地球在太陽系中的運動

06-23

2 地球在太陽系中的運動

地球在太陽系內的運動總體上具有高度穩定性，所以長期以來一直作為人類確定和記錄時間的標準。晝夜更替和四季變化，人類的生活和勞動，都與地球的轉動有密切關係。但人們通過持久的精密觀測，發現地球的轉動由於受到太陽系內不同天體的相互影響，實際上相當複雜，其地學意義很值得繼續探討。

2．1 地球自轉與晝夜交替

（1）地理坐標系

由於地球存在繞軸自轉運動，人們定義地球旋轉軸為地軸，地軸通過地心與地面相交的兩個端點為地極，即北極和南極。通過地心而又垂直於地軸的平面與地表相交而成的圓，稱為赤道。

所有與地軸相垂直的面與地表相交而成不同大小的圓，稱為緯線。所有緯線都與赤道平行，是地理坐標系的橫軸。赤道把地球分為南、北兩個半球，各有90°緯度。

所有通過地軸的平面，都和地球表面相交而成為同樣大小的圓，稱為經線圈。每個經線圈都可分為兩條相差180°的半圓弧，就是經線。

所有經線都表示南北方向，又稱子午線，是地理坐標系的縱軸。通過經線的平面，就是子午面。1884年經過國際協議，確定以通過英國倫敦當時的格林威治天文台的經線為本初子午線，代表經度的0°線。由此分別劃分東經和西經180°經度（圖1-7）。

經線和緯線在地球表面交織成經緯網，地面上任何一點都在特定的經緯網交點上。因此只要獲得地面上任何一點的經、緯度數據，就可以精確地測定該點的地理位置。近年國際上推廣的全球定位系統（GPS）輕便的GPS接收器，利用地球人造衛星遙控技術可以直接讀出儀器所在地的經緯度，精度可以達到米至厘米級，不受高山、雪原、沙漠、海洋等地理環境的影響，極大地方便了地學研究中測定地理坐標問題。

（2）天球坐標系

與地球的實體概念相反，天球是研究天體的視位置和視運動而引進的一個假想的圓球。天球實際上是將地球的地理坐標系擴展為以無限長為半徑的球體：將地軸無限延長稱為天軸，天軸與天球相交的兩個點即天北極和天南極；地球赤道無限擴展與天球相交的大圓圈，就是天赤道。

由於地球的自西向東自轉，人們看到的則是每日太陽東升西落的現象。地球繞太陽作公轉運動，太陽在天球上每年的視運動路線稱為黃道，黃道面和天赤道面之間存在的夾角（23°26′），稱為黃赤交角，黃道面法線在天球上的交點稱為黃極（圖1-8）。月球繞地球公轉軌道在天球上的投影，稱為白道，與黃道之間僅有5°9′交角，反映月球和地球的公轉軌道面相當接近。

從觀察者所在位置作鉛垂線，向上、下延長與天球相交的點稱為天頂和天底；通過地心並與上述鉛垂線垂直的平面，稱為地平面；地平面與天球相交而成的大圓圈，即為地平圈；連結天球兩極和觀察者天頂的大圓圈，為天球子午圈。天體由東往西運行經過子午圈的時間，稱為中天時刻。顯然，天赤道、天極在天球上的位置都是固定的；而天頂、地平圈、天球子午圈和中天時刻則隨觀測者所在位置不同而改變。由於存在地平圈，在北半球上，人們只能見到天北極和天頂，看不見天南極和天底。

由於天球上的赤道與南北極和地球的赤道和南北極一一對應，所以天球上的赤道坐標系（又稱第二赤道坐標系）的基本原理與地理坐標系非常相似，只不過在天球上的經緯度使用赤經、赤緯術語。應當說明，天文學研究中由於目的不同，還採用不同的天球坐標系，如第一赤道坐標系、黃道坐標系、地平坐標系等。

（3）地球的自轉

地球繞地軸旋轉的方向為自西向東，即從北極上空俯視呈反時針方向旋轉。

地球自轉一周的時間單位是一日。由於觀測自轉周期選定的參考點不同，一日的定義和長度也略有差別。科學界慣用的恆星日是距地球遙遠的恆星（或春分點）連續兩次通過同一子午圈的時間，代表地球自轉360°的真正周期，長度為23h56min04s。日常生活中晝夜交替為一日的概念，稱為太陽日，是太陽連續兩次通過同一地點子午圈的時間。由於地球不僅自轉，還有公轉，一個太陽日地球平均自轉360°59′，所以太陽日比恆星日長3min56s（圖1-9）。

自轉速度 有角速度和線速度兩種。角速度是物體整體轉動時的轉動速度，單位為弧度/秒，地球自轉角速度除兩極點外，到處都是每個恆星日360°，每小時約15°。線速度是質點作圓周運動時的切線速度，地球上各點的自轉線速度並不相同，赤道上線速度最大，為464m/s，到南北緯60°處幾乎減少一半，到兩極則為零。

