地球概论第三章

第三章地球的运动EastChinaNormalUniversity第六节地球的自转地球自转及证明傅科摆特征：摆长，锤重，持续时间长偏转方向：北半球右偏，南半球左偏偏转速度：因纬度而异，d/dt＝15sin/时EastChinaNormalUniversity傅科摆的特点是绳长、锤重，使摆动能持续较长时间，并在沙盘上留下摆动的轨迹。图3-1傅科摆示意图EastChinaNormalUniversity图3-2傅科摆偏转速度图3-3在两极，傅科摆偏转最快（与地球自转角速度相同）；在赤道，偏转速度为零。EastChinaNormalUniversity地球自转的规律性一、地轴和极移极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化；进动造成天极的移动，不涉及地极在地面上的位置的变化图3-4极移与进动的比较EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity二、地轴进动地轴的一种圆锥运动圆锥轴垂直于轨道平面，指向黄极；圆锥半径23（黄赤交角）；方向向西（与地球自转和公转方向相反）；速度每年50；周期25800年。图3-5左：陀螺的进动（向东）右：地球的进动（向西）EastChinaNormalUniversity地轴进动的原因地球形状；黄赤交角；地球自转。图3-6力矩M1M2，合力矩使地轴趋近黄轴EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity地轴进动的表现天极周期性运动；北极星变迁；赤道面（和天赤道）的系统的变化；二分点沿黄道西移（交点退行）；EastChinaNormalUniversity使回归年小于恒星年（我国古称“岁差”）太阳巡天一周，有别于季节上的一周岁，差值为20；春分点西移：•赤道坐标系中：恒星赤经和赤纬都缓慢而持续变化；•黄道坐标系中：春分点沿黄道西移，恒星黄经持续变化，黄纬不变。EastChinaNormalUniversity三、地球自转的周期恒星日：同一恒星连续两次在同地中天的时间，地球自转的真正周期（有细微差别），23小时56分恒星日是同恒星时（春分点的时角）相联系的；天文学以春分点定义恒星日；EastChinaNormalUniversity太阳日：太阳连续两次在同地中天时间24小时00分太阴日：月球连续两次在同地中天时间24小时50分太阳日和太阴日不同，二者具有不同的速度在一个恒星日内，地球自转360°，在一个太阳日内，地球公转59，自转360°59。这59的差值是地球公转造成的，使太阳日比恒星日约长4分。EastChinaNormalUniversity图3-9(A)恒星日与太阳日比较在一个恒星日内，地球自转360°，在一个太阴日内，月球公转31°38，地球自转373°38，这13°38的差值是月球公转造成的，使太阴日比恒星日长约54分。EastChinaNormalUniversity图3-9(B)恒星日与太阴日比较EastChinaNormalUniversity四、真（视）太阳日与平太阳日视太阳日长度的季节变化太阳每日赤经差真（视）太阳日：太阳日不同于恒星日，在于太阳每日赤经差因季节而变化；平太阳日：真太阳日的全年平均值（作为时间单位）；EastChinaNormalUniversity太阳周年运动向东，赤经逐日递增，中天时刻逐减推迟，连续两次中天的时间间隔增长，因而太阳日大于恒星日；太阳每日赤经差因季节而异，视太阳长度有季节变化。EastChinaNormalUniversity太阳每日赤经差季节变化的主要原因是黄赤交角同样的黄经差造成不同的赤经差；第二赤道坐标系与黄道坐标系有共同原点（春分点），因基圈不同，黄经不同于赤经；冬夏二至（黄赤二道平行）赤经差最大，视太阳日最长；春秋二分（二道交角最大）赤经差最小，视太阳日最短。EastChinaNormalUniversity赤经差变化的次要原因是椭圆轨道造成太阳每日黄经差本身的变化；由于日地距离的变化，地球公转速度的不等；近日点变化最快，视太阳日较长；远日点变化最慢，视太阳日较短。EastChinaNormalUniversity真太阳日长度受到黄赤交角和椭圆轨道两个因素的作用和干扰真太阳日长度变化：二至最长，二分最短；冬至略长于夏至（最长的视太阳日在冬至后）；秋分短于春分（最短的视太阳日在秋分前）。EastChinaNormalUniversity地球自转速度演示五、地球自转速度角速度：15/h线速度：V0＝2R/T=465m/sVV0cosV0为赤道上的线速度V为纬度上的线速度T/s为地球自转周期R/m为赤道半径地球自转的后果EastChinaNormalUniversity一、不同天体的周日运动恒星周日运动的路线（周日圈），即各自所在的赤纬圈，都以南北天极为不动的中心天和地的关系，犹如球面和球心的关系，周日运动的方向应同地球自转方向相反恒星周日运动的周期和速度，如实反映了地球自转的周期和它的角速度EastChinaNormalUniversity二、不同纬度的周日运动恒显星、恒显区和恒显圈恒显星：在北半球看来，天北极周围恒星永不落地平，这部分周日圈全部位于地平以上的恒星；恒隐星：天南极周围恒星永不升起南方地平，这部分周日圈全部位于地平以下的恒星；出没星：介于上述两部分星区之间的恒星，有东升西落，这部分周日圈与地平圈相交的恒星；EastChinaNormalUniversity图3-14不同纬度的天球周日运动（左）：在北极，只有恒显星和恒隐星，而无出没星；周日圈平行于地平圈。（中）：在赤道，只有出没星，而无恒显星和恒隐星；周日圈垂直于地平圈。（右）：在北半球某纬度，南北天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北是出没星。