地球与月亮.docx

1、地球与月亮地球与月亮地球的基本参数：平均赤道半径: ae = 6378136.49 米平均极半径: ap = 6356755.00 米平均半径: a = 6371001.00 米赤道重力加速度: ge = 9.780327 米/秒2平均自转角速度: e = 7.292115 10-5 弧度/秒扁率: f = 0.003352819质量: M = 5.9742 1024 公斤地心引力常数: GE = 3.986004418 1014 米3/秒2平均密度: e = 5.515 克/厘米3太阳与地球质量比: S/E = 332946.0太阳与地月系质量比: S/(M+E) = 328900.5回归年

2、长度: T = 365.2422 天离太阳平均距离: A = 1.49597870 1011 米逃逸速度: v = 11.19 公里/秒表面温度: t = - 30 +45表面大气压: p = 1013.250毫巴 地球自转 地球存在绕自转轴自西向东的自转，平均角速度为每小时转动15度。在地球赤道上，自转的线速度是每秒465米。天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。人们最早利用地球自转作为计量时间的基准。自20世纪以来由于天文观测技术的发展，人们发现地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用，地球自转中的各种变化相继被发现。现在

3、天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。 通过对月球、太阳和行星的观测资料和对古代月食、日食资料的分析，以及通过对古珊瑚化石的研究，可以得到地质时期地球自转的情况。在6亿多年前，地球上一年大约有424天，表明那时地球自转速率比现在快得多。在4亿年前，一年有约400天，2.8亿年前为390天。研究表明，每经过一百年，地球自转长期减慢近2毫秒（1毫秒千分之一秒），它主要是由潮汐摩擦引起的。此外，由于潮汐摩擦，使地球自转角动量变小，从而引起月球以每年34厘米的速度远离地球，使月球绕地球公转的周期变长。除潮汐摩擦原因外，地球半径的可能变化、地球内部地核和地幔的耦合、地球表面物

4、质分布的改变等也会引起地球自转长期变化。 地球自转速度除上述长期减慢外，还存在着时快时慢的不规则变化，这种不规则变化同样可以在天文观测资料的分析中得到证实，其中从周期为近十年乃至数十年不等的所谓十年尺度的变化和周期为27年的所谓年际变化，得到了较多的研究。十年尺度变化的幅度可以达到约3毫秒，引起这种变化的真正机制目前尚不清楚，其中最有可能的原因是核幔间的耦合作用。年际变化的幅度为0.20.3毫秒，相当于十年尺度变化幅度的十分之一。这种年际变化与厄尔尼诺事件期间的赤道东太平洋海水温度的异常变化具有相当的一致性，这可能与全球性大气环流有关。然而引起这种一致性的真正原因目前正处于进一步的探索阶段。此

5、外，地球自转的不规则变化还包括几天到数月周期的变化，这种变化的幅度约为1毫秒。 地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化，月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。周年周期变化，也称为季节性变化，是二十世纪三十年代发现的，它表现为春天地球自转变慢，秋天地球自转加快，其中还带有半年周期的变化。周年变化的振幅为2025毫秒，主要由风的季节性变化引起。半年变化的振幅为89毫秒，主要由太阳潮汐作用引起的。此外，月周期和半月周期变化的振幅约为1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。地球自转具有周日和半周日变化是在最近的十年中才被发现并得到证实的，振幅只有约0.1毫秒，主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引

6、起的。地球公转 1543年著名波兰天文学家哥白尼在天体运行论一书中首先完整地提出了地球自转和公转的概念。地球公转的轨道是椭圆的，公转轨道半长径为149597870公里，轨道的偏心率为0.0167，公转的平均轨道速度为每秒29.79公里；公转的轨道面（黄道面）与地球赤道面的交角为2327，称为黄赤交角。地球自转产生了地球上的昼夜变化，地球公转及黄赤交角的存在造成了四季的交替。 从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄道和赤道在天球上存在相距180的两个交点，其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点，称为春分点，与春分点相隔180的另一点，称为秋分点，太阳分别在每年的春分（3月21日前后）和秋

