地球的自传华锐学院

第六讲地球的自转,一、地球自转及其证据（一）地球自转的发现,天体的周日运动,哥白尼伽利略,上中天,下中天,日月星辰以日为周期在天球上绕地球自东向西运动的现象,（二）地球自转地球自转就是地球本身的旋转。它的旋转轴叫地轴，地轴通过地球的中心，所以，地球的这种绕轴旋转被称为“自”转，以别于它绕太阳的公转。,北极,南极,地球自转方向,自西向东（侧视）逆时针（北极上空俯视）逆时针（北极上空俯视）,地球自转的方向：在北半球看起来呈逆时针方向（南半球反之），这样的方向被叫做向东。,从高处下落的物体，并不垂直的降落到地面点，而是稍稍偏向东方的点。,原因：,（三）地球自转证据一落体偏东,原理,惯性使摆的摆动方向超然于地球自转。,证据二傅科摆偏转,悬挂于大厅的傅科摆,傅科摆的特点,特殊的悬挂装置长摆绳67m重摆锤27Kg刻有度数的圆盘下方为直径6m的沙盘,1851年，傅科在巴黎万神庙用单摆成功的作了一次著名的实验，用以证明地球自转。,傅科摆实验,万神庙外观,他根据地球自转的理论，提出除地球赤道以外的其他地方，单摆的振动面会发生旋转的现象。他将单摆悬挂在巴黎万神殿圆屋顶的中央，使它可以在任何方向自由摆动。下面放有直径6m的沙盘和启动栓。如果地球没有自转，则摆的振动面将保持不变；如果地球在不停地自转，则摆的振动面在地球上的人看来将发生转动。,傅科摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹，在直径6m的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约3mm。“地球真的是在转动啊”，有的人不禁发出了这样的感慨。,地球真的在转动！,傅科摆实验宜在高纬度地带进行。如下图所示，在北极，朝着某个恒星方向摆动的摆，会追随这颗恒星作周日运动，每小时偏转15。这一事实表明，摆动面始终保持在恒星的方向，而它同经线方向之间的关系则发生了变化。它生动地证明：地球按逆时针方向（向东）旋转。,理论和实验证明，傅科摆偏转的方向，因南北半球而不同：北半球右偏，南半球左偏。偏转的速度，则与纬度的正弦成正比。傅科摆摆动平面的偏转角度，因所在地的纬度而不同，其规律符合公式：D=sin15/hD：摆动偏转速度（偏转角/小时）：摆动所在地纬度，纬度越高，摆动偏转速度越大。利用该公式，计算可得：赤道：=0，sin=0，D=0，傅科摆不发生偏转；两极：=90，sin=1，D=15/h，偏转量最大，等于地球自转速度；南北纬30：=30，sin=1/2，D=7.5/h，偏转量是两极的一半。,傅科摆偏转速度,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。,150年前傅科摆实验所用的沙盘和标尺,现仍保存于巴黎万神庙大厅。,证据三两极扁缩,赤道半径6378km极半径6357km,地球的赤道半径和极半径,二、地球自转的规律性地球自转是地球相对于地轴的旋转。南北两极在地面上的位置，可用来表示地轴在地球内部的位置；南北天极在天球上的位置，可用来表示地轴在宇宙空间的位置。地轴在地面上通过哪里，那里就是南北两极；地轴在天球上指向哪里，那里就是南北天极。,无论是地球上的南北两极，还是天球上的南北天极，都是由地轴的位置决定的。,南北两极在地面上的位置和南北天极在天球上的位置，都不是一成不变的。换言之，地轴在地球内部的位置和它在宇宙空间的位置，都是在变化着的。值得指出的是，上述的变化是两种不同的运动极移和进动。它容易使人们造成混淆。,地轴和极移,S,P,P,N,（一）极移南北两极在地面上的移动，叫做极移。是整个地球相对于地轴的运动而造成的，地球自转轴在地球本体内的相对运动。极移造成了南北两极在地面位置的变化，在这个过程中，地轴被认为是不动的。这种位移的幅度很小，一般不超过0.5，或15米，但却是一种极其复杂的运动。它包含多种周期性因素：其中主要的一种是以14个月为周期；另一种是以1年为周期。