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1、授课题目第四章自然地理系统的能量基础第二节太阳能和引潮力在自然地理系统的作用授课类型理论课首次授课时间20XX 年 10 月 11 日学时2 教学目标通过本节课 ,使学生：理解并掌握自然地理系统中能量转化的过程以及功能。理解和掌握太阳能和引潮力在自然地理系统中的作用。重点与难点1 自然地理系统中能量转化的过程以及功能；2 太阳能和引潮力在自然地理系统中的作用。教学手段与方法多媒体教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）第四章自然地理系统的能量基础第二节太阳能和引潮力在自然地理系统中的作用一、引潮力地球所受引潮力主要是月球和太阳对地球的万有引力与地球绕地月及日地
2、公共质心运动产生的惯性离心力的合力。通过有关课程的学习，我们已知在月球和太阳引潮力中又以月球的引潮力为主，它是太阳引潮力的2.18倍。引潮力与重力同属引力的范畴，引力是自然界4 种自然力中最弱的一种。而引潮力与重力相比较则更为微弱： 月球的最大引潮力大约仅相当于地球重力的1/89310-4，而太阳引潮力则仅相当于地球重力的1/194010-4。对于如此微小的力， 人们通常是很不易感觉的，但地球对这种力却有显着反应，最直观的反应便是海洋潮汐。世界大洋的平均引潮力可使海面垂直涨落约0.8m。引潮力对固体地壳引起的“潮汐”称为“固体潮” ，固体潮每天的变化十分规则。引潮力对大气层引起的潮汐称为“气潮
3、”，据估算，大气中由于月球引潮力所产生的能量，约为地表太阳能总量的310-8倍。（一）海洋潮汐引潮力对地球造成的海洋潮汐现象，对于地球的影响，对自然地理环境的影响意义十分重要。例如，由于引潮力对海洋的水平引力作用形成大规模短周期性海洋潮流，在浅海地区潮流对海底产生的摩擦作用，使地球的自转速度变慢，导致日长增加。据测量，日长每年平均约延长1.510-10。由此推算 4.0109年前地球自转速度较现今快得多，日长约为9.6小时，合每年 912.5天。海洋生物化石也可证明，据一种珊瑚化精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页石上
4、的年轮和日轮推算，在4.0108年前的泥盆纪中期每年约为400 天，至 3.2108年前，每年约为380 天。可见海洋潮汐对海底的摩擦作用，对自然地理系统的气候和生物要素的运动节律的变化有重要影响；海洋潮汐的产生使海洋与大陆之间形成一个周期性被疏干的地带， 称为“潮间带”。它的存在成为地球上海洋生物向陆地“进军”的“滩头阵地”，促成陆地生物的发展，改变了自然地理系统的组成与结构。（二）气潮气潮对一些天气现象有重要影响。引潮力对大气层产生的潮汐作用，可使大气压力产生周期性变化。对地表而言，当月球位于天顶或天底（太阴时12 时及 0 时） ，大气密度增大，气压增高，引发大气层高潮；当太阴时为6 时
5、及 18 时，则气压降低，发生大气低潮。例如在热带地区，每日内的气压潮汐振幅可达200400Pa。气潮在高空可形成 50m/s的强风，从而影响全球高空气流。此外，月相变化引起的气潮对台风和飓风的发生有一定影响。地处地中海沿岸的古代希腊人就知道，在新月阶级常要提防暴风雨天气。美国国家大气研究中心发现，全美最严重的暴风雨多发生在新月后的13 天或望日后的 35 天内。据对 18911968年出现于大西洋和太平洋上的1000多个飓风、台风和 2000多个热带风暴的统计分析，发现其生成于朔日阶段者为最多，生成于望日者次之，上、下弦期间生成的则最少。可见在天气预报方面月相变化对气潮的影响也是一个值得考虑
6、的因素。由于气潮的存在也加强了大气圈内的物质循环，使天气变化复杂化。（三）固体潮固体潮使地面发生升降变动，地面的升降幅度理论上的最大值可大于50cm，一般则在 30cm左右。固体潮在地表产生的地球物理现象主要还有重力的变化，地倾斜的变化，地面两点间距离的相对变化，以及地球自转速度的变化等。如据观测，朔望日固体潮可使地球自转速度发生振幅约1 毫秒的变化。而固体潮引起的重力和地形的变化，影响地壳运动的平衡，对地震的发生有一定联系。如我国华北与渤海地区，自1068年至 1976年间，六级以上地震有80%以上发生在朔、望日前后，故不排除有固体潮的影响因素。二、太阳辐射能在自然地理系统中的作用（一）太阳
7、辐射能的意义太阳不断地向宇宙空间以电磁波的形式辐射巨大的能量，到达地球外界的太阳能每年为 5.5261024J。虽然这部分能量只占太阳总辐射能的1/2210-8，但对于地球自然地理系统而言却是极其重要的能量。与其它进入自然地理系统的能量相比，太阳辐精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页射几乎成为使地球自然地理系统内所有地理过程得以运行的全部能源。据能量守恒定律，进入地球范围的太阳能在地表和大气中作如下分配，对太阳能在地一气系统中的分配有多种估算值，今取其一：以到达地球大气层顶的太阳辐射能为 100%，其中， 37%被大气
