范文一:地球基本的物理性质
关于地球的基本物理性质
1.物理参数
平均半径:6,372.797 km
赤道半径:6,378.137 km
极半径:6,356.752 km
表面积:510,065,600 km2
体 质 积:1.083 207 3×1012 km3
重量:5.9742×10^24 k 平均密度:
5,515.3 kg/m3
表面重力:9.780 1 m/s2 (0.997 32 g) 逃逸速度:11.186 km/s(?39,600 km/h) 自转周期:0.997 258 d (23.934 h ) 赤道自转速度:465.11 m/s 转轴倾角:23.439 281°北极赤纬+90° 反照率 0.367
2. 地球的密度和重力
地球的质量是根据万有引力定律计算出来的,用地球的质量除以地球的体积,便可得出地球的平均密度是 5.517g/cm3,而地壳上部的岩石平均密度是 2.65g/cm3,由此推测地球 内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知,地球密度是随着深度的加深而增大的,并且 在地下若干深度处密度呈跳跃式变化,推测地核部分密度可13g/cm3左右。地球的平均密度和水星(5.4)相差不多,月球(3.341)和火星(3.95)的密度都比地球小,其它行星 的密度就更小了。当前很重视和其它星体对比来研究地球。地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力 F=m1m2/r2,由此可知,重力与地球质量(m1)和物体质量(m2)的乘积成正比,与地球和物体二者质量中心 的直线距离平方(r 2)成反比。地
表重力因还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的 影响,故各地并不相等,且随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算:在两极,重力比赤道 地区大 0.53 %,也就是说把在两极重 100kg 的物体搬到赤道地区时,则变成 99.47kg。通常 用单位质量所受的重力,即重力加速度(g )来表示各地的重力大小。如在赤道的重力为 978.0318Gal①,在两极为 983.2177Gal 。如果把地球看作一个理想的扁球体(旋转椭球体) , 并且内部密度无横向变化,所计算出的重力值,称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地形以及地下岩石密度不同,以致所测出的实际重力值不同于理论值,称为重力异常。比理 论值大的称正异常, 比理论值小的称负异常。 存在一些密度较大物质的地区, 如铁、 铜、 铅、 锌等金属矿区,就常表现为正异常;而存在一些密度较小物质的地区,如石油、煤、盐类以 及大量地下水等,就常表现为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的 大小以及矿体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查,这称为重力勘探,是地球物理勘探方法之一。
3. 地磁
地球周围形成一个巨大的地磁场。地磁具有以下特点:
(1)地磁南北极和地理南北极的位置不一致,并且磁极的位置逐年都有变化,磁极有向西缓慢移动的趋势。
(2)地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理 论值不符时,叫做地磁异常。局部的地磁异常主要是由地下岩石磁性差异引起。属于地球物 理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地磁异常区, 从而发现隐伏地下的高磁性矿床。 此外通过研究在亿、 万年前所形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度,来判
断地球磁 场方向的变化,称古地磁学。它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。
(3)根据人造卫星在地球外层空间探测发现,地球磁场的磁力线不是那样规则的, 而是由于太阳风的影响, 地球的磁场被压缩在一个固定区域内,这个区域叫磁层。磁层像一个头朝太阳的彗星,磁层顶部朝向太阳,距离地球有 10 个地球半径远,而尾部可以拖到几百个地球半径那么远。 磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。
4.地球内部的温度
火山喷发,温泉以及矿井随深度而增温的现象表明,地球内部储存有很大的热能,可以说地球是一个巨大的热库。但从地面向地下深处,地热增温的现象随着深度的改变是不均匀的,地面以下按温度变化的特征分为三层分别为:外热层,常温层,增温层。
