【高分复习笔记】刘本培《地球科学导论》笔记和课后习题详解

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内容简介

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第0章绪论

0.1复习笔记

0,2课后习题详解

第1章宇宙中的行星地球

1.1复习笔记

1.1课后习题详解

第2章宇宙、地球的起源与演化

2.1复习笔记

2.2课后习题详解

第3章地球的物理性质和圈层结构

3.1复习笔记

3,1课后习题详解

第4章地球及各圈层的物质组成

41复习笔记

4.2课后习题详解

第5章岩石圈板块运动与地质作用

5.1复习笔记

5,2课后习题详解

第6章大气圈

6.1复习笔记

6.2课后习题详解

第7章水圈

7.1复习笔记

7.2课后习题详解

第8章地表形态

8.1复习笔记

8,2课后习题详解

第9章土壤圈

9.1复习笔记

9.2课后习题详解

第10章生物圈

10.1复习笔记

10.2课后习题详解

第11章地球环境及其变迁

11.1复习笔记

11,2课后习题详解

第12章自然资源及其利用

12.1复习笔记

12.2课后习题详解

第13章自然灾害与减灾对策

13.1复习笔记

13.2课后习题详解

第0章绪论

0.1复习笔记

一、地球科学的研究对象、内容和任务

1.研究对象

地球科学以整体的地球作为研究对象，即地球系统，包括由固体地圈（包括岩石圈、

地幔和地核）、大气圈、水圈和生物圈（包括人类本身）组成的开放的复杂巨系统。

2.研究内容

研究地球表层的地理环境及其发展演变规律，地球的物质成分、内部结构、外部特征、

各圈层间的相互作用和演变历史，具有很高的综合性。

3.研究任务

地球科学的根本任务，是正确认识地球系统的基本特征和自身发展规律，合理地开发

利用自然资源，保护和改善生存环境，有效防治自然灾害，协调人与自然的关系，为人类

社会的可持续发展服务。

4.地球系统科学

地球系统科学反映了更高层次的学科间大跨度交叉渗透特征，是当代地球科学进入一

个重大转折时期的标志。地球系统科学的基本观点包括：

（1）地球系统科学强调地球的整体概念。

（2）地球系统科学是可持续发展战略的科学基础。

二、地球科学的特点和研究方法

1-特点

（1）地球科学具有全球性特征，许多自然现象和过程都不受国界的限制。

（2）地球系统内各种地学过程发生的时间尺度和空间尺度具有极大的差别。

2.研究方法

（1）地球科学的全球性特征决定了人们必须采用全球范围调查研究和观察测试方法。

（2）由于大量基础资料的积累，地球科学的研究已经从以往的定性静态描述，转向

以过程为目标的精确定量的动力学研究。

三、地球科学与人类社会可持续发展

1.人口爆炸

21世纪人口的激增必然导致人类更多地向地球索取各种资源。地球科学应该在对地

球负担人口数量极限及其可能发生的后果作出科学的预测。

2.资源短缺

资源短缺在目前仍然是制约发展中国家经济发展的重要因素，从长远来看也是全人类

将要面临的普遍问题。我国是资源短缺的国家。在保障资源、能源供给方面不能仿效依赖

进口的发达国家，需要开展大量的地球科学研究工作。

3.环境保护

20世纪以来，科学技术突飞猛进的发展，地球的面貌发生巨大改变，环境问题突出,

加强地球表层的全球变化趋势研究与预测，已成为地球系统科学的研究重点。

4.自然灾害

所有自然灾害的起因都与地球不同圈层之间的相互作用有关，只有通过地球科学的深

入研究才能查明致灾原因、成灾机理和找出防治灾害的有效措施。

0.2课后习题详解

1.地球科学研究对象、内容和任务是什么？为什么要强调地球的整体系统观点？

答：（1）研究对象

地球科学以整体的地球作为研究对象，包括自地心至地球外层空间十分广阔的范围，

是由固体地圈（包括岩石圈、地幔和地核）、大气圈、水圈和生物圈（包括人类本身）组

成的一个开放的复杂巨系统，即地球系统。

（2）研究内容

研究地球表层的地理环境及其发展演变规律，地球的物质成分、内部结构、外部特征、

各圈层间的相互作用和演变历史，具有很高的综合性。

（3）研究任务

地球科学的根本任务，是正确认识地球系统的基本特征和自身发展规律，合理地开发

利用自然资源，保护和改善生存环境，有效防治自然灾害，协调人与自然的关系，为人类

社会的可持续发展服务。

（4）强调地球的整体系统观点的原因

①地球的整体系统观点

a.地球系统科学强调地球的整体概念，将大气圈、水圈、岩石圈和生物圈看成是具

有有机联系的“地球系统”，把太阳和地心作为两个主要的自然驱动器，人类活动作为第三

促动因素。

b.发生在地球系统中的重大全球变化是在上述三个力的作用下，通过物理、化学、

生物过程相互作用的结果。因此，地球系统科学同样反映了更高层次的学科间大跨度交叉

渗透特征，是当代地球科学进入一个重大转折时期的标志。

②强调地球的整体系统观点的原因

a.地球系统科学是可持续发展战略的科学基础，从而要求其能更深入精确地研究和

提供地球系统各组成部分自身的规律性知识。

b.人类已经认识到自然灾害不仅是地球大气圈内的物质运动因素所引起，很可能与

海一气耦合作用引起的物质一能量交换作用，固体地球的地幔放热以及地球自转速率变化

等因素都有关系。所以要强调地球的整体系统观点以进行综合研究。

2.地球科学的研究方法有什么特点？

答：地球科学研究方法的特点

（1）全球性

地球科学的全球性特征决定了人们必须采用全球范围调查研究和观察测试方法。随着

科学技术的进步，人们对地球的研究范围，已经能从隧道扫描显微镜和离子探针的原子尺

度到全球地震台网和轨道卫星所提供的数据得出的全球图像。

（2）数据处理和计算方法的变革

由于大量基础资料的积累，其研究方法正在经历着数据处理和计算方法的革命。大型

计算机工具的应用以及地球科学各种信息系统和数据库的建立，已经使地球科学从以往的

定性静态描述，转向以过程为目标的精确定量的动力学研究。这些数据信息系统的建立和

