第一节地球的自转

06级地球概论·第三章58第三章地球的运动教学目的：１．掌握地球自转、公转的规律。２．掌握地球自转、公转的后果。３．了解地球运动的证据。教学重点：地球运动的规律。教学难点：１．极移和进动。２．周年运动和光行差。课时：８课时。教学过程：地球是太阳系中一颗普通的行星，作为一颗行星，地球在宇宙中不停的运动。第三章地球的运动地球的运动包括地球本身的自转运动，在太阳系中绕太阳的公转运动，随太阳绕银心的转动，在地月系中的绕转运动等。在所有的运动中，与地理学关系最大，对人类影响最深刻的是地球的自转和公转。因此本章及下一章内容主要是地球自转及公转运动的特点以及由此而产生的地理意义。人类生活在地球上，感觉不到地球的运动。但地球既然在宇宙中运动，它与其他天体的位置关系必然要发生相应的变化。根据相对运动的原理，在运动的地球上可以看到其他天体在天球上位置的改变。由于这种变动是由地球运动而引起的视觉上的运动，故称为天体的视运动。由于地球自转而引起的天体视运动叫天体的周日视运动；由于地球公转而引起的天体视运动叫天体的周年视运动。人们正是从这些天体的视运动中来分析地球的运动的。第一节地球的自转地球自转即地球本身的绕轴旋转，这种运动是不以另一天体的存在和吸引为条件的，因此叫自转。一．自转的发现及证明（一）地球自转的发现人类无法直接感到地球的自转。地球自转的发现是从观测天体的周日运动开始的。１．概念：日月星辰以日为周期在天球上绕地球自东向西运动的现象。太阳的周日运动：每天清晨从东方升起，自东向西逐渐升高，正午时ｈ⊙最大，此为上中天。然后开始下落，傍晚沉入西方地平线。第二天周而复始，循环不已。06级地球概论·第三章59月亮的周日运动恒星的周日运动２．周日圈：天体在天球上做周日运动的路线。（１）周日圈//天赤道；（上、下中天）（２）周日圈大小随与天极距离的增大而增大，天赤道处最大；（３）天极不参与周日运动。在历史上，天体的周日运动曾经长期被当作真正的运动，古代天文学也正是建立在这个基础上——地静天动。随着科学的发展，人类终于认识到天体的周日运动仅是一种表象，而地球自转才是本质。（二）地球自转的证明１．两极扁缩17世纪末，牛顿研究了地球自转对地球形态的影响，认为地球应是一个赤道略为隆起，两极略为扁平的椭球体。（１）证据ａ＝6378KM弧度测量结果表明，地球是一个扁球体：ｂ＝6356KM（２）原因：自转由于地球自转，地球上所有质点均参与这种绕轴旋转，从而产生惯性离心力Ｆ。Ｆ的水平分力Ｆ１使质点向赤道方向移动，从而使两极扁缩。２．落体偏东（１）含义：从高处下落的物体，并不垂直的降落到地面Ｂ点，而是稍稍偏东方的Ｂ′点。（２）原因：地球自转。落体具有较大的线速度，而物体的惯性促使其保持这一较大的线速度，从而使物体在下落过程中相对于垂点而言，向东运动较快，结果超前于Ｂ点，即偏向东方。（３）实验：英国人曾在几百米深的矿井中做此试验，发现自井口坠落的物体，不会垂直落入井底，而是在一定深度处同东面的井壁相撞。３．傅科摆的偏转摆，具有恒向性的特点。因为一经摆动，在惯性作用下，摆将力图保持原有的运动状态。因此在自由摆动，不受外力的情况下，摆的摆动方向是不变的，超然于地球自转。设在北极有一单摆，首先使其沿00经线摆动。过一段时间后，人随地球自转到Ｂ点，这时地球上的人发现，摆动平面发生了变化。但若注意到远方的恒星的话，说明发生偏转的不是摆动平面，而是06级地球概论·第三章60地球。摆的偏转是一种表象，本质是地球自转。因此，摆的偏转可看作是地球自转的证明。（１）傅科摆：法国物理学家傅科在1851年为证明地球自转而设计的一种摆。其特点是：特殊悬挂装置：超然于地球自转。长摆绳：周期长，振幅大。重摆锤：克服空气阻力。刻有度数的圆盘。（２）试验：使摆锤沿圆盘上的一条直线摆动，经过一段时间后，便会发现摆的方向偏离了圆盘上原来的方向。（３）原因：摆的方向超然于地球自转，而圆盘则随地球转动了。