5,地球的能量
地球是由内、外两部发动机驱动的,这两部发动机提供了地球的全部能量来源,其中热能是地球最主要的能源。地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能量于瞬间释放时所引起的地球快速颤动,从而引发大小不等,形式多样的地震活动。
范文二:地球的物理性质
地球的物理性质
;一,地球的密度和重力
地球的质量是根据万有引力定律质算出的~用地球的质量除以地来
球的质~便可得出地球的平均密度是体5.517g/cm3~而地上部的岩壳石平均密度是2.65g/cm3~由此推质地球部必有密度更大的物质。根内
据地震质料得知~ 地球密度是着深度的加深而增大的~且在地随并
下若干深度质密度呈跳质式质化~推质地核部分密度可达13g/cm3 左右。地球的平均密度和水星;5.4,相差不多~月球;3.341,和火星;3.95, 的密度都比地球小~其行星的密度就更小了。前重它当很
质和其星质比究地球。它体来研
地球的重力一般是指地球质地表和地物质的引力。而万有引力内
F=m1m2/r2~由此可知~重力地球质量;与m1,和物质量;体m2,的乘质成正比~地球和物二者质量中心的直质距平方;与体离r2,成反比。地表重力因质受地球自质质生的心力和各点地心距的影~故各离与离响
地不相等~且海拔和质度的不同而质生质化。据质算,在~重并随两极
力比赤道地大区0.53 ,~也就是质把在重两极100kg 的物搬到赤道体地质~质质成区99.47kg。通常用质位质量所受的重力~重力加速度即;g,表示各地的重力大小。如在赤道的重力质来978.0318Gal?~在两极质983.2177Gal。如果把地球看作一理想的扁球;旋质质球,个体体~并内横称且部密度无向质化~所质算出的重力质~理质重力质。但由于各地海拔高度、周质地形以及地下岩石密度不同~以致所质出的质质重力质不同于理质质~质重力常。比理质质大的正常~比理质质小的质称异称异称
异区属区常。存在一些密度质大物质的地~如质、质、质、质等金质质~就常表质质正常~而存在一些密度质小物质的地~如石油、煤、质质以及异区
大量地下水等~就常表质质质常。常的大小取于质石周质岩石的异异决与
密度差、质的大小以及质的埋藏深度。根据质道理可以质行质和体体个找
地质质质~质质重力勘探~ 是地球物理勘探方法之一。称
但是~利用重力常究地质情~必质质质质重力质质行校正~必异研况即
质除各质因素质质质质的影。第一~质质点有一定的海拔高度~海拔越清响
高~距地心距越大~而高差每增离减1m~重力差质质0.3083mGal。因此~ 质要一律校正至海平面高度~质质校正只考质海平面质点之质高差与的影~而未考质海平面质点之质物质的影~就好象那里是空的一质响与响~所以质质校正自由空校正。质质质校正后的重力质理质重力质之差~称气与
称气异与质自由空常~第二~质点海平面之质质有岩石;平均密度一般按2.67g/cm3 质算,质重力质生影~质点周质地形也质重力质生影~因响响
此自由空校正后的重力质质必质去质部分岩石和地形质质点所质生的重气减
力质~质质校正质布格校正~布格校正后的重力质理质重力质之差质称与称
布格常。质质常质用最~在文中所看到的重力常一般皆指布异异广献异
格重力常。异
质1-3 是我大质部分布格重力常质~质上可以看出有点质得国异从两
注意的情,;况1,藏高原质质和大质安质及太行山质质有明质的“重力青
台质”~质质明地质情有大质化~;况很2,丘陵及平原地质重力常质质小异~
而藏高原等地质常质质大~甚至到质青异达400—500mGal~质质明高原、高山地质在海平面以下的部分存在着某质质质作用~而抵消了高山、从
高原质重力的影。根据质质质象~有人提出“地均衡质”~质质山是响壳脉
质质的岩质浮在质重的介质之上~佛山浮在海水中一质~山越高~仿冰它
深入下部介质中的深度也越大~质深入的部分通“山根”。质质质点质称
已质质多质据所质质。
;二,地磁
地球周质形成一巨大的地磁质。早在公元前个3 世质质质期~我国国就已利用磁性质明了指南质器司南。后人质质质质地磁地理的——来极与极
位置是不一致的。地球磁质同置于地球中心的一大形磁质;形个条条磁质地质呈与11.5?相交,所质生的偶磁质相质似;质极1-4,。形磁质的条北指向地球的南磁~形磁质的南指向地球的北磁。其磁力极极条极极
质是南磁出质质入北磁的。然事质上地球部无质质一形从极极当内并个条
磁质。质了定地表任何一点的地磁质~需要质行磁质强度质量。如质确1-5 所示~箭质代表向量~其质度代表磁质强度;磁质强度质位质斯特奥Oe,~在水平面上的投影质水平强度~的垂直分量质垂直强度~质它它
中θ角磁偏角~称α称与磁质角。磁偏角也就是地磁子午质地理子午质的质角~以指北质质准~偏质质正~偏西质质。磁质角磁质各质水平面的质即与
角~常质度而质化~在磁随两极α角质90?~在磁赤道质质0?~以指北质质准~下质者质正~上仰者质质。
