自然地理学







编者的话


  本书原是供综合性大学地理系各专业使用的教材。自 1978 年第一版问 世以来,除综合性大学使用外,还广为其他院校所采用。根据几年来在使用 过程中发现的问题和各方面提出的意见,本书主要编写人员于 1982 年 10 月 在安徽省青阳县共同商讨了本教材的修订问题,对各方面的意见进行了认真 的讨论,并提出了具体的修改方案。
  修订中,注意了教材内容的更新,吸收了近几年来国内外同类教材的优 点,增加了不少新的资料与插图;对教材的体系与结构也作了较大的调整, 加强了全书的协调性和整体性;本书由原来的七章扩增为九章,将原来的上 下册合为一册;在总字数不增加的情况下,对它作了全面的修改、补充和调
整。
  本书比较全面地阐述了地球表层各自然要素的性质和特点,注意各要素 之间的相互联系和相互作用,对自然地理环境的整体性、地域分异规律以及 自然区划和土地类型研究作了专门的介绍。此外,有关生态、资源和环境等 问题也在许多章节中作了适当的论述。通过从部门自然地理至综合自然地理 的叙述,力求使读者对整个自然地理学有个较全面和完整的了解。当然,在 教材的具体使用时可根据对象的特点和要求进行适当的取舍。
参加本书修订的人员和分工如下:绪论与第九章,陈传康(北京大学);
第一、四、五章,伍光和(兰州大学);第二、七章,潘树荣(中山大学); 第三章,雍万里、李爱玲(南京大学);第六章,俞序君(南京大学);第 八章,田连恕(西北大学)。最后由潘树荣(主编)与伍光和(副主编)负 责全书的统稿和定稿。在这次修订中,高等教育出版社黎勇奇同志对本书的 审查和加工做了大量的工作,高教出版社杨丽莉同志协助清绘插图,特此致 谢。
参与本书第一版编写的人员,除上述修订者外,还有魏晋贤、吴评生、
吴伯甫、张哲夫、许惠芳、刘亦频、张仁甫、吴荔明等同志。此外,汪安祥、 王瑞兰、郑卫国等同志对本书第一版的编辑出版也做了许多工作。
本书内容涉及面广,编写难度较大,由于编者水平所限,错漏或取材不
当之处在所难免,欢迎广大读者批评指正。

编者
1985 年 3 月





绪 论

一、自然地理学的研究对象和分科

(一)地理学
  地球表面是人类赖以生活和生存的地理环境。人类的环境在不同的发展 阶段有不同的范围。随着科学技术和社会生产的发展,以及各民族间的相互 交流活动,人类环境的范围是不断扩大的。如在古代,大洋并未包括在人类 环境的范围之内,随着航海事业的发展,海洋才成为人类活动的环境。当前, 由于人造卫星和星际航行事业的发展,使人类的环境超出地球表层的范围, 进入了高空和宇宙空间,从而使人类的环境中又出现了“空间环境”的概念。 所以,地理环境和人类环境这两个概念是不尽相同的。
  地理学是研究地理环境的科学,即只是研究地球表面这一部分的人类环 境。所谓地球表面,实际上是指海陆表面上下具有一定厚度范围而不包括地 球的高空和内部的地球表层。在这个表层内存在着人类社会及其周围的各种 事物,构成了具有独特地理结构和形式的地理环境。
地理环境可分为自然环境、经济环境和社会文化环境。自然地理环境是
由地球表层中无机和有机的、静态和动态的自然界各种物质和能量所组成, 具有地理结构特征并受自然规律控制的环境整体(系统)。自然环境或自然 地理环境根据其受人类社会冲击或干扰的程度不同,又可分为两部分:一为 天然环境(原生自然环境),即指那些只受人类间接的或轻微影响的,而原 有自然面貌基本上未发生明显变化的自然地理环境。如极地、高山、大荒漠、 大沼泽、热带雨林、某些自然保护区以及人类活动较少的海域等。有些人认 为,目前整个地理环境都已受到人类直接或间接的影响,因而不存在天然环 境。我们不同意这种看法。二是人为环境(次生自然环境),即指那些自然 条件经受人类直接影响和长期作用之后,自然面貌发生重大变化的地区。如 农业、工矿、城镇等开发利用地区。就放牧的草场和采育的林地来说,虽然 它们仍能保留草原和森林的外貌,但其原有的条件和状态已发生了较大的变 化,也应属于人为环境之列。人为环境的成因及其形式的多样性,主要决定 于人类干扰的方式和强度;而人为环境本身的演变和作用过程,则仍然受制 于自然规律。从这方面来说,无论人为环境(次生)还是天然环境(原生) 都是属于自然地理环境。
  经济环境是在自然环境的基础上由人类社会形成的一种地理环境。它主 要指自然条件和自然资源经人类利用改造后形成的生产力的地域综合体,包 括工业、农业、交通和城镇居民点等各种生产力实体的地域配置条件和结构 状态。生产力实体具有二重性:从自然属性方面来评价,这种地域的特征是 属于人为环境;从技术经济的角度来考察,这种地域则属于经济环境或经济 地理环境。
  




社会文化环境,包括人口、社会、国家诸方面以及民族、民俗、语言、
文化等方面的地域分布特征和组成结构关系,而且还涉及社会上各种人群对 周围事物的心理感应和相应的社会行为。社会文化环境是人类社会本身所构 成的一种地理环境。
  上述三种地理环境各以某种特定的实体为中心,由具有一定地域关系的 各种事物的条件和状态所构成。这三种地理环境之间在地域上和结构上又是 相互重叠、相互联系的,从而构成统一整体的地理环境。
  系统论认为,现实世界归根到底是由某些规模大小不同、复杂程度有 别、等级有高低之分、彼此交错重叠,并且互相转化变换的系统所组成,成 为一个有层序性的网络系统。我们可以从不同的角度,根据系统的组成和结 构关系把客体分为一系列的层次,每一个层次就是一个等级的系统。这个级 别的系统是由那些比它低一级的各个子系统所组成;而这个系统本身又是构 成更高级系统的一部分。因此,系统和子系统的关系是整体与部分之间的关 系,而且整体的功能大于部分的总和。这是由于在各子系统之间存在着相互 作用所构成的网络关系,正是这个网络结构完成一定的整体功能,形成一个 集体效应,尤其起着协同作用的效应。这种结构关系又叫总体组织。此外, 在系统层序中,有些层次间的关系比较密切,有些层次间则可能出现较大的 质变。因此,根据其层序组合的质变关系可以把各级层次分为不同的组织水
平。
  采用上述观点来讨论地理学的研究对象和分科时,可将其分为三个主要 的组织水平和相应的学科:1)研究整个地理环境综合特征的称综合地理学;
2)分别研究自然地理环境、经济环境和社会文化环境的为综合自然地理学、
综合经济地理学和综合人文地理学;3)分别研究上述三种环境中各成分的 学科统称部门地理学。例如,部门自然地理学;部门经济地理学(包括工业 地理学、农业地理学、交通(运输)地理学、商业地理学等);部门人文地 理学(包括人口地理学、政治地理学、社会地理学、文化地理学等)。而感 应地理学和行为地理学则是现代人文地理学的综合研究方向。
上述的划分是代表地理学分科中的“三分法”(自然、经济、人文)和
“三层次”(统一、综合、部门)的观点。此外,在地理学分科中还应该考 虑“三重性”的观点,即首先是理论性方面的理论地理学的研究,对基本的 原理和方法论进行重点阐述;其次是应用性方面的应用地理学的研究;第三 是区域性的区域地理学方面的研究,即对特定的区域进行具体描述。这三者 的具体内容和重点虽有不同,但对上述地理学各分科来说都是同样重要的, 三者是相互关联的。
(二)自然地理学的研究对象
  前面已经指出,自然地理学研究地球表面的自然地理环境。这个地球表 面并不是几何形体的表面,而是具有独特的物质结构状态和一定厚度的圈层 或层壳。因此,在有些地理文献中把它称为“地理圈”、“地理壳”、“景
  




