固体地球物理学概论第三章-02

1、3.2 地球的自转,地球自转是一个天文问题，也是一个地球物理问题。 在天文学中，地球作为一颗行星，研究它的自转变化，对于研究天体的起源和演化以及测定天体方位，都有重要意义。 在地球物理学中，地球作为整体的自转运动，与地球的局部运动 地壳运动、海洋运动和大气运动都有密切联系。,不仅如此，地球自转与地球内部的构造和运动也有一定联系。其中地球自转与地震激发、地磁场维持、大陆漂移等之间的关系，为当前地学界十分关注的课题。,一、地球自转的证实 傅科摆 随着自然科学的发展，人类在长期的实践中，终于从多方面证实了地球确实在不停地由西向东旋转着。 比如重力测量发现地面赤道处的重力加速度最小，而在两极处最大；,

2、弧度测量发现地球不是正球体，而是扁球体; 从高处下落的物体其坠落点总是会向东偏等。 这些 都是地球自转中其旋转惯性离心力的作用结果。 既然地球在自转着，那么“超然”于地球自转的某种运动 (包括垂直运动、水平运动、落动等)，就会由于运动惯性而发生相对于地面的特殊运动。,如果能制作出一种超然于地球自转的仪器，并详细观测它的特殊运动，则有可能对地球自转进行定量的证明。 人们首先想到做运动，就是摆动。由于地球自转，摆动平面就会发生相对于地面的偏转。研究这种偏转现象，并且定量地计算偏转速度的变化，则是地球自转的最生动的证明。,傅科摆 法国物理学家傅科 (Focke)设计了一个特殊的摆， 并于1851年在

3、法国巴黎的一个圆顶大厦，成功地进行了摆动试验， 试验结果证实了地球向东旋转。为了纪念这个摆及其试验的设计者，把这种摆称为傅科摆，如图321。 傅科摆的结构同普通摆一样，悬挂摆的架子固定在地面上，架子与摆之间通过可以在任意方向旋转的旋钮加以联结，使悬点摩擦力减小到最少，即为可以自由摆的单摆。,为增大摆动的持续时间，傅科采用了67m的长绳。 为增大摆的惯性，摆锤重达27kg。 国内外很多天文馆都设置有傅科摆，走进北京天文馆正门，悬挂在大厅中央的就是一个傅科摆，该摆以每小时改变960的速度，沿顺时针方向昼夜不停地转动着。,这种偏转转现象怎么理解呢? 由物理学知道单摆的摆动平面在不受外力作用时，其摆动

4、的空间方向始终不会发生变化的。然而，人们所看到的是，摆动平面相对于地球表面发生了按顺时针方向缓慢地转动，其实质是:摆下面的地球在沿逆时针方向转动造成的。 在北极做这样的实验，摆动1小时，摆动面偏转150，这就是地球自转速度。,显然，经过24小时后，摆动面又回到原来的摆动方向上。在南极可获得类似结果，只是摆动面是向着逆时针方向转动的。 在赤道上做这个实验，摆动平面没有偏转现象，这是因为在地球赤道附近的地面随地球自转的运动，如同传送带一样自西向东作近似平行于摆动面的移动，如图322(c)所示! 而极地附近的地面运动，好像转盘绕极点转动，所以摆动面的相对转动效果最明显，如图32.2（a，b)所示。,

5、在地球两极和赤道之间的广阔地带上，摆动平面的偏转速度与当地纬度有关。傅科摆的偏转规律为: 150 sin 式中取正(北纬)，偏转方向为顺时针方向 取负(南纬)，则偏转方向为逆时针方向。 两极和赤道的情况，是该公式的两个特例。,根据这个公式，在北京(北纬39057)，每小时偏转9.60，在傅科摆的原始试验地巴黎(北纬48050)，每小时偏转11.30。 总而言之，有许多方法都证明了地球自转的客观存在，其中最有力的傅科摆试验，具体地证明了地球自转的方向、周期和角速度。,二、地球自转的特征,1、地轴取向稳定 地球的自转是整个地球的一种旋转运动，其旋转轴叫做地轴。 地轴与地球表面相交两点，分别叫地球北

