地球概论第三章.ppt

第三章地球的运动 第六节地球的自转地球自转及证明傅科摆特征 摆长 锤重 持续时间长偏转方向 北半球右偏 南半球左偏偏转速度 因纬度而异 d dt 15 sin 时 傅科摆的特点是绳长 锤重 使摆动能持续较长时间 并在沙盘上留下摆动的轨迹 图3 1傅科摆示意图 图3 2傅科摆偏转速度 图3 3在两极 傅科摆偏转最快 与地球自转角速度相同 在赤道 偏转速度为零 地球自转的规律性一 地轴和极移 极移是地极的移动 不涉及天极在天球上位置的变化 进动造成天极的移动 不涉及地极在地面上的位置的变化 图3 4极移与进动的比较 二 地轴进动地轴的一种圆锥运动圆锥轴垂直于轨道平面 指向黄极 圆锥半径23 黄赤交角 方向向西 与地球自转和公转方向相反 速度每年50 周期25800年 图3 5左 陀螺的进动 向东 右 地球的进动 向西 地轴进动的原因地球形状 黄赤交角 地球自转 图3 6力矩M1 M2 合力矩使地轴趋近黄轴 地轴进动的表现天极周期性运动 北极星变迁 赤道面 和天赤道 的系统的变化 二分点沿黄道西移 交点退行 使回归年小于恒星年 我国古称 岁差 太阳巡天一周 有别于季节上的一周岁 差值为20 春分点西移 赤道坐标系中 恒星赤经和赤纬都缓慢而持续变化 黄道坐标系中 春分点沿黄道西移 恒星黄经持续变化 黄纬不变 三 地球自转的周期恒星日 同一恒星连续两次在同地中天的时间 地球自转的真正周期 有细微差别 23小时56分恒星日是同恒星时 春分点的时角 相联系的 天文学以春分点定义恒星日 太阳日 太阳连续两次在同地中天时间24小时00分太阴日 月球连续两次在同地中天时间24小时50分太阳日和太阴日不同 二者具有不同的速度 在一个恒星日内 地球自转360 在一个太阳日内 地球公转59 自转360 59 这59 的差值是地球公转造成的 使太阳日比恒星日约长4分 图3 9 A 恒星日与太阳日比较 在一个恒星日内 地球自转360 在一个太阴日内 月球公转31 38 地球自转373 38 这13 38 的差值是月球公转造成的 使太阴日比恒星日长约54分 图3 9 B 恒星日与太阴日比较 四 真 视 太阳日与平太阳日视太阳日长度的季节变化太阳每日赤经差真 视 太阳日 太阳日不同于恒星日 在于太阳每日赤经差因季节而变化 平太阳日 真太阳日的全年平均值 作为时间单位 太阳周年运动向东 赤经逐日递增 中天时刻逐减推迟 连续两次中天的时间间隔增长 因而太阳日大于恒星日 太阳每日赤经差因季节而异 视太阳长度有季节变化 太阳每日赤经差季节变化的主要原因是黄赤交角同样的黄经差造成不同的赤经差 第二赤道坐标系与黄道坐标系有共同原点 春分点 因基圈不同 黄经不同于赤经 冬夏二至 黄赤二道平行 赤经差最大 视太阳日最长 春秋二分 二道交角最大 赤经差最小 视太阳日最短 赤经差变化的次要原因是椭圆轨道造成太阳每日黄经差本身的变化 由于日地距离的变化 地球公转速度的不等 近日点变化最快 视太阳日较长 远日点变化最慢 视太阳日较短 真太阳日长度受到黄赤交角和椭圆轨道两个因素的作用和干扰真太阳日长度变化 二至最长 二分最短 冬至略长于夏至 最长的视太阳日在冬至后 秋分短于春分 最短的视太阳日在秋分前 地球自转速度演示 五 地球自转速度角速度 15 h线速度 V0 2 R T 465m sV V0cos V0为赤道上的线速度V 为纬度 上的线速度T s为地球自转周期R m为赤道半径 地球自转的后果 一 不同天体的周日运动恒星周日运动的路线 周日圈 即各自所在的赤纬圈 都以南北天极为不动的中心天和地的关系 犹如球面和球心的关系 周日运动的方向应同地球自转方向相反恒星周日运动的周期和速度 如实反映了地球自转的周期和它的角速度 二 不同纬度的周日运动恒显星 恒显区和恒显圈恒显星 在北半球看来 天北极周围恒星永不落地平 这部分周日圈全部位于地平以上的恒星 恒隐星 天南极周围恒星永不升起南方地平 这部分周日圈全部位于地平以下的恒星 出没星 介于上述两部分星区之间的恒星 有东升西落 这部分周日圈与地平圈相交的恒星 图3 14不同纬度的天球周日运动 左 在北极 只有恒显星和恒隐星 而无出没星 