概括而言~地磁具有以下特点,
;1,地磁南北和地理南北的位置不一致~且磁的位置极极并极
逐年都有质化~如表1-1~磁有向西质慢移质的质质。极
;2,地面上每一点都可理质上质算出的磁偏角和磁质角。如磁从它
偏角和磁质角理质质不符质~叫做地磁常。局部的地磁常主要是与异异
由地下岩石磁性差引起。于地球物理勘探方法之一的磁法勘探异属
就是据此质地磁常~而质质质伏地下的高磁性质床。此找异区从研外通质究在质、万年前所形成的岩石中保存下的来剩余磁性的方向和强度~来断称学它它判地球磁质方向的质化~古地磁。可以配合其方法探索地球岩石圈造构质展的质史。表1-1 近代地磁位置年代北磁南磁极极
极
1831* 70.1 ? N ~ 96.8 ? W
1841* 75.0 ? S ~ 153.7 ? E
1904* 70.5 ? N ~ 96.5 ? W
1909 72.4 ? S ~ 153.3 ? E
1912* 71.2 ? S ~ 150.8 ? E
1948* 73.0 ? N ~ 100W
1952* 68.7 ? S ~ 143.0 ? E
1960 74.9 ? N ~ 101.0 ? W 67.1 ? S ~ 142.7 ? E 1965 75.5 ? N ~ 100.5 ? W 66.5 ? S ~ 139.9 ? E 1970 76.2 ? N ~ 101.0 ? W 66.0 ? S ~ 139.1 ? E 1975* 76.2 ? N ~ 100.6 ? W
1975 76.1 ? N ~ 100.0 ? W 65.8 ? S ~ 139.4 ? E 1980 78.2 ? N ~ 102.9 ? W 65.6 ? S ~ 139.4 ? E 1983* 65.2 ? S ~ 138.7 ? E
*质质位置
;3,根据人造质星在地球外质空质探质质质~地球磁质的磁力质不并像质1-4 所示那质质质~而是由于太质的影~地球的磁质阳响个被质质在一固定区内个区域~质域叫磁质;质1-6,。磁质像一质个阳朝太的彗星~磁质质部朝向太~距地球有阳离10 个径几个地球半质~而尾部可以拖到百地球半径那质质。磁质可以使地球上生物免受宇宙射质和粒子质质的危害。
;4,质于地球磁质形成的原因~曾有质质推质,早人质质质地球的地很
核部分质具有磁性的质质物质~而形成地球磁质。但是~地度高从内温达
几千质氏度~质质超质质磁性质物的居里点?~不可能质生磁质。目前所知~
质质在20km 范质的岩石内它圈部分可以具有质磁性~但所质生的磁质强度不可能达数体到地磁质强度的量质。质有人质质巨大质量物的质质可以质致质磁效质~质质看法也被否定了。目前质向于质质质质,地核的外核部分质液质的金质质物质~是一质质质属体流~在地球旋质质程中~质生感质自激~ 形成地球磁质。又因在地球质质质程中~流体体幔滞地核比固地略有后~因此质生地球磁质逐质向西漂移。但质些假质有待于质质究质质。研
范文三:地球的基本物理性质
地球基本的物理性
地球内部的主要物理性质包括密度、压力、重力、温度、磁性及弹塑性等。
①密度:
目前,对地球内部各圈层物质密度大小与分布的计算,主要是依靠地球的平均密度、地震波传播速度、地球的转动惯量及万有引力等方面的数据与公式综合求解而得出的。计算结果表明,地球内部的密度由表层的2. 7~2. 8g /c m 3向下逐渐增加到地心处的12. 51g /c m 3,并且在一些不连续面处有明显的跳跃,其中以古登堡面(核-幔界面)处的跳跃幅度最大,从5. 56g /c m 3剧增到
9. 98g /c m 3;在莫霍面(壳-幔界面)处密度从
2. 9g /c m 3左右突然增至3. 32g /c m 3。各圈层物质密度的大小及变化见表3. 1。
②压力:
地球内部的压力是指不同深度上单位面积上的压力,实质上是压强。在地内深处某点,来自其周围各个方向的压力大致相等,其值与该点上方覆盖的物质的重量成正比。地内的这种压力又称为静压力或围压。因此,地内压力总是随深度连续而逐渐地增加的。如果知道了地球内部物质的
密度大小与分布,便可求出不同深度的压力值。 ③重力:
地球上的任何物体都受着地球的吸引力和因地球自转而产生的离心力的作用。地球吸引力和离心力的合力就是重力。地球的离心力相对吸引力来说是非常微弱的,方向大致指向地心。地球周围受重力影响的空间称重力场。重力场的强度用重力加速度来衡量,并简称为重力。地球表面各点的重力值因引力与离心力的不同呈现一定的规律性变化。地球两极的重力值最大,并向赤道减小。离心力以赤道最大,向两极离心力逐渐减小为零,所以,在引力与离心力的共同引响下,重力值具有随纬度增高而增加的规律。 在地球内部,重力因深度而不同。
④温度:
温度在地球内部的分布状况称为地温场。在地壳表层,由于太阳辐射热的影响,其温度常有昼夜变化、季节变化和多年周期变化,这一层称为外热层。外热层受地表温差变化的影响由表部向下逐渐减弱,外热层的平均深度约15m ,最多不过几十米。在外热层的下界处,温度常年保持不变,等于或略高于年平均气温,这一深度带称为常温