6、极和地球南极，合称地球两极。 地轴的无限延长叫天轴。 天轴就是天球周日运动的轴线，它同天球面相交两点，即天北极和天南极，合称天球两极。,注意，地极与天极的位置是由地轴决定的，而不是相反。 地轴在地球内部的位置以及天轴在宇宙空间中的位置，我们称之为地轴的取向。 应当指出:地轴的取向具有高度的稳定性，而地极和天极的位置却不是一成不变的。 地极在地面上的运动称为极移。 它是整个地球相对干地轴的运动所造成的，;一般不过10一20m的范围)天极在天球上的移动，年变化不超过5，是由地轴进动引起的。,2、自转速度稳定 地球自转速度相当稳定，因此长久以来都作为时间和纪年的标准。 地球自转一周，定为一天。但由于

7、采用的参考点不同，“一天”的含义也略有不同，即-有太阳日和恒星日之分。 所谓太阳日 是以太阳为参考点，地球上同一子午面连续两次通过该点的时间。所谓恒星日 是以春分点为参考点，地球上同一子午面连续两次通过该点的时间。,由于地球不但自转，而且绕日公转，公转的轨道是椭圆，所以在一年之中每天的太阳日不是等长的。 取一年的太阳日平均值，就得到一个平均太阳日 即日常生活中所用的日。 一个平均太阳日有86400平均太阳秒。 一个平均太阳日比一个恒星日要长 355.909。 世界时正是基于地球自转速度的高度稳定性，在平均太阳日的基础上建立起来的。,以英国的格林尼治的地方时为起点，把东、西经度各750。的范围作

8、为零时区。然后，从零时区的边界分别向东向西每隔150。为一个时区。全球共建立24个时区。 但是，地球自转并不是绝对均匀的，其变化非常微小，大约每百年增长1ms。 这种微小变化，在30年前是不可能发现的。那时的天文钟只能够准到102 S。 直到石英钟和原子钟问世，地球自转的不均匀性逐渐表现出来。,以后相继建立经过改革的世界时UT系统: UT0为原始世界时 UT1为经过极移订正的世界时 UT2为经过季节变化订正的世界时 这些改革是有效的，但并没摆脱世界时与地球自转的联系。,3、地球自转的非均匀变化,由于地球自身的演化，形成其内部的圈层结构和表面的大陆的划分。 并且，由于地球内部的地慢对流和地核运动

9、，使得地球自转轴与形状轴不重合。 再加上日月星辰的引力作用，使得地球的转动复杂化，不仅旋转速度变化，取向也有变化，呈现出不同的周期成分。,芒克 (Munk)和麦克唐纳(MacDonald)把这些周期分量的分布称为“地球自转周期谱”，图324给出地球自转周期谱，还给出观测来源和可能的地球成因。 从下图可以看出，地球自转不均匀性的时间尺度 (即周期)大致有： (1)一年以下的周期变化，是由固体潮引起的。 (2)周年变化，其轴向变化主要由于气团的季节移动，其速度变化是由风引起的。,(3) 14个月的周期变化，又称钱德勒晃动，这种变化起因于来历不明的随机冲击，并为某些尚不清楚的非完全弹性或其他原因所阻

10、尼。 (4) 10年尺度的周期变化，有较宽的谱，这种明显的不规则变化可能是起因于地幔 与流体地核的运动及海面的变化。 (5)世纪尺度的起伏，又称纽康 (Necome)经验项，可能起因于地球转动惯量(惯 性矩)的变化。,(6) 近千年尺度的变化，主要起因于潮汐摩擦，转动惯量的变化以及海平面的变化 (7) 地质时间尺度的变化，古地磁与其他间接证据指出，极移是近数亿年来大规模动的标志，这可能与大陆的水平运动及地慢对流运动有关。 上述周期成分的变化仅是相对的。傅承义教授将地球自转的不均匀性变化归纳成三 类: （1）地球自转速度的变化!（2）地球自转轴在空间的变化!（3）地球自转轴在地球上的变化。,(1

11、) 转速变化，包括长期、短期和无规则变化。最主要是长期减速变化，其日长的相对变化率约为5xl010 a。 (2) 转轴在空间的变化，包括进动和受迫章动。最主要是周期为25700a的进动 （通常称为岁差），还有周期为18.6a、振幅为9“的受迫章动。 (3) 转轴在地球上的变化。包括长期极移和晃动，主要是极移，在70年内地球两极大约迁移02，还有钱德勒晃动，振幅约0l5”。,3.3 地球自转速度的变化,一、表示方法和研究方法 日长 ：按照一般物理学习惯，表示自转的速度，通常分为角速度和线速度。 例如，对于转速稳定的地球来说，地球自转的角速度是150 /h，每4 min 转动1度，每4s 转动1(

