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1、第二章,地球和月球,2.1 地球的形状和大小,地球是球形的,站得高望得远。南方和北方的居民所见星空不同。月食时地球投影到月球上的影子的边缘是圆弧。人们可以实现环绕地球的旅行从人造卫星上拍摄的照片更直接显示地球是球形的。,现在地球的测量结果,半长轴 a=6378.140km半短轴 b=6356.755km扁率 (a-b)/a=1/298.257平均半径 6371km质量 3.976*1014kg,地球赤道得扁率仅为十万分之一，通常视为圆,宇宙速度,第一宇宙速度，又称环绕速度，这是从地面上发射一颗人造卫星，使之环绕地球运行的最小速度，7.9km/s。第二宇宙速度，又称逃逸速度或脱离速度，是从地面上
2、发射一个人造天体，使之沿抛物线轨道运动，以至人造天体脱离地球引力场到无穷远处所需的最小速度，11.2km/s。第三宇宙速度，是从地面发射一颗人造天体，使之能脱离太阳引力场而飞出太阳系所需的最小速度，16.9km/s。,2.2地球的运动,一、地球的公转,1月3日前后过近日点，速度30.3km/s7月4日左右过远日点，速度29.8km/s公转平均速度29.8km/s轨道半长径：天文单位，1.496*108km公转周期：一恒星年=365.25636天,二、地球的自转,1、地球的自转现象,落体偏东,地球自转的线速度随地心距增大而增加，高的物体向东的线速度较大，因而它的落点比原来的方位要稍稍偏东一些。,
3、轨道偏移,科里奥利力,傅科摆,为了证明地球在自转，法国物理学家傅科（18191868）于1851年做了一次成功的摆动实验，傅科摆由此而得名。 在傅科摆实验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。,2、地球自转的变化,地球自转的实质,天体绕其质心的作“定点转动”。可分解为地球绕瞬时自转轴的转动和通过质心的瞬时自转轴相对于质心的摆动。,http:/www.windows.ucar.edu/,地球自转的变化,方向：空间变化：岁差章动本体内的变化：极移（欧拉周期、Chandler周期）速率：长期减慢，表现为日长逐渐变长（0s.0018/世纪），导致世界时的不均匀性,三、
4、岁差章动,地球：旋转着的巨型“陀螺”。地球赤道隆起受到附加吸引，使地球赤道面有与黄道面重合的趋势。同时地球自转的惯性是赤道面和黄道面的夹角不会改变，却使地球产生运动，及地轴的进动。进动的方向和地球自转的方向相反，速度为50“.37/年，周期为25800年。,ecliptic,equator,Mean(secular) part:Precession,2.3 月球概况,View of two U.S. spacecraft on the surface of the moonDescription:View of two U.S. spacecraft on the surface of the
5、 moon, taken during the second Apollo 12 extravehicular activity (EVA-2). The Apollo 12 Lunar Module is in the background. The unmanned Surveyor III spacecraft is in the foreground.,NASA GOV,一、地月的距离,1、地月距离的近代测量,激光测月，精度达厘米级。现在国际上采用的月地距离平均值是384401km。月球在椭圆轨道上过近地点的距离356410km，过远地点的距离是406700km。,二、月球的大小和质量
6、,1、半径和大小,2、质量和密度,历史上月球质量的测定：根据月地的质量比来求得的(月地质量比1:81.30)；月球质量的测定：测定探测器绕月的周期和轨道半长径，利用开普勒第三定律精确求得。现在月球质量的采用值为7.35*1022kg。月球的平均密度为3340kg/m3。,3、表面的重力加速度,2.3 月球的表面和内部结构,一、月面地形,The Moon as imaged with an 203 mm f/7 newtonian and a Nikon CoolPix 4500 with afocal projection through a 40 mm Kellner on November
7、 19, 2002.,http:/www.unm.edu/abqtom/observing_the_moon.htm,月球表面的两种主要地形(terrain),Maria (singular: mare):月球表面地势低洼、较暗（反照率低）的平坦区域，环形山较少，主要分布在月球的正面（朝地球的一面）。地质年龄较年轻。Lunar highland (terra, pl. terrae):地势较高（高出月海2-3km）、比较明亮（反照率高）的区域，有不少连绵不绝的陡峭山脉和无数的环形山，主要分布在月球的背面。地质年龄比较老。,1、环形山（lunar crater）,成因：陨星在月球表面发生剧烈碰撞
8、，高速运动的陨星物质迅速蒸发，引起高热气体的爆炸，这种爆炸造成物质在陨击坑四周堆积，并向四面八方抛射。命名：多以哲学家和科学家的名字命名。其中四个以中国古代天文学家命名，石申、张衡、祖冲之和郭守敬，还有一个以明代火箭专家的官衔万户命名。环形山（月坑）的形状：中间凹陷，四周高耸成为原环状的山峦，内壁陡峭，坡度很大，外侧相当平缓。大环形山底部相当平坦，有的中央还突耸尖锥状的山峰或山峰群。环形山多在靠近地球的一面。,Oblique view of the lunar far side as photographed by the crew of Apollo 11. The large crater
