第二章 地球的转动(ok)

1、第二章第二章 地球的转动地球的转动目录概述概述2.1 2.1 岁差和章动岁差和章动2.2 2.2 转动轴的变化转动轴的变化2.3 2.3 转速的变化转速的变化问 题与思考地球的转动在日常生活中的种种体现？地球的转动在日常生活中的种种体现？日月交替；季节分明；气候变化；按照太阳系起源的假说，行星在形成以前原是一团旋转着按照太阳系起源的假说，行星在形成以前原是一团旋转着的尘埃云。这团尘埃云经过收缩、积聚和其他物理、化学的尘埃云。这团尘埃云经过收缩、积聚和其他物理、化学过程，它的角动量重新分布，最后形成了一个比较稳定的过程，它的角动量重新分布，最后形成了一个比较稳定的旋转系统旋转系统太阳系。在这个过

2、程中，地球获得了一定的太阳系。在这个过程中，地球获得了一定的角动量；这个角动量主要分配在地球绕太阳的公转、地角动量；这个角动量主要分配在地球绕太阳的公转、地月转动系统和地球的自转中。由于地球的转动具有高度月转动系统和地球的自转中。由于地球的转动具有高度的稳定性，所以长期以来，它都是时间和纪年的标准。四的稳定性，所以长期以来，它都是时间和纪年的标准。四季的变化，人类的生活和劳动，都与地球的转动有密切的季的变化，人类的生活和劳动，都与地球的转动有密切的关系。关系。然而，自然界是不断发展的，人的认识也是不断发展的。然而，自然界是不断发展的，人的认识也是不断发展的。人们通过持久的精密观测，发现地球的转

3、动实际上是很复人们通过持久的精密观测，发现地球的转动实际上是很复杂的。这主要是由于以下几个原因：杂的。这主要是由于以下几个原因：1）地球不是孤立存在）地球不是孤立存在的，它受到日、月的影响很大；的，它受到日、月的影响很大；2）地球的表面覆盖着海洋）地球的表面覆盖着海洋和大气；和大气；3）地球不是一个正球体，它的赤道部分是凸出的；）地球不是一个正球体，它的赤道部分是凸出的；4）地球核的外层是液体；）地球核的外层是液体；5）地球的自转轴与惯量轴不相）地球的自转轴与惯量轴不相重合，等等；这些都会引起地球的转动速度或自转轴的方重合，等等；这些都会引起地球的转动速度或自转轴的方向发生微小的变化。向发生微

4、小的变化。 在宇宙空间中，地球不仅绕着一在宇宙空间中，地球不仅绕着一条轴线自西向东自转，同时也沿条轴线自西向东自转，同时也沿着近于圆的轨道绕着太阳转动。着近于圆的轨道绕着太阳转动。地球自转平均角速度为地球自转平均角速度为7.2921弧弧度度/秒，在地球赤道上自转线速度秒，在地球赤道上自转线速度为为465米米/秒。秒。地球的自转轴和地地球的自转轴和地面的两个交点叫做转动极或地极面的两个交点叫做转动极或地极，和天球的两个交点叫做天极。和天球的两个交点叫做天极。在在地球上看，天极就是天空中没有地球上看，天极就是天空中没有周日运动的两个点，平常说的是周日运动的两个点，平常说的是北极星就是一颗靠近北天极

5、的恒北极星就是一颗靠近北天极的恒星。星。通过两极的平面通过两极的平面叫做子午面叫做子午面。平分两极并垂直于自转轴的平面平分两极并垂直于自转轴的平面叫做赤道面叫做赤道面。地球围绕太阳运行的轨道平面地球围绕太阳运行的轨道平面叫做黄道面。叫做黄道面。太阳由南向北通过赤道面的点太阳由南向北通过赤道面的点叫做春分点叫做春分点（约在（约在3 3月月2121日）日）春分点在恒星中间的相对位置是可以测定的，它是空间位置的一个春分点在恒星中间的相对位置是可以测定的，它是空间位置的一个重要参考点（或参考方向）重要参考点（或参考方向）地球自转一周的时间叫做一日，但是由于观测周期所采用的参考点地球自转一周的时间叫做一

