地理 緯度和經(jīng)度基礎(chǔ)知識

【專家解說】：人類對宇宙的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的時(shí)間。古代自然哲學(xué)所討論的天文學(xué)的宇宙，不外乎大地和天空。16世紀(jì)哥白尼倡導(dǎo)的“日心說”，認(rèn)為“太陽是宇宙的中心”，意味著宇宙實(shí)際上就是太陽系。18世紀(jì)天文學(xué)家引進(jìn)“星系”一詞，在一定意義上也不過是宇宙的同義語。20世紀(jì)以來，尤其是60年代大型天文望遠(yuǎn)鏡的使用，以及空間探測技術(shù)的發(fā)展，使天文觀測的尺度大大擴(kuò)展，達(dá)到上百億年和上百億光年的時(shí)空區(qū)域。人們對宇宙的認(rèn)識不斷加深。 宇宙是物質(zhì)世界，而且物質(zhì)的形態(tài)多種多樣(圖1．1)。晴朗的夜晚，我們用肉眼或借助望遠(yuǎn)鏡，可以看見星光閃爍的恒星、在星空中移動(dòng)的行星和圓缺多變的月亮，有時(shí)還可以看到輪廓模糊的星云、一閃即逝的流星、拖著長尾的彗星。借助天文望遠(yuǎn)鏡和其他空間探測手段，還可以探測到存在于星際空間的氣體和塵埃等。所有這些，通稱天體。天體在大小、質(zhì)量、光度、溫度等方面存在差別。 宇宙處于不斷的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展之中。天體之間相互吸引和相互繞轉(zhuǎn)，形成天體系統(tǒng)。目前，人們認(rèn)識到的天體系統(tǒng)，從小到大排列，有以下幾個(gè)層次(圖1．2)。 ●月球繞地球公轉(zhuǎn)，構(gòu)成地月系。月地平均距離為38．4萬千米。 ●地球和水星、金星、火星、木星、土星，天王星、海王星、冥王星等行星，以及小行星、彗星、流星體等天體圍繞太陽公轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽系。太陽是太陽系的中心天體，占有太陽系總質(zhì)量的99．86％。冥王星是距離太陽最遠(yuǎn)的行星，它的軌道直徑約為120億千米。 ●太陽和千千萬萬顆恒星又組成龐大的恒星集團(tuán)，稱為銀河系。在銀河系中，像太陽這樣的恒星有2000多億顆。銀河系主體部分的直徑約為8萬光年。 ●銀河系以外還有許許多多同銀河系規(guī)模相當(dāng)?shù)奶祗w系統(tǒng)，稱為河外星系，簡稱星系。用目前最大的望遠(yuǎn)鏡，可以觀測到數(shù)以十億計(jì)的星系，其中離我們最遠(yuǎn)的估計(jì)為 150億—200億光年。天文學(xué)上把銀河系和現(xiàn)階段所能觀測到的河外星系，合起來叫做總星系，這就是目前我們能觀測到的宇宙范圍。 宇宙中的天體不是同時(shí)形成的，而且各自都有其發(fā)生、發(fā)展、衰亡的歷史。作為整體的宇宙，也經(jīng)歷了溫度從高到低，物質(zhì)密度從密到稀的演化。 太陽是一個(gè)巨大熾熱的氣體球，主要成分是氫和氦，表面溫度約為6000K。太陽源源不斷地以電磁波的形式向四周放射能量，這稱為太陽輻射。太陽輻射的能量是巨大的，據(jù)計(jì)算，每分鐘太陽輻射向地球輸送的能量(圖 1．4)，大約相當(dāng)于燃燒4億噸煙煤產(chǎn)生的熱量。 太陽輻射能量來源于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。太陽內(nèi)部在高溫、高壓的環(huán)境下，4個(gè)氫原子核經(jīng)過一連串的核聚變反應(yīng)，變成1個(gè)氦原子核。在核聚變過程中，原子核質(zhì)量出現(xiàn)了虧損，其虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量。太陽每秒鐘由于核聚變而損耗的質(zhì)量，大約為400萬噸。按照這種消耗速度，太陽在50億年的漫長時(shí)間中，只消耗了0．03％的質(zhì)量。 雖然太陽輻射能只有二十二億分之一到達(dá)地球，但是對地球和人類的影響卻是不可估量的。 ●太陽輻射能是維持地表溫度，促進(jìn)地球上的水、大氣、生物活動(dòng)和變化的主要?jiǎng)恿Α＠?，太陽輻射的緯度差異，?dǎo)致了地面不同緯度獲得熱量的差異。對于整個(gè)地球表層來說，熱量應(yīng)該是平衡的，因而熱量多余和熱量不足的地方，要發(fā)生熱輸送。地球上的熱量，主要依靠大氣和水體運(yùn)動(dòng)來傳 遞。大氣和水體的運(yùn)動(dòng)形成大氣環(huán)流和洋流，對地理環(huán)境的形成和變化具有極其重要的作用。 ●太陽輻射能是我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)所用的能源。例如，人們直接利用太陽能發(fā)電，為生產(chǎn)和生活服務(wù)；人們把煤、石油等化石燃料作為工業(yè)的主要能源，而它們在形成的過程中固定了大量的太陽輻射能。 我國是世界上利用太陽能較早的國家之一。