7、分（9月23日前后）通过春分点和秋分点。对居住的北半球的人来说，当太阳分别经过春分点和秋分点时，就意味着已是春季或是秋季时节。太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点，与之相差180的另一点称为冬至点，太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。同样，对居住在北半球的人，当太阳在夏至点和冬至点附近，从天文学意义上，已进入夏季和冬季时节。上述情况，对于居住在南半球的人，则正好相反。地极移动 地极移动，简称为极移，是地球自转轴在地球本体内的运动。1765年，欧拉最先从力学上预言了极移的存在。1888年，德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移。1891年，美国天文学家张德

8、勒指出，极移包括两个主要周期成分：一个是周年周期，另一个是近14个月的周期，称为张德勒周期。前者主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫摆动，后者是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动。极移的振幅约为0.4角秒，相当于在地面上一个1212平方米范围。 根据近一百年的天文观测资料，发现极移包含各种复杂的运动。除了上述周年周期和张德勒周期外，还存在长期极移，周月、半月和一天左右的各种短周期极移。其中长期极移表现为地极向着西径约7080方向以每年3.33.5毫角秒的速度运动。它主要是由于地球上北美、格棱兰和北欧等地区冰盖的融化引起的冰期后地壳反弹，导致地球转动惯量变化所致。其它各种周期的极移主要与日月的

9、潮汐作用以及与大气和海洋的作用有关。岁差与章动 在外力的作用下，地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，而是不断发生变化。其中地轴的长期运动称为岁差，而周期运动称为章动。岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的变化。公元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时，首次发现了岁差现象。中国晋代天文学家虞喜，根据对冬至日恒星的中天观测，独立地发现了岁差。据宋史律历志记载：虞喜云：尧时冬至日短星昴，今二千七百余年，乃东壁中，则知每岁渐差之所至。岁差这个名词即由此而来。 牛顿第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分的吸引。在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴

10、在空间绕黄极描绘出一个圆锥面，绕行一周约需26000年，圆锥面的半径约为23.5。这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差。除太阳和月球的引力作用外，地球还受到太阳系内其它行星的引力作用，从而引起地球运动的轨道面，即黄道面位置的不断变化，由此使春分点沿赤道有一个小的位移，称为行星岁差。行星岁差使春分点每年沿赤道东进约0.13角秒。地球自转轴在空间绕黄极作岁差运动的同时，还伴随有许多短周期变化。英国天文学家布拉得雷在1748年分析了20年恒星位置的观测资料后，发现了章动现象。月球轨道面（白道面）位置的变化是引起章动的主要原因。目前天文学家已经分析得到章动周期共有263项之多，其中章动的主

11、周期项，即18.6年章动项是振幅最大的项，它主要是由于白道的运动引起白道的升交点沿黄道向西运动，约18.6年绕行一周所致。因而，月球对地球的引力作用也有相同周期变化，在天球上它表现为天极在绕黄极作岁差运动的同时，还围绕其平均位置作周期为18.6年的运动。同样，太阳对地球的引力作用也具有周期性变化，并引起相应周期的章动。地球的辐射带和磁层地球的辐射带分为两层，形状有点像是敲成两半儿的核桃壳。离地球较近的辐射带称为内辐射带，较远的称为外辐射带，也可以称之为内、外范艾伦带。辐射带把地球从四面包围起来，而在两极处留下了空隙，也就是说，地球的南极和北极上空不存在辐射带。在地球周围被太阳风包围并受地球磁场

