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地球自转

地球自转:地球绕自转轴自西向东的转动,从北极点上空看呈逆时针旋转,从南极点上空看呈顺时针旋转。关于地球自转的各种理论目前都还是假说。地球自转是地球的一种重要运动形式,自转的平均角速度为 4.167×10-3度/秒,在地球赤道上的自转线速度为465米/秒。地球自转一周耗时23小时56分,约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。

其实,古希腊的费罗劳斯、海西塔斯等人早已提出过地球自转的猜想,中国战国时代《尸子》一书中就已有“天左舒,地右辟”的论述,而对这一自然现象的证实和它被人们所接受,则是在1543年哥白尼日心说提出之后。

地球自转是地球的一种重要运动形式,自转的平均角速度为7.292×10-5弧度/秒,在地球赤道上的自转线速度为465米/秒。

格林威治时间所说的一秒是一天的8.641万分之一,而1972年制作的地球时钟所定义的一秒是从铯原子中放射出的光振动91亿9千2百63万1千7百70次所需要的时间。

与铯原子振动数能维持一定速度相比,以地球的自转为准的格林威治标准时间是发生变化的,闰秒就是为了解决这种问题产生的一种时间概念。

ω=2π/(24*3600s)=7.27/100000rad/s

地球在自转时同时公转,自转一周需用23小时56分4秒,公转了约0.986度,按地球自转速度折合3分56秒,时间,自转加上公转用的时间共24小时。经度每隔15度,地方时相差一小时。

美国国立标准技术研究所(NIST)的观察结果表明,长时期以来呈减慢趋势的地球自转速度自1999年开始加快。NIST的时间测定师们称,为调准以地球自转速度为标准的地球时间和原子时钟的时间,自1972年起到1999年的27年来为地球的标准时钟追加过共22闰秒的时间,但1999年后却没有追加过闰秒,是因为地球的自转速度加快了。

自转速度的变化20世纪初以后,天文学的一项重要发现是,确认地球自转速度是不均匀的。人们已经发现的地球自转速度有以下3种变化:

①长期减慢。这种变化使日的长度在一个世纪内大约增长1~2毫秒(约合每35,000年增长1秒),使以地球自转周期为基准所计量的时间,2000年来累计慢了2个多小时。引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。科学家发现在3.7亿年以前的泥盆纪中期地球上大约一年400天左右。

②周期性变化。20世纪50年代从天文测时的分析发现,地球自转速度有季节性的周期变化,春天变慢,秋天变快,此外还有半年周期的变化。周年变化的振幅约为20~25毫秒,主要是由风的季节性变化引起的。

③不规则变化。地球自转还存在着时快时慢的不规则变化。其原因尚待进一步分析研究。

地球自转减慢还与人类的活动有很大的关系,特别是人造地球卫星的发射,其反作用力让地球自转直接变慢,根据动量守恒的原理,这种因素应该是目前造成地球自转变慢的最主要原因了。所以人类为了地球的安全,发射的卫星不应该再借助地球自转的动量。

太阳在运行中捕获了地球,地球产生公转F和自转f(如下图),如果原始地球不存在自转,地球公转线速度F和地球赤道自转线速度f是相等的。

地球公转轨道线速度(平均)为:29.8公里/秒=107280公里/小时。

地球赤道周长:40076公里。

地球最初的自转一周时间为:

地球自转一周时间=赤道周长/赤道线速度=40076公里/107280公里/小时=0.37小时。

在距今5.43亿年,太阳捕获地球,地球开始有了阳光,地质时期进入显生宙的古生代,

冰川融化,生物界开始爆发式出现即开始复活,在岩石建造上出现大量的灰岩。

从地球最初自转一周0.37小时,经过5.43亿年,地球自转一周为24小时,减慢了:

24小时-0.37小时=23.63小时=83880秒。

减慢速率为:83880秒/543000000年=0.00015秒/年。

昼夜交替

1.产生原因:地球不发光也不透明,地球的自转。
  2.周期:1个太阳日,即24小时
  3.晨昏线含义:昼夜半球的分界线,包括晨线和昏线。晨昏线的判读:①自转法:顺地球自转方向,由夜进入昼,为晨线;由昼进入夜为昏线。②时间法:赤道上地方时为6点对应的为晨线;赤道上的地方时为18点,对应的为昏线。③方位法:夜半球东侧为晨线,西侧为昏线;昼半球东侧为昏线,西侧为晨线。

地方时和区时

1.地方时
  地方时的概念:以本地子午面作起算平面,根据任意时天体所确定的时间,均称该地的地方时。 产生的原因:东边的地点比西边的地点先看到日出,东边地点的时刻较早,西边地点的时刻较晚。
  计算方法:所求地点的时间=已知地点的时间±(两地相隔的经度数÷15°)×1小时(所求地点在已知地点以东用“+”,反之用“-”)。

2.时区和区

时区的含义:时区是指同一时间制度的区域。

时区的划分:全球共划分为24个时区,以本初子午线为基准,从7.5°W向东至7.5°E,划分为一个时区,叫中时区或零时区。在零时区以东,依次划分为东一区至东十二区;在中时区以西,依次划分为西一区至西十二区,东十二区和西十二区各跨经度7.5°合为一个时区,即十二区。