但人们在地球上随大地转动而不能察觉，所感到的只是摆的偏转。真正不变的方向用变化了的标准来衡量，则会发生偏转。故傅科摆的偏转是通过摆的偏转反映了地球的自转。（４）傅科摆偏转速度：（与试验地区纬度有关）θ＝15°SinΦ/时故该试验适宜于中高纬度。傅科摆的试验不是一般的证明了地球自转，而是具体的证明了地球自转的方向、周期和速度。二、地球自转的规律性（一）极移和进动地极：地轴与地球表面的交点。天极：天轴（地轴延长）与天球的交点。即：极的位置是由地轴决定的，而不是相反。地极在地面上的位置与天极在天球上的位置都不是一成不变的。地极在地面上位置的改变叫极移；天极在天球上位置的改变与地轴的进动有关。１．极移（１）概念：Ｐ67（２）原因：地球相对于地轴的运动造成的。如左图：Ｎ'、Ｓ'原位于Ｎ、Ｓ点为地极。由于整个地球相对于地轴的运动，Ｎ'、Ｓ'不再是地极，而由Ｎ、Ｓ代替。（３）后果：造成两极在地表的移动极移幅度很小，一般15ｍ＊15ｍ。Ｐ67图。Ｐ′ＰＮＳ06级地球概论·第三章61各地经纬度的微小变化因为极的位置决定了赤道和经线的位置，极的改变必然使赤道、经线的位置发生了变化，从而造成各地经纬度将有微小的变化。人们正是根据对各地经纬度变化的观测来研究极移的。极移不改变天极在天球上的位置因极移是地球本身相对于地轴的运动，而地轴的空间指向并不因此而变化，故天极在天球上的位置不因极移而变。因此，天体的赤道坐标和黄道坐标也不因此而变。２．地轴的进动（１）概念进动：（Ｐ68）转动物体的转动轴绕另一根轴线的转动。如旋转的陀螺绕铅垂线的运动为陀螺的进动。重力的作用使陀螺的转动轴有靠拢地面的趋势；但由于陀螺的自转惯性，要保持自转轴的直立；二者结合的结果是自转轴环绕铅垂线转动起来。地轴的进动：地轴以25800年为周期，以黄赤交角为角半径绕黄轴自东向西的旋转运动，叫地轴的进动。（如图）ａ．以地心为极点，以黄轴为中心轴的圆锥面。黃ｂ．方向：自东向西。ｃ．角半径：εｄ．周期：25800年，速度50.29″/年（２）原因地球形状：扁球体，附加引力。地球是一个扁球体，在赤道地区形成环形隆起。相对于正球体来说，日月对环形隆起产生了附加引力，且向日一侧的引力Ｆ１大于背日一侧的引力Ｆ２。黄赤交角：力矩。ε的存在使日月在赤道面以外对赤道隆起施加引力，因此附加引力的差值产生力矩，促使赤道面向黄道面靠拢，地轴向黄轴靠拢，天极重合于黄极。地球自转：进动。由于自转的惯性，保持地轴的空间指向不发生变化，阻止地轴向黄轴的靠拢，同力矩作用的结果使地轴绕黄轴转动起来。（３）后果天极的改变：天极的位置是由地轴的空间指向来决定的。06级地球概论·第三章62由于地轴的进动，使天极以黄极为中心，以ε为角半径，自东向西做圆周运动。（Ｐ69图3-10）极星的变迁：天极附近的星为极星。公元前3000年：天龙座α北极星现在：小熊座α公元13600年：天琴座α现在：无南极星公元16000年：船底座α春分点的西移：由于地轴进动，使天赤道在黄道上向西滑动，因而其交点之一（春分点）在黄道上不断西移，其速度为50.29″/年。在我国古代天文学文献中，称此为“交点退行”。赤道坐标（α、δ）和黄经发生微小的变化。（二）方向、周期和速度１．方向北极俯视：逆时针自西向东南极俯视：顺时针右手定则：右手拇指指向北极，则四指方向为地球自转方向。２．周期：地球自转一周所需时间。选择参考点：自转周期即相对于参考点转动一周所需的时间。选择天体为参考点：在地球上的人看起来，就是该天体连续两次上中天的时间间隔。选择天体的不同，周期有三种。（１）恒星日：某恒星连续两次通过某地上中天的时间间隔。因遥远的恒星被认为是不动的（与地球的相对位置不发生改变），所以以恒星为参考点，在１恒星日中地球自转了360°。恒星日是地球自转的真正周期。说明：每一颗遥远的恒星都可以用来度量地球自转的周期，但人们选定的是春分点，这样可使恒星日与恒星时更方便的换算。Ｎ06级地球概论·第三章63（２）太阳日：太阳连续两次通过某地上中天的时间间隔。