12、控制的区域称为磁层。它是地球控制区域的最处层。地球磁层是由太阳风与地球磁场相互作用形成的。地球的固有磁场可近似用偶极场表示，地球磁场对高电导率的太阳风流有阻碍作用，太阳风流可压缩地球的磁力线。在太阳风的动压与地球磁场的磁压大约相等的区域，即形成太阳风与地球磁场的分界层，这个分界层称为磁层顶，磁层顶包围的区域即是磁层。磁层的形状像一个羽毛球，其向阳一侧约呈一椭球面，在平静太阳风中，向阳侧磁层顶在日地联线上离地心的距离约为10个地球半径（Re6371.2km），磁层顶前有一弓激波。其背阳一侧是拉长向外略张开的圆筒形，称为磁尾，磁尾的长度可长达1000个地球半径，磁尾的南北和东西宽度约为40个地球半

13、径。在一般情况下，太阳风等离子体是不易进入磁层的，只有在封闭磁力线和张开磁力线分界的漏斗形区（称为极隙区或极尖区，）可进入磁层及电离层和高层大气。但太阳风粒子可通过磁场重联和粘性作用进入磁层。磁层是一个巨大的粒子库，它可贮存能量从几电子伏（e）到几百兆电子伏（e）的等离子体和高能粒子。磁层中有几个粒子贮存区；等离子体层区贮存着密度较高温度较低（约107）的冷等离子体；等离子体片区是热等离子体（约105）的贮存区；地球辐射带区贮存着高达几百e高能粒子；环电流区是由几百ke的能量粒子形成的。在平静时，磁层中的粒子一般不会侵入电离层和高层大气。太阳风向磁层输入能量的另一种形式，是电磁能。太阳风和磁层

14、相互作用形成巨大的发电机，称为太阳风磁层发电机。当太阳风的速度加快和行星际磁场南向分量增强时，这一发电机产生高达100k以上的越磁尾电位降、107的电流及1022的功率。当太阳风输入磁层的功率超过某一值时（约为1011s），由于磁层能量超载，磁层中的能量会通过某种不稳定性很快地释放出来，输入电离层和高层大气，这种磁层能量贮存和突然释放的过程，称为磁层亚暴，磁层亚暴的时间尺度约为小时。当行星际磁场南向分量持续时间较长时，可间歇性地发生多次磁层亚暴，多个磁层亚暴可形成磁暴。磁层亚暴和磁暴可引起磁层、电离层和高层大气的剧烈扰动，如磁层粒子注入事件、极光活动、电离层暴和热层暴等。电离层电离层是地球大气

15、的一个电离区域，高度范围约601000km，再往上即是磁层。电离层是由太阳射线、紫外线和高能粒子对高中层大气的电离作用形成的。电离层是处于部分离的中高层大气区，含有相当多的自由电子，但中性大气仍很稠密，因而中性分子和带电粒子的碰撞频繁。观测表明，电离层电子密度随高度的分布具有分层结构。在离地面601000km的范围内，主要可分为三层，即层、层和（1层和2层）层。层位于6090km的区域，电子密度在103cm-3以下，在夜间电子大量消失，层可认为不复存在。层约处于90140km的区域，电子密度103105cm-3，电子密度高峰通常位于110120km。夜间层的电子密度下降至510cm。层在层之上

16、，其范围可一直伸延至上千km。在白天，层可分为1层和2层，2层在1层之上。夜间2层消失。1层一般在140200km范围，电子密度105cm-3。2层可从200km伸至1000km。其电子密度峰值区于300km左右，最高电子密度可达106cm-3。太阳活动、磁层亚暴和磁暴对电离层结构产生很大的骚扰。电离层骚扰主要有电离层暴、电离层突然骚扰、极盖吸收和极光带吸收等。这些电离层扰动会严重影响无线电的传播。此外，从低层大气向上传播的行星波、声重波和大气准两年振荡等也对电离层结构产生显著扰动。中高层大气在地球强大引力的作用下，大量气体聚集在地球周围，形成数千千米的大气层。大气层一直可以延续到距地面640