观壳”等,或直接称为“地球表层”。
  地球构造的主要特征是具有分层性,即整个地球是由一系列具有不同物 理和化学性质的物质圈层所构成。例如,地球的外部覆罩着大气圈,其中还 可再分为对流层、平流层和更高空的一些层;在大气圈的下垫面是由海洋和 陆地水构成的水圈以及疏松的土被层;地球固体部分的外壳称为地壳;地壳 以下的地球内部又分地幔和地核。此外,在地球上还存在有生命的物质,这 些生物的总体及其分布范围称为生物圈。所有这些圈层的组合分布情况具有 两种特点:一种是高空和地球内部的圈层各呈独立的环状分布;另一种是地 球表面附近的各圈层则呈交错重叠分布,各组分相互渗透。后一情况表明, 地球表层或地理圈正是由大气圈和岩石圈的一部分以及水圈、生物圈和土壤 层组构而成,并使它具有一系列不同于地球其他部分的结构特性。这里的岩 石、气候、水体、生物和土壤等组成成分之间存在着密切的相互联系和相互 作用,通过水循环、大气循环、生物循环和地质循环等彼此进行着复杂的能 量转化和物质交换,在物质和能量的转化和交换过程中,还伴随着信息的传 输,从而形成一个完整、有序的自然地理系统。该系统还从地球内部和外层 空间输入一定的能量和物质,以维持其各组分和各区域间的有序结构,并保 持其平衡状态。
在地球上,具有高度智能和相当数量的人类,也是干扰和控制自然地理
系统的一个重要因素。在它的作用下,现代自然环境已经发生不同程度的变 化,使许多地区在天然环境的背景上变为人为环境。历史的经验表明,人类 的活动如果遵循自然界的客观规律,那么人类就受益于自然界,人与自然环 境的关系就比较协调,有的自然资源就可得到不断的更新;相反,则资源就 会受到破坏,环境质量就会下降,生态就会失调,人类必将受到自然界的惩 罚。因此,充分认识和掌握自然环境的结构、动态和发展规律,可以克服我 们工作中的片面性和盲目性。
总之,自然地理的研究对象是包括天然的和人为的自然地理环境,它是
具有一定组分和结构的开放系统,分布于地球表层并构成一个地理圈。
(三)自然地理学的分科
  按照上述“层次性”的观点,自然地理学的研究对象和分科主要涉及两 个基本层次:即研究自然地理环境整体特征的,称为综合自然地理学;研究 自然地理环境各组成成分的,称部门自然地理学。它们包括该系统的两级组 织水平的研究。
  部门自然地理学是包括气候学、地貌学、水文学、地理土壤学、地植物 学和动物地理学等的总称。它们以组成自然环境的某一成分为具体对象,着 重研究这个成分的组成、结构、时空动态和分布等特征和规律。虽然部门自 然地理学的研究各有分工,但是其中每一个研究对象的存在和发展变化,都 是以整体的自然地理环境为背景,而且不同程度地以其他组成成分为因素或 条件的。此外,在各部门自然地理学中还有一些分支,这是更低一级的层次
  




了。
  综合自然地理学以各部门自然地理学为基础,以综合研究自然地理环境 的整体性为特征,即着重研究整体各部分的相互联系和相互作用,以回答这 个环境整体的组构特点、形成机制、地域差异和变化发展规律等问题。
  根据“三重性”的观点,无论部门自然地理学或是综合自然地理学都需 要对其基本原理与方法、生产实际的应用以及具体区域等方面进行研究。这 种分科方式是属于非从属性质的。

二、自然地理学的任务

自然地理学的任务有下列几方面:
  1.研究各自然地理成分(气候、地貌、水文、土壤、植被和动物界等) 的特征、形成机制和发展规律。
  2.研究各自然地理成分之间的相互关系,彼此之间的物质循环和能量转 化的动态过程,从整体上阐明它的变化发展规律。
3.研究自然地理环境的空间分异规律,进行自然地理分区和土地类型的
划分,阐明各级自然区和各种土地类型的特征和开发、利用方向。
4.参与自然条件和自然资源的评价。
  5.研究人为环境(受人类干扰、控制的自然地理环境)的变化特点、发 展动向和存在问题,寻求更合理的利用和改造的途径以及整治的方法。

三、自然地理学与其他一些学科的关系


  作为地理学一门分科的自然地理学,与地理学的其他分科如经济地理学 等有密切的关系。区域经济地理研究必须与区域自然地理研究结合进行,自 然条件和自然资源的评价是经济地理研究的前提。同时,在自然地理研究 中,如果能考虑区域经济开发的要求,可使自然地理学更好地为生产实践服 务。
自然地理学与其他地学和生物科学也有密切的关系。部门自然地理学便
是自然地理学与这些相邻科学之间的边缘学科。例如,地貌学是自然地理学 与地质学之间的边缘学科,气候学是自然地理学与气象学之间的边缘学科, 地植物学是自然地理学与植物学之间的边缘学科,等等。自然地理学正是通 过这些部门自然地理学而与其他地球科学或生物科学处于紧密的联系之
中。
  由于当代环境污染危害的严重性以及人们要求保护和改善环境的迫切 性,导致一门新的综合性学科——环境科学的形成。它汇集了自然科学、技 术科学以及社会科学的有关方面,共同对这个新的领域进行综合研究。自然 地理学也责无旁贷地参与这一行列之中。环境科学具有涉及面广、综合性
  




强、学科之间交叉与渗透较多等特点,其目的是环境质量的研究及其控制和
改善。环境科学的研究,前一阶段侧重于污染物在环境中的运动规律、环境 质量变化、污染物的生物效应和对人体健康的影响,以及对其控制和改善的 方法等方面。现在进而研究与人类活动有关的环境破坏问题,如水土流失、 土壤盐碱化、风沙为害等等,并提出关于大自然的保护以及对环境进行规划 和管理等问题。即由“点”到“面”、从局部到整体。其中许多问题与上述 地理学的内容有关,于是出现环境地学——环境科学与地理学为主体的边缘 科学。自然地理学既可运用自己的原理和方法去研究环境问题,也可以从中 得到促进和提高,使本门学科更具有生命力。

四、本书的内容和结构


  本书的任务是较全面地介绍各部门自然地理学和综合自然地理学两方 面的基本知识、概念和原理。书名为《自然地理学》而不采用《普通自然地 理学》这个名称,这是因为当前对后一名称有不同的理解:既可把它理解为 学习自然地理学的入门基础课,也可理解为专门研究地理圈本身一般规律的 学科,甚至理解为综合自然地理学的同义语。
本书的内容,一方面包括阐述地球表层各自然地理成分的形成过程、基
本特性及其类型和分布,并注意说明该成分与其他成分的相互关系;另一方 面还专门分出一章论述综合自然地理学的基本概念和基本理论,力求使读者 对整个自然地理学有个全面的了解。另外,对自然资源、环境问题和生态系 统等方面也作了一定的介绍。
本书共分九章。第一章对整个地球的形态和动态特征、内层和外层构造
作简单的介绍,旨在说明它的地理意义。它是自然环境形成发展的重要背 景。第二、三两章论述地壳和大气这两个圈层的特性和运动的表现形式。它 们既是构成景观的基本成分,也是地球内部与外部物质能量直接输入的主要 表现者,成为支配景观形成发展和分异的两大基本因素。第四、五章介绍水 圈的各组成部分,其中突出了海洋的地位和作用。水圈与上述两个圈层,在 景观圈中形成了固、液、气三相的多种界面,进行着复杂的无机过程。它们 之间的相互作用在地貌上表现最为鲜明。因此第六章接着介绍各种地貌的成 因类型、特点及其发育规律。在这基础上,第七章描述了介于无机与有机成 分之间的土壤,它是反映陆地景观属性的典型。第八章叙述生物群落和生态 系统,重点说明生物与环境之间的相互联系与相互作用。通过生态系统的型 式又把有机界与无机界组合成为一个整体来描述。它是表述综合自然地理学 内容的一个方面。最后一章,系统地论述景观的地域分异规律、自然区划和 土地类型等方面的基本概念和基本原理。这部分内容是其他同类教材所缺少 的。
总的来说,本书的内容结构是从自然地理环境的整体性出发,通过从“部