此外，还有比较次要的长期变化和短期变化。,右图是19681974年的极移轨迹，极移的轨迹是连续不断的圆圈，大体上反映出一种周期性运动。圆圈的大小不一，这表明各种因素相互干扰；每一年的轨迹都不是完整的一个圆圈，因为它的主要周期超过一年。,极移的结果引起各地纬度和经度的微小变化。反过来，人们正是通过对各地纬度和经度变化的观测，来研究极移的状况。极移是研究地球自转的一个重要内容，极移机制的外部因素包括日、月引力及大气和海洋的作用，其内部因素则涉及地球内部结构及各种理论模型。因此，极移研究与气象学、海洋学、地球物理学、地质学等地学学科有密切的关系。,（二）地轴进动“进动”本为物理学名词，一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称为进动。地轴的进动指的是地轴绕黄轴的圆锥形运动。这种运动叫，又叫岁差。,我国古代天文学文献中，有一个词义截然相反的名称，叫交点退行。指的是地轴的进动。,地轴的进动,左：陀螺的进动（向东）右：地球的进动（向西）,陀螺的进动,地轴以25800年为周期，以黄赤交角为角半径绕黄轴自东向西的旋转运动,速度：50.29/年,地轴,黄轴,地轴进动,地轴进动归纳如下：进动方向：向西，同地球自转（和公转）方向相反。“退行”就是这个意思进动速度：每年西旋50.29（36025800年）进动周期：25800年进动轨迹：是个圆锥面，圆锥半径2326绕转轴：黄极k进动的因素：地球形状、地球自转、黄赤交角进动造成后果：造成的变化：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）。,北极星随天北极移动而变迁,地轴进动造成的变化：,如图所示：公元前3000年，天龙座的星（中名天枢）是北极星；现代，小熊星座的星（中名勾陈一）是北极星；到公元7500年，仙王座的星（中名天钩五）是北极星；到公元13600年，天琴座的星（中名织女星）是北极星。,K,P,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。,春分点西移,地轴进动造成的变化：,地轴进动造成的变化：,二分点沿黄道西移（交点退行）,由于交点退行（西移），使以春分点为参考点度量的回归年，略短于恒星年。这样，太阳巡行一周天，有别于季节上的一周岁，其差值约为20分。我国古时把地轴进动（或交点退行）的这种表现，称为岁差，意即岁岁微差。,P,进动的原因：地球进动的原因与地球的形状、黄赤交角和地球自转有关。,地球的形状扁球体附加引力黄赤交角促使天轴向黄轴靠拢地球的自转惯性力图保持地轴的空间指向,假如把地球分为三部分，如图所示，虚线部分是个圆球，其质量都集中在地球中心O，由于地球自转，赤道部分由于自转的惯性离心力的作用，形成环形隆起。这样月球会对环形隆起产生附加的引力。,C1和C2是赤道上多余物质的质量重心。为了使讨论简化，我们假定月球位于黄道面上。显然，月球对较近部分C1的引力P1比对较远部分C2的引力P2要大些。P1将产生一个以O为中心的力矩M1，它使地轴和黄轴相重合；P2也要产生一个力矩M2，它使地轴倒向黄道面。但是，因为P1大于P2，并且C1O=C2O，所以M1M2，这样就得到一个合力矩M1-M2。如果没有地球自转运动，则这个合力矩就使地轴和黄轴相重合。然而地球有自转运动，地球自转产生的抗力使自转轴保持倾角不变，使地球朝着垂直于合力矩的方向移动，这就产生了地轴的进动。,不仅月球对地球的作用力矩使地轴发生进动，同样，太阳对地球的作用力矩也会使地轴发生进动，但是，因为月球离地球比太阳离地球近得多，所以在地轴进动上，月球的引力作用要比太阳大得多。按理，其他行星也都因对地球有作用力矩，但是，因为它们离地球较远，质量又较小，以至他们的作用力矩在实际上对地球不起任何作用。因此，可以得出结论：地轴的进动首先是月球，其次是太阳对地球赤道隆起部分产生的力矩造成的。没有地球的自转运动，地轴的进动是不可能发生的。