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1、地质工程学科研究生学位课教案 地质学新进展1第一章第一章 行星地球观行星地球观教学目的教学目的 使学生了解地球在宇宙中的地位以及地球与宇宙中其它天体之间的关系；使学生了解关于宇宙和地球起源的最新研究成果；使学生树立天、地、人三者之间相互依存、相互制约、相互作用的正确地球观。教学重点教学重点 宇宙、太阳系及地球的基本特征；关于宇宙和地球的起源假说；太阳系乃至宇宙中其它天体对地球的影响。教学步教学步骤骤 课内安排 8 个学时，其中讲授 4 个学时，自学 2 个学时，课堂讨论 2 个学时。要求课外阅读相关文献资料，进一步加深对课堂所学内容的理解。参考文献参考文献陶世龙，万天丰，程捷.地球科学概论.北
2、京：地质出版社.1999http:/（武汉缘来文化传播有限责任公司）http:/ ，忽略了太阳系乃至宇宙对地球的影响，使某些地质现象无法得到合理的解释。现在看来，地球作为宇宙中的一分子，不可能如旅真空。其它天体的演化特征，对我们正确认识天、地、人之间的关系，保护地球有重要启示。一、宇宙和太阳系一、宇宙和太阳系（一）宇宙的概念（一）宇宙的概念宇宙（Universe）概念在哲学和自然科学中是不同的。哲学的宇宙是物质世界，空间上无边地质工程学科研究生学位课教案 地质学新进展2无际，时间上无始无终。我国战国时代的鲁人尸佼称“上下四方谓之宇，往古今来谓之宙上下四方谓之宇，往古今来谓之宙” ，包含了时空无
3、限性的宇宙概念。马克思主义的宇宙观也明确了宇宙的时空无限性。早期自然科学的宇宙模式源于时空无限的宇宙概念。如牛顿静态宇宙模式就认为，时间是均匀流逝的长河，空间是欧几里德空间，在这样的空间中均匀地分布着无限多个静止的天体。如果是这样，就会出现光度佯谬，即夜空将无限亮；也将出现引力佯谬，即地球所受的引力将无限大。要克服这两个矛盾，只有认为宇宙不是均匀的，或宇宙不是静止的。牛顿的宇宙模式之后，天文学作为自然科学的一部分便不再讨论无限的宇宙了。天文学的宇天文学的宇宙即总星系，也就是我们目及的宇宙宙即总星系，也就是我们目及的宇宙。显然，天文学家的宇宙包含在哲学家的宇宙之中，而哲学家的宇宙则天文学家无暇顾
4、及了。自学自学宇宙到底是什么样子？世界不同民族的先民曾有过种种猜测。在中国古代曾有“盖天说” 、 “浑天说”和“宣夜说” 。盖笠和凉亭盖笠和凉亭古人把巨大的天穹想象成一个盖子，绕着天极旋转，日月星辰都附在这个天盖上，随天盖旋转；地是方形的大块，天盖着地，构成了宇宙“天圆地方” 。公元前 6 世纪，有人对“天圆地方”产生怀疑：天是圆的盖笠，地是方的大块，圆盖与地的四角怎么合拢呢？于是又提出假说：天象一把伞悬在大地上空，周围用八根柱子撑着，用绳子缚住它的枢纽，于是我们就看到了天地成了一个八柱的圆顶凉亭。盖天说盖天说周髀算经上卷讲“天圆地方” ，下卷讲“盖天之术” ，记载了从西周到战国末期漫长年代的
5、许多研究成果，也显示了盖天说漫长的发展过程。汉代以前，人们信奉的大多是“天圆地方”或“天似盖笠，地法复盘”这一类宇宙观念，统称为“盖天说” 。地质工程学科研究生学位课教案 地质学新进展3盖天说盖天说是中国最古老的讨论天地结构的体系。早期的盖天说认为：天就像一个扣着的大锅覆盖着棋盘一样的大地。这样的天地形状很容易让人们产生疑问：圆形的天怎么能够与方形的大地合拢呢？随后，盖天家又主张：天像圆形的斗笠，地像扣着的盘子，两者都是中间高四周低的拱形。这种盖天说即能克服天圆地方说的缺点，也能解释很多天象。盖天家认为，太阳在天盖上的周日运动一年中有七条道路，称为七衡 。最内一道叫做内衡 ，夏至日太阳就沿内衡