8、中的云、尘埃物质和地面直接反射回宇宙空间（反射量分别为 27%、7%和 3%） ；63%被大气层和地面吸收（大气吸收20%，地面海洋和陆地吸收 43%） 。可见被直接反射回太空间的37%的太阳能未能为地球所利用， 而为大气和地表所吸收的63%太阳能，便为自然地理系统的各组成部分所吸收、流通、转化，成为驱动全部自然地理过程的根本动力。在能量的收支平衡上，以短波辐射输入的63%的太阳能除极少的一部分（约1%）被转化成有机能源而固定于地表和地壳中外，其余将以长波热辐射方式输出地球外部空间，以达收支平衡，这也是地气系统的温度多年基本保持不变的原因。但是，地表与大气所接受的短波太阳总辐射能和以长波辐射输
9、出地球的热能，在地球表面的分布是不均匀的。总的表现为在赤道和热带地区收入的（吸收的）辐射能大于输出（支出）的辐射能，属于能量盈余地区；中、高纬度地区则为地面输出辐射能大于输入的辐射能，属于太阳能量亏损地区；在南、北半球南、北纬3040度之间地面，则是太阳能收支量相等的地区（图7） 。这便是大家已知的太阳辐射平衡（或净辐射）的地理分布差异特征（表1） 。由于低纬与高纬地区间净辐射的分布差异，形成经向热力梯度，中低纬度地区的热能向高纬地区输送，称之为“经向热运动” 。由表 2 可见，年经向热输送量以在中纬地带为最大。除经向热运动之外，海陆之间也形成周期性转换方向的热力梯度。热力梯度转化成压力梯度，
10、驱使形成不同规模的大气环流，对于全球能量调整和区域性热量平衡起着十分重要的作用。此外，地面热辐射通过水分蒸发和蒸腾，转化为汽化潜热，引起地球上水体的三相变化及循环；热力作用使地表岩石发生机械风化作用，为土壤的形成提供成土母质，并在水流和气流作用下参与到地质循环之中；在有机界太阳能换转为生物化学能。植物光合作用每合成1mol 的碳水化合物要消耗2.805105J 的太阳能，这些能量以化学潜能形式固定在植物体内， 每年生成 1.510112.01011t 干有机物质， 作为第一性生产物质为动物界提供初级能量，最后通过食物链、腐烂链完成太阳能的生物循环过程。总之，太阳辐射能输入自然地理系统，不仅为自
11、然地理过程提供了基本动力，也是形成自然地理系统整体性、差异性和动态性三大特征的能量源泉。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页三、太阳总辐射的气候计算法太阳总辐射值表示着全球或某一区域能量总输入的大小，该值对农业生产的光能利用有直接的影响，因此，对于分析区域自然地理环境特征有一定的实在意义。通常该值的获取是通过建立辐射观测站用器测方法完成的。但在一般条件下，辐射观测站点终究是有限的，故多数情况下可用气候计算法求算。我们已知，太阳总辐射值为到达地表水平面的直接辐射与大气散射辐射之和。在气候学计算上一般采用经验公式：Q=S0
12、（a+bNn）式中：oS当地碧空条件下的天文辐射值（cal/cm2day） ；Nn当地日照百分数， n实际日照时数（ h/day） ；N可日照时数（ h/day） ；a、b为待定系数， a 与大气散射状况、地表反射性质有关；b 与大气透明度有关。对于 S0的取值可用天文辐射年变程曲线内插求得（即以每月15 日天文辐射日总量代表月平均值），或按以下天文辐射日总量公式计算。S0=20TI（00sincoscossinsin）式中： T周期长度，取一天的长度，即1440分；I0太阳常数，取1.95 卡/厘米2分；任意时刻以天文单位表示的日地距离，在 0.98331.0167天文单位之间取值；0、分别
13、为当地日出日没时角、地理纬度和赤纬。注：以上数值均可由天文年历中查得。英国气象学家彭曼（ H.L.Penman）提出的总辐射计算公式为：Q=S0（0.18+0.55Nn）我国根据 1957年全国建立的 26个日辐射站于 19581959年两年逐旬实测太阳辐射值，建立 Q/S0n/N 线性回归方程，利用最小二乘法求得待定系数a、b，将全国分为八个区，每区分为四季，共计32 组 a、b 值及其相关系数 r 列入下表（表 3） ，以供精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页利用 Q 值经验公式计算我国各地的太阳总辐射。四、自然地
14、理系统中能量状态方程的一般表达式我们已知系统内各要素之间的相互联系是其整体性形成的重要原因，这种相互联系则是通过能量流、物质流、信息流在系统内各部分之间的流通维系来实现的。在自然地理系统中，能量的输入、流通与输出是系统分析的重要内容之一。能量在自然地理系统中传输的一般动态模型通常用一组方程表示，这类方程称为状态方程（组）。对能量在系统内外的传输过程先用一个流通状态框图表示参见图8。据初设条件知各f 值为常量，所以上述各方程皆为一阶常系数多元微分方程，组成线性方程组。这种矩阵通式最早是由莱斯利（Leslie）于 1945 年研究生态系统时提出的状态方程通式。这一例子是将系统论应用于自然地理系统研
15、究中的基本模式。它可将系统中的“能量流”、 “物质流”随时间演变的动态表示出来。为此需要通过实地调查、实验观测以及理论分析等方法确定系统内各部分的流通率等具体数值，才能通过电子计算机进行计算，这是自然地理系统分析中的一个十分复杂和关键的问题。物质与能量一旦进入系统，即在各亚系统之间作连续流动，甚至进行复杂的反馈，直至最后输出系统。其流通过程不能中断，也不允许在某个环节上阻塞，否则即破坏系统的整体性，导致整个系统崩溃。思考题、讨论题、作业教学后记太阳辐射的计算方法对学生来说有一定的难度，能否更容易一点？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页