地球在太陽系中的運(yùn)動(dòng)

2 地球在太陽系中的運(yùn)動(dòng)

地球在太陽系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)總體上具有高度穩(wěn)定性，所以長(zhǎng)期以來一直作為人類確定和記錄時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。晝夜更替和四季變化，人類的生活和勞動(dòng)，都與地球的轉(zhuǎn)動(dòng)有密切關(guān)系。但人們通過持久的精密觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)地球的轉(zhuǎn)動(dòng)由于受到太陽系內(nèi)不同天體的相互影響，實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜，其地學(xué)意義很值得繼續(xù)探討。

2．1 地球自轉(zhuǎn)與晝夜交替

（1）地理坐標(biāo)系

由于地球存在繞軸自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，人們定義地球旋轉(zhuǎn)軸為地軸，地軸通過地心與地面相交的兩個(gè)端點(diǎn)為地極，即北極和南極。通過地心而又垂直于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(biāo)系的橫軸。赤道把地球分為南、北兩個(gè)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(jīng)線圈。每個(gè)經(jīng)線圈都可分為兩條相差180°的半圓弧，就是經(jīng)線。

所有經(jīng)線都表示南北方向，又稱子午線，是地理坐標(biāo)系的縱軸。通過經(jīng)線的平面，就是子午面。1884年經(jīng)過國(guó)際協(xié)議，確定以通過英國(guó)倫敦當(dāng)時(shí)的格林威治天文臺(tái)的經(jīng)線為本初子午線，代表經(jīng)度的0°線。由此分別劃分東經(jīng)和西經(jīng)180°經(jīng)度（圖1-7）。

經(jīng)線和緯線在地球表面交織成經(jīng)緯網(wǎng)，地面上任何一點(diǎn)都在特定的經(jīng)緯網(wǎng)交點(diǎn)上。因此只要獲得地面上任何一點(diǎn)的經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，就可以精確地測(cè)定該點(diǎn)的地理位置。近年國(guó)際上推廣的全球定位系統(tǒng)（GPS）輕便的GPS接收器，利用地球人造衛(wèi)星遙控技術(shù)可以直接讀出儀器所在地的經(jīng)緯度，精度可以達(dá)到米至厘米級(jí)，不受高山、雪原、沙漠、海洋等地理環(huán)境的影響，極大地方便了地學(xué)研究中測(cè)定地理坐標(biāo)問題。

（2）天球坐標(biāo)系

與地球的實(shí)體概念相反，天球是研究天體的視位置和視運(yùn)動(dòng)而引進(jìn)的一個(gè)假想的圓球。天球?qū)嶋H上是將地球的地理坐標(biāo)系擴(kuò)展為以無限長(zhǎng)為半徑的球體：將地軸無限延長(zhǎng)稱為天軸，天軸與天球相交的兩個(gè)點(diǎn)即天北極和天南極；地球赤道無限擴(kuò)展與天球相交的大圓圈，就是天赤道。

由于地球的自西向東自轉(zhuǎn)，人們看到的則是每日太陽東升西落的現(xiàn)象。地球繞太陽作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，太陽在天球上每年的視運(yùn)動(dòng)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(diǎn)稱為黃極（圖1-8）。月球繞地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軌道面相當(dāng)接近。

從觀察者所在位置作鉛垂線，向上、下延長(zhǎng)與天球相交的點(diǎn)稱為天頂和天底；通過地心并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(jié)天球兩極和觀察者天頂?shù)拇髨A圈，為天球子午圈。天體由東往西運(yùn)行經(jīng)過子午圈的時(shí)間，稱為中天時(shí)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(shí)刻則隨觀測(cè)者所在位置不同而改變。由于存在地平圈，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。

由于天球上的赤道與南北極和地球的赤道和南北極一一對(duì)應(yīng)，所以天球上的赤道坐標(biāo)系（又稱第二赤道坐標(biāo)系）的基本原理與地理坐標(biāo)系非常相似，只不過在天球上的經(jīng)緯度使用赤經(jīng)、赤緯術(shù)語。應(yīng)當(dāng)說明，天文學(xué)研究中由于目的不同，還采用不同的天球坐標(biāo)系，如第一赤道坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系、地平坐標(biāo)系等。