17、0千米左右。大气中氮占78%，氧占21%，氩占0.93%，二氧化碳占0.03%，氖占0.0018%，此外还有少量的水气和尘埃。大气的压力和密度是随高度的增加呈现指数的降低。但大气的温度却表现出分层结构。直到几百km，中层大气是构成大气的主要成分。从地面开始，大气可分为五层：对流层、平流层、中间层、热层和外层，其中平流层和中间层称为中层大气。在各层中温度随高度的分布是不同的。对流层 厚度不均匀，赤道地区约16千米，两极约8千米，是大气中最稠密的一层。大气中的水气几乎都集中在这里，云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。温度随高度降低。平流层 约从1350km左右，温度随高度略有增加，这层称为平流层（

18、过去也称同温层），平流层顶处于50km左右。这里基本上没有水气，大气平稳，天气晴朗，对高空飞行有利。在距海平面高度20-30千米处，氧分子在太阳紫外线作用下形成臭氧层，臭氧层是防护紫外辐射的屏障。臭氧最高浓度是出现在25km附近。中间层 从平流层顶约到80km，温度随高度明显地降低，这一层称为中间层，中间层顶约处于8090km。热层 从中间层顶一直到500km左右，温度随高度显著增高，可高达1400，这层称为热层，热层顶约处于500km左右。热层大气直接受太阳活动和磁层扰动的影响，当磁层亚暴和磁暴时，热层大气的温度和密度可显著增加，有时可增加一个数量级以上，这对航天器轨道有很大的影响。外层 热

19、层顶以上温度不随高度变化，称为外层。外大气层和行星际空间融合在一起。月球的基本参数：平均赤道半径: ae = 1738000 米平均半径: a = 1737400 米赤道重力加速度: ge = 1.618 米/秒2平均自转周期: T = 27.32166 天扁率: f = 0.006质量: M = 0.07348 1024 公斤月心引力常数: GM = 4.9027934551012 米3/秒2平均密度: e = 3.34 克/厘米3地月系质量比 E/M = 81.30068离地球平均距离: R = 384400 公里逃逸速度: v = 2.38 公里/秒表面温度: t = -120 +150

20、表面大气压: p = 1.3 10-10 帕月球圈层结构这是1972年美国阿波罗17号宇宙飞船在返回地球途中拍摄的月球照片。(NASA)月球内部结构示意图。月球内部由月壳、月幔和月核三部分组成。月壳平均厚度只有70km，月核的直径约在300-425km之间。这是用一千五百张由克莱门汀号飞船拍摄的照片拼合起来的月球南极图。月球南极黑色的陨坑内可能因终年不见阳光而保存有水冰。(NASA)这是由阿波罗17号宇航员拍摄的月球岩石照片，远处空中悬挂着的天体是地球。(NASA)这是由美国月球环绕器5号拍摄的哥白尼陨坑的一侧。哥白尼陨坑有93km宽。(NASA)这是阿波罗17号在环绕月球飞行过程中拍摄的哥白

21、尼陨坑照片。(USGS/NASA) 月球是地球的唯一天然卫星，它与地球有着密切的演化联系。根据对建立在月球上的阿波罗11号和12号月震台记录资料的分析，以及对月球表面和月岩的研究，可知现今的月球内部也有圈层结构，但与地球内部的圈层结构并不完全相同。月球表面有一层几米至数十米厚的月球土壤。整个月球可以认为由月球岩石圈（01000公里）、软流圈（10001600公里）和月球核（16001738公里）组成。月球岩石圈又可进一步分为四层，即月壳（060公里）、上月幔（60300公里）、中月幔（300800公里）和月震带（800 1000公里）。软流圈又称为下月幔。在月壳的10公里、25公里和60公里深

22、处，均存在月震波速的急剧变化，表明在这些深度处存在显著的不连续性。月球表面至25公里深处为玄武岩组成的月壳第一层次，25公里60公里之间为月壳的第二层，由辉长岩和钙长岩组成。上月幔由富镁的橄榄石组成，中月幔和下月幔由基性岩组成。月球震源的位置位于6001000公里的深度之间，平均月球震源深度为800公里。由于月球表面岩石的密度并不比整个月球的平均密度小很多，因此，可以认为月球核不会是较重的铁镍等元素组成，它可能呈塑性或部分熔融状。在月球1000公里深处，月幔温度不会高于1000C。根据对月球内部状况的了解，固体部分圈层结构并不是地球本身所特有的。月球的上述圈层结构，也是月球的演化过程中整个月球