6、日，但是由于观测周期所采用的参考点不同，不同，“一日一日”的定义也略有不同。的定义也略有不同。若取春分点为标准，则它连续两次通过同一子午面的时间，叫做若取春分点为标准，则它连续两次通过同一子午面的时间，叫做“一恒星日一恒星日”；若取太阳为标准，就叫做一太阳日。若取太阳为标准，就叫做一太阳日。地球不但自转，而且绕太阳公转，公转的轨道是椭圆的，所以太阳地球不但自转，而且绕太阳公转，公转的轨道是椭圆的，所以太阳日在一年中不是等长的。取一年的平均值，就得到一平均太阳日，日在一年中不是等长的。取一年的平均值，就得到一平均太阳日，即日常生活中所用的日，每日有即日常生活中所用的日，每日有8640086400

7、平均太阳秒。但在天文观测平均太阳秒。但在天文观测中仍用恒星时。一个平均太阳日比一个恒星日长中仍用恒星时。一个平均太阳日比一个恒星日长355355平均太平均太阳时。阳时。地球绕太阳一周的时间叫做一年。若以恒星为标准，这段时间叫做地球绕太阳一周的时间叫做一年。若以恒星为标准，这段时间叫做一恒星年，它有一恒星年，它有365.25636365.25636个平均太阳日，每百年约增长个平均太阳日，每百年约增长0.010.01秒，秒，这是地球公转的真正周期。若以春分点为标准，就得到回归年，它这是地球公转的真正周期。若以春分点为标准，就得到回归年，它有有365.2422365.2422个平均太阳日，每百年约减

8、个平均太阳日，每百年约减0.530.53秒。因为季节的变化取秒。因为季节的变化取决于太阳相对于春分点的位置，所以民用和纪年一般都采用回归年。决于太阳相对于春分点的位置，所以民用和纪年一般都采用回归年。 作用在地球上的力种类很多。作用在地球上的力种类很多。日、月对地球赤到凸出部分的日、月对地球赤到凸出部分的吸引力随日月位置而变化。在吸引力随日月位置而变化。在它们的作用下，地球转动轴在它们的作用下，地球转动轴在空间的取向发生变化。地球作空间的取向发生变化。地球作为一个整体也相对于其转动轴为一个整体也相对于其转动轴而摆动。而摆动。由于日、月的吸引和由于日、月的吸引和地球惯量矩的季节性变化以及地球惯量

9、矩的季节性变化以及其他目前还不甚清楚的原因，其他目前还不甚清楚的原因，地球的转动速度也不恒定。地球的转动速度也不恒定。插一张彩图 概而言之，地球的转动是不均匀概而言之，地球的转动是不均匀的。从这个意义上讲，研究地球的。从这个意义上讲，研究地球的转动就是研究地球转动的不均的转动就是研究地球转动的不均匀性。在天文学中，研究地球转匀性。在天文学中，研究地球转动的不均匀性对与天体演化的研动的不均匀性对与天体演化的研究以及天体方位的测定有着重要究以及天体方位的测定有着重要意义。在地球物理学中，研究地意义。在地球物理学中，研究地球转动有助于了解地球内部构造球转动有助于了解地球内部构造和运动，地球内部的密度

10、、弹性和运动，地球内部的密度、弹性和非完全弹性以及地壳、地核、和非完全弹性以及地壳、地核、海洋和大气的运动。海洋和大气的运动。 插一张彩图太阳和月球有时在赤道面之南，有时又在赤道面之北，因此引太阳和月球有时在赤道面之南，有时又在赤道面之北，因此引力的方向也不断改变。太阳每年通过赤道面两次，月球则每月力的方向也不断改变。太阳每年通过赤道面两次，月球则每月通过两次。这就在地轴的长期旋进中，在它的平均位置上附加通过两次。这就在地轴的长期旋进中，在它的平均位置上附加了一种短周期的摆动，叫做章动，其主要部分的周期是了一种短周期的摆动，叫做章动，其主要部分的周期是18.6年。年。因此，地球自转轴所扫过的轨

11、迹不是一个简单的锥面。地轴里因此，地球自转轴所扫过的轨迹不是一个简单的锥面。地轴里外摆动，使锥面带上一个荷叶边。摆动的振幅最大只有外摆动，使锥面带上一个荷叶边。摆动的振幅最大只有9“20。另一方面，黄赤交角也有极小的长期变化，每百年约有另一方面，黄赤交角也有极小的长期变化，每百年约有47”，周期约为四万年。这是其他行星的引力对黄道的干扰所造成的。周期约为四万年。这是其他行星的引力对黄道的干扰所造成的。v在太阳和月球对地球赤道在太阳和月球对地球赤道凸出部分的吸引作用下，凸出部分的吸引作用下，地球的转动轴在空间的位地球的转动轴在空间的位置发生变化。如果地球是置发生变化。如果地球是一个球体，而且赤道

