地球在太阳系中的运动.docx

地球在太阳系中的运动-宇宙中的行星地球时间:2010-10-03 16:27 来源:未知 作者:云中雪 责任编辑:地理教师2 地球在太阳系中的运动地球在太阳系内的运动总体上具有高度稳定性，所以长期以来一直作为人类确定和记录时间的标准。昼夜更替和四季变化，人类的生活和劳动，都与地球的转动有密切关系。但人们通过持久的精密观测，发现地球的转动由于受到太阳系内不同天体的相互影响，实际上相当复杂，其地学意义很值得继续探讨。2.1 地球自转与昼夜交替（1）地理坐标系由于地球存在绕轴自转运动，人们定义地球旋转轴为地轴，地轴通过地心与地面相交的两个端点为地极，即北极和南极。通过地心而又垂直于地轴的平面与地表相交而成的圆，称为赤道。所有与地轴相垂直的面与地表相交而成不同大小的圆，称为纬线。所有纬线都与赤道平行，是地理坐标系的横轴。赤道把地球分为南、北两个半球，各有90纬度。所有通过地轴的平面，都和地球表面相交而成为同样大小的圆，称为经线圈。每个经线圈都可分为两条相差180的半圆弧，就是经线。所有经线都表示南北方向，又称子午线，是地理坐标系的纵轴。通过经线的平面，就是子午面。1884年经过国际协议，确定以通过英国伦敦当时的格林威治天文台的经线为本初子午线，代表经度的0线。由此分别划分东经和西经180经度（图1-7）。经线和纬线在地球表面交织成经纬网，地面上任何一点都在特定的经纬网交点上。因此只要获得地面上任何一点的经、纬度数据，就可以精确地测定该点的地理位置。近年国际上推广的全球定位系统（GPS）轻便的GPS接收器，利用地球人造卫星遥控技术可以直接读出仪器所在地的经纬度，精度可以达到米至厘米级，不受高山、雪原、沙漠、海洋等地理环境的影响，极大地方便了地学研究中测定地理坐标问题。（2）天球坐标系与地球的实体概念相反，天球是研究天体的视位置和视运动而引进的一个假想的圆球。天球实际上是将地球的地理坐标系扩展为以无限长为半径的球体：将地轴无限延长称为天轴，天轴与天球相交的两个点即天北极和天南极；地球赤道无限扩展与天球相交的大圆圈，就是天赤道。由于地球的自西向东自转，人们看到的则是每日太阳东升西落的现象。地球绕太阳作公转运动，太阳在天球上每年的视运动路线称为黄道，黄道面和天赤道面之间存在的夹角（2326），称为黄赤交角，黄道面法线在天球上的交点称为黄极（图1-8）。月球绕地球公转轨道在天球上的投影，称为白道，与黄道之间仅有59交角，反映月球和地球的公转轨道面相当接近。从观察者所在位置作铅垂线，向上、下延长与天球相交的点称为天顶和天底；通过地心并与上述铅垂线垂直的平面，称为地平面；地平面与天球相交而成的大圆圈，即为地平圈；连结天球两极和观察者天顶的大圆圈，为天球子午圈。天体由东往西运行经过子午圈的时间，称为中天时刻。显然，天赤道、天极在天球上的位置都是固定的；而天顶、地平圈、天球子午圈和中天时刻则随观测者所在位置不同而改变。由于存在地平圈，在北半球上，人们只能见到天北极和天顶，看不见天南极和天底。由于天球上的赤道与南北极和地球的赤道和南北极一一对应，所以天球上的赤道坐标系（又称第二赤道坐标系）的基本原理与地理坐标系非常相似，只不过在天球上的经纬度使用赤经、赤纬术语。应当说明，天文学研究中由于目的不同，还采用不同的天球坐标系，如第一赤道坐标系、黄道坐标系、地平坐标系等。（3）地球的自转地球绕地轴旋转的方向为自西向东，即从北极上空俯视呈反时针方向旋转。地球自转一周的时间单位是一日。由于观测自转周期选定的参考点不同，一日的定义和长度也略有差别。科学界习用的恒星日是距地球遥远的恒星（或春分点）连续两次通过同一子午圈的时间，代表地球自转360的真正周期，长度为23h56min04s。