者的眼睛則為天球的中心，如圖1.5 所示。
�。ā酰┑仄饺νㄟ^地心，并垂直于觀察者所在地點(diǎn)的垂線的平面與天球相割而成的圓為地平圈，或表述為通過天球中心而垂直于天頂和天底連線的平面稱為地平面，地平面與天球相交而成的大圓，稱為“地平圈”，如圖1.5 中的NWSE 。地平圈把天球分成可見和不可見的兩個半球。天體每日視運(yùn)動運(yùn)行到距地平圈以上*高點(diǎn)稱為“上中天（Q）”，運(yùn)行到距地平圈*低點(diǎn)稱為“下中天（Q′）”。
�。�3）北天極和南天極天軸是地軸的無限延伸。天軸與天球相交的點(diǎn)就是“天極”。天極有兩個：北向的稱“北天極（P）”；南向的稱為“南天極（P′）”（有人稱“天北極”和“天南極”）。離北天極約1°處有一顆不太亮的星，即小熊座α，中文名“勾陳一”，即現(xiàn)代北極星。南天極及其近旁沒有亮星，故沒有南極星，所謂“南極老人星”，其實離南天極還很遠(yuǎn)，離天赤道反而近，只因我國地處北半球，北方根本看不到這顆星，南方看那顆星在南邊天際。所以才有“南極老人星”（即船底座α）的說法。
�。�4）天赤道與北天極和南天極距離相等，且垂直于天軸的大圓，稱為“天赤道”，即地球赤道平面無限擴(kuò)大與天球相割而成的大圓。它把天球分成南、北兩個半球。
�。�5）四方點(diǎn)（或四正點(diǎn)）通過天頂和天底、北天極和南天極的大圈與地平圈相交的兩點(diǎn)中，靠近南天極的那一點(diǎn)稱為南
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