因此，地轴的进动也可作为地球自转运动的一个证明。,极移和进动的区别：极移和进动都是地球自转轴的运动，但运动形式、运动周期和运动结果却迥然不同。极移是在不受外力作用下，自转轴在地球体内的自由摆动。运动轨迹很复杂，是条弯曲的非闭合曲线。主要周期是近14个月的张德勒周期。极移是地球本体相对于自转轴的运动造成的。因此，极移不改变天极和天赤道在恒星间的位置，对天体的赤道坐标和黄道坐标没有影响，只能使地理坐标产生微小的变动。,进动是在外力矩作用下，自转轴在空间的受迫运动，天极围绕着黄极，以2326为半径做圆周运动，方向向西，周期为25800年。天极的运动是真实的运动，遂使天极、天赤道和春分点在恒星间的位置不固定。结果，回归年的长度短于恒星年，天体的赤经、赤纬和黄经都要受到影响，但却不能改变地理经度和地理纬度。,极移与进动的区别,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,（三）地球自转的周期笼统的说，地球自转的周期是1日。为了计量地球自转周期，必须在地球之外选定参考点。根据天球上不同的参考点（恒星、太阳、月球）计量的地球自转周期，其长度是不同的。因此，就有各种不同的日恒星日、太阳日和太阴日。通常所说的1日（一昼夜）是指太阳日。,某恒星连续两次通过某地上中天的时间间隔。也就是恒星（或春分点）连续两次由东向西通过同一子午圈的时间间隔（地球自转的真正周期，但有细微差别）1恒星日23小时56分,1、恒星日,太阳连续两次在同地中天的周期，也就是太阳中心连续两次由东向西通过同一子午圈的时间间隔。1太阳日24小时（平均长度）,2、太阳日,太阳日是昼夜交替的周期，是人们日常生活中使用的日，由于太阳的周年运动，太阳每天在天球上向东走59，地球上同一方向在追赶太阳的过程中，自转一圈后还要再转59才能赶上太阳。,3、太阴日,月球连续两次在同地中天所经历的时间，也就是月球中心连续两次由东向西通过同一子午圈的时间间隔。1太阴日24小时50分（平均长度）,太阴日是地面潮汐涨落的周期，它比太阳日长52分，这是由于月球绕地球公转造成的，月球自西向东绕地球旋转，周期为一个恒星月27.3217日，也就是每个太阳日向东转1310，每个太阴日向东转1338，这样在一个太阴日期间，地球自转的角度不是360，而是37338，地球上同一位置在追赶月亮的过程中，自转一圈后还要再转1338才能赶上太阳。,一恒星日，地球自转360，一太阳日，地球公转59，自转36059。太阳日比恒星日约长4分钟。,恒星日与太阳日比较,恒星日与太阴日的区别,在1太阴日中，地球自转了37338太阴日比恒星日长54分钟，比太阳日长50分钟,恒星日与太阴日比较,三种周期的比较,问题？每天长度（太阳日）都一样（24hr）吗？,（四）真（视）太阳日与平太阳日真（视）太阳日：因季节而变化的太阳日。平太阳日：真太阳日的全年平均值（24hrs，作为时间单位）,为什么真实的太阳日长度每天不同？,1、太阳日以太阳为参照物，因地球公转速度不均（椭圆轨道），每天向东进的距离不一样，我们所见的太阳每天东进（黄经增加）的速度也不一样。近日点快，远日点慢。2、即使太阳每天东进（黄经增加）是均匀的，但时间的计算是以太阳的时角（或赤经）度量的。由于黄赤交角的存在，黄经增加相同并不代表赤经增加也一样。,太阳每日赤经差因季节而异，视太阳日长度有季节变化。,太阳每日赤经差季节变化的原因：,主要原因黄赤交角我们先假设太阳周年运动的速度是均匀的。由于太阳周年运动的路线是黄道，所以太阳日的长短与周日黄经差有关系，太阳每日黄经差因季节而变化，而直接影响太阳日长短的则是黄经差所引起的赤经差（因为太阳日是地球围绕地轴旋转连续两次经过太阳中天，反映的是赤径的变化，太阳的周年运动反映在黄经的变化上，但太阳日还是由地球的自转来度量的），每日赤经差越大，太阳日便越长。,由于第二赤道坐标系的基圈与黄道坐标系的基圈不同，因此，同样的黄经差有不同的赤经差。具体差异与黄赤道交角有关。