地球自转速度、自转对地球形状的影响

伤我心太深

　　地球的自转运动及其相关现象：地球自转速度是多少？多地球有什么影响？
　　地球的运动有许多种，其中最基本的两种运动形式是地球的自转运动和地球的公转运动。这里先讲地球的自转运动及其相关现象。


　　一、地球的自转运动


　　地球不停地围绕其自转轴作旋转运动，称为地球的自转运动。地球自转的方向是自西向东的，因而才会有天球以相反的方向自东向西地旋转运动。地球的自转轴简称地轴，它通过地球的中心和南北两极。从北极上方看，地球是按逆时针方向自转;从南极上方看，地球则是按顺时针方向自转。


　　为了计量地球自转运动的周期，必须在地球之外选定参考点。由于地球的自转运动，被选定的参考点两次回归到同一方向时，其间的时间间隔就是地球自转周期。以恒星为参考点所测得的地球自转运动的周期叫恒星日，它是恒星连续两次通过同一子午圈的时间间隔。在一个恒星日中，地球自转360°，这是地球自转的真正周期。一个恒星日分为24个恒星时，一个恒星时分为60个恒星分，一个恒星分分为60个恒星秒。以太阳中心为参考点所测得的地球自转运动的周期叫真太阳日，它是太阳中心连续两次通过同一子午圈的时间间隔。一个真太阳日分为24个真太阳时，一个真太阳时分为60个真太阳分，一个真太阳分分为60个真太阳秒。





　　真太阳时不是均匀的时间系统，真太阳日时长时短，相差最大的可达51秒。其原因在于地球在自转同时还绕日公转，而且公转速度是不均匀的。为了建立一个均匀的太阳时系统，天文学家引入一个天球上的假想点——平太阳。其引入方法如下：首先假定在黄道上有一个以真太阳平均速率做匀速动的点，它与真太阳同时过近日点和远日点;又假设在天赤道上也有一个做匀速运动的点，其速率与第一个假想点相同，并且两者同时过春分点。这第二假想点就是平太阳。以假想平太阳为参考点，连续两次过同一子午圈的时间间隔为一个平太阳日。一个平太阳日分为24个平太阳时，一平太阳时等于60平太阳分，一个平太阳分等于60平太阳秒。平太阳时是一种均匀的太阳时系统，简称平时，就是我们日常用的时间系统。因真太阳时不是均匀的时间系统，不同日子的真太阳时是有长短变化的，而平太阳时是均匀的时间系统，无论什么日子都一样长。


　　由此可知，真太阳时与平太阳时在不同的日子就有不同的时差，这三者关系是：时差=真太阳时-平太阳时显然，时差不是一个固定值，时差随时间的变化曲线叫时差曲线。在中国天文年历的太阳表中载有每天的时差的数值。平太阳是假想点，平太阳时无法通过观测得到。但任何一天的真太阳时可由观测得到，时差可通过查天文年历得到，通过上式就可算得平太阳时。


　　平太阳日与恒星日也不一样长，1平太阳日=1.0027379恒星日。为什么平太阳日要比恒星日稍微长一点呢?原因在于地球除自转外还围绕太阳公转，所以，在一个平太阳日中，地球自转所转过的角度要比360度多59角分，或者说一个平太阳日要比一个恒星日长3分56秒。


　　二、地球自转的角速度和线速度


　　地球自转速度有角速度和线速度两种。地球自转角速度是每恒星日360°。因为恒星日只比太阳日短3分56秒，接近24小时。所以，地球自转角速度约为每小时15°，每4分钟1°。由于地球是球体，除南北两极点外，任何地点的自转角速度都一样。






　　地球自转的线速度则因各地纬度的不同而有差异。这是因为纬线圈的周长自赤道向两极逐渐减小。赤道处纬线圈最长，自转线速度最快。赤道上的自转线速度为：Vo=2πR/24小时=1670千米/小时=464米/秒。式中R为赤道半径。地球表面上任一点的自转线速度与所在地纬度的余弦成正比，即在纬度φ处的自转线速度Vφ=VoCOSφ式中Vo为赤道上的自转线速度。依上式可求出任何纬度上的自转线速度，纬度30°处的线速度为402米/秒，60°处为232米/秒，两极为零。


　　三、地球自转与天体的周日视运动


　　由于地球每日自西向东旋转，而处于地球上的观测者觉察不到地球的自转，却看到了整个天球上的天体都在自东向西围绕天轴作周日旋转运动。这种天体周日视运动的轨迹都是平行于天赤道的圆圈，称为周日平行圈。天赤道是最大的周日平行圈。越靠近天极，周日平行圈就越小，在天极上周日平行圈缩为一点。
　　如果我们把望远镜指向天极，让底片长时间曝光，星星绕天极旋转的轨迹就能在底片上留下一个个圆圈，这些圆圈的共同圆心就是天极的位置。