9、 at center is IAU crater #308 (179 E, 5.5 S) with a diameter of about 80 kilometers. The rugged terrain visible here is typical of the lunar far side.,2、月海（mare, pl. maria）,形态：大多数呈圆形或卵形(oval)，四周被山脉所封闭，但也有一些还彼此相连，形成一片。较小的月海成为“湖”，有些月海伸向陆地称为“湾”或“沼”。,The smooth dark areas on the Moons surface are called
10、 maria (plural for mare; Latin for seas). These volcanic plains are made up of a rock type known as basalt, similar in composition to the rocks found in Hawaii. They cover 17% of the surface area of the Moon. The maria contain physical features such as pits and channels, but lack large volcanos.This
11、 image was taken by one of NASAs Lunar Orbiters in 1967 http:/solarsystem.nasa.gov/multimedia/display.cfm?IM_ID=800,3、月陆、山脉和峭壁,月面上高出月海的区域称为月陆，一般比月海高2-3km。因反照率高，所以看上去比较明亮。在月球正面月陆和月海大致相当，但在月球背面，月陆的面积大得多。月球山脉大多围绕月海，成为广阔月海盆地的“环形山边”（rim），并具有两边坡度不对称性：向海的一面坡度大，而另一侧相当平缓。月面上海有长达数百公里的峭壁，共4座，其中3座在月海中，这种峭壁又称为“月
12、堑”。,4、月面辐射条纹（lunar rays）,月面上从某些环形山出发向四周辐射的明亮条纹。这些条纹几乎笔直地穿过山脉、月海和环形山向外延伸。成因：没有定论，比较流行的说法是陨星撞击月面时无数碎块向四面八方溅射，在没有大气的月球上抛洒很远而形成。,5、月谷,月球表面由一系列断层构成的长形的断陷谷地。长度从几百到上千公里，宽度从几千米到几十千米。,Plato and the lunar Alps, photographed by Alan Friedman of Buffalo, New York.http:/science.nasa.gov/headlines/y2006/08feb_lun
13、aralps.htm,二、月面的物理状况,大气和水磁场温度月面活动,三、月球的内部结构,月震探测：强度和频数远小于地球内部结构壳：正面平均厚度约65km，背面在100km左右，有密度较低的硅酸盐组成；幔：固态的上月幔和塑性的下月幔；核：可能由铁、镍、硫组成，估计呈固态；,2.4 月球的运动,一、轨道运动,1、公转运动中的不同周期,朔望月(S)：连续两次朔或望的时间间隔，平均长度为29.530588日。恒星月(T)：月球相对于天球上的恒星背景绕行一周的时间间隔，即以恒星背景为基准，平均长度为27.321661日。交点月：月球连续两次经过月球轨道升交点的时间间隔，周期为27.21222日。近点月：
14、月球连续两次经过近地点的时间间隔，即取近地点为基准，周期为27.55455日。分点月：又称“回归月”，月球黄经连续两次等于00的时间间隔，即以春分点为基准，周期为27.32158日。,朔望月、恒星月和地球公转周期间的关系,二、月相和月龄(Phase and age of the Moon),1、月相(phase of the Moon),朔(new moon)：月球的黄经和太阳的黄经相等。峨嵋月(Waxing Crescent Moon )上弦(first quarter moon)：月球对太阳的黄经大90度凸月(Waxing Gibbous Moon )望（full moon）：月球与太阳的
15、黄经相差180度凸月(Waning Gibbous Moon )下弦(last quarter moon)：月球和太阳的黄经相差270度残月(Waning Crescent Moon),月龄,月龄是对月相的定量描述，从朔日起算到各月相所经历的时间，以日为单位。,三、月球的自转,1、卡西尼定则,月球绕轴均匀自转，自转周期与其绕地球的公转周期相等。月球赤道面对于黄道面的倾角I为一常数，其值I=103232.7=5552.7。月球赤道面、黄道面和白道面三者交于同一直线，且月球赤道对于黄道的升交点与白道对于黄道的降交点重合（即黄道面位于月球赤道面和白道面之间）。,2.5 日食和月食,Solar ecl
16、ipse and Lunar eclipse,一、交食现象,Lunar Eclipses,The partial phases and totality during a 1982 lunar eclipse.http:/,This photo is centered on Earths umbral shadow(本影). It shows the various stages of the eclipse and the Moons relative position with respect to the umbra during the three and a half hours o
