地球自轉

地球自轉

地球自轉是地球的一種重要運動形式,地球繞自轉軸自西向東的轉動,從北極點上空看呈逆時針旋轉,從南極點上空看呈順時針旋轉。“地球自轉”,隻是在描述地球自身繞日運行的姿態,它相對于太陽的位置而言,每24小時旋轉一周;相對于恆星的位置而言,每23小時56分4秒旋轉一周,這是現行時間標量的依據,是太陽日和恆星日日長的由來,也是地球出現朝、晝、暮、夜的原因 。

  • 中文名稱
    地球自轉
  • 外文名稱
    The earth's rotation
  • 套用學科

​背景資料

其實,古希臘的費羅勞斯、海西塔斯等人早已提出過地球自轉的猜想,中國戰國時代《屍子》一書中就已有"天左舒,地右闢"的論述,而對這一自然現象的證實和它被人們所接受,則是在1543年哥白尼日心說提出之後。

地球自轉效果圖地球自轉效果圖

時間概念

地球自轉是地球的一種重要運動形式,自轉的平均角速度為7.292×10-5弧度/秒,在地球赤道上的自轉線速度為465米/秒。

地球自轉產生了晝夜交替模擬示意圖地球自轉產生了晝夜交替模擬示意圖

格林威治時間所說的一秒是一天的8.641萬分之一,而1972年製作的地球時鍾所定義的一秒是從銫原子中放射出的光振動91億9千2百63萬1千7百70次所需要的時間。

與銫原子振動數能維持一定速度相比,以地球的自轉為準的格林威治標準時間是發生變化的,閏秒就是為了解決這種問題產生的一種時間概念。

ω=2π/(24*3600s)=7.27/100000rad/s

地球在自轉時同時公轉,自轉一周需用23小時56分4秒,公轉了約0.986度,按地球自轉速度折合3分56秒,時間,自轉加上公轉用的時間共24小時。經度每隔15度,地方時相差一小時。

速度變化

美國國立標準技術研究所(NIST)的觀察結果表明,長時期以來呈減慢趨勢的地球自轉速度自1999年開始加快。NIST的時間測定師們稱,為調準以地球自轉速度為標準的地球時間和原子時鍾的時間,自1972年起到1999年的27年來為地球的標準時鍾追加過共22閏秒的時間,但1999年後卻沒有追加過閏秒,是因為地球的自轉速度加快了。

自轉速度的變化20世紀初以後,天文學的一項重要發現是,確認地球自轉速度是不均勻的。人們已經發現的地球自轉速度有以下3種變化:

①長期減慢。這種變化使日的長度在一個世紀內大約成長1~2毫秒,使以地球自轉周期為基準所計量的時間,2000 年來累計慢了2個多小時。引起地球自轉長期減慢的原因主要是潮汐摩擦。科學家發現在3.7億年以前的泥盆紀中期地球上大約一年400天左右。

②周期性變化。20世紀50年代從天文測時的分析發現,地球自轉速度有季節性的周期變化,春天變慢,秋天變快,此外還有半年周期的變化。周年變化的振幅約為20~25毫秒,主要是由風的季節性變化引起的。

③不規則變化。地球自轉還存在著時快時慢的不規則變化。其原因尚待進一步分析研究。

地球自轉減慢還與人類的活動有很大的關系,特別是人造地球衛星的發射,其反作用力讓地球自轉直接變慢,根據動量守恆的原理,這種因素應該是目前造成地球自轉變慢的最主要原因了。所以人類為了地球的安全,發射的衛星不應該再借助地球自轉的動量。

自轉意義

晝夜交替

1.產生原因:地球不發光也不透明,地球的自轉。

2.周期:1個太陽日,即24小時

3.晨昏線含義:夜半球的分界線,包括晨線和昏線。晨昏線的判讀:①自轉法:順地球自轉方向,由夜進入晝,為晨線;由晝進入夜為昏線。②時間法:赤道上地方時為6點對應的為晨線;赤道上的地方時為18點,對應的為昏線。③方位法:夜半球東側為晨線,西側為昏線;晝半球東側為昏線,西側為晨線。