日常生活中昼夜交替为一日的概念，称为太阳日，是太阳连续两次通过同一地点子午圈的时间。由于地球不仅自转，还有公转，一个太阳日地球平均自转36059，所以太阳日比恒星日长3min56s（图1-9）。自转速度 有角速度和线速度两种。角速度是物体整体转动时的转动速度，单位为弧度/秒，地球自转角速度除两极点外，到处都是每个恒星日360，每转自小时约15。线速度是质点作圆周运动时的切线速度，地球上各点的自转线速度并不相同，赤道上线速度最大，为464m/s，到南北纬60处几乎减少一半，到两极则为零。（4）昼夜交替和标准时区地球自转导致不同经度地区昼夜交替的时间参差不齐，也造成同一时刻、不同经线上具有不同的地方时。地球表面每隔15经线，向东时间要提前1小时，向西则推迟1小时。例如东经116附近的北京正当上午8时，位于经线0的英国伦敦为凌晨0时（推迟8小时），东经176附近的新西兰惠灵顿已是中午12时（提前4小时）。更向东至太平洋彼岸西经124附近的加拿大温哥华则为前一日的下午16时（提前16小时）。地方时的建立符合当地日出日落自然规律和居民的生物钟自然节律，无疑是必要的。但随着近代交通、通讯事业发展以及地区和国际间交流日益频繁，需要有一种全球通用的世界时或称格林威治时间。世界时与地方时之间的换算很简单，因为各地与格林威治时间的经度差，就是本身的经度。为了在全球范围建立一个既有相对统一性，又保持一定地方性的完善时间系统，人们在地球表面按360经度划分出24个理论时区及国际日界线（图1-10）。每一时区跨经度15，并以本初子午线所在的时区为零区，向东和向西各自依次为东1区、东2区东12区及西1区、西2区西12区。每一时区的东西界线距各自中央经线均为7.5，就采用中央经线的地方时作为全区的标准时间，称为区时。各国在实际执行中根据实际国土分布和行政区划界线，对标准时区有所调整。例如中国国土自西至东跨越63个经度，包括东5区到东9区共五个时区，但现在都采用北京所在的东8区的区时作为全国统一时间，称北京时间。北京时间严格以东经120的地方时为标准，并不代表北京实际位置东经11619的地方时刻。（5）地球自转的地学意义科里奥利力 由于地球自西向东自转，在北半球沿地表运动的物体发生向右偏转，在南半球则向左偏转。事实上运动物体的运动方向按惯性原理并没有改变，只是由于地球自转，作为地表定方向的经线和纬线发生了偏转的缘故（图1-11）。这种现象由法国人科里奥利（GCoriolis）于1835年首先发现，因此称为科里奥利力（地转偏向力）。其计算公式：其中，F为科里奥利力，m为运动物体质量，v为其水平运动速度，速度和纬度的正弦成正比，相同质量和速度的运动物体，F随纬度增高而加大。科里奥利力对气团、洋流、河水的运动方向和其他许多自然现象有着明显的影响。如地球上信风带的形成、墨西哥湾暖流的偏向、北半球河流右岸冲刷加强和高纬度带河流上浮运木材多向右岸集中等。自转速度变化 人们通过长期的天文观测实践，发现天体（特别是月球）位置的观测数据总是与理论推算不相符合，由此对传统上认为的地球以均匀速度自转概念产生疑问。自20世纪20年代末出现石英钟（日差万分之一秒）以来，用以校核地球自转周期，已经证实了地球自转速度的不均匀性。地球自转速度存在长期变慢的趋势已经获得公认，已估算出在一个世纪内日长增加12ms（毫秒）。并与月球对地球的潮汐摩擦作用密切有关。地质历史中古生物化石（珊瑚、叠层石等）骨骼上保存的生长条纹反映了当时的年、日周期记录，已经发现4亿年前的古生代泥盆纪每年约有400日，6500万年前的中生代白垩纪每年约有376日，与现在一年365日相比，证明一年内的日数减少，日长增加，地球自转在减慢。地转自转速度存在周期变化的现象也已得到多方证明。