门”至“综合”的叙述方式,从地表的无机界到有机界乃至自然生态系统,
从景观圈的上下边层至核心层,逐步加强各成分间的相互联系,达到对其整 体性和地域之间的联系与差异性的认识。我们认为,采用这种方式便于初学 者循序渐进地掌握这类入门性的基础课程,不至于一开始便陷入各成分复杂 的相互联系的网络之中。此外,自然地理学的内容既包括“部门”也包括“综 合”,两者是同等重要的。因此,我们没有过分强调前后各章皆进行全面的 综合描述,而是逐步进行的,即使是最后几章也是有一定限度的。





第一章 地球

第一节 地球在宇宙中的位置 一、宇宙和天体

  宇宙中存在着无数的天体,根据它们各自的特点可归纳为恒星、行星、 卫星、流星、彗星和星云等类。恒星质量很大,自己能发光。凭肉眼能看到 的天体,99%以上都是恒星。从地球上看,恒星的相对位置似乎是固定不变 的,但实际上,一切恒星都在不停地运动。行星自己不发光,质量也远较恒 星小,并且绕恒星运动。地球便是绕着太阳运动的行星之一。卫星质量比行 星更小,绕行星运动,并随着行星绕恒星运动。流星的质量更小,也不发光。 流星在行星际空间运行,当接近地球,受到引力时,可以改变轨道,甚至陨 落。当它进入地球大气层后,因与大气摩擦,迅速增温至白热化,发生燃烧。 绝大部分流星在到达地面以前就已完全烧毁,少数能落到地面上,成为陨 星。彗星是一种很小的,但具有特殊外表和轨道的天体。它由彗核、彗发和 彗尾三部分组成。彗核是相对集中的疏松固体物质。彗发是彗核释放的分子 和原子,成一团气体围绕着彗核。彗尾是由电离的分子和固体小粒子组成。 这些分子和小粒子受到太阳光压的作用,形成一条背向太阳的尾巴,即彗 尾。星云是一种云雾状的天体。离地球非常遥远的河外星云,是一些恒星系 统,而作为银河系组成部分的银河星云,则是极端稀薄和高度电离的氢和氮 的混合物。
鉴于用普通的长度单位,甚至用地球和太阳的平均距离(14960×104 公
里,称为天文单位),都难以表示宇宙空间的距离,人们把光在一年中传播 的距离(94600×108 公里),即一个光年,作为量度天体距离的单位。
现有的仪器已经能够观察到远离地球 100×108 光年的空间。在可以观察
到的这部分宇宙中,约有 1022 个恒星。几十亿到上千亿个恒星的集合体是一 个星系。例如银河系,就是一个包括一千多亿个恒星的星系。银河系是一个 旋转着的扁平体,绝大多数星体都密集在它的中心平面附近。它的直径约为
10×104 光年,中心厚度约 10000 光年,其余部分厚度约 1000 光年。到目前
为止,已经发现了十亿多个类似银河系这样的星系。星系表现为成对或成群 的聚集状态,组成星系群。例如,银河系和包括比邻星系以及大、小麦哲伦 云在内的近二十个星系,组成本星系群。本星系群直径约 300×104 光年。比 星系群更大,包括几百个到几千个星系的集团,称为星系团。例如室女座星 系团,包含 2700 个星系,直径可达 850×104 光年。已知宇宙的总体称为总 星系。

二、太阳和太阳系







银河系直径约有 10×104 光年,包含 1500×108 颗恒星,太阳只是其中
之一。太阳位于距银河系中心(银心)约 27000 光年、距边缘 23000 光年的 地方,并以每秒 250 公里的速度绕银心运动,大约二亿(2.5×108)年绕行 一周。
  太阳是一个炽热的发光球,它的内部不断进行着巨大的热核反应。太阳 表面温度高达 6000K,中心温度更高达 1500×104 度。在已知宇宙中,太阳 是一个中等大小的恒星,直径约为 140×104 公里,相当于地球直径的 109 倍, 表面积约为地球的 12000 倍,体积约为地球的 130×104 倍,质量约 1.989×
1027 吨,相当于地球的 33.3×104 倍,并且占整个太阳系质量的 99.86%。它 的外层可见部分的密度约为水密度的 1/1000000,中心部分的密度比水的密 度大 85 倍,而平均密度则为 1.4g/cm3,约相当于地球密度的 1/4。质量很大 的太阳,以其巨大的引力维持着一个天体系统绕着它运动。这个天体系统就 是太阳系。太阳位于太阳系的中心。
太阳系包括 9 个大行星,49 个卫星,和成千上万个小行星,还有少数彗
星。9 个大行星中,距太阳最远的冥王星,约为 39.5 个天文单位。如果以冥 王星轨道为太阳系的边界,则太阳系直径为 79 个天文单位,即约 120×108 公里。如果把彗星轨道计算在内,则太阳系直径将达到 6—8×104 天文单位,
即 9—12×1012 公里。9 个大行星按其物理性质可以分为两组。水星、金星、
地球和火星,体积小,平均密度大,自转速度慢,卫星数少,称为地组行星; 木星、土星、天王星、海王星和冥王星,体积大,平均密度小,自转速度快, 卫星数多,叫做木组行星。它们的性质见表 1-1。

表 1—1 太阳系行星物理性质比较

行星 赤道半径
km 扁率 质量 地球=1 密度 g
/ cm3 恒星日长 赤道对轨 道倾斜
卫星数 地组 水星 金星 地球 火星 木组 木星 土星 天王星 海王星 冥王星

2440
6050
6378
3395


71400
60000
25900
24750
1350

0.0 0.05
0.0 0.82
0.0034 1.000
0.0052 0.11


0.062 317.94
0.108 95.18
0.01 14.63
0.026 17.22
0.0024

5.46
5.26
5.52
3.96


1.33
0.70
1.24
1.66
1.5

58.6 日 < 10 °
243 日 6 °
23 时 56 分 23 ° 27 ′
24 时 37 分 24 ° 55 ′


9 时 50 分 3 ° 4 ′
10 时 14 分 26 ° 45 ′
约 24 时 97 ° 53 ′
约 24 时 28 ° 48 ′
6.3 日 9 时

0
0
1
2


16
23
5
2
1






太阳系中行星和卫星绕太阳的运动,具有以下几方面的共同特征:
1.所有行星的轨道偏心率都很小,几乎都接近于圆形;
  2.它们的轨道面都近似地在一个平面上,对地球轨道面(黄道面)的倾 斜也都不大;
  3.所有行星都自西向东环绕太阳公转;除金星和天王星外,所有行星的 自转方向也自西向东,即和公转方向相同;
  4.所有行星的赤道面对轨道面的倾斜都比较小,只有天王星是唯一的例 外;
5.绝大多数卫星的轨道都近似圆形,其轨道面接近母星的赤道面;
  6.绝大多数卫星、包括土星环在内,公转方向都和母星的公转方向相 同。
有关行星轨道运动的资料见表 1-2。

表 1—2 行星轨道运动资料

行星 轨道半长轴天 文单位
公转周期 平均轨道速度
km / s
偏心率 对黄道面倾斜 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星 0.3871
0.7233
1.0000
1.5237
5.203
9.539
19.1818
30.0579
39.44 88 日
225 日
3651 / 4 日
686.98 日
11.862 年
29.45772 年
84.013 年
164.79 年
247.9 年 47.89
35.03
29.79
24.13
13.06
9.64
6.81
5.43
4.74 0.2056 7 ° 0 ′
0.0068 3 ° 23 ′
0.0017 1 ° 51 ′
0.0933 1 ° 18 ′
0.0483 2 ° 29 ′
0.05589 0 ° 46 ′
0.0472 1 ° 46 ′
0.0085 17 ° 10 ′
0.2494

1766 年德国天文学家提丢斯首先提出,1772 年波得进一步完善了行星
和太阳之间的距离 a 的经验公式
an=0.4+0.3×2n-2
式中 n=-∞,0,1,2,3,4?? 这个公式称为提丢斯波得定则。按照这个定则,在火星和木星轨道之
间,距太阳约 2.8 天文单位处还应该有一个大行星。经过长期搜索,始终没 有发现这个未知的大行星。但自 1801 年至今,在上述空间范围内先后发现 并确认了谷神星、智神星等 2400 多颗小行星。现在已经知道,太阳系中除 九大行星之外,还有一个由成千上万颗小行星组成的独特的小行星带。它们 绕太阳公转的周期约 1—14 年不等,形态很不规则,很可能是一颗大行星遭 撞击破碎后形成的。我国学者共发现了 800 多颗小行星,并计算出了其中 170