使用，将为揭示全球变化的形成机理，洞察重要的地球系统过程本质和预测未来全球变化

趋势发挥重要的作用。

3.怎样估计人-地关系面临的现状？地球科学对此有何作为？

答：（1）人-地关系面临的现状有以下几个方面：

①人口爆炸

人口爆炸是当代人类社会必须面对的沉重负担。21世纪人口的激增必然导致人类更

多地向地球索取。

②资源短缺

资源短缺在目前仍然是制约发展中国家经济发展的重要因素，从长远来看也是全人类

将要面临的普遍问题。

③环境保护

20世纪以来科学技术突飞猛进的发展，使得人们能以巨大力量来燃烧、砍伐、挖掘、

移动、改变各种各样的物质，改变着地球的面貌。

④自然灾害

无论是突发性的地震、洪涝、风暴、海啸、泥石流，还是持续的干旱、地方病、地面

沉降等，都给人类带来灾难和重大经济损失。

（2）地球科学的作为

①在人口爆炸方面

在对地球负担人口数量极限及其可能发生的后果作出科学的预测中，地球科学应该作

出自己的贡献。

②资源短缺方面

我国是资源短缺的国家。在保障资源、能源供给方面不能仿效依赖进口的发达国家，

需要开展大量的地球科学研究工作。

③环境保护方面

加强地球表层的全球变化趋势研究与预测，已成为地球系统科学的研究重点。

④自然灾害方面

所有自然灾害的起因又都与地球不同圈层之间的相互作用有关,只有通过地球科学的

深入研究才能查明致灾原因、成灾机理和找出防治灾害的有效措施。

第1章宇宙中的行星地球

1.1复习笔记

一、太阳系

1.太阳系结构

(1)太阳系定义

太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系

统。

(2)太阳系基本组成单位

①太阳

太阳是太阳系的中心天体，其质量占太阳系总质量的99.865%。太阳的引力控制了

整个太阳系，使其他天体绕太阳公转。整个太阳系中，只有太阳有热核能源辐射;其他天

体主要以反射太阳光发亮。

②行星

a.类地行星

类地行星包括水星、金星、地球和火星，离太阳较近，具有体积小、质量小、密度大

等共同特征，含重元素高，内部存在金属核。

b.巨行星

巨行星指木星和土星，它们体积大，质量大，但密度小，主要由氢、氮、颊等轻元素

组成。

c.远日行星

远日行星包括天王星、海王星，离太阳较远。两者体积、质量介于上述两类行星之间,

主要由氮、碳、氧及其氢化物组成。

d.小行星

九大行星外，还有大量小行星分布在火星与木星之间绕太阳公转。小行星的直径大多

小于60〜70km,最大的一颗称为谷神星，直径约760km。

③其他天体

a.卫星

卫星是围绕行星运行的天体。卫星数最多的是土星，水星和金星没有卫星环绕。

b.彗星

彗星的轨道有抛物线、双曲线和椭圆三种类型，只有椭圆轨道的彗星才能绕太阳公转。

彗星质量小、密度小。

c.流星和陨石

流星是高速闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧而产生光迹的尘粒和固体块。陨石是坠落

到地面的未燃尽的流星体。

d.行星际物质

行星际物质在太阳系内密度分布不均，在地球轨道附近的平均密度为5个正离子加5

个电子每立方厘米。

2.太阳的能量

(1)太阳的热核反应

①质子

质子是指在高温、高压条件下，太阳的组成元素氢失去外层电子后的内部原子核。

②热核反应

高速运动的质子克服彼此间的静电斥力，发生猛烈碰撞，4个氢原子核聚变为1个氮

原子核。

(2)太阳辐射和质量损耗

体积巨大的太阳通过热核反应不断以电磁波形式向外放射能量，赋予太阳系光和热。

①太阳常数

太阳常数是指在垂直于太阳光线的日地平均距离(1.496x108km)地球大气顶界处

lcmz面积上每分钟接受的太阳辐射能量，数值为8.25J。

②太阳的质量损耗

太阳在大量释放能量的过程中，每秒钟内由于核聚变而损耗的质量达到4xl0，t。由

于目前太阳的热核反应状态已维持50亿年左右的历史，假定能量辐射率基本不变，50

亿年累计损耗的质量可达6.305xl022t,是太阳全部质量的0.03%。

(3)太阳活动与黑子周期

①太阳活动

太阳活动是太阳表面密度很小的等离子气体直接受太阳磁场的支配处于局部的剧烈运

动的过程。

②黑子周期

a.黑子

黑子是日面光球上经常出没的"暗黑"斑点，也是太阳活动的最基本标志。黑子也发光,

只是温度比周围光球低，在明亮的光球反衬下呈暗黑色。

b.黑子周期

黑子周期开始时，一般出现在纬度±30。附近；高峰期，则出现在纬度约±15。处；结

束时，赤道附近的黑子又都消失，下一个周期的黑子开始在纬度±30。附近出现，黑子时

空分布形状像一群蝴蝶，故又称蝴蝶图。

③磁暴

磁暴是太阳黑子群里的耀斑爆发，在一二十分钟内释放出相当于10亿颗氢弹爆炸的

能量，抛出的大量高能粒子流到达地球附近时，扰乱了地球磁场，出现类似地球磁场突然

发生一场风暴的现象。

④太阳风

太阳风是日冕外部以超音速向外膨胀时.，扫过地球达到木星轨道的现象，是行星际物

质的重要来源。

3.行星地球基本参数

(1)日地距离及旋转周期

①日地距离

日地平均距离是地球半径的两万多倍，日地之间光速传递需要约8分钟，这个庞大

的距离定义为1个天文单位(AU)o

②旋转周期

由于行星之间的差异，导致行星旋转周期的不同，如表1-1所示。

轨道半长轴平均轨速度

行星公转周期偏心率对黄•遒面帧斜

天文单位/(km,M1)

水星0.387187.7d47.890.20567W

0.7233225d35.030.00683。23'

地球1.0000365.25d29.790.0017

火显1.5237686.98d24.130.0933i°sr

木星5.20311.862A13.060.0483

士旭9.53929.45772a9.640.05589

天王星19.21884.013a6.810.04720。46'

海王纪30.0579164.79a5.430.00851°46'