6、走一圈；最外一圈叫外衡 ，是冬至日太阳的路径；其他节气里，太阳沿中间的五道运行。这就是盖天家的七衡六间 。他们还主张，太阳只能照射 16.7 万里，超过这个距离就什么也看不见了。因此白天就是太阳走到距离我们 16.7 万里以内的范围，而晚上则在该范围之外。在下图中，人们居住在 C 点，以 C 点为圆心，以 16.7 万里为半径画圆，交内衡于 L、L点；交中衡于M、M点；交外衡于 N、N点，夏至日，太阳沿内衡运动，到达 L 即为日出，CL 为日出方向，图中为东北方，太阳在圆弧 LDL段运行时为白天，到达 L即为日落，图中所画为西北方，太阳在其余弧上运动就是黑夜。这样就解释了为什么夏至日太阳在东北
7、方升起，在西北方下落。浑天说浑天说西汉时期，张衡在浑天仪注一文中写道：浑天如鸡子，天体圆如弹丸。地如鸡子中黄，孤居于内，天大地小。天之包地如壳之裹黄 。天就像一个鸡蛋，大地像其中的蛋黄，天包着地如同蛋壳包着蛋黄一样。这是对浑天说的经典论述之一。浑天说还认为天球北高南低，绕通过南北天极的轴旋转。垂直于南北极轴把天球平分成南北两半的大圆就是天赤道。与赤道斜交成大约 24 度角的大圆是黄道，太阳在黄道上运行。过日心并与天赤道平行的圆是太阳的周日平行圈，它代表着太阳每日在天空中的运行轨迹。天球绕南北极轴旋转一周就是一日。夏至日，太阳处在黄道最北点，太阳的周日平行圈一大半在地上，一小半在地下，表示着太阳
8、在地上的时间多，在地下的时间少，日出在东北方，日落在西北方。冬至日，太阳处在黄道地质工程学科研究生学位课教案 地质学新进展4最南点，周日平行圈有一大半在地下，一小半在地上，太阳在地上的时间少，而在地下的时间多，日出东南方，日落西南方。浑天说在中国天文学史上占有重要的地位，对中国古代天文仪器的设计与制造产生了重大的影响，如浑仪和浑象的结构就和浑天说有着密切的联系，对天文学的有关理论问题的解释也产生了重大影响。盖天说中的天盖是半球形的，而且总是在地的上方，所谓天在上，地在下；浑天说的天是整球形的，天在外，地在内。浑天说对天体的描述与人们的观测相符，统治中国人的宇宙观长达 2000 年之久。宣夜说宣
9、夜说列子天瑞篇记载了一个杞人忧天的故事。传说春秋战国杞国有一个人听说天是由气体形成的，日月星辰就漂浮其中之后，他非常担心天体会掉下来，让他无处躲藏，于是整日忧心忡忡，茶饭不思。朋友把他拉到一位智者那里，智者开导他说：“日月星辰也是气体形成的会发光的物体，即使它们掉下来，也是气体落入气体中，不会造成任何损伤。 ”盖天说和浑天说中的日月星辰都有一个可供附着的天壳，盖天说的附着在天盖上，浑天说的附着在像蛋壳一样的天球上，都不用担心会掉下来。但是后来人们观测到日月星辰的运动各自不同，有的快、有的慢，有的甚至在一段时间中停滞不前，根本就不像附着在一个东西上。所以就又产生了一种新的理论“宣夜说” 。宣夜说
10、主张：天是无边无涯的气体，没有任何形质，我们之所以看天有一种苍苍然的感觉，是因为它离我们太深远了。日月星辰自然地漂浮在空气中，不需要任何依讬，因此它们各自遵循自己的运动规律。宣夜说打破了天的边界，为我们展示了一个无边无际的广阔的宇宙空间。撒玛利亚人的宇宙观撒玛利亚人的宇宙观生活在幼发底河和底格里斯河流域的撒玛利亚人，在公元前 3000 年就创造了灿烂辉煌的古巴比伦文明。他们认为，地是一块平坦的珠盘状物浮在水面上，在地的上方有锡顶天穹，象一个倒扣着的大锅。在天与地之间有日月星辰运行在大气中。这些星辰由与人类形状相同的巨大的创造之神控制，这位“洋盘古”就是空气之神安尼尔。安尼尔把天地劈开，于是宇宙