12、角分)。 若取赤道半径为6378160m，则赤道上的线速度为464m/s(见图33.1),由图331可知，上述表示方法并不方便。通常采用另一个表示方法日长。 日长，即一日之长，等于地球自转一周的时间，通常用LOD表示 (它是length of day的缩写)或简化为L。 日长相对变化量： 设日长为L， 其变化为dL，则表示日长相对变化量d 为： ddLL,式中之所以取负号，是考虑日长变化的特点。这个特点就是，在地球自转速度的长期变化中，最主要是减速， 即日长在增加，因而dL为正。 有时，我们也用日长的相对变化率r，其定义为 r ddt 这里r的量纲，通常取1年，表示成1a。,二、地球自转速度的

13、现代测量结果,由于石英钟和原子钟的问世，大大提高了时间测量精度，然后再配以高精度的测量仪 (如照相天顶仪、激光测距仪、超长干涉仪等)，人们才能对地球转速在短时间内的变化，进行系统研究。 这里仅给出北京天文台测量室发布的1983年上半年的自转角速度和相对变化率0的结果，见表331，以此表明现在的测量精度，表中BIH79表示国际时间局1979系统。,如果把逐年逐月的角速度值换算成日长变化量，并且点在以时间为横轴的坐标上，可看出日长不仅有季节变化、年变化，而且存在更长时间的变化。图334是1955一1970年的地球自转速度变化。,三、地球自转与地球物理现象的联系 地球自转与地震的关系 地球自转与地震

14、的关系一直受到专家们的关注。地球自转速率变化可能是全球地震活动的一种主要的动力来源，不少研究涉及地震活动与地球自转的相关性研究，这些研究几乎得到了相近的结果，认为地震自转与全球强震的发生具有统计上的相关关系，只是不同地区存在差异，有的地区与地球自转减慢有关，有的地区则与地球自转加速有关。,至于对地球自转与地震相关性的解释则卞要认为是地球自转所引起的附加力对地震的触发作用。 举几个文献的例子： 1.陈学忠,地球自转与汶川地震的成因，四川地震，2009,N.4 通过对2008年5月12日四川汶川8级地震与地球自转关系的分析，提出了一个新的地震成因观点，认为地震的根本原因在于地球自转速率的变化。,地

15、球岩石圈由大小不同、质量不同的块体组成。 比如，大洋块体薄、质量轻，大陆块体厚、质量重。 地球自转速率变化时，就会造成这些块体运动的差异性。 这种差异运动可能使块体之间发生“追尾”撞击或摩擦，从而引起地震。 地震能量来自于块体间撞击或摩擦时损失的动能。,2. 薄万举，王广余, 地球自转、断层形变与地震活动关系研究,大地测量与地球动力学,2006,V.26,N.2 对地球自转、断层形变和地震活动三者各自的活动性规律进行了比较，对三者之间的相关性进行了分析，得出了几点新的认识: 1) 地球自转速度变化与地壳形变相关，近30年来存在准10年周期的变化，但相关成分在总的形变信息中比重很小，呈弱相关;,

16、2) 地球自转速度变慢、日长变长、华北地震活跃，据此认为日前华北处于非强震活动期; 3) 强震中短期前兆在形变资料中有较好的显示，但在地球自转资料中不会出现特定地震的中短期前兆异常; 4 ) 地球自转速度变化与地壳形变可能是同源关系，而不是从属关系，有互补性;,5 ) 华北最近的两个地震活动高潮期与地球自转变化的10年以上周期相关，认为地震活动与地球自转变化有关系，但不同的区域会有不同的对应关系。 同样是地球自转速度变慢，因不同区域地壳与地幔的耦合关系不一样，速度变化对不同区域地壳活动的影响也不同。,3.郑大伟,虞南华, 地球自转及其和地球物理现象的联系, 地球物理学进展, 1996, V.1

17、1, N.2 该文回顾了上世纪末十年来的研究进展，分各个时间尺度讨论了日长变化及其地球物理激发原因，并评估未来十年内地球自转运动可能的研究方向及课题.,4. 周永宏,郑大伟,虞南华,廖新浩, 地球自转运动与大气、海洋活动, 2000, 科学通报，V.45, N.24. 地球自转运动(自转速率变化和地极运动)表征着地球的整体运动状态以及固体地球与大气和海洋各种时空尺度上的相互作用过程，它们在维持总角动量守恒的条件下，构成了复杂的地球动力学系统.,近代空间大地测量技术的应用和发展大大促进了地球自转与大气和海洋活动相互作用的研究. 该文着重综述地球自转运动与大气和海洋活动以及热带海气相互作用方面的研