多颗的运动轨道。现在已有 24 颗在国际上得到正式编号和命名。

三、地球在天体中的位置


  曾经有一个很长的时期,人们认为地球是宇宙的中心,一切天体都绕着 地球运行。直到 1543 年,哥白尼的《天体运行论》发表,“日心学说”创 立,这个错误观念才逐渐被抛弃。但是,无限广大的宇宙根本不存在中心。 太阳只是太阳系的中心。而太阳在银河系中,又只不过是旋涡臂上的一个小 点,一颗普通的恒星罢了。地球则只是太阳系中一颗普通的行星。
  地球沿着椭圆形轨道绕太阳运行,太阳处在椭圆的焦点之一上。每年 1 月初地球和太阳最接近,距离约为 14710×104 公里。地球的这个位置称为近 日点。7 月初离太阳最远,距离约为 15210×104 公里,这个位置则称远日点。 日地平均距离为 14960×104 公里,这个数字被确定为一个天文单位。
  地球并不是孤立地存在宇宙空间的,它和其他天体之间有着密切的联系 并相互影响。例如,地球表面以太阳辐射能为最主要的热量来源;海、陆、 大气和有机体中的许多过程,都以这种辐射能为基本动力。水能、风能都是 由太阳能转化来的。当代地球上最重要的能源——煤和石油,则是长期积累 的化石化了的太阳能。太阳还把各种带电粒子流传送到地球上。具有极高能 量的宇宙线,从宇宙空间侵入地球的大气上层,对地球上的极光、磁暴,以 及大气中的某些气体分子从分子状态转变为离子状态等一系列现象,都产生 影响。陨石从星际空间落到地球上,或地球大气外层的气体质点扩散到星际 空间,都表明地球与星际空间存在着直接的物质交换。至于地球在月球和太 阳引力的作用力的影响下形成潮汐,以及大气和地壳的弹性变形,就更为人 们所熟知了。
  




第二节 地球的形状和大小


  地球的形状和大小是地球科学的基本课题之一。地球形状问题也是人类 最古老的世界观的基本内容,是人类对于宇宙的认识的一个组成部分。相互 交往及测算土地面积的客观需要,很早就促使人们去认识地球的形状和大 小。但人类认识地球形状和大小的历史过程却相当复杂,并且始终充满了唯 物论和唯心论的斗争。
  古代人类活动的范围极有限,且又缺乏精确可靠的观测手段,因此产生 过许许多多关于地球形状的错误认识。例如,古巴比伦人认为宇宙是一个闭 合的箱子,大地是这个箱子的底板;古希伯莱人认为大地是一块平板;古印 度人认为大地是四只大象背负的半球;古希腊人认为大地是由一条大洋河
(river of ocean)环绕的圆盾;古俄罗斯人认为大地是由三条鲸驮着的圆 盾,等等。我国古代则有“天圆地方”的说法,并且认为这个方形大地是从 西北向东南倾斜的。
随着人类社会生产力、科学技术和航海交通的发展,人们的活动范围逐
渐扩大,视野日益开阔,大地的球形观念逐步形成起来。在西方,毕达哥拉 斯学派最早明确指出大地为球形,但大地球形说的真正奠基者乃是古希腊学 者亚里士多得。在我国,早在公元前两千年就出现过大地球形的传说,而第 一个明确主张大地球形的则是东汉时期的张衡(公元 78—139)。他在《浑 天仪图注》中说:“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡中黄??天之包地, 如壳之裹黄。”
但是,只是在经历了十五世纪末和十六世纪初的地理大发现之后,尤其
是环球航行成功之后,大地球形观念才最终得到证明,并从此深入人心。恩 格斯高度评价地理大发现的丰功伟绩,认为这才是真正发现了地球。
从“非球”到“球形”,是人类认识地球形状的一大飞跃。但是,球形
观念只是地球形状的第一个近似观念。十九世纪以来,人们进一步知道了地 球是一个赤道突出、两极扁平的椭球体;近年来,有些人认为地球实际上是 一个“梨状体”。

一、地球的形状及其地理意义


  大地测量中所谓的地球形状,是指一种假想的,用平均海平面来表示 的、平滑的封闭曲面。这个曲面叫做大地水准面。所以,这里所说的地球形 状就是指大地水准面的形状。研究地球的形状,无论是对人类的生产实践, 还是对诸如地球内部状态和结构、天体物理、空间技术等许多方面的科学实 践,都有重要的意义。
  人类很早就掌握了大地球形的简单证据。例如,一个人沿南北方向旅行 时,发现星星在地平线上的高度不断变化,一些星出现了,而另一些星不复
  




可见;驶离海岸的船只,总是船身首先从岸上观察者的视野中消失;月食时,
出现在月球表面的地影总呈圆形;日出前和日落后天空中出现曙暮光;等 等。以后,科学的发展提供了更丰富的证据,人们的认识也随之不断深化。
1671 年,法国天文学家里希尔到今法属圭亚那首府卡宴(52.5°W,5
°N)进行天文观测时,发现由巴黎带来的摆钟每天慢两分半。他调整了摆 长以校准时钟,但回到巴黎后,摆钟每天又快两分半。里希尔指出发生这一 现象的原因可能是地球并非真正的球体。后来,牛顿运用万有引力定律对这 种现象做了解释。牛顿认为,摆钟变慢是由重力加速度变小引起的。而重力 加速度之所以变小,一方面是由于赤道附近的离心加速度增大,另方面则是 地球的赤道部分比较凸出,使那里所受的地心引力减小所致。
  我们知道,当一个长度为 l 的摆的摆动幅度与 l 相比很小时,摆动一次 的时间 T,可由下列公式算出:
  



式中 g 为重力加速度。


T = π l g

  如果摆长不变,时间 T 只可能随重力加速度的改变而改变。这就说明摆 动变慢,是由于重力加速度减小,即赤道上的地表比高纬地区同海拔地表距 地心更远。
现代精密测量的结果告诉我们,通过赤道的地球直径比通过两极的直径
长 42.5 公里。这就证实了地球不是正球体,而是一个两极比较扁平、赤道 部分相对突出的椭球体;通过两极的地球断面是椭圆形而不是正圆形;椭球 体的最大圆周在赤道上,而不在通过两极的椭圆上(图 1-1)。由于地球两 极扁平,那里的地面曲率就比赤道地面曲率小。从图 1-1 中可以看出,两极 附近 5°弧的弧长大于赤道上 5°弧的弧长;相应于前者的圆半径,比相应 于后者的圆半径大。














地球两极扁平的程度称为地球的扁率α,可以用下式计算:
α = a - b a
式中 a 为地球赤道半径,即椭球体半长轴,b 为地球两极半径,即半短轴。





地球半长轴与半短轴的关系如图 1-2。

  测定地球扁率的工作早在十八世纪就已开始。十九世纪以来,不同国家 分别采用了许多种扁率。1924 年,国际大地测量和地球物理协会决议采用海 福得椭球体。我国在 1952 年以前也曾采用过。1940 年克拉索夫斯基提出了 新的数据,并先后为部分欧洲国家所采用。我国自 1953 年开始也采用克拉 索夫斯基的椭球体。人造地球卫星出现后,扁率测量的精度大大提高。1971 年,第 15 届国际大地测量和地球物理协会决议,采用人造地球卫星提供的 最新数据。现将椭球体的有关数据列举如下:
               半长轴(m) 半短轴(m) 扁率 海福得(1924) 6,378,388 6,356,912 1/297.0
克拉索夫斯基(1940) 6,378,245 6,356,863 1/298.3

第 15 届国际大地测量和地球物理 协会(1971)