12、面与一个球体，而且赤道面与太阳轨道平面太阳轨道平面（黄道面）（黄道面）及及月球轨道平面月球轨道平面（白道面）（白道面）都重合的话，就不会发生都重合的话，就不会发生这种变化。这种变化。2.1岁差和章动 v实际上，赤道面和黄道面实际上，赤道面和黄道面的倾角（黄赤交角）是的倾角（黄赤交角）是 ，而白道面和黄道，而白道面和黄道面的倾角（黄白交角）是面的倾角（黄白交角）是 。如果地球不转动，。如果地球不转动，日、月的引力对地球产生日、月的引力对地球产生的力矩将使这些平面趋于的力矩将使这些平面趋于一致。但地球是转动着的。一致。但地球是转动着的。2.1岁差和章动 2327085843v由于转动的迥由于转动的

13、迥(jiong(jiong) )转效应，转效应，黄赤交角仍保持不变，而天极则黄赤交角仍保持不变，而天极则以以2570025700年为周期绕着黄道面的年为周期绕着黄道面的极（黄极）转动，也就是赤道和极（黄极）转动，也就是赤道和黄道的交点（春分点和秋分点）黄道的交点（春分点和秋分点）沿着黄道每年向西移动沿着黄道每年向西移动50.2564750.25647。春分在空间的位置。春分在空间的位置不是固定的，每年向西移动约不是固定的，每年向西移动约5050.2626。由于岁差的存在由于岁差的存在, ,当太当太阳连续两次通过春分点时阳连续两次通过春分点时, ,实际实际上地球在黄道上并未绕完一周上地球在黄道上

14、并未绕完一周. .回归年比恒星年约短回归年比恒星年约短2020分钟分钟. .v当地球两次春分点时，它实际上并未当地球两次春分点时，它实际上并未绕完一周。这种运动叫作春分点的岁差，绕完一周。这种运动叫作春分点的岁差，简称岁差。简称岁差。迥转效应还使得天极相对于迥转效应还使得天极相对于黄极作一种点头式的运动，叫做章动。黄极作一种点头式的运动，叫做章动。现在北天极在北极星附近，可是在现在北天极在北极星附近，可是在50005000年前，它在天龙座星附近；年前，它在天龙座星附近；50005000年后，年后，它将在仙王座星附近它将在仙王座星附近 转动轴的变化转动轴的变化 图图3.23.2表示上述各种轴的表

15、示上述各种轴的几何关系。几何关系。OZOZ是垂直于是垂直于黄道面的轴线，黄道面的轴线，OCOC是地是地球的形状轴，球的形状轴，OIOI是转动是转动轴，轴，OHOH是角动量轴，实是角动量轴，实际上，地球的转动轴与际上，地球的转动轴与角动量轴的夹角很小，角动量轴的夹角很小，只有千分之几秒，形状只有千分之几秒，形状轴与转动轴的夹角要大轴与转动轴的夹角要大300300倍左右，图倍左右，图3.23.2仅是仅是示意图。示意图。转动轴的变化转动轴的变化 图图3.23.2仅是示意图。在作岁仅是示意图。在作岁差运动时，地球坐标的锥差运动时，地球坐标的锥面以的速率绕面以的速率绕OZOZ顺时针转顺时针转动（如果从上

16、往下看的动（如果从上往下看的话），即向西移动。与此话），即向西移动。与此同时，形状轴同时，形状轴OCOC和角速度和角速度向量向量OIOI绕角动量向量绕角动量向量OHOH逆逆时针转动。时针转动。钱德勒晃动钱德勒晃动 以上分析中一直把地球当作刚体。真实地球在受到力矩的作用和转以上分析中一直把地球当作刚体。真实地球在受到力矩的作用和转动时都要发生变形。可以预料转动的实际变化不会与上述理论结果动时都要发生变形。可以预料转动的实际变化不会与上述理论结果完全一致。事实正是这样。自欧拉完全一致。事实正是这样。自欧拉17651765年的工作以后，人们一直在年的工作以后，人们一直在寻找周期为寻找周期为30530