18、究进展，并展望未来理论研究的课题和方向. 地球自转运动不仅表征地球整体的运动状态，也反映了固体地球与大气、海洋、地慢和地核在各种空间和时间尺度上的耦合过程.,地球自转运动主要分为两部分: 一是地球自转速率的变化，直接反映的观测量是日长变化; 二是地球瞬时自转轴相对于地球表面或历元平极的运动，即地极运动，或简称为极移.,随着天文、气象和海洋观测技术和理论的发展，地球自转运动与大气和海洋活动的研究已发展成为国际上新兴的交叉学科课题. 1995年，IUGG/IAG专门设立了大气和海洋与地球自转相互作用的专题研究组(SSG-5.173). 1998年，国际地球自转服务机构(IERS)在庆祝成立10周年

19、之际，决定组建全球地球物理流体中心(GGFC)，它下辖有大气、海洋、陆地水、潮汐、地核、地慢和地心共7个分中心，,每个分中心将定期公布其最新的观测数据和模型研究成果，以支持和推动国际上固体地球与大气和海洋等各圈层相互作用的研究领域的发展. 将地球自转与大气和海洋结合起来的研究，不仅促进地球自转物理机制的探索，而且也为大气和海洋动力学提供新的外部约束，推动天文与大气和海洋研究领域的相互交叉.,已经进行过的美国固体地球与自然灾害计划(SENH)和我国主持的亚太地区空间地球动力学计划(APSG)均将这方面工作列为研究的重点之一。 该文重点研究了 1 地球自转运动与大气活动 2 地球自转运动与海洋活动

20、 3 地球自转运动与热带海、气相互作用,3.4 地球自转轴的运动,地球旋转轴在空间的位置，是由天极在天球上的位置来表示的。 因此，天极在天球的运动，反映地球旋转轴在宇宙空间的运动，这种运动就是地轴的进动和章动，地球旋轴向的变化取决于外力矩 (日、月等对地球的力矩)和地球自身物质的运动 (如风、地震、核幔动量交换等)的作用。,一、地球自转轴在空间的运动 岁差,1、地轴的进动与岁差 “进动” 是物理学中的术语，用来表示转动物体的转动轴环 绕另一轴的转动。 比如:当飞转的陀螺倾斜时，其旋转轴就环着与地面垂直的轴线画圆锥面。这是因为地球引力有使它倾倒的趋势，而陀螺本身旋转运动的惯性又使它维持不 倒，

21、陀螺轴便在引力的作用下发生缓慢的晃动，这就是陀螺的进动。,地球类似一个旋转的大陀螺。但它所受的“引力”主要来自月亮和太阳。 如果地球是一个正球体，吸引力就集中在球心。 但地球是一个赤道部分突出椭球体，由于月亮和太阳基本不在赤道面内，即赤道面、黄道面及月球的轨道面 (白道面)不重合。 日、月的引力就对地球产生一个力矩，使地球赤道面与轨道面重合，即有使地轴垂直于轨道面的趋势。,然而，地球的自转惯性使它们不会重合，地球像倾斜的陀螺一样，其旋转轴环着黄道轴作缓慢的画圆锥面的旋进运动，保持黄赤交角不变，人们称之为地轴的进动。 地轴的进动，相当于天极绕黄极 (太阳自 轴)作周期性的圆锥形运动，其圆锥轴线垂

22、直于地球轨道平面，指向黄极； 圆锥的半径是2302708“ ，即等于黄道面与赤道面夹角)，进动方向与地球自转方向相反;,进动的速度每年自东向西，移动50，进动周期是25700a。如图3，41所示。,黄道面与赤道面交线指向春分点和秋分点，当地球自转轴旋进时，春分和秋分点也相应做自东向西每年50“的移动，所以地球每两次经过春分点时，实际上并没绕完一周（3600），即出现回归年总是小于恒星年。两者的差，谓之岁差。 2、地轴的章动 太阳和月球有时在赤道面之南，有时在赤道之北，因此引力的方向也不断改变。 太阳每年通过赤道面两次，月球则每月通过两次。,这就在地轴的长期旋进中，在它的平均位置上附加了一种短周