　　1.在两极上(φ=±90°)


　　观测者位于北极上抬头看天球，北天极P与天顶Z相合，地平圈与天赤道相合。因此，天赤道以北的星体永远自东向西平行于地平圈作周日运动。它们常显不落，称为恒显星;反之，天赤道以南的星体，永隐地平以下，称为恒隐星。如果观测者站在南极上看天球，那么在北极看不到的恒隐星变为恒显星，看到的恒显星变为恒隐星。


　　2.在赤道上(φ=0°)


　　观测者位于赤道上，天北极P与北点N相合，南天极P′与南点S相合;天赤道QQ′穿过天顶和天底，所有天体的周日平行圈都和地平圈垂直。因此，它们都垂直上升和下落，每天有12小时在地平以上，12小时在地平以下。显然，在赤道上的观测者可以看到天球上所有的恒星。

　　3.在赤道和两极之间(0°<φ<90°)


　　在这些地区内，天轴和地平面斜交，其交角等于观测者的地理纬度φ;周日平行圈也和地平面斜交，其交角等于90°-φ。所有恒星都倾斜上升，倾斜下落。在北半球上当观测者越向高纬度移动时，北天极P越靠近天顶Z，周日平行圈和地平圈的交角越小，所见南天的恒星越来越少;反之，当观测者向低纬度的地方移动时，北天极P的高度逐渐下降，周日平行圈和地平面的交角逐渐增大，所见南天的恒星逐渐增多。





　　综上所述可知，在地球上，只有赤道上的观测者可以看到天球上的全部恒星，其他地区，或多或少地有些恒星永不下落成为恒显星，有些恒星永不上升成为恒隐星。恒显星的条件是其赤纬δ≥90°-φ，恒隐星的条件是其赤纬δ≤-(90°-φ)而能见升落的恒星的赤纬δ必在以上两个界限之间，即90°-φ>δ>-(90°-φ)。


　　四、地球的昼夜更替


　　由于地球是一个不发光、也不透明的球体，所以在同一时间内，太阳只能照亮地球表面的一半。向着太阳的半球是白天，称作昼半球;背着太阳的半球是黑夜，称作夜半球。在不考虑太阳的视半径和大气折光对昼、夜长度影响的情况下，昼半球和夜半球的分界线是一个大圆圈，称作晨昏圈或晨昏线。晨昏线所在平面与太阳光线垂直，平分赤道。晨昏线移动方向为自东向西，与地球的自转方向相反。




　　晨昏线由晨线和昏线组成，顺着地球自转的方向，由夜半球进入昼半球的为晨线，由昼半球进入夜半球的为昏线。在昼半球上的纬圈弧长称为昼弧，在夜半球上的纬圈弧长称为夜弧。由于地球不停地自转，昼夜就不断交替。昼夜交替的周期就是太阳日，为24小时。由于昼夜交替的周期不长，这就使得地面白昼增温不至于过分炎热，黑夜冷却不至于过分寒冷，从而保证了地球上生命有机体的生存和发展。应当指出，把地球上的昼夜交替仅仅归结为由地球的自转引起并不全面。如果地球没有自转运动而只有公转运动，那么地球上也会有昼夜交替，只是周期很长，等于它的公转周期，也就是一年。如果地球自转周期和它的公转周期相等，那地球将永远以一面朝向太阳。朝向太阳的一面就会过热，背面则过于寒冷，就不适宜生命在地球上生存和发展。


　　五、地方时、区时和世界时


　　由于地球自转，地球上不同经度的地方有不同的地方时：经度每隔15°，地方时相差1小时;经度相差1°，地方时相差4分钟。东边的地方时总是早于西边。


　　为了统一时间，国际上采用每15°，划分一个时区的方法，把全球分为24个时区，每个时区都以中央经线上的地方时作为全区共同使用的时间，即区时。

　　国际上规定，以英国伦敦格林尼治天文台中星仪所在的子午线(0°经线)作为时间和经度计量的标准子午线，这条子午线称为本初子午线，或零子午线。本初子午线为中央经线的时区为中时区(即零时区)，跨东西经各7.5°。中时区以东依次是东1区、东2区……东12区，它们的中央经线分别为东经15°、30°……180°;中时区以西依次是西1区、西2区……西12区，它们的中央经线分别为西经15°、30°……180°。其中东12区和西12区各跨7.5°，叠加为12时区。每一时区的东西界线(亦即相邻两时区的界线)各距中央经线7.5°。

　　国际上规定，把通过英国伦敦格林尼治天文台原址的经线(0°经线)的地方时称为世界时。中国目前统一采用北京所在的东8区的区时(东经120°的地方时)，称为北京时间。请注意：北京时间不是北京的地方时，而是东经120°的地方时，即东8区的中央经线的地方时，也是东8区的区时;北京的地方时是东经116°19′的地方时，比北京时间晚14.7分钟。




