地球自转

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一個模擬的動畫顯示地球自转。

地球自轉是固體的地球繞著自己的軸轉動,方向是由西向東。從天球的北極點鳥瞰,地球自轉是逆時針旋轉;从南极点上空看是顺时针旋转。

自轉的周期[编辑]

真正週期[编辑]

地球自转的周期是一个恒星日,目前其值为23时56分4秒。但是近年来地球自转周期在缓慢增加(即轉速緩慢减小),导致需要对全球计时器进行调整,例如2005年12月31日全球钟表统一加一秒。這樣的調整稱為闰秒

轉動速度[编辑]

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化,是赤道线速度乘以纬度的余弦。因此赤道的线速度是最大的,两极的线速度最小,而赤道线的速度約902.5海浬。

恒星日與太陽日[编辑]

春分時從太陽看到的地球轉軸傾角(或傾角)和它相對於自轉軸軌道平面
在像地球的一個順行平面,恆星日是短於太陽日。在時間點1,太陽和遙遠的恆星都在頭頂上(在相同的方向上);在時間點2,行星轉動360°,遙遠的恆星右出現在頭頂上,但太陽並不在頭頂上(1→2 =一恆星日);太陽要稍後,在時間點3,才會抵達頭頂上(1→3 =一太陽日)。

地球相對於太陽的轉動一週的時間(從正午至正午)稱為真太阳視太陽日,由於地球橢圓軌道的離心率和自轉軸的傾斜,導致均時差的形成。這兩者都以數千年的尺度變化[1],所以真太陽日也有周年性的變化。通常,每年有兩段時期比平太陽日長,另外兩段時期比平均太陽日短[n 1]。當真太陽日在越接近近日點時越長,這是因為這時的太陽看起來在黃道上移動的角度比平常大,朝向近日點接近時,每一天增長的時間大約在10秒鐘;反過來,當地球朝向遠日點接近時,每一天的時間大約會縮短約10秒鐘。當接近至點時,太陽的視運動從黃道上投影至天球赤道上的移動量會增加,導致每一天可以增長約20秒鐘;但反過來,在接近分點時,天球赤道和黃道幾乎重合,因此沒有甚麼差別。通常,近日點和至點的效果結合,在接近12月22日時,真太陽日每一天可以增長30秒鐘;但是至點的效應在遠日點時會被抵銷一部分,所以約在6月19日,只會增長13秒鐘。相對來說,分點的效應,在3月26日(接近春分)大約比平太陽日短18秒鐘,在9月16日(接近秋分)大約短21秒鐘[2][3][4]

在一年中的真太陽日的平均長度稱為平太阳,它包含了86,400平太陽秒。目前,平太陽秒比SI的秒稍稍長了一點點,這是因為地球的平太陽日由於潮汐摩擦已經比在19世紀定義當時長了一些。在1750年至1892年之間的平太陽秒是西蒙·紐康於1895年在製作他的太陽表時制定的獨立時間單位。這個表在1900年至1983年被用來計算世界的天體曆,所以這種秒也稱為曆書秒。SI秒在1967年與曆書秒是相等的[5]

地球相對於恆星轉動一週(360度)稱為恆星日,依據國際地球自轉服務(IERS)的定義是86,164.098 903 691秒的平太陽時(UT1,等於23h 56m 4.098 903 691s,或0.997 269 663 237 16平太陽日)[6][n 2]。地球相對於歲差或平春分點的轉動週期,常被誤稱為恆星日[n 3],是86,164.090 530 832 88秒的平太陽時(UT1,等於23h 56m 4.090 530 832 88s0.997 269 566 329 08 mean solar days)[6],因此天文學上用的恆星日比真實的恆星日短了大約8.4 ms[8]

無論是真實的恆星日或是天文學上用的恆星日都比平太陽日短了大約3分 56秒,平太陽日在SI是運用IERS從1623–2005[9]1962–2005的週期[10]