地方時和區時

1.地方時

地方時的概念:以在地子午面作起算平面,根據任意時天體所確定的時間,均稱該地的地方時。 產生的原因:東邊的地點比西邊的地點先看到日出,東邊地點的時刻較早,西邊地點的時刻較晚。

計算方法:所求地點的時間=已知地點的時間±(兩地相隔的經度數÷15°)×1小時(所求地點在已知地點以東用"+",反之用"-")

2.時區和

時區的含義:時區是指同一時間製度的區域。

時區的劃分:全球共劃分為24個時區,以本初子午線為基準,從7.5°W向東至7.5°E,劃分為一個時區,叫中時區或零時區。在零時區以東,依次劃分為東一區至東十二區;在中時區以西,依次劃分為西一區至西十二區,東十二區和西十二區各跨經度7.5°合為一個時區,即十二區。

區時的含義:為了方便計時,把每一個時區中央經線的地方時作為整個時區通用的時間,即區時。

區時的計算:所求地的區時=已知地的區時±時區差×1小時(計算某地所在的時區:用該地經度÷15°所得商四舍五入取整數,即為時區數,東西時區根據所在經度來確定;時區差的計算:若兩地同屬于東時區或同屬于西時區,時區差為兩地時區數之差,若兩地分屬于東、西時區,則兩地時區差為兩地時區數之和;"+"、"-"號的取舍:若要計算的地方位于已知地的東側,用"+",反之用"-")。

地方時和區時的關系:一般從光照圖上讀到的時間,均是地方時,一個地區正午太陽高度角最大時,一定是地方時12時,由于區時從地方時而來,區時即為一個時區中央經線的地方時,則二者關系又密切聯系。兩個地點的地方時,可以相差時、分、秒,而兩個地點的區時之差隻能是小時。

3.日期界線

概念:國際上規定,把東西十二區之間的180°經線作為國際日期變更線,簡稱日界線。

日界線的特征:日界線是地球上新的一天的起點和舊的一天的終點,地球上日期的更替,都從這條線開始。日界線不是一條直線,而是有些曲折,不完全按照180°經線延伸,這是為了附近國家和地區居民生活的方便,日界線的劃定避免通過陸地。

過日界線時日期的變更:由于在任何時刻,東十二區總比西十二區早24小時,即一天。因此,自東十二區向東進入西十二區,日期要減去一天;自西十二區向西進入東十二區,日期要增加一天。東西十二區時刻相同,但日期相差一天。

沿地表水準運動物體的偏轉

地球自轉,還導致地球上任意方向水準運動的物體,都會與其運動的最初方向發生偏離。若以運動物體前進方向為準,北半球水準物體偏向右方,南半球偏向左方。

造成地表水準物體運動方向偏轉的原因,是由于物體都具有慣性,力圖保持自己的速率和方向。如上所述,地球上的水準方向,都是以經線和緯線為準的,經線的方向就是南北方向,緯線的方向就是東西方向。但是由于地球自轉,作為南北和東西方向標準的經線和緯線,都隨地球自傳而發生偏轉。于是,真正保持不變方向的物體的水準運動,如果用地球上的方向來表示,倒是相對地發生了偏轉。

天體的周日運動

天體的周日運動是地球自傳的反應。人們把天球上的日月星辰自東向西的系統性視運動叫做天體的周日運動。

本體運動

地球自轉軸在地球本體上的位置是經常在變動的,這種變動稱為地極移動,簡稱極移。1765年L.歐拉證明,如果沒有外力的作用,剛體地球的自轉軸將圍繞形狀軸作自由擺動, 周期為305 恆星日。1888年人們才從緯度變化的觀測中證實了極移的存在。1891年美國的S.C.張德勒進一步指出,極移包括兩種主要周期成分:一種是周期約14個月的自由擺動,又稱張德勒擺動;另一種是周期為12個月的受迫擺動。

實際觀測到的張德勒擺動就是歐拉所預言的自由擺動。但因地球不是一個絕對剛體,所以張德勒擺動的周期比歐拉所預言的周期約長40%。張德勒擺動的振幅大約在0.06″~0.25″之間緩慢變化,其周期的變化範圍約為410~440天。極移的另一種主要成分是周年受迫擺動,其振幅約為0.09″,相對來說比較穩定,主要由于大氣和兩極冰雪的季節性變化所引起。