（3）地球的自轉(zhuǎn)

地球繞地軸旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)樽晕飨驏|，即從北極上空俯視呈反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間單位是一日。由于觀測(cè)自轉(zhuǎn)周期選定的參考點(diǎn)不同，一日的定義和長(zhǎng)度也略有差別。科學(xué)界習(xí)用的恒星日是距地球遙遠(yuǎn)的恒星（或春分點(diǎn)）連續(xù)兩次通過同一子午圈的時(shí)間，代表地球自轉(zhuǎn)360°的真正周期，長(zhǎng)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(xù)兩次通過同一地點(diǎn)子午圈的時(shí)間。由于地球不僅自轉(zhuǎn)，還有公轉(zhuǎn)，一個(gè)太陽日地球平均自轉(zhuǎn)360°59′，所以太陽日比恒星日長(zhǎng)3min56s（圖1-9）。

自轉(zhuǎn)速度 有角速度和線速度兩種。角速度是物體整體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，單位為弧度/秒，地球自轉(zhuǎn)角速度除兩極點(diǎn)外，到處都是每個(gè)恒星日360°，每小時(shí)約15°。線速度是質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的切線速度，地球上各點(diǎn)的自轉(zhuǎn)線速度并不相同，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(biāo)準(zhǔn)時(shí)區(qū)

地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致不同經(jīng)度地區(qū)晝夜交替的時(shí)間參差不齊，也造成同一時(shí)刻、不同經(jīng)線上具有不同的地方時(shí)。地球表面每隔15°經(jīng)線，向東時(shí)間要提前1小時(shí)，向西則推遲1小時(shí)。例如東經(jīng)116°附近的北京正當(dāng)上午8時(shí)，位于經(jīng)線0°的英國(guó)倫敦為凌晨0時(shí)（推遲8小時(shí)），東經(jīng)176°附近的新西蘭惠靈頓已是中午12時(shí)（提前4小時(shí)）。更向東至太平洋彼岸西經(jīng)124°附近的加拿大溫哥華則為前一日的下午16時(shí)（提前16小時(shí)）。地方時(shí)的建立符合當(dāng)?shù)厝粘鋈章渥匀灰?guī)律和居民的生物鐘自然節(jié)律，無疑是必要的。但隨著近代交通、通訊事業(yè)發(fā)展以及地區(qū)和國(guó)際間交流日益頻繁，需要有一種全球通用的世界時(shí)或稱格林威治時(shí)間。世界時(shí)與地方時(shí)之間的換算很簡(jiǎn)單，因?yàn)楦鞯嘏c格林威治時(shí)間的經(jīng)度差，就是本身的經(jīng)度。

為了在全球范圍建立一個(gè)既有相對(duì)統(tǒng)一性，又保持一定地方性的完善時(shí)間系統(tǒng)，人們?cè)诘厍虮砻姘?60°經(jīng)度劃分出24個(gè)理論時(shí)區(qū)及國(guó)際日界線（圖1-10）。每一時(shí)區(qū)跨經(jīng)度15°，并以本初子午線所在的時(shí)區(qū)為零區(qū)，向東和向西各自依次為東1區(qū)、東2區(qū)……東12區(qū)及西1區(qū)、西2區(qū)……西12區(qū)。每一時(shí)區(qū)的東西界線距各自中央經(jīng)線均為7.5°，就采用中央經(jīng)線的地方時(shí)作為全區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，稱為區(qū)時(shí)。

