行星地球的地理特性

作为太阳系中的行星，地球与所有的行星一样，围绕太阳作旋转运动，这种绕日运行称为地球的公转。从地球北极上空向下看，地球公转呈逆时针方向，其轨道为椭圆形，但其偏心率很小，故轨道接近正圆（图 1.1.4），这个轨道可称为黄道。地球公转的周期为一年。一年的长度依参考点的变化而变化。地球连续两次通过太阳中心与另一恒星的连线同地球轨道交点的时间间隔，为一恒星年，其长度为 365 日 6 时 9 分 9.7 秒，这是地球公转的真正周期；若以春分点为参考点，则称为回归年。所谓春分点是指在天球上太阳一年一度经过的黄道与天赤道的升交点，它每年要向西（顺时针）移动一定距离，称为进动，所以回归年比恒星年短 20 分 24 秒。回归年与季节的变化密切相关。

地球公转有重要的地理意义，地球上的季节变化就是由于公转引起的，季节变化的原因是由于地球倾斜着围绕太阳旋转。地球公转轨道所在的平面为黄道面，地球的赤道面与黄道面存在约 23.5°的夹角，即地轴倾斜 23.5

°（见图 1.1.4）。在夏至点附近，地球北半球倾向太阳，遥远的太阳光平行地射到地球上，使北半球得到更多的热量，北极圈内出现“日不落”的极昼现象，北半球为夏季。南半球则出现相反情况，经历冬季，南极圈内出现极夜。在冬至点附近，南半球朝向太阳，出现相反的情况。在春分、秋分的位置，赤道正对太阳，不同的纬度经历同样的日照时间，图 1.1.4 地球公转

运动图 1. 1. 5 说明了不同纬度全年日照变化，由此形地轴与黄道面法线有

23.5 度夹角成了地球上的季节变化。显然，低纬度的气温的季节性变化是不明显的。极昼和极夜出现在南北纬 66.5°以上的区域，这是因为地轴倾斜造成的。当地轴倾角有所变化时，地球上各纬度得到的太阳辐射分布也将发生变化，必然引起地球环境的改变。

地球不仅有公转，而且还有自转，自转象公转一样，具有重要的地理意义。地球的自转周期为日，自转一周的时间约为 23 时 56 分 4 秒，人们采用

小时来规定日的长短，是出于使用的方便。为了补偿这种误差，规定了“闰年制”。

为了描述太阳与地球的相对运动，定义了天球坐标系，如图 1.1.6 所示。天球坐标系以地心为原点。由于春分点在天赤道上有进动，太阳一个回归运动的时间短于恒星年。前面提到的“黄道”，准确地说是地球公转轨道在这个天球坐标系上的投影。

地球的自转引起的各种效应对人类生活和其他自然现象具有深刻影响。首先它引起日夜更替，太阳只能照射地球的一半，表现为白昼，另一半则为黑夜。这一变化引起许多现象的日周期变化。

第二，地球自转使全球不同经度上具有不同的时间，由于在地球上看起来太阳是从东向西运行的（因为地球自转从西向东运行），因此地球上某点的时间比其西边的某点要早些。为了便于交流，人们规定了不同的时区，以协调这种关系，在中学教材中包含的时区内容，我们已经熟悉。

第三，地球自转使气流和水流的路径发生固定的偏转，这种偏转效应在全球风系和洋流系统中都有明显反映。这种偏转力称为科里奥利力

（Coriolisforce），用 Fc 表示。Fc 是地球上质量为 m 的物体在地球自转角速度ω和它自身运动线速度ν的共同作用下产生的一种惯性力，其大小与纬度有关：

Fc＝－2mνωsinφ（1）

图 1.1.6 天球坐标系

其中φ为纬度，ν为物体运动速度，ω为地球自转的角速度，m 为物体质量，由式（1）知 Fc 的方向在北半球向右偏，在南半球向左偏。

科里奥利力对地球表层运动有重要意义。地球的大气运动，因此变得更为复杂；在海洋中，产生了洋流偏转。地理环境的发展演化也与科里奥利力密不可分。例如许世远等（1985）发现，由于科里奥利力的作用使长江口水道不断南偏，出现长江口北岸沙岛并岸，南岸平行淤长，在泥沙的充分供应下，发育了广阔的长江三角洲（图 1.1.7）。

潮汐是地球上另一种由于天文原因产生的自然现象，海水每天有规律涨落，称为潮汐。潮汐涨落前后相连的高低水位差称为潮差。相连两次高潮位或低潮位时间称为潮周期。潮汐主要起因于月球对地球的作用。根据万有引力定律，月球对地球表面的水质点将产生引力，引力的方向指向月球中心，引力大小为

M × 1

Fp＝G （2）

式中 R 为月球中心到某一单位水质点的距离，M 为月球的质量，G 为引力系数。图 1.1.8

从 a—d，长江口左岸不断发育沙洲、沙坝，由于河道右偏，北支水道不断淤塞，沙坝（岛）并岸，使三角洲不断得到发展

图 1.1.7 长江三角洲发育模式（据许世远等简化，1985）

中细实线为月球引力。与此同时，由于地球和月球还围绕两者公共质心K 公转（由于地球比月球大，K 点位于地－月中心线上，距地心为 0.73 倍地球半径），地球上的水质点还受到离心力的作用。由于公转时所有的质点均以相同的半径和相同的速度作圆周运动，故离心力的大小和方向都是一致的，如图 1.1.8 中虚线所示。这一离心力与月球对地心 E 点单位质点的引力大小相等，方向相反，其大小为