將極移中的周期成分除去以後,可以得到長期極移。長期極移的平均速度約為0.003″/年,方向大致在西經70°左右。

空間運動

物理學有一條重要角動量守恆定律,即一個轉動的物體如果不受其它力距的作用,它的角動量就不因形狀而改變。地球是在太陽系的形成過程中,由太陽周圍的固體顆粒和星雲逐漸聚集成的。形成太陽系的星雲本來就具有角動量,聚集起來之後角動量不會損失,而是會重新分布,這就是地球自轉的原因。因此,地球在形成過程中就已經開始自轉,而不是形成之後才開始自轉的。上面是書上的一種解釋,而個人認為地球是太陽內部產生爆炸,從太陽赤道的管涌中分離出來的。由于太陽自轉的幹擾,使分離產生最大力的方向和地球重心不在一條線上,即產生了力距,並且產生的力距大于地球自身質量的慣性,所以地球在力距的作用下便產生了自轉。地球表面產生的各種自然現像,對地球幾何形狀產生的變化量,和地球總質量相比,前者比九頭牛還大,後者比一根毛還小,這麽大的差距對自轉產生的影響,也就隻能說是勻速了。

地球的極半徑約比赤道半徑短1/300,同時地球自轉的赤道面、地球繞太陽公轉的黃道面和月球繞地球公轉的白道面,這三者並不在 一個平面內。由于這些因素,在月球、太陽和行星的引力作用下,使地球自轉軸在空間產生了復雜的運動。這種運動通常稱為歲差章動。歲差運動表現為地球自轉軸圍繞黃道軸旋轉,在空間描繪出一個圓錐面,繞行一周約需2.6萬年。章動是疊加在歲差運動上的許多復雜的周期運動。 地軸一直指向北極星,永不改變,在太陽軌道上,運動時間相等時,地球與太陽呈的弧形面積相等。

傅科擺傅科擺

證明方法

炮彈法

地球時刻不停地在自轉,地面上水準運動的物體,必然相對地發生持續的右偏(北半球)或左偏(南半球).根據這種現象,人們分析射出的炮彈運動的方向,就能證明地球在自轉

重力法

地球在時刻不停地自轉,由于慣性離心力的作用,地面的重力加速度必然是赤道最小,兩極最大;地球不可能是正球體,而必然是赤道略鼓,兩極略扁的旋轉橢球體。重力測量弧度測量的結果,證實了這些觀點的正確性,也就從一個側面證實了地球的自轉.

測量法

地球時刻不停自轉,由于自轉速度隨高度而增加,物體自高處下落的過程中,必然具有較高的向東的自轉速度,而必然墜落在偏東的地點。為了證實這一點,有人曾在很深的礦井中進行試驗。試驗結果是:自井口中心下落的物體,總在一定的深度同礦井東壁相撞,從另一個側面證實了地球的自轉運動。

自轉規律

極移

地軸在地面上的運動,叫做極移

極移的原因主要有兩種,一種是地軸對于慣性軸偏離的結果,周期大約為14個月。另一種是大氣季節性運行導致,其周期為一年。還有其他一些次要的原因,極移的振幅一般不超過15米。

極移的結果使地球上的緯度和經度發生變化。

進動

天極在天球上的位置的變化稱為進動。

1.規律性:地軸的進動是一種圓錐形的運動,其規律性如下:

圓錐軸線垂直于地球公轉軌道平面,指向黃道兩極。

圓錐的半徑是黃赤交角

運動的方向是自東向西,即同地球自轉的方向相反。

運動的速度是每年50秒點29,周期是25800年。

2.表現:

表現為天極的周期性運動。

造成北極星的變遷。

地球赤道面和天赤道發生系統性的變化。

二分二至點每年在黃道上以50秒點29的速度西移。(歲差)

使回歸年小于恆星年

3.原因:

第一,地球的形狀

因為地球是一個明顯的扁球體,所以隆起的部位所受的附加引力總是稍大于另一側。二者之間的差值,總是存在于接近日月的一側。

地球自轉地球自轉

第二,黃赤交角

由于黃赤交角的存在,使得日月經常在赤道面以外對赤道隆起施加引力。這樣上述引力差就成為一個力矩,使得地軸趨近黃軸,天極趨近黃極

第三,地球自轉

因為上述的引力差,給地球的自轉的角動量增加了一個增量,使得地球的自轉方向發生偏轉。這就是地軸的進動,也就是歲差

原因

假設宇宙中有以太的存在,由于以太的存在範圍無限大,並且一直處于運動狀態,地球及太陽均處于以太當中,地球及太陽都會受到來自以太作用力,並且在這個力的作用下沿著以太的運動方向開始運動,而地球在受到以太的作用力時還要受到太陽的對它的吸引,在這兩種起到決定性的力的作用下,地球開始自轉

關于地球自轉的各種理論都還是假說。考慮地球自轉的成因應該和地球公轉結合起來,

在宇宙中沒有絕對靜止的物體,受到各種外力的大質量的天體為了保持自身運動的平衡性必然依靠自轉來維系平衡性。小質量的粒子由于運動的速度極快,也必須依靠自轉來維系自身運動的平衡。這一點可以參考陀螺的運動原理,自轉的物體在運動中對外力的耐受性較高。

傳統的觀點認為,太陽和行星皆形成于一團巨大的原始旋轉星雲物質。當這些原始旋轉星雲物質在自身引力作用下自行收縮時,由于角動量守恆,星雲物質越收縮,越致密,旋轉也就越來越快,當星球形成後,星雲物質的旋轉角動量就變成了尋求的自轉角動量。首先,太陽系起源于一團星雲物質,本身就是一種假說,所以,上述傳統的關于地球自轉的起源的解釋也就是不確定的東西。我們不應該把這種解釋視為金科玉律。其次,這種傳統解釋有許多不能自圓其說的地方。按照這種觀點,原始星雲應是按照同一方向以基本相同的角速度旋轉的,這樣形成的星球則應該是質量越大,其自轉速度也越快,太陽系所有的天體應該是朝同一方向公轉和自轉。然而,太陽系的現狀卻偏偏不是這樣。一是太陽的質量約為行星總質量的750倍,佔整個太陽系質量的99%以上,但是它的角動量卻隻有全系統的2%,行星的質量雖小,其角動量卻很大;二是太陽系絕大多數天體是按逆時針方向旋轉的(包括公轉和自轉),但金星和少數衛星卻是按順時針方向旋轉的。

地球自轉地球自轉

正因為傳統的關于地球自轉的解釋有許多漏洞,所以有學者提出了一些新的解釋。

美國有一位天文學家認為,原始行星不自轉。太陽對原始行星的吸引使其朝太陽的一邊隆起,凸出來。當原始行星繞太陽公轉時,這個隆起部分偏離朝太陽的方向,但是太陽對隆起部分的吸引又把它拉回朝向太陽的方向,這樣就強迫行星自轉起來。當然,這位天文學家的解釋也有許多問題,例如,為什麽大多數行星斜著身子按逆時針自轉和公轉,而金星是按順時針自轉,天王星是躺著身子自轉和公轉?

現代科學研究表明,行星的自轉並非一成不變的。最為突出的是我們的地球,其自轉有明顯的波動:一年中,8月間地球自轉最快,3-4月間自轉最慢。在各個世紀和不同的年份自轉也不是均勻的,如17世紀地球自轉比較快,20世紀30-40年代自轉加快,60-70年代自轉減慢,到了80-90年代自轉又加快。

地球的自轉在不斷地變化,這說明有一處原動力在為地球的自轉加速和減速。那麽,這一原動力是什麽呢?