,P,P,K,K,天赤道,黄道,P,P,K,K,g,天赤道,黄道,全年极小值：春秋二分（天赤道与黄道交角最大，2326）每日赤经差：59-5=54，太阳日时间减少21秒。全年极大值：冬夏二至（天赤道与黄道平行）每日赤经差：59+5=64，太阳日时间增加21秒。,也就是说，即使每日的黄经差是均匀的，即太阳周年运动是均匀的，每日赤经差也是不均匀的，由于不同季节黄赤交角的存在，造成了赤经差的周年变化。那么如果只考虑黄赤交角，一年中最长的真太阳日在冬夏二至，24时0分21秒，最短的真太阳日在春秋二分，23时59分39秒。,黄赤交角与视太阳日长度,次要原因椭圆轨道由于地球的公转轨道是椭圆，日地距离的变化使地球在轨道上不同位置，公转速度不等，也就造成了太阳周年运动速度的不均匀。这就造成了太阳黄经差本身的周年变化。,椭圆轨道（公转速度）与视太阳日长度,全年最大：近日点（1月初），地球公转速度最快每日黄经差=592=61，相应的赤经差增加2，真太阳日增加8秒全年最小：远日点（7月初），地球公转速度最慢每日黄经差=592=57，相应的赤经差减少2，真太阳日减少8秒,如果椭圆轨道是真太阳日长度变化的唯一原因，那么，一年中最长的真太阳日在1月初，长度：24时0分8秒，一年中最短的真太阳日在7月初，长度：23时59分52秒。,1月2日视午1月1日视午4月2日视午4月1日视午7月2日视午7月1日视午（a）视太阳日平太阳日（a）视太阳日平太阳日（a）视太阳日平太阳日,（a）一月初，地球近近日点，太阳每日赤经差达极大值（61），视太阳日最长。（b）四月初，太阳每日赤经差为全年平均值（59），视太阳日=平太阳日。（c）七月初，地球近远日点，太阳每日赤经差达极小值（57），视太阳日最短。,椭圆轨道与视太阳日长度,综上所述，影响太阳每日赤经差季节变化的因素是黄赤交角和椭圆公转轨道，黄赤交角是主要影响因素，影响真太阳长度的变化为21秒；椭圆轨道的影响为8秒。所以，在两个因素叠加作用下，真太阳日长度变化在二至日最长，其中冬至（发生在冬至前后，12月23日）略长于夏至；二分时最短，秋分（发生于秋分前，9月17日）比春分略短，最大、最小相差约50秒。,视太阳日长度的周年变化,点线为长度因黄赤交角而发生的变化，虚线为视太阳日长度因日地距离而发生的变化，实线表示二者的叠加，主极大在冬至后，次极大在夏至前；主极小在秋分前，次极小在春分后。,（五）地球自转的速度地球自转速度包括线速度（）和角速度（）两种。角速度（）：单位时间内地球绕轴自转的角度。360/360/23h56m15/h线速度（）：V02R/T=465m/sVV0cosV0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,地球自转的线速度因纬度和高度而不同。,地球自转速度的变化：上面讲的是地球自转的平均速度。事实上，地球自转的速度是不均匀的，有长期变化、周期变化和不规则变化。,长期变化（减慢）：这种减慢是由于月球对地球的潮汐作用造成的，它使一日的长度在一百年内大约增长1-2毫秒。由于减慢不太显著，所以只有在长期积累后才会产生影响。,古生物学家在研究珊瑚化石时发现，珊瑚虫每天分泌的碳酸钙，在其躯壳上形成一条极细小的日纹；这些日纹又汇集成一条与其他年份显著不同的生长带，如同树木年轮一样。由此得知在四亿年前古生代泥盆纪的珊瑚化石中每个生长带有400条日纹，在三亿年前石炭纪的有395条，在六千五百万年前中生代晚白垩纪有376条。这表明从泥盆纪到白垩纪一年的天数由400天减少到376条，目前是365天。这个事实，证实了一日长度在增长，地球自转在减慢。,地球自转速度的变化长期变化（减慢）的证据：,周期变化：地球自转的周期性变化主要包括周年周期、半年周期、月周期、半月周期以及近周日和半周日周期的变化。周年变化，也称为季节性变化，表现为春天地球自转变慢，秋天地球自转加快。振幅为2025毫秒，主要由风的季节性变化引起。半年变化，主要由太阳潮汐作用引起的，振幅为89毫秒。