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第四章 地球的运动
§4.1 地球的自转
§4.1.1 地球自转及其证明(the earth's rotation and its proofs)
地球自转就是地球本身的旋转.它的旋转轴叫做地轴,地轴通过地球自身的中心,所以,
地球的这种绕轴旋转,被叫做自转(以别于它的绕太阳公转).地球自转的方向在北半球看
起来是逆时针方向(南半球反之),这样的方向被叫做向东,于是,人们说地球向东自转,
太阳从东方升起,正是由于地球的向东自转.
人们是从天球的周日运动发现地球的自转,我们所看到的天空和天体相对地向西的运
动,特别是太阳的东升西没的运行.它的东升带来了白昼,西没带来了黑夜.太阳距离地平
最高,称上中天,太阳距地平最低,称下中天.
日,月,星,辰的这些现象是周期性的现象.因为日出和日没,白昼和黑夜,上中天,
下中天,都是以共同的周期重复出现的.它们的周期就是通常所说的一日.因此,它被称为
周日运动.
是"天旋"还是"地转",曾经是在天文史上两大宇宙体系—"日心"体系和"地心"
体系斗争的焦点.近代天文学的奠基人哥白尼,是第一个系统论证了"天比地大,其大无比",
他认为如果让庞大无比的天穹,在24小时内绕小小的地球转一周,那是令人无法思议的. www.chinageog.com
哥白尼指出,即使按"天动"理论,也无法证明地球在宇宙中心静止不动.权且假定地
球位于宇宙中心,但它是一个有相当大小的"体",不是几何上的一个"点",地球"作为宇
宙的一部分,也要参加天球整体的运动".它应当同天穹一起,在同样的时间内转过同样的
角度.但若果真如此,世界就不会有24小时的昼夜交替和星辰出没."其结果显然是荒唐之
极".
地球的自转,有许多证据.(一)两极扁缩.自转着的地球,由于惯性离心力的作用(随
纬度增高而减小)必然是赤道鼓起而两极扁缩,由正球体变成扁球体;地面的重力加速度,
必然是赤道最小,两极最大,牛顿最早从理论上指出了这一事实.重力测量和弧度测量的结
果表明,牛顿的理论是正确的.(二)落体东偏.地球自转的速率,随高度增加而增大,落
体由于保持其高处较大的惯性速度,因而它的坠落地点必然偏于其垂点以东,人们曾在很深
的矿井中进行这个试验,自井口中坠落的物体,不会垂直落到井底,而是在一定的深处同东
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面的井壁相碰.这也证明地球向东自转.(三)傅科摆偏转.地球自转的最雄辩和直观的证
据当推法国物理学家傅科(1819~1869)在巴黎进行的摆的实验(为纪念他的功绩,后人称 中_国_地_理_网
这种摆为"傅科摆").
摆总是力图保持其运动状态,即摆动面的方向不变,有了这个不变的摆动面作标记,人
们就有条件目睹足下大地的旋转而深信不疑.
傅科摆的结构和摆动与普通单摆没有什么根本的不同.只是它采取一种特别的悬挂装
置,以保证它的摆动超然于地球自转.其次,为了使摆动的持续时间达到足够长度,以便能
够清楚地看出地球自转的效果,傅科摆比普通的摆要大得多.傅科当时用一根长67m的钢
丝绳为摆线,上端系在教堂大厅的穹顶上,下端吊着一个重达27kg的金属球,构成一个举
世罕见的特大号的单摆,绳长是为了增大摆的振幅和周期,锤重是为了克服空气阻力的影响.
摆锤的下方嵌着一枚尖针;地面上,在摆锤往返经过的地方安放着二个沙盘.如此,当摆锤
往复摆动的时候,针尖便在沙盘上划出一道道痕迹来.
其实验证明,摆锤在沙盘上留下的痕迹并不重合,但都在中心相交.他当时测定,在离
中心4m远的沙盘上,摆锤连续二次所划出的痕迹,相隔3.6mm.很明显相对于地面方向(沙
盘)来说,摆动面在缓慢地,持续地沿顺时针方向偏转.
设想在北极作傅科摆实验,人们将会看到一种奇妙的现象:朝着某个恒星摆动的摆,会
追随着这颗恒星作周日运动,每小时偏转15°.这个事实表明,摆动面终始保持在恒星的方 中国*地理网
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,地球按逆时针方向作周日旋
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,南半球向左偏.
这是因为,地球自转的方向,在北半球呈逆时针方向,而在南半球呈顺时针方向.
傅科摆偏转速度因所在地的纬度而不同.可用下式表示:时/sin150θθ=.
§4.1.2 地球自转的规律性(regularity of the earth's rotation)
地轴是地球的自转轴,它同地面相交的两点叫北极和南极.地轴的无限延伸叫天轴,它
同天球也相交于两点,分别叫天北极和天南极.古语"北辰北极,天之枢也".这个"天之
枢"就是"地之轴"的延伸.无论是地球上的南北两极,或是天球上的南北两极,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.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.这两种运动是不同的.
