高中地球科學/地球表面建模
- 描述地圖可以傳達哪些資訊。
- 確定幾種主要型別的 地圖投影，並討論每種投影的優缺點。
- 討論使用地球儀的優缺點。
想象一下你正在進行公路旅行。也許你正在度假。你怎麼知道去哪裡？最有可能的是，你會使用一張地圖。地圖是地球表面特定部分的圖片。地圖有很多型別。每張地圖都提供不同的資訊。讓我們看看公路地圖，這可能是你最常用的地圖（圖 2.14）。
在地圖的左上角尋找圖例。它解釋了這張地圖如何記錄不同的特徵，並顯示了地圖上的標記代表什麼。你可以看到以下內容
- 州的邊界顯示了它的形狀。
- 黑點代表城市。每個城市都有名字。點的尺寸代表城市的規模。
- 紅線和棕色線顯示連線城市的 主要道路。
- 藍線顯示河流。他們的名字用藍色書寫。
- 藍色區域顯示湖泊和其他水路 - 墨西哥灣、比斯坎灣和奧基喬比湖。水體的名稱也用藍色書寫。
- 一條線或比例尺顯示地圖上表示的距離 - 地圖上的英寸或釐米代表一定的距離（英里或公里）。
- 圖例解釋了地圖上的其他特徵和符號。
- 雖然這張地圖沒有指南針玫瑰，但地圖的頂部是北方。
你可以使用這張地圖在佛羅里達州找到你的去處，並透過公路從一個地方到另一個地方。
除了公路地圖，還有許多其他型別的地圖。一些例子包括
- 地形圖顯示了地圖上景觀的詳細海拔。
- 地形圖顯示了區域的海拔，但通常在更大的比例尺上。地形圖可能顯示全球範圍內的地貌，而不是當地地區。
- 衛星檢視地圖顯示了地形和植被 - 森林、沙漠和山脈。
- 氣候圖顯示了平均溫度和降雨量。
- 降水圖顯示了不同區域的降雨量。
- 天氣圖顯示了風暴、氣團和鋒面。
- 雷達地圖也顯示了風暴和降雨。
- 地質圖詳細描述了該地區發現的岩石型別和位置。
- 政治地圖或地理地圖顯示了州和/或國家的輪廓和邊界。
這些只是各種地球科學家可能會使用的一些地圖型別。你可以輕鬆地將地圖放在口袋或包裡隨身攜帶。地圖易於使用，因為它們是平坦的或二維的。然而，世界是三維的。那麼，製圖師如何在平坦的紙上表示三維世界呢？讓我們看看。
地球是一個三維球體。在一個小區域，地球看起來是平坦的，因此製作一個小地方的精確地圖並不困難。當製圖師想在地球的平坦紙上繪製地圖時，他們會使用投影。你是否曾經嘗試過將剝皮的橘子的皮弄平？或者你是否曾經嘗試過將足球包成禮物送給朋友？用平坦的紙包裹圓形物體是困難的。投影是一種將地球的曲面表示在平坦紙上的方法（圖 2.15）。
有很多型別的投影。每種都使用不同的方法將三維轉換為二維。
製圖師在投影中使用兩種基本方法
- 製圖師以某種方式“切片”球體，然後將其展開以製作平坦的地圖，就像將橘子皮弄平一樣。
- 製圖師可以從某個點觀察球體，然後將此檢視轉換為平坦的紙張。
讓我們看看一些常用的投影。
1569 年，傑拉杜斯·麥卡托（1512-1594；圖 2.16）想出了一種製作我們圓形世界平坦地圖的方法，稱為麥卡托投影（圖 2.17）。想象一下用一大塊平坦的紙包裹我們圓形的、球形的地球，使其成為一個管子或圓柱體。圓柱體將接觸地球的赤道，這是一條橫向環繞地球中部的假想線，但兩極將離圓柱體更遠。如果你能從模型地球內部照射一束光到圓柱體上，你在紙上投影的影像將是麥卡托投影。你的地圖在赤道處會很準確，但靠近兩極的大陸的形狀和大小會變得更加拉伸。早期的水手和航海家發現麥卡托地圖很有用，因為當時大多數探險家都前往位於赤道附近的定居點。今天，許多世界地圖仍然使用麥卡托投影。
