地球自转

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深太空气候天文台英语Deep Space Climate Observatory拍摄的地球自转影像,显示出自转轴的倾斜。
黄道面看地球自转的模拟动画,显示地球以约23.5度的倾角自转
透过长时间曝光摄影技术拍摄的星迹,是实际上静止的星星随地球转动而产生的光迹,为地球自转的证据之一

地球自zhuàn[1]是行星地球围绕其自身旋转,以及空间中旋转轴方向的变化。地球由西旋转为顺行运动。从北方的极星北极星鸟瞰,地球自转是逆时针方向。

北极,也称为地理北极或陆地北极,是地球自转轴在北半球与其表面相交的点。这个点不同于地球的北磁极。位于南极洲南极,是地球自转轴与其表面相交的另一个点。

地球相对于太阳每24小时自转一次,但相对于其它遥远的恒星每23小时56分4秒自转一次(见下文Template:Broken anchor)。随着时间的推移,地球自转速度略有放缓;因此,在过去的一天比现在短。这是由于月球对地球自转的潮汐效应造成的。原子钟显示,现代的一天比一个世纪前长了约1.7毫秒[2],借着新增闰秒的速率将UTC缓慢地调整。对历史上的天文记录分析显示出一种减缓的趋势;自公元前8世纪以来,日长每世纪新增约2.3毫秒[3]

科学家报告说,在2020年,地球开始以更快的速度旋转,而在过去几十年中,地球的自转速度一直低于每天86,400秒。2022年6月29日,地球自转比 24小时少了1.59 毫秒完成,创下了新纪录[4]。由于这一趋势,世界各地的工程师都在讨论“负闰秒”和其他可能的计时措施[5]

这种速度的增加被认为是由于各种因素造成的,包括其熔融核心、海洋和大气的复杂运动、月球等天体的影响,以及可能的气候变化,这导致地球两极的冰融化。冰块解释了地球的形状是在赤道周围凸起的一个扁球体,当这些质量减小时,两极会因重量减轻而反弹,地球变得更加球形,这具有使质量更接近其重心的作用。角动量守恒决定了围绕其重心分布更紧密的质量旋转得更快[6]

历史

这张在尼泊尔喜马拉雅山长时间曝光摄影的照片,显示了地球自转时北半球夜空恒星的视路径

在古代希腊人中,有几位毕达哥拉斯学派相信地球的自转,而不是天的昼夜自转。第一位也许是菲洛劳斯(公元前470-385年),尽管他的系统很复杂,包括每天围绕中心火旋转的一颗反地球[7]。 公元前四世纪,希塞塔英语Hicetas克里德斯·庞蒂库斯英语Heraclides Ponticus毕达哥拉斯的艾克范特英语Ecphantus the Pythagorean支持了一种更传统的观点,他们认为地球自转,但并不认为地球绕太阳公转。公元前三世纪,萨摩斯的阿里斯塔克斯提出了太阳位于中心

然而,亚里士多德在公元前四世纪责备菲洛劳斯的思想是基于理论而非观察。他提出了一个围绕地球旋转,固定恒星球体的概念[8]。这被后来的大多数人所接受,尤其是托勒密(公元2世纪),他认为如果地球自转,就会被大风摧毁[9]

公元499年,印度天文学家阿耶波多提出,球形地球每天绕其轴线旋转,恒星的视运动是由地球自转引起的相对运动。他提供了以下类比:“就像一个在船上朝一个方向行驶的人看到岸边静止的东西朝着相反的方向行进一样,就像在兰卡的人看到固定的恒星似乎在向西行进一样。”[10][11]