表1-1八大行星基本参数

(2)体积和质量

①类地行星的体积和质量都比较小，逃逸速度也明显小于类木行星。但地球的体积

和质量在类地行星中属于最大，其逃逸速度需要11.2km/s。

②水星的体积太小，只有地球的5.6%,逃逸速度为4.3km/s。

③金星的体积质量与地球接近，逃逸速度为10.3km/s。

④火星的体积为地球的15%,质量接近10%,它的逃逸速度约5.1km/so

⑤类木行星体积和质量较大，逃逸速度高出地球的2〜5倍，都能保持大气圈。

(3)密度和内部物性分异

①类地行星

类地行星的密度明显大于类木行星，较小体积星体具有较大密度，反映了类地行星物

质组成中以重元素为主，具有坚硬的岩石圈外壳和金属或金属硫化物核部的特点。

②磁场

地球磁场在太阳风作用下形成的磁层，可以阻挡和捕获来自太阳和其他宇宙天体的高

能粒子，对保护生物界免受损害同样具有重要意义。

二、地球在太阳系中的运动

1.地球自转与昼夜交替

(1)地理坐标系

①地轴

地轴是地球自转时的旋转轴。

②南极和北极

南极和北极是地轴通过地心与地面相交的两个端点。

③赤道

赤道是通过地心而又垂直于地轴的平面与地表相交而成的圆。

④纬线

纬线是所有与地轴相垂直与地表相交而成不同大小的圆的面。

⑤经线圈

经线圈是所有通过地轴和地球表面相交而成为同样大小的圆的平面。

⑥经线

经线是指每个经线圈分成的两条相差180。的半圆弧。

⑦子午面

子午面是通过经线的平面。

⑧本初子午线

本初子午线是在1884年经过国际协议，确定的以通过英国伦敦当时的格林威治天文

台的经线，代表经度的0。线。由此分别划分东经和西经180。经度。

(2)天球坐标系

①天球模型

a.天轴

天轴是将地轴无限延长的轴线。

b.天北极和天南极

天北极和天南极是天轴与天球的交点。

c.天赤道

天赤道是地球赤道无限扩展与天球相交的大圆圈。

②基本构成

a.黄道

黄道是地球绕太阳作公转运动时，太阳在天球上每年的视运动路线。

b.黄赤交角

黄赤交角是黄道面和天赤道面之间存在的夹角（23。26，）。

c.黄极

黄极是黄道面法线在天球上的交点。

d.白道

白道是月球绕地球公转的轨道在天球上的投影。

e.天顶和天底

天顶和天底是从观察者所在位置作铅垂线，向上、下延长与天球相交的点。

f.地平面

地平面是通过地心并与上述铅垂线垂直的平面。

g.地平圈

地平圈是地平面与天球相交而成的大圆圈。

h.天球子午圈

天球子午圈是连结天球两极和观察者天顶的大圆圈。

i.中天时刻

中天时刻是天体由东往西运行经过子午圈的时间。

（3）地球的自转

①自转方向

地球绕地轴旋转的方向为自西向东，即从北极上空俯视呈反时针方向旋转。

②自转周期

a.恒星日

恒星日是距地球遥远的恒星（或春分点）连续两次通过同一子午圈的时间，代表地球

自转360。的真正周期，长度为23h56min4s。

b.太阳日

太阳日是日常生活中昼夜交替为一日的概念太阳日，是太阳连续两次通过同一地点子

午圈的时间。由于地球不仅自转，还有公转，一个太阳日地球平均自转360。5夕，所以太

阳日比恒星日长3min56so

③自转速度

a.角速度

角速度是物体整体转动时的转动速度，单位为弧度/秒，地球自转角速度除两极点外,

到处都是每个恒星日360。，每小时约15。。

b.线速度

线速度是质点作圆周运动时的切线速度，地球上各点的自转线速度并不相同，赤道上

线速度最大，为464m/s,两极则为零。

（4）昼夜交替和标准时区

①地方时

地球自转导致不同经度地区昼夜交替的时间参差不齐，也造成同一时刻、不同经线上

具有不同的地方时。

②建立标准时区的原因

随着近代交通、通讯事业发展以及地区和国际间交流日益频繁，需要有一种全球通用

的世界时或称格林尼治时间。

③区时

区时是采用中央经线的地方时作为全区的标准时间的方法。

（5）地球自转的地学意义

①科里奥利力（地转偏向力）

法国人科里奥利于1835年首先发现，由于地球自西向东自转，作为地表定方向的经

线和纬线发生了偏转，在北半球自赤道向极地运动的物体发生向右偏转，在南半球则向左

偏转。此现象称为科里奥利力（地转偏向力）。

其计算公式：

F为科里奥利力，m为运动物体质量，v为其水平运动速度，3为地球自转角速度，

（P为地理纬度。

②自转速度变化

人们通过长期的天文观测实践，发现天体（特别是月球）位置的观测数据总是与理论

推算不相符合，证实地球自转速度是存在变化的。

2.地月关系

（1）月球基本参数

①月地距离

月球是距离地球最近的天体。已经测得的月地平均距离是384401±lkm,约为地球

半径的60倍，是日地距离的1/389。

②月球大小

月球的半径为1738km,约为地球半径的3/11。月球表面积约为地球的1/4,月球

的体积仅为地球的1/49。

③月球质量

总质量达到7.35xl02sg,相当地球质量的1/81.3。月球的平均密度为3.34g/cnv,相

当于地球密度的3/5o

（2）月球的旋转

①地-月系

月球是地球的唯一天然卫星，在太阳系所有卫星和本行星大小对比关系上，月球是最

大的一个。因此，有时可以把地球和月球看成是两相伴随的双行星系统，即地-月系。

②月球的公转

由于地一月系的存在，月球围绕地球的公转在严格意义上是绕共同质心的旋转。地球

的公转实际上也是绕日地共同质心而运动。

③月球公转周期

a.恒星月是月球中心连续两次由西往东回到同一恒星方向上所经历的时间，是月球

公转一周的真正周期，相当于27d7h43mMi1.4s;