月周期和半月周期变化，是由月亮潮汐力引起的，振幅约为1毫秒。周日和半周日变化，主要由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的，振幅只有约0.1毫秒。,不规则变化：这种变化是由于地球内部物质的移动或太阳活动强盛时对地球的影响造成的。变化无一定规律，有时自转快些，有时自转慢些。这些变化比较大，而且难以预先估计。,三、地球自转的后果天体的周日运动不同天体的周日运动因天体而异不同纬度的周日运动因地点而不同水平运动的左右偏转,（一）不同天体的周日运动我们一般认为恒星在天球上是固定的，那么恒星的周日运动就是地球自转的单纯反映。它从下面三个方面反映地球自转的情况：（1）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。（2）天和地的关系，犹如球面与球心的关系，周日运动的方向应同地球自转方向相反，天体的东升西落，说明地球自西向东自转。（3）恒星周日运动的周期（恒星日）和（角）速度，如实地反映了地球自转的周期和它的角速度。,恒星的周日视运动,轨道周日圈与天赤道基本平行；方向顺时针；周期1个恒星日；角速度360/日。,太阳和月亮由于距离地球近，它们的巡天运动不同于其它恒星，他们的周期不是地球自转的单纯反映，太阳除了周日运动外还有地球绕太阳造成的巡天运动，月亮还有它本身绕转地球造成的巡天运动，它们的方向都朝东，与周日运动方向相同，所以二者的周日运动周期都比恒星周期长。太阳日比恒星日长约4分，太阴日比恒星日长54分。,太阳的周日视运动,轨迹周日圈近似与天赤道平行，二至日周日圈的赤纬=2326，二分日周日圈与天赤道重合，=0。从冬至到第二年冬至之间有大约365个周日圈，如图示。由于太阳周年视运动方向向东。一天约变化1度左右，造成太阳日长度（因公转因素）比恒星日短。周期1个太阳日，24小时角速度359/日。所有的恒星每天中天的时刻提前4分钟，而太阳每天升起和落下的时刻也不同。这是地球公转造成的。,月球的周日视运动,周期太阴日，24时50分；角速度因月球每日东行13左右，所以角速度为36013=347/日。因此，月球每天中天时刻推迟50分钟左右。,日、月、星三者出没的方位、中天的高度差异：日、月、星三者出没方位的差异和中天高度的差异，是由周日圈与地平圈的分割状况不同造成的。恒星因为恒星周日圈周而复始，每天基本不变。所以，每颗恒星都有自己不变的出没方位和中天高度。太阳和月球太阳和月球的周日圈，则因日、月赤纬的变化而与天赤道近似平行，并有南北方向的变化（太阳=，月球=509）因此，每天出没的方位和中天高度均有差异。,（二）不同纬度的周日运动地转的结果引起天旋，因天旋使我们四季可看到不同的星，如广州、哈尔滨两市所见天空中的星不同。即使可以见到同一颗星，其地平高度也不同。又如在郑州，有的星终日可见，有的永不可见（如大、小麦哲伦星云）；有的夏季可见（如牛郎星、织女星），有的冬季可见（如参宿四、天狼星）等，这是因为不同纬度的周日视运动不同而造成的。天球周日运动以仰极为绕转中心，而一地的仰极高度等于当地的地理纬度。各地所见的天球范围及周日圈情况，皆因纬度而不同。,不同纬度地平圈与周日圈的关系，及恒显星区、恒隐星区和出没星区三大星区范围情况如下：,恒显星：在北半球看来，天北极周围恒星永不落入地平，这部分周日圈全部位于地平以上的恒星称为恒显星；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称为恒隐星；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称为出没星；,不同纬度的天球周日运动,北极，只有恒显星和恒隐星，无出没星；周日圈平行于地平圈。,赤道，只有出没星，无恒显星和恒隐星；周日圈垂直于地平圈。,北半球某纬度，南北天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道