在10世纪,一些穆斯林天文学家接受了地球绕其轴线旋转的观点[12]。根据比鲁尼的说法,阿布·赛义德·西杰兹英语al-Sijzi(公元1020年)发明了一种星盘,名为“al-zúraqī”,其基础是他的一些同时代人认为“我们看到的运动是由于地球的运动,而不是天空的运动[13][14]。”13世纪的一篇文献进一步证实了这一观点的普遍性,该文献指出:“根据几何学家[或工程师](“muhandisīn”)的说法,地球处于持续的圆周运动中,而看起来是天空的运动实际上是由于地球的运动,而不是恒星的运动[13]。”论文是为了讨论它的可能性而写的,要么做为对托勒密反对它的论点的反驳,要么表示怀疑[15]。在马拉盖乌勒贝格天文台英语Ulugh Beg Observatory奈绥尔丁(生于1201年)和阿里·古什吉英语Ali Qushji(生于1403年)研究地球自转;他们所使用的论据和证据与哥白尼所使用的相似[16]。 在中世纪的欧洲,托马斯·阿奎那(Thomas Aquinas)接受了亚里士多德的观点[16],14世纪的约翰·布里丹(John Buridan[17])和妮可·奥雷斯梅(Nicole Oresme[18])也不情愿地接受了亚里士多德。 在中世纪的欧洲,多玛斯·阿奎那接受了亚里士多德的观点[17],于是14世纪的尚·布里丹[18]尼科尔·奥雷姆 [19],也不情愿地接受了亚里士多德。直到1543年尼古拉斯·哥白尼采用了日心说的世界体系,当代人才开始建立对地球自转的理解。哥白尼指出,如果地球的运动是剧烈的,那么恒星的运动一定更剧烈。他承认毕达哥拉斯的贡献,并列举了相对运动的例子。对哥白尼来说,这是建立更简单的行星绕太阳运行模式的第一步[20]

第谷·布拉厄提出了精确的观测结果,开普勒基于他的行星运动定律,他将哥白尼的工作做为假设地球静止的第谷系统英语Tychonic system的基础。1600年,威廉·吉尔伯特在其关于地球磁性的论文中强烈支持地球自转[21],从而影响了他同时代的许多人[22]:208。像吉尔伯特这样公开支持或没有拒绝地球绕太阳运动的人被称为“半哥白尼人”[22]:221。哥白尼之后一个世纪,里乔利对地球自转的模型提出了质疑,因为当时下落物体缺乏可观察到的向东偏转[23];这种偏转后来被称为科里奥利效应。然而,开普勒、伽利略牛顿的贡献为地球自转提供了理论支持。

实证检验

赤道隆起地理极被压扁意味着地球自转。 在他的“基本原理”中,牛顿预测这种平坦化将达到230分之一,并指出让·里歇尔英语Jean Richer在1673年进行的钟摆量测是重力变化的确证[24],但17世纪末让皮卡尔英语Jean Picard卡西尼子午线弧英语Meridian arc(子午线长度)的初始量测提出了相反的观点。 然而,在1730年代,皮埃尔·莫佩尔蒂法国赤道大地测量任务英语French Geodesic Mission to the Equator的量测建立了地球图英语Figure of the Earth,从而奠定了牛顿和哥白尼的地位[25]

在地球旋转的参考系中,一个自由运动的物体遵循的路径明显的与它在固定参考系中遵循的路径不同。由于科氏力,落下的物体从其释放点下方的垂直线向东稍微偏转向,北半球从射击方向向右转向(在南部向左转向)。科里奥利效应主要在气象尺度上观察到,它是南北半球气旋旋转方向相反的原因(分别为逆时针和顺时针)。

1679年,胡克根据牛顿的建议,试图验证从8.2米高度坠落的物体向东偏移的预测,但没有成功,但后来,在18世纪末和19世纪初,波隆那乔瓦尼·巴蒂斯塔·古列尔米尼英语Giovanni Battista Guglielmini汉堡约翰·弗里德里希·本森伯格英语Johann Benzenberg弗赖贝格费迪南德·赖希英语Ferdinand Reich使用了更高的塔和小心释放的重物,获得了确切的结果[n 1]。一个从158.5米的高度落下的球,与28.1毫米的计算值相比,偏离垂直方向27.4毫米。