b.朔望月是月球连续两次新月（朔）或满月（望）所经历的时间，相当

29<«12h44mM3s。由于朔望月多旋转0度,所以比恒星月长2d56而51.6“

④月球的自转

月球绕地球公转时，大体上以同一面向着地球，也反映了月球自转周期与它的公转周

期相等，都是一个恒星月。月球自转和公转的方向相同，都是反时针方向的。

（3）天文潮汐和地球自转速度变慢

①潮汐变形

潮汐变形是月球和太阳对地球的引力使地球发生周期性变形的现象。

②海洋潮汐

a.定义

海洋潮汐的产生是由于天体（主要是月球）的摄引作用。

b.影响

海洋潮汐作用引起全球海平面变形，使地球整体由正球体变成椭球体。

③潮汐作用

a.潮流

潮流是潮汐作用导致海面产生自高潮区向低潮区的水平流动的现象。

b.潮汐摩擦

潮汐摩擦是潮流对海底的摩擦作用。

3.地球轨道参数

(1)偏心率

①定义

偏心率是地球公转椭圆轨道中1/2焦点距与半长轴之比。

②近日点

近日点是地球在椭圆形轨道上公转，每年1月初离太阳最近(1.741x10km)的点。

③远日点

远日点是地球在椭圆形轨道上公转，每年7月初离太阳最远(1.521xl0Bkm)的点。

(2)黄赤交角

①定义

黄赤交角是黄道面与天赤道面的夹角，大小等于地轴与地球轨道面夹角的余角，约

23°26'(2000年的精确值£=23°26'21.42")=

②春分点和秋分点

春分点和秋分点是黄道和天赤道相交的两个点。

③夏至点和冬至点

夏至点和冬至点是黄道上距天赤道最远的两个点。

④太阳回归运动

太阳回归运动是由于黄赤交角的存在，太阳在天球上周年运动的同时;还表现为相对

于天赤道的上下往复运动。

⑤回归年

回归年是太阳沿黄道连续二次经过春分点的回归运动周期。

(3)岁差

①定义

岁差是春分点沿黄道存在由西向东逐年缓慢后退现象。

②起因

a.进动引起岁差

进动是指转动物体的转动轴环绕另一个轴作的圆锥形运动。地轴的进动与太阳和月球

对地球非理想球体（赤道部分稍隆起）的摄引有关。其结果是引起地轴绕黄轴（地球轨道

面法线）作圆锥形运动。

b.北极星的变迁

由于岁差的存在，不同历史时期的北极星并非固定不变。

4.星体影响和撞击事件

（1）米兰科维奇理论

米兰科维奇理论即从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论。这个理

论的核心是单一敏感区的触发驱动机制，即北半球高纬气候变化信号被放大、传输进而影

响全球的过程。

（2）彗木撞击及启示

北京时间1994年7月17日晨4时15分至22日16时期间，根据事先准确的预报,

人类第一次亲自目睹了宇宙间彗星与木星的猛烈撞击过程。这是天文学研究史上的一项重

大进展，对于地球科学研究具有启迪意义。

（3）科学预警与迷信邪说

九星联珠可能因星体间力距（非引力）效应的调整对地球不同圈层的运动规律和相互

关系产生一些异常影响，有时与地球上的某些天灾、人祸在时间上存在耦合关系，值得进

一步研究。大多数学者和有科学知识的人们都知晓，太阳和地球的关系在50亿年内不会

发生根本性变化，世纪之交的局部灾难不会引起地球和人类灭亡，对待相关的迷信邪说，

要用科学的态度解答。

1,1课后习题详解

1.科学研究中需要区分定律（law）、学说（theory）和假说（hypothesis）,天文

学研究中有何实例？

答：天文学研究中的实例如下：

（1）开普勒定律

开普勒根据他观测的数据，总结出三大定律，称为开普勒三大定律，这三大定律揭示

了行星运动的规律。

（2）日心说

波兰天文学家哥白尼提出了日心说，认为宇宙的中心应该是太阳而不是地球。

（3）潮汐假说

康德所著《潮汐假说》中提出由于月球与地球的相互吸引而产生摩擦，尽管这种力微

少，但这种力将使地球速度逐渐迟缓，最终，地球和整个太阳系都将走向毁灭。

2.试列举2〜3种与地球科学研究内容有关的天文背景因素，说明跨学科交叉渗透

的重要性。

答：与地球科学研究内容有关的天文背景因素举例如下：

（1）天文学与古生物学的交叉

人们现在普遍认同，生命的起源与宇宙大爆炸有关。宇宙大爆炸中所产生的物质为地

球初始生命提供物质条件。古生物学家通过对于古生物化石的研究，也证实某些古生物化