23、物质圈层分化的结果。月面特征 月面上山岭起伏，峰峦密布，没有水，大气极其稀薄，大气密度不到地球海平面大气密度的一万亿分之一。没有火山活动，也没有生命，是一个平静的世界。已经知道月海有22个，总面积500万平方公里。从地球上看到的月球表面，较大的月海有10个：位于东部的是风暴洋、雨海、云海、湿海和汽海，位于西部的是危海、澄海、静海、丰富海和酒海。这些月海都为月球内部喷发出来的大量熔岩所充填，某些月海盆地中的环形山，也被喷发的熔岩所覆盖，形成了规模宏大的暗色熔岩平原。因此，月海盆地的形成以及继之而来的熔岩喷发，构成了月球演化史上最主要的事件之一。 月球上的陨击坑通常又称为环形山，它是月面上最明显的

24、特征。环形山（crater），希腊文的意思是碗，所以又称为碗状凹坑结构。环形山的形成可能有两个原因，一是陨星撞击的结果，二是火山活动；但是大多数的环形结构均属于陨星的撞击结果。1924年，吉福德（A. C. Gifford）曾把月坑同地球上的陨石坑作了比较，证实了月坑是陨星撞击形成的。因此，陨击作用是形成现今月球表面形态的主要作用之一。许多大型环形山都具有向四周延伸的辐射状条纹，并由较高反射率的物质所组成，形成波状起伏的地形，向外延伸可达数百公里。环形山周围有溅射出来的物质形成的覆盖层；溅射的大块岩石又撞击月球表面，形成次生陨击坑。由于反复的陨星撞击与岩块溅落，以及月球内部喷出的熔岩大规模泛滥

25、，使得许多陨击坑模糊不清，或只有陨击坑中央的尖峰露出覆盖熔岩的表面。 从叠加在月海上的陨击坑的状况判断，以及从月球上带回样品的放射性年龄测定表明，月海物质大致是与陨击坑同时期形成的。月海年龄大都在35亿年左右，而月陆高地的形成至少在月海熔岩喷发之前10亿多年已经存在，因此原始月壳是更为早期形成的，并且是大量熔岩的不断喷发，月球物质长期圈层分化的结果。研究表明，月球的圈层结构是继大约46亿年前它所经历的一个漫长的天文演化阶段之后，又一个持续了约10亿年之久的一个圈层分化过程。月球上大型环形山多以古代和近代天文学者的名字命名，如哥白尼、开普勒、埃拉托塞尼、托勒密、第谷等。月球表面陨击坑的直径大的有

26、近百公里，小的不过10厘米，直径大于1公里的环形山总数多达33000个，占月球表面积的710%，最大的月球坑为直径235公里。在月球背向地球的一面，布满了密集的陨击坑，而月海所占面积较少，月壳的厚度也比正面厚，最厚处达150公里，正面的月壳厚度为60公里左右。由于月球表面之上缺乏大气圈和水圈，所以月球早期的熔岩喷发和陨星撞击形成的月球表面形态特征能够得到长期的保存。自1969年以来，宇航员已从月球表面取回数百公斤的月岩样品，经过对这些月岩样品的研究分析得出结论，这些月岩曾熔化过，月球表层物质主要是岩浆岩组成。月球的年龄至少已有46亿年。月球运动 地球与月球构成了一个天体系统，称为地月系。在地月