因地球的公转，在自转的同时，地球在公转轨道上向东前进了。因此，１太阳日中，地球自转了360059'。（３）太阴日：月球连续两次通过某地上中天的时间间隔。由于月球的公转，在地球自转的同时，月球在公转轨道上向东前进了，地球需继续自转才能完成一个太阴日。在１太阴日中，地球自转了373038'。三种周期比较表参考点地球自转角度所需时间恒星日春分点360023h56m太阳日太阳3600+59'24h太阴日月球3600+13038'24h50m２．速度（１）角速度：单位时间内地球绕轴自转的角度。ω＝3600／Ｔ＝3600／23h56m≈150/h地球表面各点除两极外，其角速度相等。（２）线速度：任一质点在单位时间内绕轴自转的距离。线速度因φ和ｈ而不同：在赤道上：Ｖ０＝2πR0/T=465m/s≈4万KM/日在纬度φ处Vφ＝2πr/T=2πR0cosφ/T=Ｖ０cosφ在一定高度ｈ处Ｖh＝2πrh/T=2π（R0+h）cosφ/T线速度随纬度的升高而减小；随高度的升高而增大。以上为地球自转的平均速度。长期以来，人们曾认为地球自转速度始均匀的。但在天文观测中，人们发现了天体（特别是月球）的位置观测值总与计算值不符，这引起了人们对自转速度均匀性的怀疑。二十世纪二十年代末，石英钟的出现（误差为百万分之一秒），证实了地球自转的不均匀性。（３）自转速度的变化：Ｐ74三、地球自转的后果地球自转最明显的后果是引起“天旋”，即周日运动。（一）天体的周日运动地球自西向东自转，天空则以相反方向旋转，这时地球自转的反映。但周日运动方式因天体而不同。１．不同天体的周日运动06级地球概论·第三章64（１）恒星的周日运动是地球自转的真实反映遥远的恒星被看作是天球上的定点，其东升西落的周日运动完全是由地球自转引起的，故恒星的周日运动是地球自转的真实反映。旋轴：周日运动的旋轴（天轴）反映了地轴的空间指向。恒星做周日运动的周日圈都是以南北天极为中心的大大小小的圆圈，南北天极的位置反映了地轴在空间的位置。方向：周日运动的方向反映了地球自转的方向，天体的东升西落反映了地球自西向东自转。周期：恒星周日运动的周期（恒星日）是地球自转周期的真实反映。（２）太阳和月亮的周日运动有公转的因素太阳的周日运动有地球公转的因素由于地球的公转造成太阳的周年视运动（自西向东，59'／日），因此太阳一方面自东向西做周日运动，一方面向东做周年运动，故太阳日长于恒星日。１太阳日＝１恒星日＋４ｍ月亮的周日运动有月球公转的因素月亮在东升西落的同时还绕地球向东做公转运动，13010'/日，故太阴日长于恒星日。1太阴日=1恒星日+54ｍ=1太阳日+50ｍ因此月球的中天时刻每日推迟50ｍ。由于太阳、月球的公转因素，使日、月周日圈并不固定，而是随其赤纬的改变而改变。２．不同纬度的周日运动（１）一般模式在纬度Φ处，周日圈与地平圈的交角为900－Φ。这时全天天体可分为三类：恒显星：周日圈全部位于地平以上的天体。范围：距仰极角距离在Φ以内的恒星，其赤纬δ≥900－Φ。恒隐星：周日圈全部位于地平以下的天体。范围：距俯极角距离在Φ以内的恒星，其赤纬δ≥|-（900－Φ）|。出没星：周日圈与地平圈相交的恒星。范围：南北距天赤道900－Φ的范围内。其赤纬介于±（900－Φ）之间。且越接近仰极，天体在地平以上的时间越长；越接近俯极，天体在地平以上的时间越短。06级地球概论·第三章65三类星出现的范围与当地Φ有关：Φ越高，则恒显星与恒隐星范围越大，出没星范围越小；反之，Φ越低，则恒显星与恒隐星范围越小，出没星范围越大。（２）举例Φ＝300N：在300N，周日圈与地平圈斜交，其交角为600。赤纬高于＋600的恒星为恒显星，赤纬高于－600的恒星为恒隐星，赤纬介于±600之间的恒星为出没星。（如一颗δ＝500的恒星，对于300N来说为出没星。）Φ＝900N：在900N，周日圈平行于地平圈，只有恒显星和恒隐星，没有出没星；δ00的天体（北天星体）为