石的部分物质不是来自于地球。从而，更加坚定了人们对于宇宙大爆炸是生命起因的信心。

（2）天文学与古地理沉积学的交叉

天文学中表示，地球的自转和公转并不是一成不变的，由于引力作用会引起周期性的

变化。而在古地理沉积学中，主要根据瓦尔特定律来分析沉积相和沉积环境。瓦尔特定律

在局部的应用是不存在异议的，但就全球的沉积来说，是否会由于地球自转的改变而引起

沉积的改变，是天文学与古地理学可以一起研究的问题。

3.趁无月晴夜机会，抽空学习认识一些著名星座，以及天球上北极、黄道的位置

（见下页图）。

答：天球上北极、黄道及一些星座的位置见下图：

4.地球的地理坐标系中是否存在特殊的奇点？

答：（1）地球的地理坐标系中存在特殊的奇点。

（2）该特殊奇点为：

①原点。与地球质心重合，在X轴与Y轴的数值都为0。在地理坐标系中原点在地

核中心，所以在X轴和Y轴上所对应的数值都为0。

②赤道上的点X坐标上的值都为地球半径r,在Y轴上的数值为0。在地球的理想

模型中，地球可以看做一个规则的球体，赤道上的点X坐标上的值都为地球半径r,在Y

轴上的数值为0。

③南、北极上的点在X坐标上的数值都为0,在Y轴上的点数值都为地球半径r。

在地球的理想模型中，地球可以看做一个规则的球体，南、北极上的点在X坐标上的数值

都为0,在Y轴上的点数值都为地球半径r。

5.某个外交家星期一出发绕地球作72小时闪电式访问，回来时是星期几？

答：在该外交家72小时闪电式访问回来时的具体情况分为两种：

（1）外交家从本国出发时，如果是下午5点以后到晚上12点出发的，因为他在路上

用了72个小时。那么他本国的当地时间也过了72个小时，从星期一下午5点到晚上12

点有72个小时，那么他回来时是星期四。

（2）如果他是在星期一的下午5点之前出发的，因为从下午5点前的时间到晚上12

点的时间大于72个小时。所以他回来时还不到星期三晚上的12点，还是当地的星期三。

6.太阳引力远大于地球，为什么日面气体的密度小于地面的大气？

答：太阳与地球相比，如果其表面气温相同，太阳的引力较大，表面气体密度就大。

但是，实际上太阳表面温度大约6000摄氏度，气体的压强虽然很大，但其密度却很小。

7.如果国际天文学联合会（IAU）发出某个小星体可能撞击地球的预报，人类应采

取那些防灾、减灾措施？

答：略。

8.公元208年赤壁之战前夕诸葛亮仰观天象，哪颗星代表当时的北极星？

答：（1）在公元208年赤壁之战前的天龙座代表当时的北极星。

（2）由于岁差的存在，北极星的位置在不断的迁移。根据诸葛亮所处时代，北极星

的位置应该位于天龙座。

9.以0.5cm代表5000km为比例尺，绘出太阳及9大行星的比例图。

答：略。

10.太阳系如相当面积lOOOiw的篮球场，估算出地球大小的相当物体。

答：根据所给数据，以冥王星与太阳的平均距离近似表示太阳系的半径，则太阳系半

径为39.5个天文单位（1天文单位=1.496xl08km）,而地球的半径约为6378km,故：

设地球相当物体的面积为s,则有方程式：ix（39.5x1.496x10s）2/1000=TT（6378）

计算得结果：s=1.08xl0«m2

第2章宇宙、地球的起源与演化

2.1复习笔记

一、银河系和宇宙起源学说

1.银河系结构及太阳的运动

(1)银河系结构

银河系

①定义

银河系是由1500~2000亿颗恒星和无数的星际物质组成的巨大天体系统。

②基本构成

a.银盘

银盘是银河系主体部分，直径8.5xlO,l.y.(光年)(ll.y.=94600X108km)。

b.核球

核球是银盘中央呈近似球形隆起的部分，是恒星高度密集区域。

c.银核

银核是核球的中心，是银河系的质心。

③物理特征

银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10x1041.y.(如图2-1

所示，左；1x103秒差距(pc)=3261.61.y.)。从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒

星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀,而是由核球向外伸出的四条旋臂组成

球状去一］一、、、银道面旋付

太阳银盘太阳?