以SI日為基礎導出1962-2010年的每天長度變化。

最近(1999年–2010年) 平太陽日的長度是86,400SI秒,變化率在0.25 ms1 ms,必須將這些變化也添加在真實的恆星日和天文的恆星日的長度,以SI秒呈現它們的平太陽時。

地球在慣性空間中的轉動速率是每SI秒(7.2921150 ± 0.0000001)×10−5弧度[6]乘上(180°/π弧度)×(86,400秒/平太陽日),得到每平太陽日360.9856°,表明了在一個太陽日的地球轉動超過相對於恆星的360°。這是因為地球在接近圓形的繞日軌道上的運動,使得地球必須在轉到對向恆星之後還得再多轉一點才能再度對向平太陽,使平太陽再度出現在同一個地點的同一方向上,即使相對於平太陽只是旋轉了一圈(360°)[n 4]。將地球每秒在赤道上旋轉的弧度乘上地球的半徑6,378,137 mWGS84橢球,2π弧度的因素在兩個項目中都被刪除)得到的速度是465.1 m/s1,674.4 km/h1,040.4 mi/h[11]。有些資料來源指出地球的赤道速度較低,或是只有1,669.8 km/h[12],這是以地球的赤道週長除以24小時獲得的結果。但是,這只是不自覺的意味著只在慣性空間中旋轉了一圈,因此相對應的時間應該是恆星時。經由乘平太陽日的恆星日對應數值,1.002 737 909 350 795,可以證實這一點[6],因為這會獲得前述赤道在平太陽時的速度1,674.4 km/h

對地球自轉的長期監測需要甚長基線干涉儀的座標配合全球定位系統衛星雷射測距和其它衛星技術配合著使用。這些提供了對世界時進動章動等的絕對參考[13]

過去的數百萬年,地球的旋轉受到月球引力的交互作用影響減緩了許多:參見潮汐加速。但是有些大型的事件,像是2004年印度洋地震,就使地球的轉動加速了大約3微秒[14]。在冰河期後期的後冰河期反彈,是因為地球質量的分部改變影響了地球的慣量,經由角動量守恆,改變了轉動速率[15]

地軸的變動[编辑]

地球的旋轉像一個陀螺,軸的指向有在恆星空間中維持一定方向的性質。來自太陽月球和其它行星的外來力量導致這固定的方向有所偏移。地球轉軸大型、週期性的變動稱為歲差,而較小的變動稱為章動極移

歲差[编辑]

歲差地球的自轉軸相對於恆星空間進動分點的位置,相對於在天球上固定不動的恆星,沿著黃道每年向西移動。通常,每年的移動量是50.29",即每71.6年移動1°。這個過程雖然緩慢但會逐年累加起來,完整的歲差圈要經歷25,765年(稱為柏拉圖年),分點在黃道上退行一周360°。

章動[编辑]

章動(nutation)是在行星陀螺儀的自轉運動中,軸在進動中的一種輕微不規則運動,使自轉軸在方向的改變中出現如「點頭」般的搖晃現象。 地球的章動來自於潮汐力所引起的進動,並使得歲差的速度不是常數,而會隨著時間改變。

極移[编辑]

極移是地球的自轉軸在地球表面橫越的運動,這是將地球視為在一個固定不變的參考座標系(所謂的地球中心、地心地固坐标系ECEF))下所做的測量,這種變動只有幾米。

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。

物理上的影響(Physical effects)[编辑]

地球的轉動速度長久以來不斷的改變,其因素包括地球的形狀(一個扁球體)、氣候海洋深度和洋流、還有地質構造[16]

影響地球自轉速度的因素[编辑]

地球自转速度主要受三個因素影響,总体使其趋慢。

地球自转的规律性[编辑]

规律性[编辑]

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,周期約25800年。

表现[编辑]

原因[编辑]

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[编辑]

藝術家想象下的原行星盤

在理論上,地球的形成是太陽系誕生的一部分:最初只是大量的、旋轉中的塵埃岩石氣體,最後終於形成太陽系。組成它的化學元素是來自大爆炸產生的,還有超新星釋放出的重元素。這個星際塵埃是不均勻的,重力吸積過程上任何的不對稱,導致最終形成行星的角動量[17]。 目前的轉動週期是初始的旋轉受到其它因素影響的結果,包括潮汐力忒伊亞碰撞假說