区时的含义:为了方便计时,把每一个时区中央经线的地方时作为整个时区通用的时间,即区时。
  区时的计算:所求地的区时=已知地的区时±时区差×1小时(计算某地所在的时区:用该地经度÷15°所得商四舍五入取整数,即为时区数,东西时区根据所在经度来确定;时区差的计算:若两地同属于东时区或同属于西时区,时区差为两地时区数之差,若两地分属于东、西时区,则两地时区差为两地时区数之和;“+”、“-”号的取舍:若要计算的地方位于已知地的东侧,用“+”,反之用“-”)。
  地方时和区时的关系:一般从光照图上读到的时间,均是地方时,一个地区正午太阳高度角最大时,一定是地方时12时,由于区时从地方时而来,区时即为一个时区中央经线的地方时,则二者关系又密切联系。两个地点的地方时,可以相差时、分、秒,而两个地点的区时之差只能是小时。
  3.日期界线
  概念:国际上规定,把东西十二区之间的180°经线作为国际日期变更线,简称日界线。
  日界线的特征:日界线是地球上新的一天的起点和旧的一天的终点,地球上日期的更替,都从这条线开始。日界线不是一条直线,而是有些曲折,不完全按照180°经线延伸,这是为了附近国家和地区居民生活的方便,日界线的划定避免通过陆地。
  过日界线时日期的变更:由于在任何时刻,东十二区总比西十二区早24小时,即一天。因此,自东十二区向东进入西十二区,日期要减去一天;自西十二区向西进入东十二区,日期要增加一天。东西十二区时刻相同,但日期相差一天。

沿地表水平运动物体的偏转

地球自转,还导致地球上任意方向水平运动的物体,都会与其运动的最初方向发生偏离。若以运动物体前进方向为准,北半球水平物体偏向右方,南半球偏向左方。

造成地表水平物体运动方向偏转的原因,是由于物体都具有惯性,力图保持自己的速率和方向。如上所述,地球上的水平方向,都是以经线和纬线为准的,经线的方向就是南北方向,纬线的方向就是东西方向。但是由于地球自转,作为南北和东西方向标准的经线和纬线,都随地球自传而发生偏转。于是,真正保持不变方向的物体的水平运动,如果用地球上的方向来表示,倒是相对地发生了偏转。

天体的周日运动

天体的周日运动是地球自转的反应。人们把天球上的日月星辰自东向西的系统性视运动叫做天体的周日运动。

地球自转轴在地球本体上的位置是经常在变动的,这种变动称为地极移动,简称极移。1765年L欧拉证明,如果没有外力的作用,刚体地球的自转轴将围绕形状轴作自由摆动, 周期为305恒星日。1888年人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在。1891年美国的S.C.张德勒进一步指出,极移包括两种主要周期成分:一种是周期约14个月的自由摆动,又称张德勒摆动;另一种是周期为12个月的受迫摆动。

实际观测到的张德勒摆动就是欧拉所预言的自由摆动。但因地球不是一个绝对刚体,所以张德勒摆动的周期比欧拉所预言的周期约长40%。张德勒摆动的振幅大约在0.06″~0.25″之间缓慢变化,其周期的变化范围约为410~440天。极移的另一种主要成分是周年受迫摆动,其振幅约为0.09″,相对来说比较稳定,主要由于大气和两极冰雪的季节性变化所引起。

将极移中的周期成分除去以后,可以得到长期极移。长期极移的平均速度约为0.003″/年,方向大致在西经70°左右。

地球的极半径约比赤道半径短1/300,同时地球自转的赤道面、地球绕太阳公转的黄道面和月球绕地球公转的白道面,这三者并不在 一个平面内。由于这些因素,在月球、太阳和行星的引力作用下,使地球自转轴在空间产生了复杂的运动。这种运动通常称为岁差和章动。岁差运动表现为地球自转轴围绕黄道轴旋转,在空间描绘出一个圆锥面,绕行一周约需2.6万年。章动是叠加在岁差运动上的许多复杂的周期运动。 地轴一直指向北极星,永不改变,在太阳轨道上,运动时间相等时,地球与太阳呈的弧形面积相等。

地球时刻不停地在自转,地面上水平运动的物体,必然相对地发生持续的右偏(北半球)或左偏(南半球).根据这种现象,人们分析射出的炮弹运动的方向,就能证明地球在自转。

地球在时刻不停地自转,由于惯性离心力的作用,地面的重力加速度必然是赤道最小,两极最大;地球不可能是正球体,而必然是赤道略鼓,两极略扁的旋转椭球体。重力测量和弧度测量的结果,证实了这些观点的正确性,也就从一个侧面证实了地球的自转.