17、5恒星日的转动轴的变化，但没有成功。直到恒星日的转动轴的变化，但没有成功。直到18911891年年钱德勒（钱德勒（S.C.ChandlerS.C.Chandler）发现了周期为）发现了周期为425440425440恒星日、即大约恒星日、即大约1414个月的变化后人们才认识到这个周期约个月的变化后人们才认识到这个周期约1414个月的运动就是真实地球个月的运动就是真实地球的自由章动。地球章动的周期不是的自由章动。地球章动的周期不是1010个月而是个月而是1414个月，是由于它并个月，是由于它并非刚体。当地球转动轴在地球中的位置改变时，离心力对地球各部非刚体。当地球转动轴在地球中的位置改变时，离心力

18、对地球各部分的作用也随着改变，从而引起地球变形，使形状轴略向转动轴靠分的作用也随着改变，从而引起地球变形，使形状轴略向转动轴靠近。这也就等效于使转动惯量变大，从而使周期变大。为了区别于近。这也就等效于使转动惯量变大，从而使周期变大。为了区别于刚体地球的欧拉自由章动并纪念它的发现者，现在称真实地球的自刚体地球的欧拉自由章动并纪念它的发现者，现在称真实地球的自由章动为钱德勒晃动。由章动为钱德勒晃动。仔细的理论计算表明，地幔的弹性可使自由章动的周期延长约仔细的理论计算表明，地幔的弹性可使自由章动的周期延长约120120天。天。由于地球外核是液体，致使这个周期略为缩短。潮汐摩擦作用又使之增由于地球外核

19、是液体，致使这个周期略为缩短。潮汐摩擦作用又使之增长。所以实测的钱德勒晃动的周期在长。所以实测的钱德勒晃动的周期在425440425440恒星日之间。恒星日之间。地球的转动轴相对于形状轴的运动可以从纬度变化中反映出来。通过纬地球的转动轴相对于形状轴的运动可以从纬度变化中反映出来。通过纬度变化资料的功率谱分析可以得到两个峰，一个在度变化资料的功率谱分析可以得到两个峰，一个在437437日，一个在日，一个在365365日。日。前者即钱德勒周期，相当于，在目前用固体潮确定值的精确前者即钱德勒周期，相当于，在目前用固体潮确定值的精确范围内，这个数值和上面取的范围内，这个数值和上面取的0.300.30是

20、一致的。后者是一种周年变化，振是一致的。后者是一种周年变化，振幅为，是季节性变化引进的。此外，还包含有半年变化的成分，其幅为，是季节性变化引进的。此外，还包含有半年变化的成分，其振幅只约为。振幅只约为。0.284k 0 .090.01. 转速的变化转速的变化2.3.1 2.3.1 地球的转动和时间地球的转动和时间 时间标准原先是根据地球的转动确定的：地球自转一周的时间标准原先是根据地球的转动确定的：地球自转一周的时间叫做一日。由于观测周期所采用的参考点不同，时间叫做一日。由于观测周期所采用的参考点不同，“一一日日”的定义也略有不同。若取春分点为标准，则它连续两的定义也略有不同。若取春分点为标准

21、，则它连续两次通过同一子午面的时间，叫做一恒星日；若取太阳为标次通过同一子午面的时间，叫做一恒星日；若取太阳为标准，就叫做太阳日。地球不但自转，准，就叫做太阳日。地球不但自转， 而且绕太阳公转，公而且绕太阳公转，公转的轨道是椭圆的，所以太阳日在一年中不是等长的。取转的轨道是椭圆的，所以太阳日在一年中不是等长的。取其一年的平均值，就得到一平均太阳日，这就是日常生活其一年的平均值，就得到一平均太阳日，这就是日常生活中所用的日，每日有中所用的日，每日有86,400平均太阳秒。但在天文观测中平均太阳秒。但在天文观测中仍用恒星时。一个平均太阳日比一个恒星日长仍用恒星时。一个平均太阳日比一个恒星日长 平均