最著名的地球自转测试是物理学家里昂·傅科于1851年首次建造的傅科摆,它由一个铅填充的黄铜球体组成,悬挂在巴黎万神殿的顶部67米。由于地球在摆动的钟摆下旋转,钟摆的振荡平面以取决于纬度的速率旋转。在巴黎的纬度,预测和观测到的偏移约为每小时11度顺时针。现在世界各地的许多博物馆中都有傅科摆的设置。

时期

ESO拉西拉天文台的头顶上可以看到,弧形的星圈围绕着南天极[26]

真太阳日

像地球这样在顺行轨道上的行星,“恒星日”比太阳日短。在时间1,太阳和某颗遥远的恒星都在头顶上。在时间2,这颗行星已经旋转了360度,远处的恒星再次在头顶上,但太阳不是(1 → 2=一个恒星日)。直到稍晚的时间3,太阳才再次出现在头顶上(1 → 3=一个太阳日)。

地球相对于太阳的自转周期太阳正午至太阳正午)是其“真太阳日”或“视太阳日”[27]。它取决于地球的轨道运动,因此受到地球轨道离心率倾斜度变化的影响。两者都会在数千年内发生变化,因此真太阳日的年变化也会发生变化。一般来说,它在一年中的两个时期比平均太阳日长,在另外两个时期则较短[n 2]。当太阳明显沿着黄道以比平时更大的角度移动时,真太阳日在近日点附近往往更长,需要大约 10秒的时间。相反的,在远日点处,太阳日短大约{10秒。当太阳沿黄道的视运动投影到天赤道上时,在至点附近的时间大约长20秒,导致太阳移动的角度比平时更大。现时,近日点和至点效应结合在一起,使12月22日附近的真太阳日延长了30平均太阳秒,但至点效应被6月19日附近的远日点效应部分抵消,因为它只长了13秒。分点的影响使其在3月26日9月16日附近分别缩短了18秒21秒[28][29]

平太阳日

一年中真太阳日的平均值是“平太阳日”,其中包含86,400个平太阳秒。现时,这些秒中的每一秒都比SI秒略长,这是由于潮汐摩擦,使地球的平太阳日现在比19世纪略长。自1972年引入闰秒以来,平均太阳日的平均长度比86,400国际标准秒长约0至2毫秒[30][31][32]。由于核幔耦合引起的随机波动具有大约5ms的振幅[33][34],1895年,西蒙·纽康在他的太阳表中选择了1750年至1892年之间的平均太阳秒作为独立的时间单位。这些表用于计算1900年至1983年间世界的星历表,因此这一秒被称为历书秒。在1967年,SI秒等于历书秒[35]视太阳时是地球自转的量度,它与平太阳时之间的差值被称为均时差

恒星的一天和恒星日

地球相对于国际天球参考系的自转周期,被国际地球自转服务(IERS)称为太阳日,是平均太阳时(UT1)的86164.098903691(23h56m4.098903691s0.99726966323716 mean solar days)[36][n 3]。地球相对于进动平春分点春分点 (天体座标)英语Equinox (celestial coordinates)的自转周期,命名为“恒星日”,是 86164.09053083288 秒平太阳时 (UT1) (23h 56m 4.09053083288s0.99726956632908 mean solar days)[36]。因此,恒星日比恒星的一天短约8.4ms[38]。 恒星日和恒星的一天都比平太阳日短约3分56秒。这是地球绕太阳运行时,相对于天体参考系额外旋转1圈的结果(因此为366.24圈/年)。IERS提供了1623–2005[39]1962–2005[40]期间的平太阳日(单位:SI秒)。

最近(1999-2000年),超过86,400 国际单位秒平太阳日的年平均长度在0.25 ms1ms间变化,必须将其添加到上述平太阳时中给出的恒星日和恒星的一天日数中,才能获得其国际单位秒长度(见日长波动)。

角速度

地球自转的角速度大约是每小时15;而表面线速度纬度而变,是赤道线速度乘以纬度的余弦。因此赤道的线速度最大,两极的线速度最小,而赤道线的速度约每秒465.1米。

春分时从太阳看到的地球转轴倾角(或倾角)和它相对于自转轴轨道平面

对地球自转的长期监测需要甚长基线干涉仪的座标配合全球定位系统卫星激光测距和其它卫星技术配合着使用。这些提供了对世界时进动章动等的绝对参考[41]

