地球概论第3章.ppt

第三章地球的运动,地球的自转地球自转及其证明：傅科摆实验地球自转的规律性：极移、进动，地球自转的周期、速度，真太阳日与平太阳日地球自转的后果：天体的周日运动，水平运动的偏转地球的公转地球公转及其证明：恒星周年视差、光行差、多普勒效应地球公转的规律性：公转轨道、周期、速度地球公转的后果：恒星周年视差，太阳周年运动，行星同太阳的会合运动，月球同太阳的会合运动,第六节地球的自转地球自转及证明一、傅科摆实验北半球为顺时针偏转，证明了地球自转的为逆时针（向东）方向；偏转速度为sin15/h，在两极，傅科摆偏转速度最大，等于地球自转的角速度；（30N，=7.5/h）证明了地球自转的周期,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,该傅科摆是一个镀金球体,球内装有一些铜,球体由一根不锈钢丝从75英尺高的天花板上悬吊下来。万向接头使它可以自由地朝任何方向摆动。傅科摆下方的电磁铁抵销了空气摩擦力,使摆可以持续地均匀摆动。由于地球的自转,摆在一天中摆动的方向似乎会变化。这个球体需要36小时45分钟才能完成一个周期。,图3-2联合国总部的傅科摆,二、落体偏东：高空下落的物体，由于原来的自转线速度大于地面，因而有趋前（即偏东）的现象。（在很深的矿井中做实验）三、水平运动的偏转：北半球向右，南半球向左四、天体的周日视运动：自东向西,图3-3落体偏东由地面上A点自由下落的物体，在地球不自转时，应落到a点；在地球自转时，由于A点的初速度大于a点的初速度，物体落到地面时，a点转到a点，A点下落的物体的落点超前于a，到达a”点，a”在a的东边，即“落体偏东”。,地极：地球瞬时自转轴与地球表面的交点。CIO（国际习用原点）：统一的地极坐标原点极移（polarmotion）定义：地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。（或南北两极在地面上的移动）原理：地球内部物质不均匀性，不规则椭球体造成。,地球自转的规律性一、地轴和极移,极移特征：南北两极在地面上的移动，极移范围不超过0.4，15米极移周期：包括14个月的周期，1年为周期的受迫摆动（主要成分）结果：各地经纬度变化，不造成天北极在天球上的变化。,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（岁差：Precession）定义：在外力作用下，地轴绕黄轴的缓慢的周期性的圆锥形运动，引起了春分点位置沿黄道的西退和天北极位置在星空中的变迁。（或地轴绕黄轴的圆锥形运动）,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（主要为日月岁差，还有行星岁差）；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M1M2，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）；,图3-7北极星的变迁,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,图3-8太阳日与恒星日,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36059。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3138，地球自转37338，这1338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、地球自转的速度角速度：除极地为0外，全球相等。线速度：随纬度增大而减小，随高度增大而增大。地球自转速度的变化：长期变慢季节变化不规则变化,图3-10地球自转速度演示,角速度：15/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3-11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）FVmsin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。,图3-12（上）恒星年视差,当地球轨道半径垂直于星地连线时，同一恒星的视差位移达极大，被称为该恒星的年视差。,图3-12（下）恒星年视差,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,恒星愈远，其年视差愈小。若年视差以角秒为单位，距离以秒差距为单位，则二者互为倒数。,图3-13恒星年视差与恒星距离,椭圆的偏心率因黄纬而不同：在黄极是正圆，在黄道是一直线，其余都是椭圆。不论偏心率大小如何，圆的半径，椭圆的半长轴和直线的一半，都是恒星年视差。,图3-14恒星年视差椭圆,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、光行差光行差是由于地球轨道速度对于光速的影响，使星光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。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。,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3-15光行差与雨行差示意图,图3-16光行差由于地球轨道速度对于光速的影响，使星光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。,图3-17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202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。三、多普勒效应地球轨道速度对星光频率的影响。,图3-18年视差（左）和光行差（右）的比较恒星年视差位置的偏离方向，二者有90之差。,图3-19地球与地球共转轨道面的交角,6634,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。,相关概念偏心率（c/a），扁率（f=(a-b)/c）,天文单位（轨道半长轴），中距点（地球轨道短轴的两端，地球4月初和10月初过中距点），近日点与远日点（分别位于长轴的两端，地球1月初归近日点，7月初过远日点）,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3-20地球的近日点和远日点,图3-21地球的轨道面,二、黄赤交角,三、地球公转的周期,恒星年，地球公转真正周期；回归年，季节变化周期；近点年和交点年均与日月食发生有关。参考点自东向西移动，对应周期缩短，如回归年、食年；参考点自西向东移动，对应周期加长，如近点年。,图3-22四种年的比较,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我国古代把黄道按黄经等分为24个弧段。从太阳黄经270冬至起，每段跨黄经15。太阳在黄道上视行通过这二十四等分点的日期时刻，结合地面上的物候气候的特征给以专名，形成二十四节气。在二十四节气中，逢单数的叫节气，逢双数的叫中气。黄道十二宫西方的天文学家把黄道按黄经等分成12个弧段，叫做黄道十二宫，每宫跨黄经30。名称来源于它们几千年前所在的星座。二分点、二至点,地球公转后果,二十四气表,二十四气表（续）,图3-25一年的不同时间在地球上能看到的星座,图3-26黄道十二宫与星座间的关系,三、行星同太阳的会合运动行星同太阳的会合运动：太阳和行星都在天球上沿黄道带（黄道南北8的球带）运动，由于它们的周期和角速度各不相同，因而彼此间存在着相对运动。这种相对运动，叫做行星同太阳的会合运动（又叫行星的动态)行星与太阳的会合运动实质是行星同地球的会合运动,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：360S=360+3-360S=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。,图3-27会合速度角速度是周期的倒数。行星与地球的会合速度（1/S），就是二者的角速度（1/P和1/E）之差。左图：地内行星右图：地外行星,行星同太阳相对位置的变化地内行星：上合东大距下合西大距上合行星与太阳的距角（或黄经差）在0大距之间变化金星的位相地外行星：合西方照冲东方照上合行星与太阳的距角（或黄经差）在0360之间变化,图3-28行星的会合运动(假定地球不动)左图：地内行星右图：地外行星,图3-29行星的会合运动（地球和行星同时运动）左图：地内行星右图：地外行星,行星相对于恒星的视运动顺行：行星相对于恒星向东运动。逆行：行星相对于恒星向西运动。地内行星在下合前后逆行；地外行星在冲日前后逆行。留：顺行与逆行的转折处，留时，行星的视位置保持不动。行星的顺行、逆行是周期性的，其周期等同于上述的会合周期。,图3-40行星的逆行左图：地内行星；右图：地外行星,图3-41地内行星留的解释地内行星在东大距以后和西大距以前，地外行星在