麥卡托投影最能描述赤道以北或以南 15 度範圍內國家的形狀和大小。例如，如果你在地球儀上看格陵蘭，你會發現它是一個靠近北極的相對較小的國家。然而，在麥卡托投影中，格陵蘭看起來幾乎和美國一樣大。格陵蘭的形狀和大小被大大增加了，而美國則更接近其真實的尺寸。在麥卡托投影中，所有羅盤方向都是直線，這使得它成為一種適合導航的地圖型別。地圖的頂部是北方，底部是南方，左側是西方，右側是東方。
然而，因為它是一個曲面的平坦地圖，地圖上的直線不是連線兩個點的最短距離。
你可以嘗試用圓錐形而不是圓柱體包裹平坦的紙張。圓錐形地圖投影使用圓錐形來更好地表示區域，使它們相等（圖 2.18）。這種型別的地圖最適合顯示圓錐形接觸地球儀的區域，這將沿著緯線，例如赤道。
也許你根本不喜歡嘗試將一塊平坦的紙包裹在一個圓形物體上。在這種情況下，你可以將一塊平坦的紙直接放在你想要繪製的地圖區域上。這種型別的地圖稱為正射投影（圖 2.19）。紙張只接觸地球的一個點，但它將很好地顯示靠近該點的國家的大小和形狀。兩極通常以這種方式對映，但它適用於你選擇的任何區域。
1963 年，亞瑟·羅賓遜製作了一幅地圖，在地形和尺寸方面看起來更好。他將座標轉換到地圖上，而不是使用數學公式。他這樣做是為了使地圖上的區域看起來更正確。這幅地圖呈橢圓形（橢圓形），而不是矩形（圖 2.20）。
羅賓遜的地圖顯示了極地附近的較少失真，並且將大陸的形狀和大小保持在接近其真實尺寸，尤其是在赤道 45 度範圍內。赤道和平行於它的線的距離是真實的，但每個緯度線的比例尺都不同。1988 年，國家地理學會採用了羅賓遜投影來繪製其所有世界地圖。
無論使用哪種地圖投影，地圖都旨在幫助我們找到位置並能夠從一個地方到達另一個地方。那麼如何在地圖上找到你的位置呢？讓我們來看看。
大多數地圖使用網格或座標系來查詢你的位置。這種網格系統有時被稱為地理座標系。該系統透過兩個數字（緯度和經度）來定義你的位置。這兩個數字都是你所處位置、地球中心和參考線之間的夾角（圖 2.21）。
 |
 |
 |
 |
 | |
| 圖 2.21：緯度線從赤道開始。經度線從本初子午線開始。 | ||
緯度線繞地球環繞。赤道是地球中間的一條緯度線，與北極和南極的距離相同。在網格中，你的緯度告訴你你距離赤道的南北距離。經度線是繞地球從極點到極點的圓圈，就像橙子的切片一樣。經度線從本初子午線開始，本初子午線是一個從北到南執行的圓圈，穿過英國格林尼治。經度告訴你你距離本初子午線的東或西距離。你可以透過做跳躍來記住緯度和經度。當你的手舉過頭頂，雙腳併攏時，說經度（你的身體很長！），然後當你水平地將手臂伸出時，說緯度（你的頭部和手臂形成一個十字，就像緯度的“t”）。當你跳躍時，你的手臂與這些網格線的方向相同；緯度水平，經度垂直。
如果你知道某個地方的緯度和經度，你就可以在地圖上找到它。只需將一根手指放在地圖垂直軸上的緯度上。將另一根手指放在地圖水平軸上的經度上。沿著緯度和經度線移動你的手指，直到它們相遇。例如，如果你想找到的位置在北緯 30 度和西經 90 度，將你的右手指放在地圖右側的北緯 30 度處（圖 2.22）。將你的左手指放在底部的西經 90 度處。沿著這些線移動它們，直到它們相遇。你的位置應該靠近美國墨西哥灣沿岸的美國路易斯安那州新奧爾良。此外，如果你知道你在地圖上的位置，你可以反向操作來找到你的緯度和經度。