皿不。、;。^M核球银投7

1__,一I千秒差距

051015

旋涡结构。

图2-1银河系结构示意图(左，侧视；右，俯视)

(2)太阳在银河系内的运动

①银河年

银河年是太阳以250km/s速度绕银核旋转一周的时间。

②两种关于周期变化的假说

a.从银河系侧面看，发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银

道面一次。

b.从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步

并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。

2.星系运动和总星系

(1)银河系的运动和河外星系

①银河系的运动

银河系除存在自转外，同时整体以214km/s的速度向着麒麟座方向运动。

②河外星系

河外星系是宇宙空间中类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光年左右，离银

河系则有几十亿至上百亿光年之遥。

(2)从星系团到总星系

①星系团

星系团是具有10万光年尺度，在空间分布不均匀，并有成团趋势的星系。

a.本星系群

本星系群是由银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的

集团。

b.超星系团

超星系团是由许多星系团进一步组成的，典型的空间尺度达到1亿光年量级的星系

团。

②总星系

总星系是人类现在观测能力所及的可见宇宙，其典型空间尺度为150亿光年，年龄

为100亿光年量级，总质量达到1056克量级。

3.大爆炸学说与宇宙起源问题

(1)谱线红移与可见宇宙

①利用多普勒原理观察发光星体

a.蓝移是当发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动的现

象。

b.红移是当离开观察者时:向频率低的红光方向移动的现象。

②哈勃定律

哈勃定律是指哈勃经过大量实际观测发现，来自不同星系的光呈现某种系统性的红移

现象，光源越远的星体，离我们而去的速度也越快。

②宇宙星系际空间的膨胀

谱线分析证明有不少蓝移现象，反映星系内部仍然具有吸引力。宇宙的膨胀主要发生

在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大。

（2）大爆炸宇宙学说

在宇宙形成之前，所有物质处于平衡状态。某种物理条件下开始大爆炸，在宇宙诞生

1044s之后体积急剧暴胀，在1秒钟之内温度仍高达1032K至IOIOK以上，原子和分子均

无法存在。爆炸进行3min后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚

变为笊核、氮核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解。

二、恒星演化与太阳系形成

1.星系的起源

（1）星系的起源

①星云说

强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质逐渐聚

集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星而形成星系。

②超密说

强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超

密块爆发从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止熄、。

（2）哈勃星系分类

①椭圆星系（E）；

②旋涡星系（S）；

③不规则星系（Ir）o

SaSbSc

t十八十七，卜

SBaSBbSBc

桶圈星系旋涡星系棒旋星系不规则小系

Sa-Sj,—5tSB.-S%—SBclr

图2-2哈勃星系分类

2.恒星的起源与演化

(1)幼年期

原始星云的一部分开始进入收缩过程，涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势

能转变为热能，温度上升。

(2)青壮年期

①时期特征

原恒星核部温度上升到不小于7X106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动,

标志着一颗恒星正式产生。

②赫罗图

赫罗图的绘制是分别统计了恒星的光度(反映恒星质量)和颜色(反映表面温度)，

用纵横坐标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星(红巨星、白矮星等)则

形成独立的小群。

③主星序

主星序或主序带是赫罗图90%的恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化

序列。

④主序星

主序星是处于主序带内的恒星。

(3)晚年期

恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高。同时促使恒星外壳

体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。

(4)衰亡期

①超新星爆发现象

超新星爆发时铁核的热核反应需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同

时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍。

②恒星演化最后阶段的各类致密星

a.白矮星

白矮星是质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后形成的。恒星残

骸的密度达到1.75x105g/crw,表面温度升高至8000K,发出白光。

b.黑矮星

黑矮星是当白矮星的热能耗尽，不再辐射可见光后的星体形态。

c.中子星

中子星是由异常致密的中子组成，由质量更大的恒星经历超新星爆发后暴缩形成快速