层。在常温层以下,由于受地球内部热源的影响,温度开始随深度逐渐增高。而地温梯度是随深度增加逐渐降低的。对于地球深部的温度分布,目前主要是根据地震波的传播速度与介质熔点温度的关系式推导得出的。由于热具有从高温向低温传播的性质,所以地球内部的高温热能总是以对流、传导和辐射等方式向地表传播并散失到外部空间,通常把单位时间内通过地表单位面积的热量称为地热流密度。地表的不同地区地热流值并不相同,一般在一些构造活动的地区(如年青山脉、大洋中脊、火山、岛弧等)热流值偏高,而在一些构造稳定的地区热流值偏低。地表热流值或地温梯度明显高于平均值或背景值的地区称为地热异常区。
⑤磁场:
地球周围存在着磁场,称地磁场。长期观测证实,地磁极围绕地理极附近进行着缓慢的迁移。地磁场的磁场强度是一个具有方向(即磁力线的方向)和大小的矢量,为了确定地球上某点的磁场强度,通常采用磁偏角、磁倾角和磁场强度三个地磁要素。基本磁场占地磁场的99%以上,是构成地磁场主体的稳定磁场。它决定了地磁场相似
于偶极场的特征,其强度在近地表时较强,远离地表时则逐渐减弱。这些特征说明了基本磁场是起源于地球内部。磁异常是地球浅部具有磁性的矿物和岩石所引起的局部磁场它也叠加在基本磁场之上。一个地区或地点的磁异常可以通过将实测地磁场进行变化磁场的校正之后,再减去基本磁场的正常值而求得。自然界有些矿物或岩石具有较强的磁性,如磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿、镍矿、超基性岩等,它们常常能引起正异常。因此,利用磁异常可以进行找矿勘探和了解地下的地质情况。
⑥弹塑性:
地球具有弹性,表现在地球内部能传播地震波,因为地震波是弹性波。日、月的吸引力能使海水发生涨落即潮汐现象,用精密仪器对地表的观测发现,地表的固体表面在日、月引力下也有交替的涨落现象,其幅度为7~15c m ,这种现象称为固体潮,这也说明固体地球具有弹性。同时,地球也表现出塑性。地球自转的惯性离心力能使地球赤道半径加大而成为椭球体,表明地球具有塑性;在野外常观察到一些岩石可发生强烈的弯曲却未破碎或断裂,这也表明固体地球具有塑性。
地球的弹、塑性这两种性质并不矛盾,它们是在不同的条件下所表现出来的。如在作用速度快、持续时间短的力(如地震作用力)的条件下,地球常表现为弹性体;在作用力缓慢且持续时间长(如地球旋转离心力、构造运动作用力)或在地下深部较高的温、压条件下,则可表现出较强的塑性。
范文四:试述地球有哪些基本的物理性质
试述地球有哪些基本的物理性质
1. 物理参数
平均半径:6,372.797 km 赤道半径:6,378.137 km 极半径:6,356.752 km 表面积:510,065,600 km2 体 质 积:1.083 207 3×1012 km3 重量:5.9742×10^24 k 平均密度:5,515.3 kg/m3 表面重力:9.780 1 m/s2 (0.997 32 g) 逃逸速度:11.186 km/s(?39,600 km/h) 自转周期:0.997 258 d(23.934 h) 赤道自转速度:465.11 m/s 转轴倾角:23.439 281°北极赤纬+90° 反照率 0.367 表面温度 15 热力学温标 摄氏温标℃ 最小平均最大 184 K287 K331 K -89.2 ℃14 ℃57.7℃
2. 地球的密度和重力
地球的质量是根据万有引力定律计算出来的,用地球的质量除以地球的体积,便可得出地球的平均密度是 5.517g/cm3,而地壳上部的岩石平均密度是 2.65g/cm3,由此推测地球 内部必有密度更大的物质。根据地震资料得知,地球密度是随着深度的加深而增大的,并且 在地下若干深度处密度呈跳跃式变化,推测地核部分密度可13g/cm3 左右。地球的平均密度和水星(5.4)相差不多,月球(3.341)和火星(3.95)的密度都比地球小,其它行星 的密度就更小了。当前很重视和其它星体对比来研究地球。地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。而万有引力 F=m1m2/r2,由此可知,重力与地球质量(m1)和物体质量(m2)的乘积成正比,与地球和物体二者质