11、诞生，他自己就生活在宇宙之中，日月星辰都在他的怀抱里。古埃及人的宇宙模式古埃及人的宇宙模式宇宙是一个封闭的盒子，顶部为穹窿形的苍天，挂满星辰；底部是大地，中央即本民族所在的地区，四周有擎天柱支撑，有神物镇压，周边有大河环绕，河上有舟载着太阳昼夜往返。天是黛娜女神的化身，她伸开四肢环抱整个宇宙，在她身上遍布群星。每天晚上，她把太阳地质工程学科研究生学位课教案 地质学新进展5吞到肚子里，早晨又吐出来。白天太阳乘坐小舟横越女神的身驱，从天空的一边到另一边。在天空女神之下是空气之神，他的手上握着永生的标志。最下面是地球之神盖伯，他的身上盖着树叶，表示大地是植物生长的地方。古印度人的宇宙观古印度人的宇宙
12、观大地驮在四头大象身上，大象站在一个巨大的乌龟背上，乌龟浮在水上，地下有洞穴，通向地狱；擎天柱顶着天堂极乐世界。地中海周围地区古人的宇宙观地中海周围地区，包括南欧、西欧、北非的许多地方，都较早地从自然的角度阐述宇宙的本质。公元前 7 世纪到公元 3 世纪，在古希腊和古罗马帝国时期，人们对宇宙的认识逐渐摆脱神话思维，形成以托勒密托勒密（公元前 90 年出生于亚历山大里亚的古希腊最伟大的科学家之一）地心体地心体系系为代表的宇宙观。地心体系（地心体系（geocentric system ）认为地球静止地居于宇宙中心，太阳、 月球、 行星和恒星都绕地球转动的学说，又称“地球中心说”、 “地心说”或“地
13、静说”。这一学说最初为欧多克斯和亚里士多德等所倡导。后来，古希腊学者阿波隆尼提出本轮均轮偏心模型。约在公元 140 年,亚历山大城的天文学家托勒密在天文学大成中总结并发展了前人的学说，建立了宇宙地心体系。这一体系的要点是：地球位于宇宙中心静止不动。每个行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动，本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动，但地球不是在均轮圆心，而是同圆心有一段距离。他用这两种运动的复合来解释行星视运动中的“顺行”、 “逆行”、 “合”、“留”等现象。水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的连线上，本轮中心在均轮上一年转一周；火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总是与
14、地球太阳连线平行，这三颗行星每年绕其本轮中心转一周。恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天”一起，地质工程学科研究生学位课教案 地质学新进展6每天绕地球转一周，于是各种天体每天都要东升西落一次。 托勒密适当地选择了各个均轮与本轮的半径的比率、行星在本轮和均轮上的运动速度以及本轮平面与均轮平面的交角，使得按照这一体系推算的行星位置与观测相合。在当时观测精度不高的情况下，地心体系大致能解释行星的视运动,并据此编出了行星的星历表。可是,随着观测精度的提高，按照这一体系推算出的行星位置与观测的偏差越来越大。他的后继者不得不进行修补，在本轮上再添加小本轮，以求与观
15、测结果相合；尽管如此，还是经不起实践检验，因为这一体系没有反映行星运动的本质。在欧洲，教会利用托勒密的地心体系作为上帝创造世界的理论支柱，在教会的严密统治下，人们在一千多年中未能挣脱地心体系的桎梏。十六世纪中叶，哥白尼提出了日心体系，并为后来越来越多的观测事实所证实，地心体系才逐渐被摒弃。 讲讲授授目前我们观测到的宇宙范围叫做总星系（metagalaxy） ，其半径大约为半径大约为 100 亿光年，但总星系亿光年，但总星系内的星体密度仍无减小的迹象内的星体密度仍无减小的迹象。总星系内的星体并不是均匀分布的，一群一群的恒星组成旋涡状、椭圆形、透镜状以及不规则形状，称为星系(galaxy)。总星系中有 10 亿个星系。星系有大有小，小