6,378,160 6,356,755 1/298.25

  在太阳系的九大行星中,地球的扁率是相当小的。木星、土星、天王星 和海王星的扁率都比地球扁率大。很可能冥王星扁率也比地球的大(见表
1-1)。
  虽然椭球体一词比较接近真实地反映了地球的形状,但是椭球体曲面与 大地水准面仍然有一些微小的差异。大地水准面以海平面为基准,在大陆部 分,它因重力减小而上升,在海洋部分又因重力增大而下降。所以,大地水 准面实际上是一个不规则的起伏表面。在南北两半球,椭球体不同程度地偏 离大地水准面,但以两极的偏离幅度最大(图 1-3)。
  人造卫星提供的信息使人们获得了对大地水准面的崭新认识。长期以 来,人们把大洋表面看作一个平缓的、稳定的旋转椭球面。其实地球洋面上 至少各有三个较大的隆起区和凹陷区。前者如澳大利亚东北的洋面、大西洋 的南伊斯兰附近洋面和非洲东南洋面,分别隆起 76、68 和 48 米;后者如印 度半岛以南海面、加勒比海区和加利福尼亚以西海面,分别凹进 112、64 和
56 米。这些凹陷区直径都在 3000—5000 公里间。隆起区和凹陷区的存在使





大洋面发生倾斜,因而成为一个复杂的面。人造卫星测到的地球的沿赤道断
面,也不是正圆形而是卵圆形,其长轴方向的赤道直径比其他方向要长 427 米。
整个地球的形状,从通过两极,垂直于赤道平面的断面来看,呈现梨形。 如图 1-3 所示,这个“梨形体”和标准椭球体相比较,南极凹进 24 米,北 极高出 14 米,从赤道至 60°S 之间





















高出基准面,而自赤道至 45°N 之间又低于基准面。考虑到所有这些起伏相 对于地球的巨大直径来说,毕竟太微小,因此我们仍主张把地球形状视作旋 转椭球体。
地球的形状具有非常重要的地理意义。我们知道,太阳辐射是地球表面
最主要的能量来源,而太阳同地球的平均距离长达 14960×104 公里。这样, 就可把投射到地球表面的太阳光线视为平行光线。当平行光线照射到地球表 面时,不同纬度地区的正午太阳高度角将各不相同。太阳光线与地球赤道面 的相对关系,即一定的黄赤交角,决定了太阳正午高度角有规律地从 23°27
′N 和 S 之间向两极减小(图 1-4)。因此,太阳辐射使地表增暖的程度也
按同样的方向降低,从而造成地球上热量的带状分布和所有与地表热状况相 关的自然现象(如气候、植被和土壤等)的地带性分布。








二、地球的大小及其地理意义


  在人类尚未掌握先进的测量技术和方法以前,“地球究竟有多大”这个 难题是无从解答的。我国古代文献中,从大地方形观念出发,曾有过“东西 五亿有九万七千里,南北亦五亿有九万七千里(《吕氏春秋》)”;“东极 至于西极,二亿三万三千五百里七十步”,“北极至于南极,二亿三万三千 五百里七十步(《淮南子》)和“南北二亿三万一千五百里,东西二亿三万 三千里”(《河图括地象》)等无根据的臆说,过分夸大了地球的规模。《五 藏山经》说“天地之东西二万八千里,南北二万六千里”,又显然偏小。也 是没有根据的。
亚里士多得(公元前 384—322 年)在其著作中曾引用一位数学家的计
算数据,指出地球圆周长为 40 万斯台地亚(stadia)。斯台地亚为古希腊 长度单位,约相当于 0.16 公里,据此换算,则地球圆周长 64000 公里,也 与事实相去甚远。
只有通过测量才能够获得地球大小的准确数据。首次进行这种测量的是
昔兰尼人埃拉托色尼(公元前 284—192 年)。他在担任亚历山大城缪斯学 院图书馆长时,测出亚历山大和塞恩(Syene,在今埃及阿斯旺附近)夏至 日正午太阳高度角相差 7.2°,认为这一角度正是两地间的弧距。他根据两 地的距离计算出地球圆周长为 25 万斯台地亚,非常接近 40000 公里。但是, 亚历山大和塞恩并不在同一经线上,而是有 2°30′经度差。两地的距离当 时系根据商队路线估计的,也并不准确。所以,埃拉托色尼的计算结果与现 代观测结果的近似,只是一种巧合。然而毫无疑问,他的方法是一项重要的 创举。
  公元 723 年,我国唐朝的僧一行(张遂)、南宫说等人分别在 13 个地 方测量当地的地理纬度,测出经线 1°弧长为 350 唐里 80 步,约相当于现在
的 132.3 公里。这一结果显然偏大。 现在,人类对地球大小的测量已经相当准确。1975 年 9 月,国际大地测
量和地球物理联合会第 18 届全会推荐了一批有关地球大小的数据,其中,





地球赤道半径 a 为 6,378,140±5 米,极半径 c 为 6,356,755±5 米,总
面积 5.1×108 平方公里,总体积 10820×108 立方公里,总质量 5.98×1027 克。近年又报道了总体积 10833×108 立方公里,总质量 6.588×1027 克。在 实际运用中,常常把与地球体积相等的正球体半径作为地球的平均半径,即
6,371,110 米。地球的经线周长为 40,008,548 米,赤道周长为 40,076,
604 米。 地球的巨大质量和体积,使它能够吸着周围的气体,保持一个具有一定
质量和厚度的大气圈。地球上的物体至少需有 11.2 公里/秒的速度才能脱离 地球,而大气中气体微粒的运动速度最快也只及上述数字的 1/7。这就保证 了地球的大气不致逸散。而如果地球没有现在这样大和这样重,就不可能有 现在这样的大气圈。因而也没有海洋和河湖,没有风,也没有生物。地表平 均温度将比现在低得多,温度较差将大得多,紫外线辐射将强得多,??总 而言之,我们的地球将呈现完全异样的景象。





第三节 地球的运动


  生活在地球上的人类,不能感觉地球的运动,却能直接看到日月星辰绕 地球旋转,因此,很容易误认为地球是静止不动地居于宇宙的中心,于是地 心说应运而生。亚里士多得最早提出的地心说,经过托勒密(公元 90—168 年)在二世纪中叶加以系统化之后,曾风靡世界达一千五百年之久。
  1510—1516 年间,波兰天文学家哥伯尼(1473—1543 年)完成了六卷 巨著《天体运行论》,首先明确提出“地球是动的”,“行星旋转的中心不 是地球而是太阳”,“地球不是宇宙的中心”,而“是围绕太阳旋转的一颗 普通的行星”,等等,从而建立了日心说。哥伯尼认为,地球绕轴自转发生 昼夜的交替,同时绕太阳公转,导致季节的变化。
通过布鲁诺(1546—1600 年),开普勒(1571—1630 年)、伽利略(1564
—1642 年)和牛顿(1642—1727 年)等许多杰出科学家的努力,日心说逐 步取代了地心说。而 1781 年天王星的发现,1846 和 1930 年海王星和冥王星 的发现,则使日心说在对地心说的斗争中最终取得了彻底的胜利。

一、地球的自转


  太阳系是一个比较稳定的旋转系统。地球在太阳系形成过程中获得的一 定的角动量主要分布在地球的自转、公转和地-月转动系统中。地球的椭球 体形状与离心力的作用有关,而离心力又只在物体旋转时才可能产生,可见 地球是旋转的。科学实验早已证明了地球旋转的事实。
1851 年,傅科在巴黎众神殿上以长度为 200 英尺的一条绳子悬吊一个 60
磅重的铁球,做成摆,并在铁球下装一细针,球摆动时,针可在地面铺的沙 层上划出记号。根据力学定律,摆动物体都力图保持它原有的摆动平面。傅 科在实验中却发现,摆总是逐渐向右偏转,在 49°N 的巴黎,每小时偏 11
°多,每 32 小时偏转一周(360°)。后来的研究表明,在极地摆动平面每
小时偏转 15°,每 24 小时偏转一周。但在赤道上却不发生偏转。既然摆动 平面是固定不变的,这种偏转就只能是视偏转了,它说明不同纬度上的经线 方向在不断变化。地球是自西向东旋转的。在赤道上,经线的切线平行于地 轴,因此它的方向不因地球旋转而变化。在两极,经线的切线与地轴相互垂 直,因此它们的方向每天变化 360°,每小时变化 15°,与地球旋转角速度 相同。摆动平面的视偏转与地球旋转方向相反,即在北半球向右或顺时针, 在南半球向左或逆时针。
  不同纬度上,摆动平面每小时偏转的角度α等于地球每小时自转的速度 与所在纬度正弦的乘积,其公式为:
α=15×sin?
地球绕地轴旋转,称为地球自转。自转一周的时间即自转周期,叫做一