量中心 的直线距离平方(r2)成反比。地表重力因还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的 影响,故各地并不相等,且随海拔和纬度的不同而发生变化。据计算:在两极,重力比赤道 地区大 0.53 %,也就是说把在两极重 100kg 的物体搬到赤道地区时,则变成 99.47kg 。通常 用单位质量所受的重力,即重力加速度(g )来表示各地的重力大小。如在赤道的重力为 978.0318Gal ①,在两极为 983.2177Gal 。如果把地球看作一个理想的扁球体(旋转椭球体) , 并且内部密度无横向变化,所计算出的重力值,称理论重力值。但由于各地海拔高度、周围地形以及地下岩石密度不同,以致所测出的实际重力值不同于理论值,称为重力异常。比理 论值大的称正异常, 比理论值小的称负异常。 存在一些密度较大物质的地区, 如铁、 铜、 铅、 锌等金属矿区,就常表现为正异常;而存在一些密度较小物质的地区,如石油、煤、盐类以 及大量地下水等,就常表现为负异常。异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的 大小以及矿体的埋藏深度。根据这个道理可以进行找矿和地质调查,这称为重力勘探,是地球物理勘探方法之一。
3. 地磁
地球周围形成一个巨大的地磁场。地磁具有以下特点: (1)地磁南北极和地理南北极的位置不一致,并且磁极的位置逐年都有变化,磁极有向西缓慢移动的趋势。 (2)地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。如磁偏角和磁倾角与理 论值不符时,叫做地
磁异常。局部的地磁异常主要是由地下岩石磁性差异引起。属于地球物 理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地磁异常区, 从而发现隐伏地下的高磁性矿床。 此外通过研究在亿、 万年前所形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度,来判断地球磁 场方向的变化,称古地磁学。它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。
(3)根据人造卫星在地球外层空间探测发现,地球磁场的磁力线不是那样规则的, 而是由于太阳风的影响, 地球的磁场被压缩在一个固定区域内,这个区域叫磁层。磁层像一个头朝太阳的彗星,磁层顶部朝向太阳,距离地球有 10 个地球半径远,而尾部可以拖到几百个地球半径那么远。 磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。
4.地球内部的温度
火山喷发,温泉以及矿井随深度而增温的现象表明,地球内部储存有很大的热能,可以说地球是一个巨大的热库。但从地面向地下深处,地热增温的现象随着深度的改变是不均匀的,地面以下按温度变化的特征分为三层分别为:外热层,常温层,增温层。
5,地球的能量
地球是由内,外两部发动机驱动的,这两部发动机提供了地球的全部能量来源,其中热能是地球最主要的能源。地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能量于瞬间释放时所引起的地球快速颤动,从而引发大小不等,形式多样的地震活动。
范文五:地球的结构和物理性质
第六章 地球的结构和物理性质
第十三节 地球的形状和大小
地球表面崎岖不平,它的真实形状是非常不规则的。但比起地球的大小来,地面起伏的差异又是微不足道的。因此,在讨论地球形状这一课题时,为了使它的总体形状特征不被地面起伏的微小差异所掩盖,人们不去考虑地球自然表面的形状,而是研究它的某种理论上的表面形状。这就是全球静止海面的形状。
所谓全球静止“海面”的形状,指的是海面的形状。它忽视地表的海陆差异,海面显然要简单和平整得多。所谓“静止”海面,指的是平均海面,它设想海面没有波浪起伏和潮汐涨落,也没有洋流的影响,完全平静。所谓“全球”静止海面,它不仅包括实际存在的太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋,而且以某种假想的方式,把静止海面“延伸”到陆地底下,形成一个全球性的封闭曲面,称为大地水准面。这是一个重力作用下的等位面,是地面上海拔高度起算面。地球的形状就是指大地水准面的形状。
601地球是一个球体
? 601—1地球是一个球体
人类对于大地形状的认识,有十分悠久的历史。由于大地本身庞大无比,而人们的视野范围却十分有限,凭直观的感觉不能认识大地的形状。一个人站在平地上,大约只能看到4.6km远的地方。这一小部分大地,看起来是一个平面。我国古时有“天圆似张盖,地方,平,如棋局”的说法,即认为天空是圆的,大地是平的。
然而,许多迹象表明,地面不是平面,而是曲面。例如,登高可以望远。人眼离地高约1.5m,只能看到4.6km远;若升到1,000m高处,便能看到121km远的地方。这是地面是曲面的很好证明。
又如,人们在岸边观看远方驶近的船只,总是先见船桅,后见船体;船只离港远去时则相反,先是船体,后才是船桅相继隐入海平面。大地若是平面,那么,不论距离远近,船体和船桅应同时可见(图6—1)。
再如,北极星的高度因纬度而异,愈往北方,它的地平高度愈大。我国南方各地,人们能见到南天的老人星,而在北方,老人星永远隐没在南方地平。如此看来,不同地点有不同的地平,地面本身只能是曲面。若地面是平面,遥远的恒星应同地面各部分构成相同的高度角。