由于大气环流引起的大气角动量的季节性变化，使地球自转速度出现春慢秋快的周年差异，振幅约为2025ms；由太阳潮汐和大气角动量引起的半年变化，振幅约为9ms；由月球潮汐引起的月和半月变化，振幅只有1ms。以上这些周期性变化较有规律，可以事先预报。此外，地球自转速度还存在时快时慢的不规则变化，已经通过天体观测和天文测时资料得到证实。这类变化有的相当剧烈，但成因不明，难以预报。应当指出，地球自转速度变化与地球不同圈层中出现的多种突发性事件（如极移、地震、气候变化、海洋变化等）之间可能存在广泛而深刻的联系，但其确切的成因机制尚未获得合理解释。因此，除天文学家外，地球物理、大地测量、地质、地震、气象、海洋、古生物等学科的学者，也都对地球自转变化问题发生浓厚的兴趣，已形成多学科之间大跨度交叉和渗透的重要研究方向。共4页: 上一页1234下一页参考资料: http:/www.dljs.neT2.2 地月关系（1）月球基本参数月地距离 月球是距离地球最近的天体。已经测得的月地平均距离是3844011km，约为地球半径的60倍，是日地距离的1/389。月球大小 月球的半径为1738km，约为地球半径的3/11。月球表面积约为地球的1/4，比亚洲面积略小。月球的体积仅为地球的1/49。月球质量 总质量达到7.351025g，相当地球质量的1/81.3。月球的平均密度为3.34g/cm3，相当地球密度的3/5。宇航员从月球表面采回岩石的平均密度在3g/cm3左右，反映月球上物质重力分异程度较低，内部缺乏金属核，因此几乎没有磁场。月球上的逃逸速度为2.36km/s，仅为地球的1/5左右。同样质量的物体在月球上的重量只及地球上重量的1/6。月球上无法保持大气圈和水圈，也缺乏磁层包围，无论是太阳系中的大小不等固体岩块、尘埃还是各种高能粒子流、宇宙线，都可以直接轰击月面。所以月面满布各种陨击坑（详见第二章23节）。月球是既无生命存在，也听不到声音的万籁俱寂的世界。（2）月球的旋转地-月系 月球是地球的唯一天然卫星，在太阳系所有卫星和本行星大小对比关系上，月球是最大的一个（绝对大小排名第六）。因此，有时可以把地球和月球看成是两相伴随的双行星系统，即地-月系。地-月系具有一个共同质心，其位置在地球内部，距地心4671km处，地球显然是地-月系的中心天体。月球的公转 由于地-月系的存在，月球围绕地球的公转在严格意义上是绕共同质心的旋转。地球的公转实际上也是绕日地共同质心而运动（图1-12）。月球公转的轨道是个椭圆形，所以在公转周期内存在近地点和远地点的差别。月球在轨道上运动的速度，在近地点时快，每日约15；远地点时慢，每日约11；平均每日约13.2。 月球公转周期 因计量公转周期的参考点不同，也有不同定义。最常用的有：恒星月是月球中心连续两次由西往东回到转自同一恒转自星方转自向上所经历的时间，是月球公转360的真正周期，相当于27d7h43min11.4s；朔望月是月球连续两次新月（朔）或满月（望）所经历的时间，与日常生活中一个月内的月相变化周期一致，相当29d12h44min3s。由于朔望月多旋转度（图1-13），所以比恒星月长2d5h0min51.6s。月球的自转 月球绕地球公转时，大体上以同一面向着地球。所以我们在地球上只能看到略大于半个月球（59）的本来面貌，另外一面（41）只能靠发射宇宙飞船到月球背面去探测。也反映了月球自转周期与它的公转周期相等，都是一个恒星月；月球自转和公转的方向相同，都是反时针方向的。（3）天文潮汐和地球自转速度变慢月球和太阳对地球的引力都会使地球发生周期性变形现象，称为潮汐变形。这种作用在地球流体圈层和固体圈层中都会产生影响，但以海洋的潮汐涨落表现最为突出（参见第七章32节）。海洋潮汐（tides）现象起因于天体（主要是月球）的摄引作用。