自转的星体。直径一般仅10km,但密度达10i，~10i5g/cnv。

d.黑洞

黑洞是广义相对论在20世纪早期预言的暗天体和引力场中的一个奇点，它是在超新

星爆发后，由于残骸质量过大而持续塌缩至高于原子核的密度，因而产生了超强引力场，

能使所有物质和光线被吸入，而无法逃逸出去。

3.太阳系形成假说

（1）灾变说一一行星物质是由于某种重大突发事件而从太阳中分离出来的。

（2）俘获说一一太阳从恒星际空间俘获物质，形成原始星云，再演变为行星。

（3）共同形成说一一太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形

成太阳，外围部分形成行星等天体。

4.似地行星和地外文明探索

（1）人类探索地外文明的尝试

在总星系中约有10〃个恒星，存在地外文明的概率很大。搜寻地外文明的主要途径,

就是不断向太空发射无线电信号，并监测有无反馈信息，自20世纪60年代以来已作了

数十次试验，虽尚无结果但仍不气馁。

（2）考古学的介入

考古学的介入有利于延伸人类与地外文明接触的时间范围，但要排除各种巧合或多解

性，还需要多方面的证据。

5.21世纪近地宇宙开发

（1）对月开发

月球上含有大量的资源，在地球的资源日益减少的情况下，人们对于开发月球跃跃欲

试。同时21世纪人类开发近地宇宙（首先是月球）能进入实施阶段，登月人数估计将达

到千人规模。

（2）其他开发

美国向火星发射了探测器，收集到甲烷气体，这是可能有生命存在的标识。如果国际

上新的一轮向火星发射轨道宇宙飞船和人类登上火星实地考察的计划能够实现，将是人类

认识火星真面目的里程碑式成就。

三、地球的起源与演化

1.地球的起源和圈层分异

（1）地球的起源

大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一

体，并无分层结构。

（2）圈层分异

随着地球温度增加，当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加

速向地心下沉，成为铁镁地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气

态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。

2.地球的年龄

（1）岩石鉴定地球年龄

通过测定岩石所含矿物（钻石）的形成年龄，从而推测地球形成的大致年龄。

（2）同位素测定法

根据放射性同位素的衰（蜕）变原理进行同位素测定。不同放射性元素半衰期的长短

有很大差异，其测年的精度也存在重要区别（如表2-1所示）。因此，要根据研究对象实

际情况选择测试物质，采用合适的方法。

3.地球上的生命起源

（1）生命的本质

生命的基本特征就在于蛋白体具有新陈代谢的能力。这种能力是任何非生命不具备的,

所以生命是物质运动的最高形式。

（2）生命起源的机制

①星际空间的有机分子

星际空间存在大量有机分子，至80年代初已累计达到55种，其中最重要的有15种

（如表2-1所示）。

表2-1星际空间的15种有机分子

星际有机分子分子式星际有机分子分子式

星际有机分子分子式

氟化氢HCN甲醛HCHO硫异氟酸NHCO乙腊CH3CN甲酰胺NHzHCO氟基乙焕HC3N

甲醛H2CS甲酸CHOOH氨甲醇CH30H乙醇CzHsOH甲氟基辛四焕HC,N甲胺CH3NH2

基氟NH£N基乙快CH3c2H乙醛CH3CHO

②星际有机分子的意义

星际有机分子的存在说明，构成生命物质基础的有机物可在宇宙空间的自然过程中产

生，并分布于银河系、河外星系的星球上和星际空间。

③生命的形成

地球完成初始圈层分异后，有机物汇聚到原始海洋之中，在地壳环境的热聚合等作用

促进下，逐渐由氨基酸到类蛋白质到蛋白质转化。在此系统内部，随着化学反应速度提高,

其有序性和方向性也相应加强，出现真正的蛋白质合成，完成了向原始生命的进化。

（3）生命出现的时间

地球上最古老生命的记录，主要是球状和棒状的单细胞细菌化石。可推测当时地球上

的单细胞生物已经出现。

4.生物圈的形成和发展

（1）厌氧异养原核生物阶段

38x10年前出现的原始生物，属还原条件的厌氧异养原核生物类型，即还没有细胞

核膜分异，不能自己制造食物，主要靠分解原始海洋中丰富的有机质和硫化物以获得能量,

并营造自身（或称化能自养）。

（2）厌氧自养生物出现和生物圈初步形成

①厌氧自养生物出现

环境压力促进了生命物质的变异潜能，从而演化出厌氧自养原核生物新类型。尤其是

能进行光合作用的蓝细菌，可以还原CO?产生Ch合成有机化合物。

②生物圈初步形成

生物在生态方式上开始转变为浮游于海洋表层，从而可以扩散到全球海洋和陆地边缘

浅水带，标志着地球生物圈的初步形成。

③典型代表

该阶段的典型代表蓝细菌。生物属种数量虽有增加，但分类上仍属原始的单细胞原核

生物。

④盖雅假说

假说认为：根据天体物理学研究证明，自地球形成以来的46X10B年中太阳辐射强度

增加了约30%（其中5%增加于显生宙期间）。

（3）真核生物出现和动物界爆发演化

①真核生物出现

随着大气中氧含量逐渐增加，喜氧生物开始代替了厌氧生物的主体地位。有氧呼吸效

率更高，提高了新陈代谢速度，导致了细胞核与细胞质分化的真核生物新类型出现。真核

生物出现了有性生殖、多细胞体型待征，并开始了动、植物的分异。

②发生时间及繁盛期

这次飞跃大约发生在18X10B年前后（元古宙中期）。从印度、美国、加拿大等地的

化石分布来看，真核生物在全球的繁盛期大约在10x108年前（元古宙晚期）。

③伊迪卡拉动物群

a.发现时间

地球上软躯体动物的首次爆发演化发生于6x108年前后（元古宙末期）。由于最早发

现于澳大利亚南部伊迪卡拉山，称为伊（埃）迪卡拉动物群。

b.发现内容

早期的研究者根据它们的形态和水母（腔肠动物）、蠕虫（环节动物）和海绵（海绵

动物）等相似，在生物分类上也对号入座。但这些裸露动物不存在摄食和消化器官，是一