地球时刻不停自转,由于自转速度随高度而增加,物体自高处下落的过程中,必然具有较高的向东的自转速度,而必然坠落在偏东的地点。为了证实这一点,有人曾在很深的矿井中进行试验。试验结果是:自井口中心下落的物体,总在一定的深度同矿井东壁相撞,从另一个侧面证实了地球的自转运动。

地轴在地面上的运动,叫做极移。

极移的原因主要有两种,一种是地轴对于惯性轴偏离的结果,周期大约为14个月。另一种是大气季节性运行导致,其周期为一年。还有其他一些次要的原因,极移的振幅一般不超过15米。

极移的结果使地球上的纬度和经度发生变化。

天极在天球上的位置的变化称为进动。

1.规律性:地轴的进动是一种圆锥形的运动,其规律性如下:

圆锥轴线垂直于地球公转轨道平面,指向黄道两极。

圆锥的半径是黄赤交角。

运动的方向是自东向西,即同地球自转的方向相反。

运动的速度是每年50秒点29,周期是25800年。

2.表现

表现为天极的周期性运动。

造成北极星的变迁。

地球赤道面和天赤道发生系统性的变化。

二分二至点每年在黄道上以50秒点29的速度西移。(岁差)

使回归年小于恒星年

3.原因:

第一,地球的形状

因为地球是一个明显的扁球体,所以隆起的部位所受的附加引力总是稍大于另一侧。二者之间的差值,总是存在于接近日月的一侧。

第二,黄赤交角

由于黄赤交角的存在,使得日月经常在赤道面以外对赤道隆起施加引力。这样上述引力差就成为一个力矩,使得地轴趋近黄轴,天极趋近黄极。

第三,地球自转

因为上述的引力差,给地球的自转的角动量增加了一个增量,使得地球的自转方向发生偏转。这就是地轴的进动,也就是岁差。

假设宇宙中有以太的存在,由于以太的存在范围无限大,并且一直处于运动状态,地球及太阳均处于以太当中,地球及太阳都会受到来自以太的作用力,并且在这个力的作用下沿着以太的运动方向开始运动,而地球在受到以太的作用力时还要受到太阳的对它的吸引,在这两种起到决定性的力的作用下,地球开始自转。

关于地球自转的各种理论都还是假说。考虑地球自转的成因应该和地球公转结合起来,

在宇宙中没有绝对静止的物体,受到各种外力的大质量的天体为了保持自身运动的平衡性必然依靠自转来维系平衡性。小质量的粒子由于运动的速度极快,也必须依靠自转来维系自身运动的平衡。这一点可以参考陀螺的运动原理,自转的物体在运动中对外力的耐受性较高。

传统的观点认为,太阳和行星皆形成于一团巨大的原始旋转星云物质。当这些原始旋转星云物质在自身引力作用下自行收缩时,由于角动量守恒,星云物质越收缩,越致密,旋转也就越来越快,当星球形成后,星云物质的旋转角动量就变成了寻求的自转角动量。首先,太阳系起源于一团星云物质,本身就是一种假说,所以,上述传统的关于地球自转的起源的解释也就是不确定的东西。我们不应该把这种解释视为金科玉律。其次,这种传统解释有许多不能自圆其说的地方。按照这种观点,原始星云应是按照同一方向以基本相同的角速度旋转的,这样形成的星球则应该是质量越大,其自转速度也越快,太阳系所有的天体应该是朝同一方向公转和自转。然而,太阳系的现状却偏偏不是这样。一是太阳的质量约为行星总质量的750倍,占整个太阳系质量的99%以上,但是它的角动量却只有全系统的2%,行星的质量虽小,其角动量却很大;二是太阳系绝大多数天体是按逆时针方向旋转的(包括公转和自转),但金星和少数卫星却是按顺时针方向旋转的。

正因为传统的关于地球自转的解释有许多漏洞,所以有学者提出了一些新的解释。

美国有一位天文学家认为,原始行星不自转。太阳对原始行星的吸引使其朝太阳的一边隆起,凸出来。当原始行星绕太阳公转时,这个隆起部分偏离朝太阳的方向,但是太阳对隆起部分的吸引又把它拉回朝向太阳的方向,这样就强迫行星自转起来。当然,这位天文学家的解释也有许多问题,例如,为什么大多数行星斜着身子按逆时针自转和公转,而金星是按顺时针自转,天王星是躺着身子自转和公转?

现代科学研究表明,行星的自转并非一成不变的。最为突出的是我们的地球,其自转有明显的波动:一年中,8月间地球自转最快,3~4月间自转最慢。在各个世纪和不同的年份自转也不是均匀的,如17世纪地球自转比较快,20世纪30~40年代自转加快,60~70年代自转减慢,到了80~90年代自转又加快。

地球的自转在不断地变化,这说明有一处原动力在为地球的自转加速和减速。那么,这一原动力是什么呢?

有人说,地球自转变化与南极有关。南极的巨大冰川,正在慢慢融化,也就是说,南极大陆的冰块在减少,重量正在减轻。这样,地球失去了平衡,影响了自转速度。但是,这种变化是单向的,它不可能既给地球自转加速,又给自转减速。

还有一种解释是:季风影响地球自转。有科学家计算过,每年由季风从大陆转移到海洋,又从海洋转移到大陆的空气,重量竟达300万亿吨。这么大重量的物质从地球一处转移到另一处,足可以影响地球的重心,改变地球的角动量分布,使地球自转发生加速或减速变化。


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