日。但由于观测周期采用的参考点不同,一日的定义也略有差别。如果取春
分点为标准,则春分点连续两次通过同一子午面的时间,叫做一恒星日。如 果取太阳为标准,则地球上同一地点连续两次通过地心与日心的连线所需的 时间,叫做一个太阳日。但是地球不但自转,还绕太阳公转,公转轨道又呈 椭圆形,所以一年中的太阳日并不是等长的。取一年的平均值就得到一个平 均太阳日,即 24 小时。这是地球平均自转 360°59′的时间,其中 59′是 地球公转造成的。所以,它比一个恒星日长 3 分 55.909 秒平均太阳时。
地球自转速度包括线速度和角速度两种。赤道上线速度最大,为
464m/s,到 60°N 和 S 处几乎减少一半,到两极则为零。不同纬度的线速度
L 可用下式表示:
L=464×cos?
自转角速度除两极点外,到处都是每日 360°,每小时 15°。 长期以来,人们认为地球自转速度非常稳定,因此把它作为计算时间的
标准。实际上,地球自转速度并不是永远固定不变的。据推测,在地球形成 的初期,自转周期仅有 4 小时。而现在已经计算出,距今 5×108 年前的寒武 纪晚期,自转周期为 20.8 小时,至泥盆纪增至 21.6 小时,石炭纪 21.8 小 时,三迭纪 22.7 小时,白垩纪 23.5 小时,始新世 23.7 小时,目前为 24 小 时。我们知道,活的珊瑚每天分泌碳酸钙,形成躯壳上的细小日纹。现代珊 瑚每年有 365 条日纹,而五、六亿年前的珊瑚化石每年却有四百多条日纹。 这就说明当时地球自转速度比现在要快得多,即当时的一天要比现在短。
地球自转速度并不是一直变慢,也有以变快为主的阶段,但减慢是主要
趋势,而减慢的原因则是多种多样的。早在二百多年前康德就已指出,月球 和太阳引潮力造成的潮汐从东向西冲击地壳,而地球自转方向为自西向东, 潮汐与地壳摩擦产生的阻滞地球自转的力,将减慢地球自转速度。也有人认 为地球自转速度减慢是太阳活动的影响和地球不断膨胀和增大的结果。但 是,地球自转速度变化的根本原因仍然在地球的内部。地球上比重大的物质 在重力作用下不断向地心集中。据估计每秒钟有 5×104 吨铁从地幔进入地 核,这种运动将使地球自转加快;而火山爆发、岩浆活动等过程使地幔物质 流向地表,当然也会引起自转速度的变化。
除了长期的变化之外,地球自转还有季节变化。每年 3—4 月,地球自
转速度最慢,8 月最快。但季节性日长变化不超过 0.5—0.6 毫秒。自转的季 节性变化可能与地球上纬向风速、洋流和冰雪分布的季节变化有密切关系。 因为它们影响地球质量分布于转动轴线间的距离,因之影响到地球的转动惯 量。当转动惯量增大时,转速将减慢;反之,转速将加快。
  地球绕轴自转这一事实是确定地理坐标的基础,如果没有两个极点,就 几乎不可能建立统一的地理坐标。地球自转的重要的地理意义表现在以下几 方面:
1.地球自转决定了昼夜的更替,并使地表各种过程具有一昼夜的节奏。





地球是不透明的,任何时候,太阳都只能照射地球的一半,使地球表面产生
昼和夜的区别。如果地球只有公转而没有自转,那么昼夜更替的周期将不会 是一日而是一年。在这种情况下,与地表热量平衡相联系的一切过程,包括 气压、气流、蒸发、水汽凝结以及有机界的状况,都将发生和现在全然不同 的变化。比如,巨大的昼夜温差将会引起十分强烈的风暴,过度的炎热和严 寒将会造成生物的死亡,等等。但由于地球有自转,而且既不象金星那样慢, 也不象木星那样快,昼夜更替适中,地表增温和冷却不超过一定的限度,生 物才得以生存,其他许多过程才不朝极端方向发展。
  2.由于地球自转的结果,所有在北半球作水平运动的物体都发生向右偏 转,在南半球则向左偏。假设在北半球任何一点的地平面上有南北线 N—S 和东西线 W—E,有四个物体从这两条线的交点 C 分别向 CN,CW,CS 和 CE 四 个方向运动,由于地球自转的缘故,地平面按反时针方向旋转。因此,经过
一定时间以后,南北线和东西线分别落到了 N1—S1 和 W1—E1 的位置(图 1-
5),而四个物体按惯性规律力图保持其原来的运动速度和方向,从而向右 偏离了位置(图 1-5),而四个物体按惯性规律力图保持其原来的运动速度 和方向,从而向右偏离了地面的基线。

















  这一现象可以用地球自转的线速度来解释。物体自 C 点向北运动,是从 线速度较大的纬度转移到线速度较小的纬度,由于惯性的作用,它必然超越 其出发点 C 的经线;向南运动时,情况正相反,它自线速度较小的纬度转移 到线速度较大的纬度,所以便落后于其出发点的经线,结果仍然是向右偏 转。当物体沿东西方向运动时,实际上是沿纬线的切线方向运动,即仍由高 纬向低纬运动,故运动方向仍将发生偏转。
  科里奥利首先发现地球自转情况下运动物体的偏转力,因此称为科里奥 利力。科里奥利力 D 可用下式表示:
D=2vWsin?
式中 v 为运动物体的速度;w 为地球自转的角速度;?为运动物体所在纬度。 地表某一点的角速度和纬度正弦值的乘积,只影响运动物体的方向,而





不影响其速率;而运动物体的速度却决定着偏转力的大小。当物体静止不
动,即 v 等于零时,偏转力也等于零。科里奥利力对气团、洋流、流水的运 动方向和其他许多自然现象有着明显的影响,例如北半球河流多有冲刷右岸 的倾向,高纬地区河流上浮运的木材也多向右岸集中。
  3.地球自转造成同一时刻、不同经线上具有不同的地方时间。一个地方 正当正午的时候,距它 180°经度的地方却正当午夜。这说明,地球表面每
隔 15°经线,时间即相差 1 小时。人们据此划定了地球的时区。全部经度
360°,分为 24 个时区。以本初经线为中心,包括东西经各 7°30′的范围 为中时区。东西另外各 15°经度为东一区、西一区;如此类推,至东西十二 区,即是以 180°经线为中心的时区。这样,如中时区为正午,东一区为下 午一时,而西一区则为上午十一时,东西十二区正在午夜。午夜是前一日与 后一日的分界。在同一时刻,180°经线以东是前一日的结束,以西却是次 一日的开始。经过国际协议,把 180°经线定为国际日期变更线(局部地方 有所调整)。自西向东越过这条线,即从东半球进入西半球,应把日期减去 一日;自东向西越过这条线,即从西半球进入东半球,则应把日期加上一日
(图 1-6)。

  4.由于月球和太阳的引力,地球体发生弹性变形,在洋面上则表现为潮 汐。而地球自转又使潮汐变为方向与之相反的潮汐波,并反过来对它起阻碍 作用。潮汐摩擦阻力虽然要 40000 年才能使地球的一昼夜延长一秒,但对地 球的长期发展却具有不可忽视的意义。
5.地球的整体自转运动,同它的局部运动,例如地壳运动、海水运动、
大气运动等,都有密切的关系。大陆漂移、地震、潮汐摩擦、洋流等现象都 在不同程度上受到地球自转的影响。
  此外,当地球自转加快时,离心力把海水抛向赤道,可以造成赤道和低 纬区的海面上升,而中高纬度区海面则相应下降。

二、地球的公转

地球按照一定的轨道绕太阳运动,称为公转。地球公转的周期为一年。





“年”的时间也因参考点不同而有差别。地球连续两次通过太阳和另一恒星
的连线与地球轨道的交点所需的时间为 365 日 6 时 9 分 9.5 秒,称为一个恒 星年。而连续两次通过春分点的平均时间为 365 日 5 时 48 分 46 秒,则称为 一个回归年。
地球公转方向也是自西向东。从地球北极高空看来,地球公转和自转都 如图 1-7 所示,呈反时针方向。实际上,围绕太阳旋转的绝大多数行星和几 乎所有的卫星都按同样方向运动。

