M × 1

FE＝G D 2 （3）

式中 D 为地球与月球之间的距离，其余符号同前。

FC 与 FE 的合力即为引潮力，如图 1.1.8 中粗实线所示。在地球上的各个地方，除地心 E 点引力和离心力相互抵消之外，其余各处都有大小不等、方向不同的引潮力，上述潮汐成因说，称为静力潮汐论。

静力引潮汐论假定地球表面全部为海水所包围，在引潮力的作用下，海水表面将形成椭球曲面形式的平衡面，如图 1.1.8 中点线所示。当引潮力背向地球方向时，海水向上运动，水位上涨；当引潮力指向地球中心时，海水向下运动，水位下降，形成潮汐现象。图中 B、D 两点相当于涨潮的高潮位， A、C 两点相当于落潮的低潮位。当然，宇宙中的其他天体（如太阳和其它星球）对地球上的水质点也会产生引潮力，但它们不是质量太小就是距地球太远，都不及月球带来的引潮力大，所以决定地球上潮汐变化的主要动力是来自月球的引潮力。静力潮汐论为潮汐理论打下了基础，能解释潮汐的一般现象，但是，它在理论上仍有较大的缺点，还不能解释实际中所发生的许多特殊的潮汐现象。

引潮力是由于天体与地球的相对运动来决定的，由于这种运动具有周期性，因此，潮汐变化也具有周期性，它的周期性变化有：日周期变化和半月周期变化等。由潮汐成因可知，地球各地在一个太阴日即 24 小时 50 分之内的涨落潮周期是不一致的，由此可将潮汐分为三种类型。即（1）半日潮。在一个太阴日内，发生二次高潮和二次低潮，相邻两次高潮或两次低潮的高度几乎相等，涨潮历时和落潮历时几乎相等（6 小时 12·5 分）。（2）混合潮。一个太阴日内发生的两次高潮或低潮的高度相差很大，涨落潮历时也不相等。较高的一次高潮叫高高潮，较低的一次高潮叫低高潮，较低的一次低潮叫低低潮，较高的一次低潮叫高低潮。（3）全日潮。在一个太阴日内，只出现一次高潮和一次低潮，潮位曲线为对称的余弦曲线，如图 1.1.9。潮汐半周期的变化起因于太阳、月球和地球的位置，当三者位于同一直线时引潮力加强，产生大潮，当日地连线与月地连线相垂直时，产生小潮。每月有两次这样的机会，因此产生了半月周期。此外由于天体运动的复杂性，潮汐还有月周期、年周期、8.85 年周期和 18.61 年的长周期等变化。

图 1.1.9 潮汐的类型（据 Dafant）图 1.1.8 月球的引潮力

地球天文运动的最主要后果可能是天文气候带（也称温度带）的产生。由于地球是球形的，平行入射到地球上的一束太阳能量，在高纬度散布在更

大的面积上，即单位面积得到的能量低于低纬度的。能量入射的差异控制了地球表层的运动，因此形成了“天文气候带”。天文气候带由赤道带、热带、中纬度带、寒带和极地带组成。

赤道带位于赤道两边大约到北纬 10 度和南纬 10 度之间的地区，该带内的太阳的日照全年都很强烈，而白天和黑夜的时间大致相等。北回归线与赤道带之间是北热带，南回归线与赤道带之间是南热带，它们分别跨北纬 10—

度的纬度带和南纬 10—25 度的纬度带。在这带中，太阳在某一至点时接近天顶，而太阳在另一至点时日照明显地减少。因此，存在一个明显的季节的周期，并伴随着有一个大的全年总日照。传统上热带这一词已广泛用来表示南北回归线之间 47 度纬度内的整个带。可能在许多字典中查到热带的这种定义。但是现代地理科学已经修改了这种定义，以适应新的发展。

热带向极地方向接着的过渡区一般称作亚热带，为了方便起见，人们指定这些带是北纬和南纬 20—35 度的纬度带，但要注意，“亚热带的”这个形容词用以描写向极地或赤道方向扩展几个纬度内出现的现象。

中纬度带也称温带，它处于北纬和南纬 35—55 度之间，在这一带内太阳的入射角的移动有一个相对较大的范围，因此日照的季节差异是明显的。与热带相比，在白天和夜间时间上有明显季节性差异。

向极地一侧紧接中纬度带的是北纬和南纬 55—60 度之间的寒带（或亚极地带），它是中纬度带和极地带之间的过渡带。

越过北纬和南纬 66.5 度的北极圈和南极圈是极地带，北半球的称为北极地带，南半球的称为南极地带。

我们特别规定了极地带的纬度范围是北纬和南纬 60—75 度，但是这些界线并不是不可改变的。极地带在白天和夜间的长短方面有着很大的年变化，这是二至点之间日照有着很大的不同而产生的。

北极带和南极带是纬度 75 度和极点之间的圆形地区，由于黄赤交角为

23.5 度，这里 6 个月的白天和 6 个月夜间的极地变律是很明显的，同时产生日照的季节性差异的极限。