在一些太陽能比較豐富的農(nóng)牧區(qū)，人們用太陽灶做飯，用太陽能干燥器加工農(nóng)副產(chǎn)品，還用太陽能發(fā)電，看上了電視。 從古代起，人們就幻想穿過地球大氣層，飛上太空。1957年10月，原蘇聯(lián)用火箭把第一顆人造地球衛(wèi)星送上了天，開創(chuàng)了從太空觀測、研究地球和整個(gè)宇宙的新時(shí)代。例如，各種科學(xué)衛(wèi)星和空間探測器上天后，發(fā)現(xiàn)了地球大氣層外還有磁層；宇宙中存在著大量的X射線、Y射線。還測量了許多行星表面的物理特性和化學(xué)成分。 20世紀(jì)60年代以來，各種載人飛船、航天站、航天飛機(jī)先后進(jìn)入太空，實(shí)現(xiàn)了在沒有地球大氣干擾的情況下，人對月球、大行星的逼近觀測和直接取樣觀測，以及對宇宙空間環(huán)境的直接探測，極大地充實(shí)和豐富了人類關(guān)于太陽系和宇宙的知識。 宇宙探測的發(fā)展，不僅使人們進(jìn)一步了 解了地球的宇宙環(huán)境，而且還影響和改變著人們的社會生活。例如，人們利用衛(wèi)星進(jìn)行軍事偵察、空間通信、氣象觀測，以及尋找資源、為飛機(jī)導(dǎo)航等，從中獲得許多實(shí)際利益。 從1957年世界第一顆人造衛(wèi)星上天，到 1981年世界第一架航天飛機(jī)試航成功，在這短短的24年中，人類對宇宙空間的認(rèn)識，已經(jīng)從空間探索階段，逐步進(jìn)入到了空間開發(fā)利用的新階段。 我國的航天事業(yè)起步于20世紀(jì)50年代中期，現(xiàn)在已經(jīng)步人世界上航天技術(shù)先進(jìn)國家的行列。 地球繞其自轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，叫做地球的自轉(zhuǎn)。一般可以從地軸的空間位置，地球的自轉(zhuǎn)方向、周期和速度等方面來說明地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律。 地球自轉(zhuǎn)軸簡稱地軸。地軸的空間位置基本上是穩(wěn)定的，地軸北端始終指向北極星附近。 地球自轉(zhuǎn)的方向是自西向東。從地軸北端或北極上空觀察，地球呈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；從地軸南端或南極上空觀察，地球呈順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 地球自轉(zhuǎn)一周360°，所需要的時(shí)間為23時(shí)56分4秒，這叫做1恒星日。 根據(jù)地球自轉(zhuǎn)的周期，可以知道地球自轉(zhuǎn)的角速度大約為15°／時(shí)。地球表面除南北兩極點(diǎn)外，任何地點(diǎn)的自轉(zhuǎn)角速度都一樣。地球自轉(zhuǎn)的線速度，則因各緯度的不同而有差異。 太陽直射點(diǎn)的移動(dòng)，使地球表面接受到的太陽輻射能量，因時(shí)因地而變化。這種變化可以通過晝夜長短和正午太陽高度的變化來體現(xiàn)。晝夜長短反映了日照時(shí)間的長短；正午太陽高度是一日內(nèi)最大的太陽高度，反映了太陽輻射的強(qiáng)弱。二者結(jié)合起來，可以定性地表達(dá)某時(shí)某地太陽輻射能量的多少。 (一)晝夜長短的變化 自春分日至秋分日，是北半球的夏半年。在此期間，太陽直射北半球，北半球各緯度晝長大于 夜長；緯度越高，晝越長夜越短。其中，夏至日這一天，北半球各緯度的晝長達(dá)到一年中的最大值，而且北極圈及其以北地區(qū)，太陽整日不落，出現(xiàn)極晝現(xiàn)象。南半球反之。 自秋分日至次年春分日，是北半球的冬半年。在此期間，太陽直射南半球，北半球各緯度夜長大于晝長；緯度越高，夜越長晝越短。其中，冬至日這一天，北半球各緯度的晝長達(dá)到一年中的最小值，而且北極圈及其以北地區(qū)，太陽整日不出，出現(xiàn)極夜現(xiàn)象。南半球反之。 在春分日和秋分日，太陽直射赤道，全球各地晝夜等長，各為12小時(shí)。 (二)正午太陽高度的變化 同一時(shí)刻，正午太陽高度由太陽直射點(diǎn)向南北兩側(cè)遞減。 夏至日那天，太陽直射北回歸線，此時(shí)，北回歸線及其以北各緯度，正午太陽高度達(dá)到一年中的最大值；南半球各緯度，正午太陽高度達(dá)到一年中的最小值。 冬至日那天，太陽直射南回歸線，此時(shí)，南回歸線及其以南各緯度，正午太陽高度達(dá)到一年中的最大值；北半球各緯度，正午太陽高度達(dá)到一年中的最小值。 春分日和秋分日，太陽直射赤道。正午太舊高度自赤道向兩極遞減。 綜上所述，全球除赤道以外，同一緯度地夏，晝夜長短和正午太陽高度隨季節(jié)而變化，吏太陽輻射具有季節(jié)變化的規(guī)律，形成了四車同一季節(jié)，晝夜長短和正午太陽高度隨緯廷而變化，使太陽輻射具有緯度分異的規(guī)律，臣成了五帶。