上述各种现象都证明大地是一个曲面。然而,曲面还不一定就是球面,只有具有相同曲率的曲面,才构成球面。近代测量表明,地面各部分有大致相同的曲率,每度都在1llkm左右。由此可见,球形大地的结论,是以严密的推论和精确的测量为依据的。麦哲伦的环球航行,只是用事实证明大地是一个封闭曲面而已。在进入空间探测的今天,宇航员在宇宙飞船中或登临月球时,真切地看到地球是一个球体?。
图6—1 曲面大地的一种直观证据
(上)若大地是平面,远方船只的船桅和船体,应同时可见;
(下)大地是曲面,远方驶近的船只,先见船桅,后见船体
? 601— 2地球大小的测定
当人们意识到足下的大地是个圆球体后,自然会提出这样的问题:地球有多大,
测定球体的大小是比较“简单”的,只需测定经线的一段弧长(大地测量)及它对地心所张的角度(天文测量),就可以求知经圈的全长,从而求知地球半径和其它数据。测定经线的一段弧长对于地心的张角,是更加容易的,只需比较一下同一经线上的两地,在同一日
期的正午太阳高度,就能得到这个数值。它就是两地的纬度差。
古希腊学者埃拉托色尼在历史上第一次约略地恻定了地球的大小。他知道,夏至日正午,太阳位于埃及南部阿斯旺(旧时称悉尼)的天顶,阳光直射深井的井底。埃拉托色尼据此认为,阿斯旺地处北回归线。他还估计,亚历山大与阿斯旺位于同一经线上,两地相距约为5000斯台地亚(希腊里)。这样,他只要测定亚历山大夏至日正午太阳高度,就可以得出地球的大小。
埃拉托色尼并不直接测定正午太阳高度,而是用圭表测定正午影长。这种圭表是半个空心圆球,圆球中央有一根竖直的轴。这根轴就是圆球的半径。当圭表放置地面的时候,这根轴便垂直于地面,指向天顶(图6,3)。埃拉托色尼测得亚历山大夏至日正午,圭表轴投射在圆球上的影长,约为整个圆周的 1/50,即约 7.2?。古希腊人已有相当完备的几何学知识。埃拉托色尼推得,圭表轴投射在圆球内表面的影长与圆周长度之比,等于阿斯旺与亚历山大两地间的经线弧长与地球周长之比。换句话说,地球子午线周长等于阿斯旺至亚历山大之间距离的50倍,即250000斯台地亚。 l斯台地亚合158m,那么,地球周长为39500km。这与近代的测定值40025km相当接近,换算成地球半径约为6370km。
图6—2测定地球子午线长度
图6,3左:亚历山大夏至日正午的太阳天顶距,就是亚历山大与阿斯旺之间的子午线的度数,即两地的纬度差右:埃拉托色尼测定太阳天顶距用的圭表
严格说来,埃拉托色尼测定地球大小的工作,实际上只做了一半,即测定两地的纬度差;而两地间的距离是估算的,并非实测。最早实测子午线长度的,则是我国唐代天文学家僧一行(本名张遂,673—727)。公元724年,在他的主持下,太史监南宫说率领一支测量队,在今河南省黄河南北的平原地带,分别测定了大体上位于同一经线上的滑县、开封、扶沟和上蔡四地的分至日正午影长和“北极高”(即纬度),同时丈量了上述各地间的水平距离,从而得出“三百五十一里八十步而极差一度”?。一行没有球形大地的概念。他只是以实测数据否定当时“日影千里而差一寸”的说法,而没有把“极差一度”看作地面上的纬度。因此,一行并不理解自己所做的就是地球子午线长度的测定,就像后来的哥伦布并不知道他所发现的陆地是美洲一样。
?601— 3地球引力与地球形状
地球是一个具有内部均衡引力的物体。按对称的原理,一切这样的物体以球形为最简单。 所以,太阳、月球和行星等许多天体都是球形。近代天文学奠基人哥白尼说过“球形是万物中最完美的形状;因为这种形状的容积最大,宜于包罗一切”。又说:“重力不是别的,而是??赋于物体使之联合为球形状的一种自然倾向”?。地球是在自引力作用下才形成球体。
影响天体形状的因素,不仅是天体的自引力,而且还有固体分子的内聚力。前者使天体趋向球形,后者则倾向于保持物体原来的形状。自引力的大小,决定于天体的质量。一切质量较小的天体,由于自引力的作用不及分子内聚力的作用,便不能成为球体。例如,来自星际空间的陨星不是球形。空间探测表明,火星的二个质量很小的卫星,也不是球形。根据亮度变化推断,小行星的形状都是不规则的,几个质量巨大的小行星是例外。这就表明,只有质量巨大的天体,它们的自引力超过分子内聚力,才具有球体的形状。
然而,并非所有质量巨大的天体都是球形的。例如,星云的质量远大于恒星,却不是球体。这是因为天体在演化过程中,从非球体到球体,需要有一个时间的过程。质量巨大的天体,在它不同的发展阶段并非都是球形的。
602地球是一个扁球体
?602—1地球是一个扁球体
严格的球体是正球体,它具有统一的半径,因而具有统一的曲率和周长。地球并非这样的球体,而是一个扁球体。