地球向月突出部分（月垂点）离月球最近，受到的月球引力大于以地心所受月球引力为代表的全球平均值，这个差值导致产生面向月球的引潮力，在海面形成潮汐隆起。地球背月部分（反垂点）离月球最远，受到的月球引力小于全球平均值，产生背向月球的引潮力，在海面也形成潮汐隆起。于是海洋潮汐作用引起全球海平面变形，使地球整体由正球体变成椭球体（图1-14）。潮汐作用不仅导致海面垂直涨落，也产生自高潮区向低潮区的水平流动，称为潮流。潮流对海底的摩擦作用，称为潮汐摩擦。由于海水的粘性及海底摩擦，潮汐隆起在向西迁移过程中总是滞后于月垂点，即位于垂点以东。这种月地间引力作用偏离地球中心的现象，导致产生力矩，即月球对于地球的引力有一个向西的分量，对于自西向东自转的地球起了减速刹车作用（图1-15）。经过大量观测资料的收集和计算，潮汐摩擦能导致地球自转速度长期减慢的学说已经得到普遍承认。共4页: 上一页1234下一页参考资料: http:/www.dljs.neT2.3 地球轨道参数地球在太阳系内和其他行星共同围绕中心天体旋转，所以地球绕太阳运动称为公转。严格地说，地球公转环绕的是日地共同质心，这个中心距日心仅450km。对于具有近7105km半径的太阳来说，可以忽略不计，也可以视为地球质心围绕太阳质心的转动。地球公转方向和自转相同，也是自西向东，从北极上空鸟瞰，均呈反时针方向。（1）偏心率地球公转轨道呈椭圆形，太阳位于椭圆的二个焦点之一位置。椭圆最长直径（长轴）和最短直径（短轴）之差等于椭圆两焦点间的距离（焦点距），1/2焦点距与半长轴之比，称为偏心率（eccentricity）。地球轨道偏心率约为0.017或1/60，在类地行星中明显小于水星和火星，略大于金星，是一个相当接近正圆的椭圆形（图1-16）。地球在椭圆形轨道上公转，日地距在一年内发生周期性变化，每年1月初离太阳最近（1.741108km），称为近日点；7月初离太阳最远（1.521108km），为远日点。据开普勒定律，在单位时间内地球与太阳连线在地球轨道上扫过的面积相等。所以地球公转速度在近日点时最大（线速度30.3km/s），远日点时最小（线速度29.8km/s）。（2）黄赤交角地球公转轨道面与地轴并不垂直，其间存在约6634交角。在常见的第二赤道坐标系天球模型中，天赤道面处于水平位置，地轴垂直，与地球轨道面重合的黄道面则呈倾斜状态。黄道面与天赤道面的夹角，称为黄赤交角（图1-17），它的大小等于地轴与地球轨道面夹角的余角，约2326（2000年的精确值=232621.42）。黄道和天赤道相交的两个点，就是春分点和秋分点。黄道上距天赤道最远的两个点，就是夏至点和冬至点。由于黄赤交角的存在，太阳在天球上周年运动的同时，还表现为相对转自于天赤道的上下往复运动，称为太阳回归运动。太阳在天球上所能达到的南、北界线，称为南、北回归线。太阳沿黄道连续二次经过春分点的回归运动周期，就是回归年。太阳相对于天赤道的回归运动，使太阳光线直射的范围在南北纬2327回归线之间作周期性往返运动，从而形成地球上的春夏秋冬四季更替和气候分带现象（详见第六章52节）。（3）岁差上节介绍的黄赤交角天球模型中，如果地轴（赤道面的法线）不改变方向，春分点位置不变，回归年与恒星年应当相等。中外古代天文学家通过对大量星体位置艰苦卓绝的肉眼观察，已经发现春分点沿黄道存在由西向东逐年缓慢后退现象，我国古代将这种“岁岁有差”的现象称为岁差（precession）。岁差现象的根源是地轴发生进动。物理学中，将转动物体的转动轴环绕另一个轴作圆锥形运动，称为进动。玩具陀螺的旋转就是生动的实例。地轴的进动是太阳和月球对地球非理想球体（赤道部分稍隆起）的摄引有关。其结果引起地轴绕黄轴（地球轨道面法线）作圆锥形运动（图1-18）。