  地球轨道是一个椭圆,太阳位于椭圆的两个焦点之一上。椭圆的最长直 径叫长轴,最短直径叫短轴。长短轴之差称为焦点距。1/2 焦点距与半长轴 之比,称为椭圆偏心率。偏心率愈接近于零,椭圆即愈接近圆形。地球轨道 偏心率约为 0.017 或 1/60。
图 1-8 表示地球公转轨道。从图上可以看到,大致 1 月 3 日,地球最接
近太阳,此时的位置称为近日点;大致 7 月 4 日,地球最远离太阳,此时的 位置则称远日点。根据开普勒定律,在单位时间内,地球与太阳的连线在地 球轨道上扫过的面积相等。所以,地球公转速度在近日点最大,在远日点时 最小。















  地球轨道面是在地球轨道上并通过地球中心的一个平面。地轴并不垂直 于这个轨道面,而是与它成 66°33′交角。这就是说,对地球轨道面而言,
  




地轴是倾斜的(图 1-9)。太阳位于

地球轨道面上,从地球上看来,太阳好像终年在这个平面上运动,这就是太 阳的视运动。太阳视运动的路线叫做黄道,黄道所在的面就是黄道面。实际 上,黄道面和地球轨道面是重合的。地轴与地球轨道面约成 66°33′交角, 因而赤道面与黄道面约为 23°27′交角,后者就是黄赤交角。赤道和黄道面 相交的两个点称为春分点和秋分点。地轴的倾斜方向是固定不变的,因此, 太阳光只能直射地球上 23°27′N 和 S 以内的地方。地球绕太阳公转的结 果,使太阳光线直射的范围在 23°27′N 和 S 之间作周期性变动,从而形成 了春夏秋冬四季的更替。
在任何地点,太阳在天空的位置都以当地正午时为最高。太阳光线与地
平面间的夹角称为太阳高度角。当太阳位于春分点和秋分点时,光线与地轴 垂直。如图 1-10 所示,赤道上任一地点 B 的正午太阳高度角都是 90°。因
为 X 角等于 X′角,所以赤道以北 A 点的太阳高度角 50°等于 90°-X,即是
太阳光线与地平面南向的夹角。赤道以南 C 点的太阳高度角 34°,则是太阳 光线与地平面北向的夹角。















  春分(3 月 20 或 21 日)和秋分(9 月 22 或 23 日),太阳位于春分点 和秋分点。由于阳光直射赤道,阳光的照射圈,即昼夜分界的晨昏圈,正好 切过两极,而且所有纬线圈都被晨昏圈等分为二,因此南北半球各纬度上的 白昼和夜晚长度都是 12 小时。
  




冬至(12 月 22 或 23 日)和夏至(6 月 21 或 22 日)的情况却有所不同。
图 1-11 中的箭头表示太阳光线,A 角为 53°N 的正午太阳高度角。冬至日, 太阳直射 23°27′S 线(即南回归线),切

















过南极圈(66°33′S),南极圈内整日处于晨昏圈的向太阳一侧,而北极 圈内却处于晨昏圈的背太阳一侧,因而产生了如下的结果:第一,北半球夜 晚比白昼长,南半球相反;愈向两极,昼夜长度悬殊愈大。第二,在赤道两 侧的相应纬度上,昼夜相对长度恰好相反。第三,北极圈内夜长 24 小时, 南极圈内昼长 24 小时。而在南极,太阳整日位于地面以上 23°27′。
夏至日情况恰好与冬至日相反,太阳直射 23°27′N 线(即北回归线),
切过北极圈(66°33′N)。北极圈内整日都在晨昏线的向太阳一侧,昼长
达 24 小时;南极圈内却在背太阳一侧,夜长 24 小时;南半球夜晚比白昼长, 北半球相反。赤道两侧的相应纬度上,昼夜相对长度也恰好相反。
黄道全圈分为 360°,以春分点为起点计算,二分点与二至点与相邻点
的角距都是 90°。西方国家的天文学以春分到夏至为春季,夏至到秋分为夏 季,秋分到冬至为秋季,冬至到春分为冬季。我国还将黄道全圈按 15°划分, 得到 24 个间距,称为二十四节气。

三、岁差、章动和极移


  月球和太阳对地球引力产生的力矩,使地球赤道面向黄道面趋近。由于 地球不断自转,按照陀螺运动原理,自转轴必然绕着黄道轴旋进,而黄赤交 角保持不变。当地球自转轴旋进时,春分点西移,故地球自转不到一周即可 两次经过春分点。这就是岁差。春分点每年西移 50″2564。由此可知,地球 自转轴旋进周期约为 25700 年,也就是说,它每 25700 年描绘出一个圆锥形
(图 1-12)。






  但是,月球、太阳与地球的相对位置是不断变动的,因而引力方向也是 不断变化的。太阳每年两次,月球则每月两次通过地球赤道面,这就在地轴 旋进的平均位置上附加了一个短周期的摆动,使地球自转轴在空间扫过的轨 迹成为荷叶边形的锥面,而不是一般的圆锥面。天文学把附加在圆上的这种 短周期摆动叫做章动。摆动的最大振幅只有 9″206,其主要部分的周期为
18.6 年。
  地球的形状轴(对称轴)和自转轴并不重合,而形状轴和地面的交点才 是真正的地极。自转轴以 425—440 天的周期绕形状轴旋转,产生振幅约 0.
″1—0.″2 的摇摆运动。从真正的地极看来,地球自转轴大约在 3 米距离处,
每 14 个月绕这个点旋转一周。而由于地球质量分布不均匀,真正的极点位 置常常发生变化,因此自转轴又将围绕新极点旋转。这种现象就是极移。实 际上也就是地球的自由章动,或者按发现者的名字,称为钱德勒章动。据近 年研究,世界上的大地震和极移轨道的突然转折在时间上是相关的。所以, 地震很可能是造成这种摆动的重要因素。此外,大气扰动也可能有一定影
响。





第四节 地理坐标

一、纬线与纬度


  地球南北极的连线是地球自转的轴线,即地轴。地轴的中点叫地心。通 过地心并和地轴垂直的平面与地表相交而成的圆,就是赤道。赤道把地球分 为北半球和南半球。所有与地轴相垂直的面,都和地表相交而成圆,就是纬 线。很明显,所有纬线都是相互平行的。赤道是最大的纬圈,由此向北或向 南,纬圈的半径都有规律地减小。按下列公式很容易求出不同纬度上经度 1
°的弧长 L:


式中?为当地纬度。

L=111.2×cos?(km)

表 1-3 为不同纬度上经纬线各 1°的长度和面积。

表 1-3 经纬线每 1°的长度和面积
纬度 纬度 1 °长( m ) 经度 1 °长( m ) 经纬 1 °面积( km2 )

90 111 , 700.0
80 111 , 665.8
70 111 , 657.5
60 111 , 417.1
50 111 , 233.0
40 111 , 037.8
30 110 , 854.8
20 110 , 706.0
10 110 , 609.0
0 110 , 575.4

00.0
9 , 934.5
38.118.5
55 , 802.8
71 , 699.2
85 , 397.7
96 , 490.4
104 , 651.4
109 , 634.7
111 , 323.9

54.44
2 , 165.68
4 , 260.54
6 , 217.30
7 , 795.21
9 , 482.20
10 , 696.29
11 , 585.39
12 , 127.43
12 , 309.54



一地的纬度就是该地铅垂线对赤道面的夹角。赤道的纬度为零度,由赤
道向两极,各分为 90°,北半球的称北纬,南半球的称南纬。但是,上述位 于地心的夹角是不可能直接测量的,必须利用仪器进行间接测量。
  为了弄清这种间接测量的理论依据,首先应了解关于天球的概念。从地 球看来,那些极其遥远的天体似乎是嵌在一个很大的球体之上,这个假想的 球体叫做天球。延长地轴线与天球相交的两点,就是天极。因为天球与地球 的距离是无穷大的,所以,地球上的所有平行线都将在天球上相交。也就是 说,地球表面任何一点与天极的连线都和地轴平行,而这条线与地平面的夹 角,就等于该地铅垂线对赤道面的夹角,即该地的纬度。例如天北极位于地 球北极的正上空,地球北极的纬度为 90°。赤道上与地轴平行的直线在天北 极与地轴相交,但此线和地平面的夹角为零度,故赤道上的纬度为零度。在
  