（4）晝夜交替和標準時區

地球自轉導致不同經度地區晝夜交替的時間參差不齊，也造成同一時刻、不同經線上具有不同的地方時。地球表面每隔15°經線，向東時間要提前1小時，向西則推遲1小時。例如東經116°附近的北京正當上午8時，位於經線0°的英國倫敦為凌晨0時（推遲8小時），東經176°附近的紐西蘭惠靈頓已是中午12時（提前4小時）。更向東至太平洋彼岸西經124°附近的加拿大溫哥華則為前一日的下午16時（提前16小時）。地方時的建立符合當地日出日落自然規律和居民的生物鐘自然節律，無疑是必要的。但隨著近代交通、通訊事業發展以及地區和國際間交流日益頻繁，需要有一種全球通用的世界時或稱格林威治時間。世界時與地方時之間的換算很簡單，因為各地與格林威治時間的經度差，就是本身的經度。

為了在全球範圍建立一個既有相對統一性，又保持一定地方性的完善時間系統，人們在地球表面按360°經度劃分出24個理論時區及國際日界線（圖1-10）。每一時區跨經度15°，並以本初子午線所在的時區為零區，向東和向西各自依次為東1區、東2區……東12區及西1區、西2區……西12區。每一時區的東西界線距各自中央經線均為7.5°，就採用中央經線的地方時作為全區的標準時間，稱為區時。

各國在實際執行中根據實際國土分布和行政區劃界線，對標準時區有所調整。例如中國國土自西至東跨越63個經度，包括東5區到東9區共五個時區，但現在都採用北京所在的東8區的區時作為全國統一時間，稱北京時間。北京時間嚴格以東經120°的地方時為標準，並不代表北京實際位置東經116°19′的地方時刻。

（5）地球自轉的地學意義

科里奧利力 由於地球自西向東自轉，在北半球沿地表運動的物體發生向右偏轉，在南半球則向左偏轉。事實上運動物體的運動方向按慣性原理並沒有改變，只是由於地球自轉，作為地表定方向的經線和緯線發生了偏轉的緣故（圖1-11）。這種現象由法國人科里奧利（G．Coriolis）於1835年首先發現，因此稱為科里奧利力（地轉偏向力）。其計算公式：

其中，F為科里奧利力，m為運動物體質量，v為其水平運動速度，

速度和緯度的正弦成正比，相同質量和速度的運動物體，F隨緯度增高而加大。

科里奧利力對氣團、洋流、河水的運動方向和其他許多自然現象有著明顯的影響。如地球上信風帶的形成、墨西哥灣暖流的偏向、北半球河流右岸沖刷加強和高緯度帶河流上浮運木材多向右岸集中等。

自轉速度變化 人們通過長期的天文觀測實踐，發現天體（特別是月球）位置的觀測數據總是與理論推算不相符合，由此對傳統上認為的地球以均勻速度自轉概念產生疑問。自20世紀20年代末出現石英鐘（日差萬分之一秒）以來，用以校核地球自轉周期，已經證實了地球自轉速度的不均勻性。

地球自轉速度存在長期變慢的趨勢已經獲得公認，已估算出在一個世紀內日長增加1～2ms（毫秒）。並與月球對地球的潮汐摩擦作用密切有關。地質歷史中古生物化石（珊瑚、疊層石等）骨骼上保存的生長條紋反映了當時的年、日周期記錄，已經發現4億年前的古生代泥盆紀每年約有400日，6500萬年前的中生代白堊紀每年約有376日，與現在一年365日相比，證明一年內的日數減少，日長增加，地球自轉在減慢。

地轉自轉速度存在周期變化的現象也已得到多方證明。由於大氣環流引起的大氣角動量的季節性變化，使地球自轉速度出現春慢秋快的周年差異，振幅約為20～25ms；由太陽潮汐和大氣角動量引起的半年變化，振幅約為9ms；由月球潮汐引起的月和半月變化，振幅只有1ms。以上這些周期性變化較有規律，可以事先預報。

此外，地球自轉速度還存在時快時慢的不規則變化，已經通過天體觀測和天文測時資料得到證實。這類變化有的相當劇烈，但成因不明，難以預報。

應當指出，地球自轉速度變化與地球不同圈層中出現的多種突發性事件（如極移、地震、氣候變化、海洋變化等）之間可能存在廣泛而深刻的聯繫，但其確切的成因機制尚未獲得合理解釋。因此，除天文學家外，地球物理、大地測量、地質、地震、氣象、海洋、古生物等學科的學者，也都對地球自轉變化問題發生濃厚的興趣，已形成多學科之間大跨度交叉和滲透的重要研究方向。