在天球上，反映为北天极（地轴指向）以黄极（黄轴指向）为中心，以2326为半径的旋转，每年移动50.2786，最近的一次历时约25000年旋转一圈（岁差周期）。所以不同历史时期的北极星并非固定不变，一万多年后的北极星将由织女星（天琴座）来担任（图1-19）。地轴进动也必然影响到赤道面的变动，使天赤道与黄道的交点（春分点）在黄道上也以每年50.2786速度向西移动（交点退行）。因此，以春分点为参考点度量的回归年（365.2422平太阳日），比恒星年（365.2564平太阳日）要少0.0142日，即短20min26.9s。共4页: 上一页1234下一页参考资料: http:/www.dljs.neT2.4 星体影响和撞击事件太阳系的结构包括了不同类型星体的复杂轨道系统，它们总体上受到中心天体（太阳）引力场控制并绕其公转，实际上，其他星体反过来对中心天体及其相互之间也都存在引力影响。例如太阳活动周期性的成因与大行星对太阳的引潮力可能有关。不同星体对地球的综合引力影响，可使地球轨道参数发生周期性变化。九大行星在太阳系内的相互位置也经常调整。太阳系内有的小天体受到较大行星的引力影响，可能突然偏离原有轨道，导致星体间的猛烈碰撞。（1）米兰科维奇轨道参数相邻大行星对地球轨道的微弱摄动，可以使地球轨道扁心率和地轴斜度（黄赤交角）发生周期性变化。现在已知偏心率（e）在500万年内可发生自0.00050.0607范围的变化（现为0.0167），变化周期为10万年左右和40万年左右。e值改变引起地球上日照量的季节变化可达30，对地球表面温度有重要影响。地轴斜度（）在百万年内变化的范围为22022430（现在是232621），变化周期约4万年。值越大，一年中冬夏差异越大，对极区冰盖的发育有很大影响。岁差（p）周期约2万年左右，对赤道带的气候影响较大（图1-20）。南斯拉夫学者米兰科维奇（MMilanko-vich，1920）首先研究三个轨道要素变化和第四纪冰川成因的关系，并得出“轨道要素变化周期导致地球的夏季半年日照量减少是冰期形成主要因素”的结论。米兰科维奇的上述假说提出后，学术界一直存在争论。直到20世纪70年代获得大量地质记录中古气候变化研究成果提供的有力支持后，才成为广泛承认的米兰科维奇学说。（2）彗木撞击及启示北京时间1994年7月17日晨4时15分至22日16时期间，根据事先准确的预报（1993年5月作出，提前不到1年2个月），人类第一次抓住这次千年难逢机会，亲自目睹了宇宙间彗星与木星的猛烈撞击过程。通过全世界天文台的联合行动，利用先进仪器设备收集到大量第一手资料，对于星体撞击发生的能量和形成的物理、化学现象作出了定量估算，是天文学研究史上的一项重大进展，对于地球科学研究也极富启迪意义。1993年3月中旬，日本、智利和美国都有人开始见到天空中新出现的这个不速之客，但只有天文学家苏梅克夫妇（EShoemaker和CShoemaker）和业余天文学家利维（DLevy）这个研究集体及时予以重视，提出可能是一颗新出现的彗星，并通过E-mail进行国际学术联系。很快得到美国国立天文台等的观测证实，并按发现者名字命名为苏梅克-利维9号彗星（SL9）。因此可见，对新事物的转自敏锐性和及时运用现代通讯手段是获得科学上重大突破的必要条件。SL9原来是一颗直径约10km、质量约51011t的彗星（脏雪球），由于过分接近巨大的木星，被它捕获并撕裂，当发生撞击时已经是一组由22个较大碎块组成的“彗星列车”，首尾长达500km。因此实际上的撞击作用呈连珠炮式在近130小时内连续进行。总共释放的能量相当于20亿颗广岛原子弹爆炸，平均每秒钟达4200颗。其中，最大的碎块G（第七次撞击）直径估计不小于3.5km，撞击时相当