地球自轉的證據[编辑]

在地球轉動的參考座標系中,一個自由運動物體的路徑,相對於一個固定參考座標系統,會產生視路徑偏移的現象。由於受到科氏力的影響,下落的物體將會從垂直於釋放點的鉛錘線上向東偏移,並且在北半球的彈道會從它們射出的方向向右偏轉(南半球的向左偏轉)。科氏力的影響有各種不同的表現形式,特別是在氣象現象上,南半球和北半球的氣旋有著不同的旋轉方向。虎克,依據牛頓在1679年的建議,從8.2米的高度拋下一顆球,預測會向東偏移半毫米,但是這個實驗未能成功。而最終在18世紀末和19世紀初才由波洛尼亞Giovanni Battista Guglielmini漢堡Johann Friedrich Benzenberg,和大來柏Ferdinand Reich,使用高塔小心的釋放質量才獲得結果[n 5]

傅科擺[编辑]

證明地球自轉最著名的證據是傅科擺,它是物理學家莱昂·傅科在1851年首度建造的,他在法國巴黎先賢祠從塔頂懸掛了一個擺長67 m的鐵球。由於地球的自轉使得擺的擺動平面產生搖擺的振盪,而旋轉的速度取決於緯度。在巴黎的緯度,預測和觀測到的偏移是每小時大約順時針的偏轉11度。現在,世界各地許多的博物館都有傅科擺的設置。

相關條目[编辑]

註解[编辑]

  1. ^ When Earth's eccentricity exceeds 0.047 and perihelion is at an appropriate equinox or solstice, only one period with one peak balances another period that has two peaks.[2]
  2. ^ Aoki, the ultimate source of these figures, uses the term "seconds of UT1" instead of "seconds of mean solar time".[7]
  3. ^ Sidereal day is arguably a misnomer because the dictionary definition of sidereal is "relating to the stars", thus fostering confusion with the stellar day.
  4. ^ In astronomy, unlike geometry, 360° means returning to the same point in some cyclical time scale, either one mean solar day or one sidereal day for rotation on Earth's axis, or one sidereal year or one mean tropical year or even one mean Julian year containing exactly 365.25 days for revolution around the Sun.
  5. ^ See Fallexperimente zum Nachweis der Erdrotation(German Wikipedia article).

參考資料[编辑]

  1. ^ Derivation of the equation of time
  2. ^ 2.0 2.1 Jean Meeus, Mathematical astronomy morsels (Richmond, Virginia: Willmann-Bell, 1997) 345–6.
  3. ^ Equation of time in red and true solar day in blue
  4. ^ The duration of the true solar day
  5. ^ Leap seconds by USNO
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 IERS EOP Useful constants
  7. ^ Aoki, et al., "The new definition of Universal Time", Astronomy and Astrophysics 105 (1982) 359–361.
  8. ^ Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, ed. P. Kenneth Seidelmann, Mill Valley, Cal., University Science Books, 1992, p.48, ISBN 0-935702-68-7.
  9. ^ IERS Excess of the duration of the day to 86,400s…since 1623 Graph at end.
  10. ^ IERS Variations in the duration of the day 1962–2005
  11. ^ Arthur N. Cox, ed., Allen's Astrophysical Quantities p.244.
  12. ^ Michael E. Bakich, The Cambridge planetary handbook, p.50.
  13. ^ Permanent monitoring
  14. ^ Sumatran earthquake sped up Earth's rotation, Nature, December 30, 2004.
  15. ^ Wu, P.; W.R.Peltier. Pleistocene deglaciation and the earth's rotation: a new analysis. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. 1984, 76: 753–792. 
  16. ^ Physical effects
  17. ^ Why do planets rotate?. Ask an Astronomer. 

外部鏈結[编辑]