种营自养生物的特殊生物门类，根本不同于显生宙出现的动物类型。该动物群呈爆发式突

然出现，延续不久又发生整体规模大量绝灭（集群绝灭），速度之快令人瞩目。

c.发现意义

伊迪卡拉动物群代表地球上首次出现，但其演化途径并不成功的特殊生物门类。该动

物群演化过程中的内因之间的复杂关系，已引起广大科学家的关注，成为地球科学基础理

论研究的热点之一。

④澄江动物群

a.发现时间

有壳动物的出现和突发演化，出现在5.4X10B年前（显生宙初期）。云南昆明附近的

澄江地区，1984年起发现了举世罕见的澄江动物群，被比喻为地球历史中十分著名的寒

武纪生物爆发事件。

b.特点

澄江动物群是由真正的节肢动物（三叶虫）、腔肠动物（水母）、环节动物（蠕虫）

和其他门类组成，外形虽与伊迪卡拉动物群有些相似，但体腔内部器官结构明显不同，代

表动物界演化进程中采取躯体立体增长和内部器官复杂化的另一途径。

（4）生物登陆和全球生物圈建立

①生物登陆

a.发生时间

距今4x108年前（志留纪晚期和泥盆纪早期），以原始陆生植物（矮小的裸蕨类）和

淡水鱼类在滨海平原和河湖、河口环境大量繁盛为标志，开创了生物占领陆地的新时代。

生物圈的空间范围也首次由海洋伸向陆地。

b.动物登陆

至3.7亿年前（泥盆纪晚期），半干旱气候下河湖、水塘的周期性干涸，促进了某些

鱼类（肉鳍粗壮的总鳍鱼类）逐渐演变为两栖类。两栖类摆脱了终生不能离开水体的局限,

在陆地上获得了水域附近更多的活动范围。石炭纪晚期至二叠纪早期开始，动物界中出现

了通过羊膜卵方式在陆上繁殖后代的爬行类，由于个体生活史完全摆脱了对水域的依赖，

适应更加广阔多变的陆上生态领域。

c.植物登陆及第一次聚煤期

距今3x108年前后（石炭纪晚期至二叠纪早期），植物界已出现茂密高大的森林，而

且能适应热带、亚热带至冷温带不同气候条件，地质历史上第一次出现聚煤作用高峰期。

d.稳定的生态领域

在距今2.5亿年前后（二叠纪、三叠纪之交），全球范围古地理、进化的爬行类和裸

子植物（松柏、苏铁和银杏类）更能适应陆地上不同气候带和海拔高度的多种生态领域。

严格意义上，地球上完整生物圈从泥盆纪起开始伸向陆地，至二叠纪才包括大陆和海洋各

种生态领域。

（5）生物征服天空和陆生动物重返海洋

①2.5亿年前开始了地球历史的中生代阶段，中生代也称裸子植物时代和爬行动物时

代。出现了鸟类的祖先，象征着生物开始征服天空。

②中生代陆生爬行动物的另一个有趣演变方向是重返海洋生活，出现了体型适合游

泳的鱼龙、蛇颈龙等类型。一般认为中生代时全球规模的联合古陆发生分裂、漂移作用，

可能是促使陆生动物重新下海的外部因素。

（6）人类起源和演化中心

a.人类起源时间

新生代起开始了以哺乳动物和被子植物为主宰的阶段。新生代生物界演化中最重要的

事件是距今250万年前后（第四纪）人类的出现。

b.人类的祖先

60年代后期起开展的人类与黑猩猩、大猩猩血液蛋白质、遗传物质DNA分子等对比

研究，也证实人与猿的亲缘关系最近，再次从高科技研究角度提供了新的佐证。

c.原始人类

原始人类与古猿的实质区别在于，后者仍停留在动物本能的劳动形式，只会使用天然

工具；而前者已经有意识地能够自己制造工具。按照制造工具的工艺水平和相应的身体结

构特征（如骨骼粗壮程度、脑容量大小、直立行走姿态等），史前人类可以区分为猿人

（含早期猿人，又称能人和晚期猿人，又称直立人），古人（早期智人）和新人（晚期智

人），共3类，4个阶段。猿人阶段创造了旧石器早期文化，古人阶段发展为旧石器中期

文化，新人阶段则从晚期旧石器转入新石器时期文化。

d.早期人类

早期人类生存的地球表层环境是一片洪荒世界，既有大型凶猛野兽的攻击，又有自然

灾害的肆虐，生活条件十分艰苦。

5.人类圈的形成和发展趋势

（1）人类圈的形成

早期人类自开始制造石器工具和学会用火起就与动物界彻底分离，标志着生物圈演化

史中最高级的人类圈和人类社会正式形成。

（2）人类的发展趋势

人类社会从原始氏族社会一古代社会一近代社会一现代社会，各阶段所经历的时间依

次越来越短，科学技术发展越来越快，呈现加速度特征，近似于高次方程的抛物线。今天

我们日常生活中使用的绝大多数物品，都是现今这一代（即第800代）发展起来的。第

800代标志着人类有史以来全部经历的一次大转折。

6.生物进化与地质年表

（1）生物进化

地球上生物界的演化遵循由简单到复杂，由低级到高级的不可逆过程，生物演化史能

够详尽而有效地反映地球历史演化的客观自然阶段。

（2）地质学根据地质年代，绘制了地质年代表。为了更好地表示生物进化的过程，将

主要生物进化结合地质年代表绘制。

表2-2地质年代表

距今大约主要生物进化

南代纪世代年代

号

（百万年）动物植物

全新世

第四纪—001—人类出现现代植物时代

更新世Q

.j

新上新世哺

新近纪N-5一乳古猿出现草原面积扩大

生中新世

24金

代渐新世

-3/—物

s占近纪始新世E时

一58一•灵长类出现被f植物繁盛

古新世A£代

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中鸟类出现植

被子植物出现

恐龙繁盛

生侏罗纪J物

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三受纪T恐龙、哂乳类出现代

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二曼纪P柄棵子植物出现

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2.2课后习题详解

1-按照物质密度大小，排出以下环境的顺序。

a.星系际空间，b.太阳核部，c.中子星，d.地球海平面处的大气，e.太阳系内

行星际空间，f.日冕，g.银河系内星际空间。

答:按照物质密度大小，排列的顺序为：a<g<e<f<d<b<co

2.银河系内不同恒星的光谱有的呈红移，有的呈蓝移现象，是否意味着哈勃定律无

效？

答