周日圈平行于地平圈 中 在赤道 只有出没星 而无恒显星和恒隐星 周日圈垂直于地平圈 右 在北半球某纬度 南北天极周围有恒显星和恒隐星 天赤道南北是出没星 北天恒星在地平以上的时间较长 南天恒星反之 周日圈倾斜与地平圈 倾角为当地余纬 90 恒显星区 恒显星在天球上的赤纬范围 恒显圈 恒显星区的界线 即在北点与地平圈相切的赤纬圈 纬度越高 恒显 隐 星区愈大 出没星区愈小 周日圈与地平的交角愈小 纬度越低 恒显 隐 区愈小 出没区愈大 周日圈与地平的交角愈大 恒显 隐 圈的仰 俯 极距 出没星区宽度 2 90 周日圈与地平交角 90 三 水平运动偏转偏转方向 北半球偏右 南半球偏左科里奥利力 地转偏向力 F V m sin 科里奥利力只改变运动方向 不改变速率影响地球大气环流 对形成行星风带 天气系统和洋流有重要作用 第七节地球的公转 地球公转及其证明一 恒星周年视差恒星年视差地球轨道位置对恒星视位置的影响 当日地连线垂直星地连线时 视差位移达最大值 每年二次 为该恒星年视差大小 恒星愈远 其年视差愈小 比邻星年视差为0 76 恒星年视差的角秒值 与恒星距离的秒差距互为倒数 D 二 光行差光行差是地球轨道速度对于光速的影响 地球向某一恒星接近 在相互关系上 也可以看作该恒星向地球接近在地球上的观测者看来 来自恒星的光线 既以每秒300000千米的速率投向地球 同时 又以每秒30千米的速率作平行于轨道面的运动 这样 地球上所看到的星光的视方向 实际上是这两种运动的合成方向 因而不同于星光的真方向 视方向与真方向之间存在着一定的偏离 这就是恒星的光行差位移 雨中奔跑的行人 跑得愈快 雨伞愈应向前方倾斜 与此类似的 地球的轨道速度 30km s星光光速 V 300000km s则 tan 30 300000 0 0001 20 47 这个角度为光行差常数 图3 18光行差与雨行差示意图 图3 19光行差椭圆 地球公转以一年为周期 恒星视位置绕转其真位置也以一年为周期 恒星视位置的绕转路线 被叫做光行差轨道 其形状则因恒星的黄纬而不同 在南北黄极 光行差轨道是半径为20 的椭圆 与地球轨道形状相同 在黄道上 变成长度为20 2的一段直线 在其他黄纬 光行差轨道都是半长轴为20的椭圆 愈近黄极 椭圆扁率愈小 愈近黄道 椭圆扁率愈大 年视差和光行差比较黄纬愈高 年视差椭圆的偏心率愈小 恒星年视差沿轨道半径方向偏离其平均位置 恒星光行差则沿轨道切线方向偏离其真位置 多普勒效应地球轨道速度对星光频率的影响 图3 21地球与地球共转轨道面的交角 66 34 地球公转的规律性一 地球轨道轨道形状 椭圆轨道半长轴 a 149600000km 轨道半短轴 b 149580000km 半焦距 c 2500000km 周长 l 940000000km 偏心率 e 0 016 扁率 f 7000 太阳在轨道中的位置 两焦点之一近日点 地球一月初经过 147100000km 远日点 地球七月初经过 152100000km 图3 22地球的近日点和远日点 图3 23地球的轨道面 二 黄赤交角 三 地球公转周期恒星年 以恒星为参考点 无明显自行 365 2564日回归年 以春分点为参考点 每年西移50 小于恒星年 365 2422日近点年 以近日点为参考点 每年东移11 大于恒星年 365 2596日交点年 以黄白交点为参考点 每年西移20 小于恒星年 346 6200日 四 地球公转速度角速度 平均每日59 因距离而变化 线速度 平均每秒30km 因距离而变化 面速度 不变 开普勒第二定律 一 恒星周年视差二 太阳周年运动二十四气十二宫二分点 二至点 地球公转后果 三 行星同太阳的会合运动会合周期 设E P分别表示地球和行星的周期 S为会合周期 便有 360 S 360 3 360 S 3 代入 1 消去 整理后 得 1 S 1 P 1 E同理 地外行星则有 1 S 1 E 1 P 周期相差愈大 会合周期愈短 反之 则愈长 行星同太阳相对位置的变化地内行星 上合 下合和东西大距 地外行星 合日 冲日和东西方照 行星的逆行 地内行星在下合前后逆行 地外行星在冲日前后逆行 行星相对于恒星