过去的数百万年,地球的旋转受到月球引力的交互作用影响减缓了许多:参见潮汐加速。但是有些大型的事件,像是2004年印度洋地震,就使地球的转动加速了大约3微秒[42]。在冰河期后期的后冰河期反弹,是因为地球质量的分布改变影响了地球的惯量,经由角动量守恒,改变了转动速率[43]

地轴变动

地球的旋转像一个陀螺,轴的指向有在恒星空间中维持一定方向的性质。来自太阳月球和其它行星的外来力量导致这固定的方向有所偏移。地球转轴大型、周期性的变动称为岁差,而较小的变动称为章动极移

岁差

岁差precession)是地球的自转轴相对于恒星空间进动分点的位置,相对于在天球上固定不动的恒星,沿着黄道每年向西移动。通常,每年的移动量是50.29",即每71.6年移动1°。这个过程虽然缓慢但会逐年累加起来,完整的岁差圈要经历25,765年(称为柏拉图年),分点在黄道上退行一周360°。

章动

章动(nutation)是在行星陀螺仪的自转运动中,轴在进动中的一种轻微不规则运动,使自转轴在方向的改变中出现如“点头”般的摇晃现象。 地球的章动来自于潮汐力所引起的进动,并使得岁差的速度不是常数,而会随着时间改变。

极移

极移是地球的自转轴在地球表面横越的运动,这是将地球视为在一个固定不变的参考座标系(所谓的地球中心、地心地固坐标系ECEF))下所做的测量,这种变动只有几米。

极移的原因主要有两种,一种是地轴对于惯性偏离的结果,周期大约为14个。另一种是大气季节性运行导致,其周期为一。还有其他一些次要的原因,极移的振幅一般不超过15米。

极移的结果使地球上的纬度经度发生变化。

影响地球自转速度的因素

地球自转速度主要受三个因素影响,总体使其趋慢。

规律

规律

地轴的进动是一种圆锥形的运动,其规律性如下:

  • 圆锥轴线垂直地球公转轨道平面,指向黄道两极。
  • 圆锥的半径黄赤交角
  • 运动的方向是自东向西,即同地球自转的方向相反。
  • 运动的速度是每年50.29角秒,周期约25800年。

表现

原因

第一,地球形状

因为地球是一个明显的扁球体,所以隆起的部位所受的附加引力总是稍大于另一侧。二者之间的差值,总是存在于接近日月的一侧。

第二,黄赤交角

由于黄赤交角的存在,使得日月经常在赤道面以外对赤道隆起施加引力。这样上述引力差就成为一个力矩,使得地轴趋近黄轴,天极趋近黄极

第三,地球自转

因为上述的引力差,给地球的自转的角动量增加了一个增量,使得地球的自转方向发生偏转。这就是地轴的进动,也就是岁差

起源

艺术家想象下的原行星盘

在理论上,地球的形成是太阳系诞生的一部分:最初只是大量的、旋转中的尘埃岩石气体,最后终于形成太阳系。组成它的化学元素是来自大爆炸产生的,还有超新星释放出的重元素。这个星际尘埃是不均匀的,重力吸积过程上任何的不对称,导致最终形成行星的角动量[44]。 目前的转动周期是初始的旋转受到其它因素影响的结果,包括潮汐力忒伊亚碰撞假说

相关条目

注解

  1. ^ SeeFallexperimente zum Nachweis der Erdrotation德语Fallexperimente zum Nachweis der Erdrotation (German Wikipedia article).
  2. ^ 当地球离心率超过0.047,并且近日点位于适当的分点或至点时,只有一个有一个峰值的周期会平衡另一个有两个峰值的时期[28]
  3. ^ Aoki, the ultimate source of these figures, uses the term "seconds of UT1" instead of "seconds of mean solar time".[37]

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外部链接