27、系中，地球是中心天体，因此一般把地月系的运动描述为月球对于地球的绕转运动。然而，地月系的实际运动，是地球与月球对于它们的公共质心的绕转运动。地球与月球绕它们的公共质心旋转一周的时间为27天7小时43分11.6秒，也就是27.32166天，公共质心的位置在离地心约4671公里的地球体内。 宇宙间天体之间都存在相互间的作用，其中所谓潮汐作用是重要的作用形式之一。由于地月间距离相对较近，这种潮汐作用更为明显。太阳系天体中，月球对地球的潮汐作用约为太阳对地球潮汐作用的2.2倍，并远远大于其它天体对地球的潮汐作用。由于月球的潮汐摩擦作用使得地球自转变慢，每天时间变长，平均每一百年一天的长度增加近千分之二

28、秒。同时，由于地球自转变慢，使得月球缓慢向外作螺旋运动，目前月球正以每年34厘米的速度远离地球。同样道理，地球对月球的潮汐作用，使得月球自转周期变得与其公转周期相同。月球的自转和公转都是自西向东的。月球的这种自转，称为同步自转。因此，自古以来，人们看到月球总是以同一面朝向我们地球。人类在开始记录地球史的时候，就已通过观测月球位置和位相来计时。通过对月球和太阳周期性运动的研究，使得古代中国人和美索不达米亚人创立了历法。公元前300年，巴比伦的天文学者已能预报月食。月相月球本身并不发光，靠反射太阳光才发光。随着地球、月球和太阳三者位置的变化，我们看到月亮被照亮的部分发生周期性的变化，称为月相。每逢

29、农历初一，月球运行到地球和太阳之间，被照亮的半球背着地球，我们看不到月亮，叫做“新月”，也叫“朔”。过了新月，被照亮的部分逐渐转向地球，农历初三、四，我们可以看到一钩弯月，称为“娥眉月”；初七、八，看到半个月亮（凸边向西），叫做“上弦月”；到了农历十五或十六，亮的一面全部向着地球，于是我们看到了圆圆的月亮，称为“满月”，也叫“望”。从此以后，月球明亮的部分逐日亏缺，到了农历二十二、二十三又看到半个月亮（凸边向东），叫做“下弦月”；再过一星期，又回到“朔”。月相就这样周而复始地不停变化着。从“朔”到“朔”或从“望”到“望”，所经历的周期平均是29日12时44分2.9秒，称为一个“朔望月”。日食每

30、当月球运行至地球与太阳之间，三个天体连成一线时，日食便会发生。月球阻挡了太阳光，在地球上造成阴影，使某些地区不能接受到部分或全部阳光。至于观测者看到太阳给遮盖了多少，则要视他们身处的地方对月球阴影的位置而定。如果观测者在半影区内，他们会看到日偏食，而身处本影区的人则会看到日全食。在日全食来临之时，天空会逐渐变暗，场景尤为壮观。在食甚前后，太阳圆面被月球圆面遮住，只剩下一圈弯弯的细线。这时，往往会出现一串发光的亮点，像一串晶莹剔透的珍珠。这是由于月球表面高低不平的山峰像锯齿一样把太阳发出的光线切断造成的，我们称之为倍利珠。某些时候，月球距离地球较远，它的本影不能抵达地球，即月亮不能完全把太阳遮盖

31、。在这个情况下，身处本影投影区的人在最大掩食的阶段仍会看到一圈太阳的光环，这便是日环食，而位处半影区的观测者则会看到日偏食。月食月食的原理和日食类似。在农历每月的十五、十六，月球运行到和太阳相对的方向。这时如果地球和月球的中心大致在同一条直线上，月球就会进入地球的本影，而产生月全食。如果只有部分月亮进入地球的本影，就产生月偏食。当月球进入地球的半影时，应该是半影食，但由于它的亮度减弱得很少，不易察觉，故不称为月食，所以月食只有月全食和月偏食两种。月食都发生在“望”，但不是每逢“望”都有月食，这和每逢“朔”不都出现日食是同样的道理。在一般情况下，月亮不是从地球本影的上方通过，就是在下方离去，很少穿过或部分通过地球本影，因此，一般情况下就不会发生月食。每年月食最多发生3次，有时一次也不发生。从现在到2000年，中国能见到2次月全食（1997年9月17日， 2000年7