南北两极在地面上的位置的变化,是整个地球相对于地轴的运动所造成的.在这一过程
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中,地轴被认为是不动的.因此,它不改变天轴在宇宙间的位置,从而不影响南北天极在天
球上的位置.反之,南北天极在天球上的位置的变化,是地轴相对于宇宙空间的运动所造成 中国地理网
的.在这一过程中,地球各部分同地轴的相对位置被认为是不变的.因此,它不改变南北两
极在地面上的位置.
南北两极在地面上的移动叫做极移.这种位移的幅度很小,一般不超过0.5",或15m,
但却是一种极其复杂的运动.它包含多种周期性因素:(1)是以14个月为周期;(2)一年
为周期;(3)比较次要的长期和短期变化.极移的结果是引起各地纬度和经度的微小变化.
反过来说,人们正是通过各地纬度和经度的变化的观测,来研究极移的状况.
南北天极在天球上的运动,反映出地轴在宇宙空间的运动,叫做地轴进动."进动"一
词本是物理学的术语,是指转动物体的转动轴环绕另一根轴的圆锥形运动.玩具陀螺便是这
种运动的一个生动实例.如果我们把旋转的陀螺轻轻地推一下,那么,陀螺的旋转轴就会围
绕铅直线缓慢地转起来,并在空间画出一个圆锥面,随着陀螺自转减慢到一定时候,所施加
的力才使陀螺倒地.
地轴的进动可以归纳为下列四点:
(1)圆锥轴线就是黄轴(垂直于轨道平面),指向黄极;
(2)圆锥的半径为23°26'(2000年),等于黄赤交角;
(3)进动的方向向西,即同地球自转的方向相反;
(4)进动速度为每年50"26;周期为25800年. www_chinageog_com
地轴进动原因在于黄赤交角和地球自转.首先,地球是一个明显的扁球体,它的赤道部
分由于自转的惯性离心力的作用,形成一环形隆起.月球和太阳对赤道隆起有附加引力.比
较起来,向月球(或太阳)一侧的附加引力,要大于背月球(或太阳)一侧的附加引力,其
差值总是指向这二个吸引天体.其次,由于黄赤交角的存在,月球(或太阳)经常是在赤道
平面以外对赤道隆起施加引力.这就使得上述的引力差成为一个力矩,如果没有其它的因素,
这个力矩的作用,将把赤道隆起"拉回"到黄道平面,即使地轴趋近黄轴使天极趋近黄极.
第三,地球的自转妨碍地轴的这种运动.上述的力矩不是使得地轴趋近黄轴,而是同地球自
转的惯性力结合成合力矩,使地轴向合力矩方向靠拢.使地轴在一个圆锥面上不停地转动,
其方向同地球自转方向相反(向西),速度为每年50"29.这就是地轴的进动.
地轴进动的表现首先是地轴在宇宙间方向的变化引起南北天极在天球上(恒星间)的位
置的变化,它以黄极为中心,以23°26'为半径,以25800年为周期,在天球上画出一个圆.
随之而来的是极星的变迁.在北半球看起来,北极星将轮流替换.例如,公元前3000年,
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北极星曾是右枢(天龙座α),日前是勾陈一(小熊座α),约在12000年后,织女星(天琴 chinageog
座α)将成为北极星.自然25800年以后的情形又同现在一样.目前南天极附近没有亮星,
14000年后,老人星(船底座α)将成为明亮的南极星.其次,由于天轴方向的改变,天赤
道的位置也相应改变(天赤道垂直于天轴),从而它同黄道的两交点(春分点和秋分点)也
要随着移动,每年沿黄道向西移动50"26,约71年又7个月移动1度.物理学上叫地轴进动.
我国古代文献称为"交点退行".第三,由于春分点的向西移动(同太阳周年运动方向相反),
使以春分点为参考点来度量的回归年(季节年)要短于恒星年(太阳运行一周天的时间),
差值约为20分.如此,太阳运行一周天有别于一周岁,我国古称"岁差"(意即岁岁微差).
地球自转的周期笼统地说是一日.但由于参考点的不同,日的长度有三种,恒星日是
同一恒星连续两次在同地中天的时间间隔.太阳日是太阳连续二次在同地中天的时间间隔.
太阴日是月亮连续二次在同地中天的时间间隔.
恒星被看作是天球上的定点.故恒星日是地球自转的真正周期(转过360°所用时间)(度
量恒星日,参照的不是具体的某个恒星,而是春分点).太阳和月球除参与天球的周日运动
(向西)外,还有各自的向东运动,它们在天球上没有固定的相对位置.故太阳日,太阴日 中国地理网
都不是地球自转的真正的周期.
太阳周年运动是地球公转的反映,其速度是每太阳月59",月球在天球上的运动,是它
本身绕地球的反映,其速度为每太阳日13°38'(或每太阳日13°10'),故在一个太阳日里,地
球不是转360°而是360°59'.在一个太阴日里地球转373°38'.如恒星日为24h则太阳日为24h4/,
太阴日为24h54'.如果太阳日为1日24h,则恒星日为23h56',太阴日为24h50'.
地球自转的速度有角速度和线速度之分.地球自转的线速度因纬度和高度而不同.
§4.1.3 地球自转的后果(aftereffect of the earth's roation)
地转的最明显结果是引起"天旋".地球自西向东自转,天空则以相反的方向和相同的
周期旋转.这种运动被叫做"周日运动",是地球自转的反映.我国古代文献中就有"天左
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