23、期的摆动 叫做章动。即相当于天极围绕着黄极做一步一点头式的转动。 计算估计，太阳引起的章动周期约为半年，振幅为001; 同时，月亮引起的章动周期约为半月， 振幅为000l ，在日月联合影响下，如果白道道面的交线以角速度为2/18.6a向西移动，这 运动所引起的章动周期约为18.6a，其振动幅度可9.206”。,两种运动结合在一起，进动着的地轴里外摆动，使其运动轨迹变成了像带上一个波浪形荷花边的锥面。如图3.4.2所示。 进动和章动是一种强迫运动，即转动地球在日月引力作用下，发生受迫运动，使其自转轴在空间位置发生变化。 应该指出，发生这种变化，除了地球自转和日月引力这两个条件外， 还有两个重要条

24、件:一是地球是个扁球体，在赤道处突起)；二是赤道面、黄道面、白道面不重合，成一定夹角。,人们知道，黄道面与赤道面的夹角 (黄赤交角)是2302708“，黄道面与白道面轴夹角(黄白交角)是50 0843”，如果地球不转动，日月对凸腹地球施加的引力力矩，将使这些轨道面趋于一致。 但是，地球像一个旋转的陀螺，由于转动体的回转效应，使得这些面保持原来的夹角，却发生进动和章动。 在这两种运动中，进动比章动要明显，而且发现的要早得多。,二、地球自转轴在地面的运动 极移,前面讨论的都是在外力矩作用下，转动地球所发生的受迫运动。现在我们讨论的是在没有外力矩作用下，由于地球自身的原因(如风、地震、慢核动量交换等

25、)产生的自由转动。 地球自转轴的变化是转动惯量的变化、自转速度的变化或角动量在地球内部重新分布的结果。,因此，这种自由转动是极其复杂的，它包含着多种周期成分。 其中最常见的自由转动有周年变化、14个月变化和长期变化。 其特点是，地球转动轴相对于形状轴发生相对位置的变动。 所谓地球的形状轴就是转动惯量最大的主轴，它在地球上位置是决定于地球的形状和质量的分布。,地球的自转轴与形状轴并不重合，但很接近，最大的偏离也不到03”。 这种自由转动现象，就像是一个人坐在船上，当你把随身携带的东西，从一处移至另一处时，船不由得晃动起来。 其晃动周期由船体的大小和形状决定。故此，地球的这种自由转动，常称为晃动。

26、 这种晃动引起地极在地面上的运动，其结果是使地表各点的纬度发生变化。 因此，人们是通过观测各地纬度的变化来研究极移的状况。,1、极移、地极坐标和极移曲线,地球自转轴与地面的交点叫地极。 因为自转轴相对于形状轴在运动，所以地极的位置也在不断变化。 为了研究这种变化，通常取1900一1905年的地极平均位置作为参考点(国际极点CIO)。地极点相对于国际极点CIO的位移叫做极移。,地极坐标: 某纬度观测点对参考点O点的地理位置为（S ，S ），它对地极P的地理位置为 (，）,则在该点测得的纬度变化为： 同时，还可以写出极点P相对于参考点O点的位置 （x，y）。,为了精确测定地球极点的位置变化，世界各

27、国在北纬400 附近设立了纬度观测站，其中包括我国天津附近的纬度站。 图3.4-5是1964一1968年的实测极移情况，其极移范围仅14m左右。 图345上标出了参考点CIO和x、y轴的方向。 图中的极移曲线呈螺旋形，大约14个月旋转一周。,这种极移曲线的幅度也是改变的，在19641968年间，极移幅度逐渐减小，但从更长的时间范围看，极移曲线则是一种存在系统偏移、幅度不断变化的回线。 对极移曲线，用频谱分析方法分解出它的不同周期成分，其优势成分是周年变 化和14个月变化，后者就是著名的钱德勒晃动。,2 钱德勒晃动,地球是个扁球体，形状轴和自转轴并不重合。 欧勒(Euler) 曾假设地球是个刚体并取外星体 (太阳、月亮)作用于地球的力矩为0，按刚体力学的定律， 推导并计算出了地球自转轴绕形状轴旋进 (晃动)的周期 0305.51 恒星日 10个月。,这个运动叫做欧勒自由运动 (晃动)，这个周期叫做欧勒周期。 然而，欧勒所得10个月周期的晃动，并没有在实际观测中得到验证。 直到钱德勒发现14个月的周瑚成分后，人们才认识到，欧勒所得到的10个月的周期成分不是真实地球的晃动，而是理想化的刚体地球的晃动。,真实的地球不是刚体，而应视为变形体。 当地球转轴在地球中的位置变动时，会使地球变形，造成形状轴向转动轴的靠近，即转动惯量变小，从而使晃动周期加大。 所以钱德勒周期主