有人說,地球自轉變化與南極有關。南極的巨大冰川,正在慢慢融化,也就是說,南極大陸的冰塊在減少,重量正在減輕。這樣,地球失去了平衡,影響了自轉速度。但是,這種變化是單向的,它不可能既給地球自轉加速,又給自轉減速。

還有一種解釋是:季風影響地球自轉。有科學家計算過,每年由季風從大陸轉移到海洋,又從海洋轉移到大陸的空氣,重量竟達300萬億噸。這麽大重量的物質從地球一處轉移到另一處,足可以影響地球的重心,改變地球的角動量分布,使地球自轉發生加速或減速變化。

證明

16世紀時,"太陽中心說"的創始人哥白尼曾依據相對運動原理提出了地球自轉的理論。可從哥白尼曾提出這一理論後的相當長一段時間內,這一理論隻能停留在讓人們從主觀上接受的水準,直到19世紀才被法國的一位名叫傅科的物理學家,用自己設計的一項實驗所證實。

傅科是用一種特殊的擺來進行實驗的。這個擺由一根長60餘米的纖細金屬絲懸掛一個27千克重、直徑約30釐米的鐵球所組成。當時人們把這種從未見過的"超級擺"稱之為"傅科擺"。

1851年的一天,傅科在法國巴黎萬神廟的圓頂上將親手製作的傅科擺吊上,讓擺在廣場上悠然自得地擺動著。這時,成千上萬人前來觀看這一奇妙的實驗。隨著時間一分一秒地流逝,傅科發現了奇跡,那就是擺在悄悄地發生著"移動",並且是沿順時針方向發生旋轉。有的人在擺動開始時,明明看到擺球運動到自己眼前,又蕩了回去,可經過一段時間後,擺球竟離自己越來越遠。這對于圍觀的人們來講,傅科通過對現象的觀測都得出這樣的結論,眼看著自己沒有移動,那一定是擺平面發生了"移動"。其實擺動的平面是不會發生移動的。我們知道作為一種物質運動形式,擺是無法擺脫地球自轉的。傅科選用較長的金屬絲,是為了讓擺動的時間達到足夠的長度,這樣便于觀察擺動的變化,同時選用較重的擺球,是為了增加擺本身的慣性和動量,以克服空氣的阻力,一旦它擺動起來,作為一種運動狀態,有滯後于地球自轉的慣性,即能夠減少地球自轉的影響。知道了這一點,我們就不難分析,由于地球的自轉,每一個觀測者都被地球帶著運動,盡管觀測者站在原地沒有動,可腳下的地面是動了,也就等于把觀測者悄悄地帶離了原地。因此,真正沒有移動的是擺動平面。

地球自轉地球自轉

傅科擺的擺動作為地球自轉的有力證據,現已為世界所公認。中國北京天文館的大廳裏就有一個傅科擺,一個金屬球在一根系在圓穹頂上的長長細線下來回擺動著。下面是一個刻著度數的像鐵鍋似的大圓盤,人們可以由此讀取擺動平面旋轉的度數。前去參觀的人們都喜歡在這裏停留一段時間,親眼看一看地球是怎樣自轉的。

後果

2010年2月27日的智利地震震歪地軸,地球每天自轉減速約1.26微秒。

中新網3月3日電 據台灣"中國時報"網站報道,美國國家航空暨太空總署(NASA)科學家1日表示,智利的8.8級強震威力巨大,可能已推動地球的地軸移位,使得地球自轉一圈的時間變短,每天縮短了1.26微秒。

據報道,美國太空總署科學家1日指出,智利2010年2月27日發生的裏氏規模8.8級強震可能導致地球自轉軸偏移,並使人類一天的時間縮短。而據台灣中央大學地球科學院院長趙豐指出,地震造成的地球自轉改變將會永久持續。

位于美國加州的噴射推進實驗室地球物理學家葛洛斯(Richard Gross)利用電腦模型估算智利強震的效應,據他表示,強震能使綿延數百公裏的岩塊位移數公尺,造成地球的質量分布發生變異,而這會影響地球的自轉。

葛洛斯說,智利的地震可能使地球自轉軸線偏移了2.7毫弧秒(milliarcsecond),從而讓人類一天的時間縮短1.26微秒,也就是百萬分之1.26秒。

英國地質研究所學者以"溜冰效應"來解釋這種現象,稱溜冰選手旋轉身體時若將手臂往裏收,轉速就會越來越快。同理可證,在地球自轉時一旦其質量分布改變,自轉速率就會變化。

這樣的微量變化很難偵測,但地震造成的某些其它變化就甚為顯著。英國利物浦大學地球科學教授李布洛克指出,智利康賽普西翁市外海的聖馬裏亞島,在地震後就隆起約2米。

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