17、f the eclipse. http:/,Solar Eclipses,Total Solar Eclipse,Diamond Ring Effect,Baileys Beads,1984年5月30日日环食时见到的倍利珠现象，该日环食已经接近全食。 英国天文学家倍利(Berrie)于1838年和1842年首先描述并研究了这种现象，所以称为倍利珠。,1997年漠河日全食上世纪最后一次日全食,Solar Corona During Eclipse,二、交食的原理,1、日食的原理,日食发生的条件,日食是地球局部地区被月影所遮掩而造成的。发生条件：朔日(月=日),且月球和太阳位于黄道与白道的交点附近
18、(月 日)。全球范围内的日全食约每18个月出现一次。但是，在同一地点日全食约360年才出现一次。,Shadows and Eclipses,A:本影区(umbra) ,发生日全食 (total solar eclipse)B, C:半影(penumbra),发生日偏食(partial solar eclipse)D:伪本影(antumbra),发生日环食(annual solar eclipse),日全食,月球的角直径和太阳的角直径非常接近，约0.50。日全食(total solar eclipse): 月日太阳完全被月球挡住只有月球本影里的人才能看到日偏食(partial solar ecl
19、ipse): 太阳部分被月球挡住在半影里的人可以看到日环食(annular eclipse ): 月日一环绕在月球阴影周围的亮环 当月球靠近近地点时，月球的本影不能到达地球，在伪本影区的人可以看到日全环食(hybrid eclipse): 月=日在地表极少地方可以看到日全食，而在它前后的食带内只能看到日环食，半影区仍是偏食。地球表面与月球本影尖端非常接近，或月球与地球表面的距离和月本影的长度很接近,日全环食非常罕见,每世纪约出现6次,Solar eclipses,Eclipse Paths for Total Solar Eclipses, 1997-2020,2、月食的原理,产生的条件,发生
20、在望日(月-日=1800),且月 日地球的直径大约是月球的4倍，所以在月球轨道处、地球本影的直径仍相当于月球直径的2.5倍左右，所以绝不会出现“月环食”。,3、交食的过程,日食总是从太阳的西边缘，即右半边开始；月食是月球追上地球本影所致，因此与日食相反，开始于月面的东部边缘，即左半边。,对日食而言，指太阳和月球的视圆面；对月食而言，指地球影锥和月球视圆面。,全食的过程,初亏：两交食天体视圆面边缘刚刚外切的瞬间；食既：初亏之后被食天体的可见视圆面渐渐变小，当两交食天体视圆面边缘刚内切的瞬间称为食既，是全食的开始瞬间；食甚：两交食天体的视圆面中心距离最近的瞬间；生光：两交食天体的视圆面边缘又一次内
21、切的瞬间，生光意味着全食的结束；复圆：两交食天体的视圆面第二次外切的瞬间，标志着一次交食过程全部结束。,偏食的过程,初亏食甚复圆,与全食的不同：没有食既和生光两个过程,4、交食时间和食分,交食时间,日全食的时间一般只有几分钟，由天体力学理论计算出的极限时间为7分31秒，而每次的实际观测时间通常不过二、三分钟。月全食（从食既到生光）的时间一般可达一、二小时。至于从初亏到复圆的全过程，更长达3小时以上。,食分(eclipse factor),三、交食的周期和规律,交食的规律性,交食周期是指原先相继出现的日月交食又一次相继出现的时间间隔 沙罗周期：古巴比伦人发现的，一次日食或月食在经历了6585.3
22、2天以后，必然会发生另外一次很类似的交食。三统历周期：中国汉代太初历中记载了交食的周期为135个朔望月，各次发生的交食情况各不相同，这与沙罗周期律有所不同。纽康周期：纽康从天体力学的理论出发总结出来的，358个朔望月。,2.6月球的起源和演化,月球的起源,分裂说(the daughter or fission theory)俘获说(the capture theory)同源说(the sister or coformation theory )撞击说(the impact theory),The giant impact theory best explains why the Moon is
23、 very much like the Earths mantel and contains very little nickel/iron.The creation and evolution of the Earth and Moon are closely related,月球的演化,前雨海纪(距今4642亿年)雨海纪（距今4239亿年）风暴洋纪（距今3931亿年）爱托拉逊纪（距今318亿年）哥白尼纪（8亿年前至今）,Paintings of the Moon (a) about 4 billion years ago, after much of the meteoritic bomb
24、ardment had subsided and the surface had somewhat solidified; (b) about 3 billion years ago, after molten lava had made its way up through surface fissures to fill the low-lying impact basins and create the smooth maria; and (c) today, with much of the originally smooth maria now heavily pitted with craters formed at various times within the past 3 billion years.,