实际测量时,在北半球通常是以接近天北极方向的恒星——北极星的平均位
置作为天极,测出其高度角,就是各地的地理纬度。

二、经线与经度


所有通过地轴的平面,都和地球表面相交而成为圆,这就是经线圈。每 个经线圈都包含两条相差 180°的经线,一条经线则只是一个半圆弧。所有 经线都在两极交会,所以经线都是呈南北方向,长度也彼此相等。由经线和 纬线构成的经纬网(图 1-13),是地理坐标的基础。



















  最初,经线的起始线是不统一的。1884 年经过国际协议,确定以穿过伦 敦当时的格林威治天文台的经线为本初经线,或称本初子午线。本初经线是 经度的零度线。由此向东和向西,各分 180°,称为东经和西经。东经和西
经 180°,是重合的,通常就把它叫做 180°经线。由此可知,某一地点的
经度,就是该地所在经线与本初经线之间的角距,亦即这两个经线平面在地 轴上的夹角。经度是沿着纬线计算的。
在实际工作中往往凭借无线电信号来决定某个地方的经度。世界上许多
电台每天多次报告格林威治时间或电台所在时区的时间。根据测点的地方时 间与格林威治时间或另一已知位置的地方时间的差值,即可求出两者的经度 差和该地点本身的经度。





第五节 地球的圈层构造

一、地球的圈层分化


  地球上的一切元素都来源于恒星的演化。数十亿年前,刚从太阳星云中 分化出来的原始地球是一个接近均质的物体。其中主要由碳、氧、镁、硅、 铁、镍等元素组成的各种物质没有明显的分层现象。地球圈层的分化过程同 整个地球的温度变化过程有密切的关系。放射性元素的辐射能量在地球内部 的积累,使那里的温度逐渐升高,因而物质具有可塑性,加以重力的作用, 物质便发生分异,逐渐形成性质不同的圈层。
  原始地球的铁元素,因为温度超过了它的熔点而以液态出现。液态铁由 于密度大而流入地心,首先形成地核。重物质向地心集中的同时发生压缩。 压缩功转变为能量又使地球局部增温和熔化。而物质的对流还伴随着大规模 的化学分离。最后,地球内部就分化为地核,地幔和地壳三个圈。在上述分 化过程中,地球内部产生的气体经过“脱气”形成了地球最外圈的大气圈。 地球形成之初,其原始大气主要是由二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨组成的。 绿色植物出现以后,植物在光合作用中放出的游离氧对原始大气发生缓慢的 氧化作用,使一氧化碳变为二氧化碳,甲烷变为水汽和二氧化碳,氨变为水 汽和氮。光合作用持续进行,氧气又从二氧化碳中逐渐分离出来,最终形成 了以氮和氧为主要成分的现代大气。
地球上的水主要是从大气中分化出来的。早期大气含有大量水汽。由于
温度逐渐降低以及大气中含有大量尘埃微粒,一部分水汽便凝结成液态水降 落到地面,然后汇聚在洼地中,形成原始水圈。后来,由于水量增加和地表 形态变化,原始水圈逐渐演变成为今天的海洋和河湖沼泽。
在原始的地壳、大气圈和水圈中,早就存在着碳氢化合物。后来,原始
生物出现了。它们逐渐扩展到陆地和低层大气中,形成了生物圈。 根据地球物理学、地球化学和其他地球科学的研究,现在已经获得了大
量有关地球构造的知识。地球从外部边缘到地心的圈层构造,如下表所示:
表 1-4 地球的圈层





层次 厚度( km ) 体积(× 平均密度( g
1027cm3 ) / cm2 ) 质量(× 127g ) 质量(%) 大气圈
水圈 3.80
生物圈*
地壳 35
地幔 2865
地核 3471
全部地球 6371

0.00137 1.03


0.015 2.8
0.892 4.5
0.175 10.7
1.083 5.52 0.000005 0.00009
0.00141 0.024


0.043 0.7
4.054 67.8
1.876 31.5
5.976 100.0



*生物圈质量很小,并渗透于水圈、大气圈等圈层中。

二、地球的内部构造


  根据对地震波在地下不同深度传播速度的分布的研究,地球固体地表以 内的构造可以分为三层,即地壳,地幔和地核。
(一)地壳
  地壳是指地表至莫霍洛维奇面之间厚度极不一致的岩石圈的一部分。地 壳下部,地震波的传播发生突变,说明那里存在着一个界面。南斯拉夫的莫 霍洛维奇首先发现这个分界面,所以现在通称莫霍洛维奇面或 M 界面。大陆 的地壳平均厚度为 35km,但变化很大。我国青藏高原的地壳厚度达 65km 以 上。大陆地壳最表层为风化壳,其余则自上而下分为沉积岩层、硅铝层和硅 镁层。沉积岩层是不连续的,其厚度一般约 4—5 公里,少数地方可达 10 公 里。硅铝层化学成分主要是硅和铝,岩石组成主要为花岗岩和花岗闪长岩。 硅镁层化学成分主要是硅和镁,由玄武岩质的岩石构成。海洋下的地壳厚度
约 5—8 公里,上部为疏松沉积物,中部为固结沉积物和玄武岩,下部为硅
镁层。
(二)地幔
  莫霍洛维奇面以下,深度为 35—2900km 的圈层,就是地幔。地幔分上 下两层。上地幔深度 35—1000 公里,主要由橄榄岩质的超基性岩石组成。 这层岩石比较软,为岩浆的源地,也称为软流圈。下地幔深度 1000—2900km, 可能比上地幔含有更多的铁。由上地幔到下地幔,密度由 3.31 克/厘米 3 增
加到 5.62 克/厘米 3。
(三)地核
  地核分为两层,地表以下 2900—4980 公里,叫外地核,据推测可能是 液体。4980—5120 公里深处,是内外两层的过渡带。而由 5120 公里直到地 心则为内地核,可能是固体。地核主要由铁、镍组成,可能还包含少量的硅、
  




硫等轻元素。外层密度约为 9.5 克/厘米 3,至地心增加到 13 克/厘米 3(图
1-14)。


三、地球的外部构造

地球的外部构造是指地球大气圈,水圈和生物圈。
(一)大气圈 地球大气的主要成分为氮(78%)和氧(21%),其次为氩(0.93%)、
二氧化碳(0.03%)和水蒸汽等。此外还有微量的氖、氦、氪、氙、臭氧、
氡、氨和氢。地球大气富含氧气是生命活动的结果,而它对于生命的进一步 发展有着重要的意义。太阳系其他行星的大气与地球大气相比较,成分有很 大差别。水星大气相当稀薄,表面大气压小于 2×10-9 毫巴,主要成分为氦、 氢、氧、碳、氩、氖、氙等。金星大气非常稠密,密度为地球大气的 100 倍, 其中 97%为二氧化碳,氮不超过 2%,水蒸汽为 1%,氧小于 0.1%。火星 大气比较洁净,主要为二氧化碳,并含有 3%的氦,1.5%的氩,密度则只有 地球大气密度的 1/100。
(二)生物圈
  地球生物圈渗透在水圈、大气圈下层和地壳表层的范围之中。生物圈的 质量很小,有人估计约相当于大气圈的 1/300,水圈的 1/7000,或上部岩石 圈的 1/1,000,000。但是,生物圈对于改变地球的地理环境却起着重要的 作用。生物所生产的物质是人类的重要财富。生物富集的化学元素主要是 H、 O、C、N、Ca、K、Si、Mg、P、S、Al 等。有机界和无机界在地表的相互作用
还形成一个独特的土壤层。
(三)水圈 水圈主要由海水构成,陆地上的湖、河、沼泽水和地下水也是水圈的组
成部分。海水的主要成分是 O 和 H,此外还郁 Cl,Na、Mg、S、Ca、K、C、B 等。水与大气及地表岩石中的各种物质相互作用,产生各种沉积物、矿物及
自然地理学的下一页
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