　　六、日界线


　　国际上规定，把东西12时区的中央经线180°经线作为国际日期变更线，简称日界线。日界线是地球上新的一天的起点和终点，地球上的日期的变更，都从这条线开始。
　　实际日界线不是一条直线，而是有些曲折，不完全按180°经线延伸。这是为了照顾附近国家居民生活的方便，日界线避免通过陆地。过日界线的日期计算是这样的：从东12区向东过日界线进入西12区，日期减一天;从西12区向西过日界线进入东12区，日期加一天。

　　历史上就因不明此理而发生过一些所谓“丢失一天”或“多出一天”的事件。其中最著名的事件就是所谓的“麦哲伦船队丢失一天”事件。完成人类第一次环球旅行的麦哲伦船队是逆着地球自西向东的自转方向由东向西航行的。根据西班牙人的记录，从麦哲伦的船队出发那一天算起，到返抵西班牙一共有1082天，可是船队的记录却只有1081天。他们大为惊奇自己明明每天都记日记怎么丢失了一天，还因此不得不莫名其妙地去教堂进行忏悔，祈求上帝对他们的宽恕。其实，他们的日记并没有少记一天，问题就出在他们是由东而西穿越日界线的，理应加上一天。还有一个相反的例子是18世纪时俄国移民到北美阿拉斯加，由于他们是顺着地球自西向东的自转方向航行的，是由西而东穿越日界线的，因此就多出了一天。

　　正是为了避免再次发生这样的误会，1884年10月，人们在美国华盛顿召开了“国际子午会议”，会上确定了一条“国际日期变更线”，并以此线上的子夜(即地方时间零点)为全球日期分界线。从此，类似麦哲伦船队丢失日子的那种误会再也不会发生了。


　　七、落地偏东和沿地表运动的物体的偏移


　　由于地球的自转，会产生一些原来意想不到的现象。

　　其一是落地偏东现象。当物体从地面上空A处下落时，不是垂直下落到地心0和A的连线与地面的交点B处，而是落在B点之东。其原因是地球自转的线速度与线半径成正比，A处的线半径比B处大，其线速度比B处大。在下落过程中物体保持原有的线速度，势必落在B处之东。根据实验，从高35米下落的物体，东偏11.5毫米。英国有人曾在1524米深的矿井内，作下落物体的实验，结果，物体在井底东偏76厘米。


　　其二是沿地表运动的物体的偏移现象。在自转的地球表面上，一切沿地表作水平运动的物体，不论其朝哪个方向运动都会偏离其初始的运动方向：在北半球上向右偏，在南半球向左偏。这些现象既是地球自转的结果，也是地球自转的有力证据。


　　为什么沿地表作水平运动的物体会发生偏移现象?因为地球的自转会产生一种地转偏向力。这种地转偏向力是法国数学家科里奥里于1835年提出来的，所以又称为科里奥里力。正是这种力使在地球上运动的物体发生偏移。因为任何物体在运动时都有惯性，总是力图保持原来的方向和速度。在北半球，物体向北沿经线取AB方向作水平运动，经过一段时间，O转到O′的位置。沿经线方向的物体，由于惯性，必然保持原来的方向和速度，取A′B′的方向前进。这时，在O′的位置上的人看来，运动物体已经离经线方向而向右偏了。同理可证，沿纬线方向运动的物体也向右偏，南半球则向左偏。只有在赤道上，水平运动的物体没有右偏和左偏现象。


　　由此可知，大气中的气流、大洋中的洋流都会发生偏移。这对地表热量与水分的输送交流，对全球热量和水量的平衡都有着巨大的影响。北半球的河流向右偏移，其右岸因受冲刷较强而变得陡峻，左岸则较为平坦。南半球则相反，左岸陡峻，右岸平坦。懂得这一点，我们就能理解，为什么由西向东流的长江黄河南岸陡峻，北岸平坦，发大水时南岸的防汛任务更为艰险。


　　八、地球自转对地球形状的影响


　　地球自转所产生的惯性离心力，使得地球由两极向赤道逐渐膨胀，成为目前略扁的旋转椭球体的形状。

　　这个椭球体的半长轴，即地球赤道半径为6378.1千米;半短轴，即地球的极半径为6356.8千米，两者相差约21千米。这个差值与地球平均半径相比是很小的，所以从太空看地球，仍觉得是一个圆球体。

　　在太阳系八大行星中，凡是像地球那样自转速度比较小的行星，产生的惯性离心力就小，对其形状的影响就小，看起来接近于一个圆球。反之，凡是象木星那样自转速度比较大的行星，产生的惯性离心力就大，对其形状的影响就大，看起来是一个比较扁的椭球。这可以说是一种普遍规律。