地球扁球体是通过摆被发现的。1672年,法国一位天文学家里舍受巴黎科学院派遣,到南美洲法属圭亚那首府卡晏(地近赤道)观测火星的视差。他随身带去一架优质的摆钟。到达卡晏后,里舍发现他那走时很准的钟忽然变慢了,每昼夜减慢2分28秒。这是一个不小的误差。他不得不根据恒星的运动来校正他的摆钟,把摆长缩短4毫米,摆钟恢复正常走时。二年后,里舍回到巴黎,却发现钟又走快了,加快的数值恰好就是当初在南美减慢的数值。他把钟摆恢复到原来的长度,于是,钟又走准了。图6—4地球是一个扁球体,赤道半径比极半径长,它的经线是椭圆在此以前,人们相信秒摆的长度应该到处都是一样的,有人还曾主张用它来作长度单位;当年枷利略测定重力加速度值时,也没有怀疑到这一点。钟摆在赤道附近变慢,可以令人信服地用重力变小来解释。可是,重力为什么因纬度而改变呢,人们于是把它同地球的运动和形状联系了起来。这是认识上的又一次飞跃。
扁球体的特征是,球半径随纬度的增高而变小:赤道半径最长,极半径最短;与这个特征相联系的是,在扁球体上,赤道和纬线仍是正圆,而经线都是椭圆,它们的曲率自赤道向南北两极减小。
扁球体的扁缩程度用扁率表示。若以地球的赤道半径为a,极半径为b,那么,地球的扁率(f)便为:
关于地球形状和大小的数据,有一个不断提高精确度的过程。1975年9月,由国际大地测量学和地球物理学联合会举行的第十八届全会,决定自1984年起采用如下的数据: 赤道半径(a),6 378. 140km
极半径(b),6 356.755km
扁率(f),1/298. 275
?602—2地球自转与地球形状
如果自引力是形成球体的唯一因素,地球必然是正球体。然而,地球是一个旋转体,还受惯性离心力的作用?。地球的每一质点都处于引力和惯性离心力合力的作用下,这个合力就是重力(参见?608—l)。里舍把重力随纬度的变化,归因于惯性离心力的作用。在赤道上,地球自转最快,惯性离心力最大,重力便减小;到两极,自转的速度和惯性离心力都等于零,那里的重力最大。计算表明,由于惯性离心力的影响,赤道上的重力比在两极减小l/289。可是,地面重力的实际差异比这要大得多,赤道与两极的重力差值为1/190。显然,影响地面重力的不仅是惯性离心力。
又是牛顿对此作出圆满的解释。他指出,使地面重力自两极向赤道递减的原因有两个:一个是惯心离心力,还有一个是地球的扁缩。牛顿从理论上无可辩驳地证明,在自转的惯性离心力作用下,地球本身必然是扁的。
在自转着的地球上,每一质点的圆运动的中心都在地轴上,惯性离心力的方向都垂直井背离地轴。如把一地的惯性离心力分解为垂直和水平方向的两个分力,那么,这后一分力都指向赤道(图6—5)。正是在指向赤道的水平分力作用下,物质有向赤道集聚的趋势,地球变成了扁球体。
图6—5直接造成地球扁球体的是自转的惯性离心力(F)。它的水平分量(f)指向赤道;垂直分量在很小程度抵消一部分重力。牛顿还根据对木星和土星的观测,发现它们都有赤道突起、两极扁缩的形状,从而推断地球也一定是这种形状。正是根据地球扁球体的理论,牛顿成功地解释了地轴进动和二分点“岁差”的成因。这是地球运动和地球形状内在联系的一种表现。
? 602—3地理纬度和地心纬度
地球由正球体变成扁球体,地球上的纬度就有两种不同的度量方法:一种方法把纬度定义为地面法线与地球赤道面的交角;另一种方法把纬度定义为地球半径与赤道面的交角。前者强调从赤道沿本地经线到所在地的一段弧的度数,叫地理纬度;后者强调这段弧对地心所
张的球心角,叫地心纬度。
图6—6在扁球体上,球半径只通过球心,不垂直于球面;法线只垂宜于球面,不通过球心。因此,纬度分为地理纬度(j)和地心纬度(j’),且j,j’
图6—7地理纬度与地心纬度的差值,以45?纬度为最大
在讲述地理坐标时,我们把地球当作正球体。在正球体上,地面法线与地球半径是一致的,因此,不存在两种纬度的区别。但事实上地球是一个扁球体。在扁球体上,除赤道和两极外,垂直于地面的直线不通过地心;反之,通过地心的直线不垂直于地面。于是,就存在两种纬度的差别;由于扁球体的经线曲率自赤道向两极减小,所以,一地的地理纬度总是大于它的地心纬度(图6—6)。
地理纬度和地心纬度的差异本身,又因纬度而不同。在南北纬45?处,两种纬度的差值最大( 11′32″),由此向赤道和两极递减为零(图6—7)。我们知道,经线的曲率自赤道向两极减小,其中,南北纬45?处的经线曲率,可以被认为是经线的平均曲率。同它相比,自赤道至南北纬45?,这一段经线的曲率大于平均曲率,因此,它的地理纬度均大于地心纬度,而且,二者的差值随纬度增高而持续增大。反之,自南北纬45?到南北两极,这一段经线的曲率均小于平均曲率,两种纬度的差值自45?起开始递减,至南北两极,积累起来的差值减小为零。换言之,南北纬45?是两种纬度间差值持续增大的终点,同时,又是持续减小的起点。于是,在那里出现极大值,而在赤道和两极是极小值。地理学上所考虑的主要是各地的地平面如何不同于赤道的地平面,而不是地心所在的方向。因此,它原则上应用地理纬度。在通常情形下,这种微小的差异可以略而不计。
603地球是一个不规则的扁球体
?603—1 地球是一个不规则的扁球体