各國(guó)在實(shí)際執(zhí)行中根據(jù)實(shí)際國(guó)土分布和行政區(qū)劃界線，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)區(qū)有所調(diào)整。例如中國(guó)國(guó)土自西至東跨越63個(gè)經(jīng)度，包括東5區(qū)到東9區(qū)共五個(gè)時(shí)區(qū)，但現(xiàn)在都采用北京所在的東8區(qū)的區(qū)時(shí)作為全國(guó)統(tǒng)一時(shí)間，稱北京時(shí)間。北京時(shí)間嚴(yán)格以東經(jīng)120°的地方時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)，并不代表北京實(shí)際位置東經(jīng)116°19′的地方時(shí)刻。

（5）地球自轉(zhuǎn)的地學(xué)意義

科里奧利力 由于地球自西向東自轉(zhuǎn)，在北半球沿地表運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)生向右偏轉(zhuǎn)，在南半球則向左偏轉(zhuǎn)。事實(shí)上運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)方向按慣性原理并沒有改變，只是由于地球自轉(zhuǎn)，作為地表定方向的經(jīng)線和緯線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)的緣故（圖1-11）。這種現(xiàn)象由法國(guó)人科里奧利（G．Coriolis）于1835年首先發(fā)現(xiàn)，因此稱為科里奧利力（地轉(zhuǎn)偏向力）。其計(jì)算公式：

其中，F(xiàn)為科里奧利力，m為運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量，v為其水平運(yùn)動(dòng)速度，

速度和緯度的正弦成正比，相同質(zhì)量和速度的運(yùn)動(dòng)物體，F(xiàn)隨緯度增高而加大。

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

自轉(zhuǎn)速度變化 人們通過長(zhǎng)期的天文觀測(cè)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)天體（特別是月球）位置的觀測(cè)數(shù)據(jù)總是與理論推算不相符合，由此對(duì)傳統(tǒng)上認(rèn)為的地球以均勻速度自轉(zhuǎn)概念產(chǎn)生疑問。自20世紀(jì)20年代末出現(xiàn)石英鐘（日差萬分之一秒）以來，用以校核地球自轉(zhuǎn)周期，已經(jīng)證實(shí)了地球自轉(zhuǎn)速度的不均勻性。

地球自轉(zhuǎn)速度存在長(zhǎng)期變慢的趨勢(shì)已經(jīng)獲得公認(rèn)，已估算出在一個(gè)世紀(jì)內(nèi)日長(zhǎng)增加1～2ms（毫秒）。并與月球?qū)Φ厍虻某毕Σ磷饔妹芮杏嘘P(guān)。地質(zhì)歷史中古生物化石（珊瑚、疊層石等）骨骼上保存的生長(zhǎng)條紋反映了當(dāng)時(shí)的年、日周期記錄，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)4億年前的古生代泥盆紀(jì)每年約有400日，6500萬年前的中生代白堊紀(jì)每年約有376日，與現(xiàn)在一年365日相比，證明一年內(nèi)的日數(shù)減少，日長(zhǎng)增加，地球自轉(zhuǎn)在減慢。

地轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)速度存在周期變化的現(xiàn)象也已得到多方證明。由于大氣環(huán)流引起的大氣角動(dòng)量的季節(jié)性變化，使地球自轉(zhuǎn)速度出現(xiàn)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(dòng)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(guī)律，可以事先預(yù)報(bào)。

此外，地球自轉(zhuǎn)速度還存在時(shí)快時(shí)慢的不規(guī)則變化，已經(jīng)通過天體觀測(cè)和天文測(cè)時(shí)資料得到證實(shí)。這類變化有的相當(dāng)劇烈，但成因不明，難以預(yù)報(bào)。

應(yīng)當(dāng)指出，地球自轉(zhuǎn)速度變化與地球不同圈層中出現(xiàn)的多種突發(fā)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(lián)系，但其確切的成因機(jī)制尚未獲得合理解釋。因此，除天文學(xué)家外，地球物理、大地測(cè)量、地質(zhì)、地震、氣象、海洋、古生物等學(xué)科的學(xué)者，也都對(duì)地球自轉(zhuǎn)變化問題發(fā)生濃厚的興趣，已形成多學(xué)科之間大跨度交叉和滲透的重要研究方向。