22、平均太阳时。太阳时。 355 .909地球绕太阳一周的时间叫做一地球绕太阳一周的时间叫做一年。若以恒星为标准，这段时年。若以恒星为标准，这段时间叫做一恒星年，它有间叫做一恒星年，它有3653652563625636个平均太阳日，每个平均太阳日，每百年约增长百年约增长0 00101秒，这是地球秒，这是地球公转的真正周期。若以春分点公转的真正周期。若以春分点为标准，就得到回归年。因为为标准，就得到回归年。因为分点的岁差效应，回归年比恒分点的岁差效应，回归年比恒星年约短星年约短2020分钟，它有分钟，它有36536524222422个平均太阳日，每百个平均太阳日，每百年约减短年约减短0 05353秒

23、。因为季节变秒。因为季节变化取决于太阳相对于春分点的化取决于太阳相对于春分点的位置，所以民用和纪年一般都位置，所以民用和纪年一般都采用回归年。采用回归年。 根据地球的自转确定的时间叫世界时根据地球的自转确定的时间叫世界时(UT(UT，Universal TimeUniversal Time的缩写的缩写) )，它以，它以英国格林尼治的地方时间为起点，按照各地的经度向后推移，所用的单位英国格林尼治的地方时间为起点，按照各地的经度向后推移，所用的单位是平均太阳时。这是一切民用时间的标准。显然，若要以地球的自转确定是平均太阳时。这是一切民用时间的标准。显然，若要以地球的自转确定时间，自转速度就必须很均

24、匀。其实不然，近年来通过天文测量和原子钟时间，自转速度就必须很均匀。其实不然，近年来通过天文测量和原子钟发现，地球的转速并不是真正均匀的，而是有微小的变化。所以，从发现，地球的转速并不是真正均匀的，而是有微小的变化。所以，从19551955年起，在精密的天文测量中引用了原子时年起，在精密的天文测量中引用了原子时(AT(AT，Atomic TimeAtomic Time的缩写的缩写) )。原。原子时是由原子的振动频率确定的，与地球的转动无关。氢、铷、铯等元素子时是由原子的振动频率确定的，与地球的转动无关。氢、铷、铯等元素的原子振动频率稳定性很高，相对变化只有的原子振动频率稳定性很高，相对变化只有

25、1010-13-131010-14-14，是极均匀的时间，是极均匀的时间标准。现在用的另一种计时方法是历书时标准。现在用的另一种计时方法是历书时(ET(ET，EphemetisEphemetis Time Time的缩写的缩写) )。历书时是由日、月和行星的运动确定的、与地球自转没有关系，只取决于历书时是由日、月和行星的运动确定的、与地球自转没有关系，只取决于牛顿定律。一历书秒等于牛顿定律。一历书秒等于19001900年开始的那个回归年除以该年的秒数，即年开始的那个回归年除以该年的秒数，即3131，556556，92592597479747。铯原子的振动频率是。铯原子的振动频率是9,1 929

26、,1 92，6316317702077020周历书秒，周历书秒，所以现在国际上规定的时间标准是：所以现在国际上规定的时间标准是：1 1历书秒等于铯原子历书秒等于铯原子133( )133( )振动振动9 9，192192，631.77631.77兆周兆周 133SC2.3.2 地球转速的变化地球转速的变化地球的自转速度的变化可以用日长表示。所谓日长地球的自转速度的变化可以用日长表示。所谓日长(1engch of day(1engch of day，缩写，缩写为为1.o.d),1.o.d),就是一日之长，即地球自转一周的时间。日长的变化反映了转速就是一日之长，即地球自转一周的时间。日长的变化反映了

27、转速韵变化。设日长为韵变化。设日长为 ，其变化为，其变化为 ，那么转速的相对变化，那么转速的相对变化ldld ll 例如，若例如，若 毫秒，则毫秒，则 年。年。 加速度加速度 定义为：定义为：若日长每百年增长若日长每百年增长l l毫秒，则毫秒，则 年。年。1dl 10116 10 /ddt101.16 10地球自转速度的变化其实很小。三十年代以前，最好的天文钟也地球自转速度的变化其实很小。三十年代以前，最好的天文钟也不过准到百分之一秒。这样的精确度对于测定地球自转速度的变不过准到百分之一秒。这样的精确度对于测定地球自转速度的变化是不够的。直到石英钟和原子钟问世以后，再配合高精度的现化是不够的。直到石英钟和原子钟问世以后，再配合高精度的现代测量仪器，如照像天顶仪、莱塞测距仪，