扁球体不及正球体简单,但它在几何上是有严格规则的。它的纬线都是正圆,经线都是椭圆。这样的球体,可以看成由椭圆绕它的短轴回转而成,所以也叫回转扁(椭)球体。地球(大地水准面)的真实形状,严格说来,不是几何上的回转椭球体。它的形状是不规则的:纬线不是严格的正圆,经线也不是真正的椭圆;地球的南北两半球并不对称,它的几何中心也不在赤道平面上。地球是一个不规则的扁球体。对这样一个不规则的球体,无法用简单的几何体或数学方法来表示,于是,人们改用它同一个理想的“模型”作比较来说明。
为了具体地表示地球形状的不规则性,可设想一个参考扁球体。它具有扁球体的严格规则性,而其形状和大小又十分迫近大地水准面。说它是参考“扁球体”,因为它是严格的扁球体;说它是“参考’偏球体,因为它代表了地球形状的基本方面。前述地球扁球体的各项数据,实际上都是参考扁球体的数据。图6—8大地水准面(实线)对于参考扁球体(虚线)的偏离(不能由此得出:地球的形状像梨)有了参考扁球体,地球的真实形状,便可以用大地水准面的各部分对于参考扁球体的偏离米表示。图6—8表示大地水准面的一个纵剖面,从图中可以看出,大地水准面与同它最迫近的扁球体相比,最大的偏离不过几十米。概括地说,北半球的高纬地区和南半球的低纬地区,大地水准面高出参考扁球体;而北半球的低纬地区和南半球的高纬地区,大地水准面稍低于参考扁球体。特别明显的对比是,南北两半球的极半径的差异:北极的大地水准面高出参考扁球约10米,而南极的大地水准面低于参考扁球体约30米。二者有40米之差,比较起来,北半球略显凸起,南半球较为扁平。 图6—8大地水准面(实线)对于参考扁球体(虚线)的偏离(不能由此得出:地球的形状像梨)
图6—8所表示的大地水准面的形状,曾给人以梨形的印象。此图一出,人们以讹传讹,“梨形地球”的说法曾不胫而走。其实,该图只是用来说明,大地水准面对于参考扁球体的偏离,因南北半球而不同,而不能表示地球的真实形状。这是因为:第一,它为突出这种偏离,不得不忽视参考扁球体 的“扁”,不考虑地球的赤道半径与极半径的近21千米的巨大差异,
以正圆代替椭圆;第二,过份夸大了大地水准面对于参考扁球体的偏离,用来表示南北两极间 40 米差值的比例尺,比用于表示地球半径的比例尺,扩大了57 0 0 0倍由于这种“舍本求末”的夸大,大地水准面的形状才“像梨”。事实上,南北两极间区区40米的差异,对于长半径为6378.140千米,扁串为1/298.275的地球来说,是微乎其微的。它只是使地面各部分的曲率产生微小的变化而已。大地水准面的任何部分都是凸面,没有凹陷,更不会有棱角。 ?603—2地内物质分布和地球形状
地球的自引力和自转的惯性离心力,都是系统性的因素。在它们作用下,地球形状必然是有规则的。既然地球形状是不规则的,那就一定有非系统性因素在起作用。这个因素就是地球内部的物质分布不均匀。
地球内部物质的组成和密度随深度而不同。通常我们总是把地球看成由均质的同心球层所组成。但严格地说,由于地球内部物质的分异没有最后完成,地球内部的球层,既不是真正的均质,也不是真正的同心。这种情况必然要影响地面的重力分布和大地水准面的形状。由于这个原因,地球的质量中心,并不位于它的几何中心。
物质分布不匀的情况,在地壳表现得尤为显著。地球表面有海陆差异和高低起伏。前面说过,地球形状是指海面的形状,忽视地表的海陆分布和地形起伏的差异。这是为了简化地球的形状,在几何上排除这些因素。但是,海面形状本身,则不能不受到海陆差异和地形高低的物理影响。地面的高低起伏,并不单纯是地面上的问题,它在一定程度上反映地下物质的分布情况。而且,高山所在的地方,地内物质并不特别多;深海所在的地方,地内物质并不一定特别少。所有这些复杂的情况,无一不影响大地水准面,使得地球扁球体变成不规则的形体。
从几何上说,地球的形状是不规则的。但是,在物理意义上说,地球的形状又是规则的。这是因为,全球静止海面,不论几何上怎样复杂,总是一个等位面。在这个等位面上,物体具有相同的重力位能。
地球上海面的形状是同地面上重力分布相联系的。自转的惯性离心力影响地面重力,使地球由正球体变成扁球体。同样地,地球内部的物质分布不匀,造成地表重力的局部差异,从而形成海面的局部起伏。在重力加速度较大的海面,海面本身在几何上必然较低;反之,在重力加速度较小的海面,海面本身在几何上必然较高。只有这样,海面才可能是一个等位面。不然,海水就会发生流动,而流动的结果,必然是等位面的形成,也就是地球形状在几何上的规则性遭到破坏。因此,地球形状在几何上的不规则和在物理上的有规则,是互为条件的。
复习与思考
?什么是大地水准面,人们怎么知道地面不是平面而是曲面,又怎么知道地球是一个球体,
?地球为什么会成为扁球体,比较地理纬度和地心纬度,为什么地理纬度大于地心纬度,为什么两种纬度间的差值以南北纬45?为最大,
?什么是参考扁球体,大地水准面的各部分怎样地偏离参考扁球体,为什么笼统地说“地球的形状像梨”是不确切的,