你還可以使用另一種型別的座標系從一個地方到另一個地方，那就是極座標系。在這裡，你的位置用一個角度和一個距離從某個參考點來標記。這個角度通常是你的位置、參考點和指向北方的線之間的角度。另一個數字是以米或公里為單位的距離。為了找到你的位置或從一個地方移動到另一個地方，你需要一張地圖、一個指南針和一些測量距離的方法，比如測距儀。假設你需要從你的位置前往一個標記，該標記位於你的當前位置的東經 20 度和 500 米處。你必須執行以下操作
- 使用地圖上的指南針和羅盤玫瑰將你的地圖與北方對齊。
- 使用指南針找到東經 20 度的方向。
- 向那個方向走 500 米到達目的地。
極座標最常用於一項叫做定向越野的運動。在這裡，你使用指南針和地圖穿過野外地形找到你的路線（圖 2.23）。你穿過地形到達路線上的各個檢查點。你以最快的速度完成路線到達終點線就能獲勝。
地球儀是製作地球全圖的最佳方式，因為地球是球體，地球儀也是球體。由於地球和地球儀都有彎曲的表面，因此國家的大小和形狀不會失真，距離也按比例真實（圖 2.24）。
地球儀通常有地理座標系和比例尺。地球儀上兩點之間的最短距離是連線它們的弧線（圓形的一部分）的長度。儘管精度很高，但地球儀很難製作和攜帶。它們也不能放大以顯示任何特定區域的細節。Google 地球是一個很酷的程式，可以下載到你的電腦上。這是一個你可以點選的連結：http://earth.google.com/download-earth.html。該程式中的地圖允許你放大或縮小、從上方檢視、傾斜影像等等。
- 地圖和地球儀是地球表面的模型。將地球的三維表面投影到平面地圖上有很多方法。每種地圖型別都有一些優點和缺點。
- 大多數地圖使用地理座標系來幫助你使用緯度和經度找到你的位置。
- 地球儀是最準確的表示方式，因為它們像地球一樣圓形，但不能輕易攜帶。地球儀也不能顯示地圖可以顯示的地球表面的細節。
- 以下哪一項最準確地表示了地球表面的距離和形狀？
- 墨卡託投影地圖
- 羅賓遜投影地圖
- 地球儀
- 解釋緯度和經度的區別。
- （使用圖 2.25。）如果你位於北緯 60 度和西經 120 度，你位於哪個國家？
- 哪種地圖投影最適合導航，尤其是在赤道附近？解釋。
- 在許多情況下，地圖比地球儀更有用。為什麼？
- 以下哪種地圖投影在極地周圍的失真最小？
- 墨卡託投影地圖
- 羅賓遜投影地圖
- 圓錐投影
- 圓錐地圖投影
- 將地球的三維表面投影到包裹在地球周圍的圓錐體上的地圖投影。
- 座標系
- 網格中用於定位特定點的數字。
- 正射投影
- 將地球的三維表面投影到只接觸地球一個點的平面紙上的地圖投影。
- 緯度
- 平行於赤道（緯度 0 度）繪製在圍繞地球的水平假想線。
- 經度
- 繪製在圍繞地球從極點到極點的垂直假想線；本初子午線是經度 0 度。
- 地圖
- 地球表面的二維表示。
- 墨卡託投影
- 墨卡託發明的二維投影，使用包裹在地球周圍的圓柱體。
- 投影
- 一種將三維表面在二維中失真和/或表示的方法。
- 想象你是一名飛行員，必須從紐約飛往巴黎。使用地球儀和世界地圖執行以下操作
- 在地球儀上繪製你從紐約到巴黎的航線。使其成為最短的距離。
- 使用比例尺、尺子和繩子測量距離。
- 將地球儀上的航線繪製到世界地圖上。
- 在地圖上繪製一條連線紐約和巴黎的線。
- 地球儀上的航線與地圖上的線如何比較？哪個距離最短？寫一段簡短的文字描述差異並解釋它們為何不同。
- 如果你要去探索南極洲，你會選擇使用墨卡託投影的地圖嗎？解釋為什麼這不是一個好的選擇。什麼其他型別的地圖會更好？
- 地圖使用比例尺，這意味著地圖上的特定距離等於地球上更大的距離。為什麼地圖要按比例繪製？如果地圖不使用比例尺，你會遇到哪些問題？