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：

T = π

式中 g 为重力加速度。

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：

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。