北天恒星在地平以上的时间较长，南天恒星反之。周日圈倾斜与地平圈，倾角为当地余纬（90-）。EastChinaNormalUniversity恒显星区：恒显星在天球上的赤纬范围；恒显圈：恒显星区的界线，即在北点与地平圈相切的赤纬圈。•纬度越高，恒显（隐）星区愈大，出没星区愈小：周日圈与地平的交角愈小；•纬度越低，恒显（隐）区愈小，出没区愈大：周日圈与地平的交角愈大。•恒显（隐）圈的仰（俯）极距=•出没星区宽度=2(90－•周日圈与地平交角=90EastChinaNormalUniversity三、水平运动偏转偏转方向：北半球偏右，南半球偏左科里奥利力（地转偏向力）FVm·sin科里奥利力只改变运动方向，不改变速率影响地球大气环流，对形成行星风带、天气系统和洋流有重要作用第七节地球的公转EastChinaNormalUniversity地球公转及其证明一、恒星周年视差恒星年视差地球轨道位置对恒星视位置的影响；当日地连线垂直星地连线时，视差位移达最大值（每年二次），为该恒星年视差大小；EastChinaNormalUniversity恒星愈远，其年视差愈小（比邻星年视差为0.76）；恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒差距互为倒数：DEastChinaNormalUniversity二、光行差光行差是地球轨道速度对于光速的影响。地球向某一恒星接近，在相互关系上，也可以看作该恒星向地球接近在地球上的观测者看来，来自恒星的光线，既以每秒300000千米的速率投向地球，同时，又以每秒30千米的速率作平行于轨道面的运动。这样，地球上所看到的星光的视方向，实际上是这两种运动的合成方向，因而不同于星光的真方向。视方向与真方向之间存在着一定的偏离，这就是恒星的光行差位移V雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨伞愈应向前方倾斜。与此类似的，地球的轨道速度：=30km/s星光光速：V=300000km/s则：tan=30/300000=0.0001=20.47这个角度为光行差常数。EastChinaNormalUniversity图3-18光行差与雨行差示意图EastChinaNormalUniversity图3-19光行差椭圆地球公转以一年为周期，恒星视位置绕转其真位置也以一年为周期，恒星视位置的绕转路线，被叫做光行差轨道，其形状则因恒星的黄纬而不同。在南北黄极，光行差轨道是半径为20的椭圆（与地球轨道形状相同）。在黄道上，变成长度为202的一段直线。在其他黄纬，光行差轨道都是半长轴为20的椭圆：愈近黄极，椭圆扁率愈小；愈近黄道，椭圆扁率愈大。EastChinaNormalUniversity年视差和光行差比较黄纬愈高，年视差椭圆的偏心率愈小；恒星年视差沿轨道半径方向偏离其平均位置；恒星光行差则沿轨道切线方向偏离其真位置。多普勒效应地球轨道速度对星光频率的影响。EastChinaNormalUniversity图3-21地球与地球共转轨道面的交角6634′EastChinaNormalUniversity地球公转的规律性一、地球轨道轨道形状：椭圆轨道半长轴（a）：149600000km；轨道半短轴（b）：149580000km；半焦距（c）：2500000km；周长（l）：940000000km；偏心率（e）：0.016；扁率（f）：7000。EastChinaNormalUniversity太阳在轨道中的位置：两焦点之一近日点（地球一月初经过）：147100000km；远日点（地球七月初经过）：152100000km。图3-22地球的近日点和远日点图3-23地球的轨道面二、黄赤交角EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity三、地球公转周期恒星年：以恒星为参考点，无明显自行，365.2564日回归年：以春分点为参考点，每年西移50，小于恒星年，365.2422日近点年：以近日点为参考点，每年东移11，大于恒星年，365.2596日交点年：以黄白交点为参考点，每年西移20，小于恒星年，346.6200日EastChinaNormalUniversity四、地球公转速度角速度：平均每日59（因距离而变化）线速度：平均每秒30km（因距离而变化）面速度：不变（开普勒第二定律）一、恒星周年视差二、太阳周年运动二十四气十二宫二分点、二至点地球公转后果EastChinaNormalUniversityEastChinaNormalUniversity三、行星同太阳的会合运动会合周期：设E、P分别表示地球和行星的周期，S为会合周期。便有：360S=360+3-360S=3-代入(1)，消去，整理后，得：1/S=1/P-1/E同理，地外行星则有：1/S=1/E-1/PEastChinaNormalUniversity周期相差愈大，会合周期愈短；反之，则愈长。行星同太阳相对位置的变化地内行星：上合、下合和东西大距；地外行星：合日、冲日和东西方照。行星的逆行：•地内行星在下合前后逆行；•地外行星在冲日前后逆行。行星相对于恒星的运动。通常行星在恒星间自西向东运行，叫顺行。当行星在其轨道上接近地球时，即下合前后的地内行星和冲日前后的地外行星，在天球上转变为向西运行，叫逆行；经短暂时间后又恢复顺行。EastChinaNormalUniversity图3-29行星的逆行EastChinaNormalUniversity图3-30恒星月与朔望月的比较四、月球同太阳的会合运动类似于地外行星同月相变化相联系朔望（合和冲）上下弦（东西方照）始终向东没有逆行会合周期（朔望月）：1/S=1/M-1/EEastChinaNormalUniversity