經度

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World map longlat.svg
地球地圖
經度 (λ)
經度線投射在圖上看似彎曲和垂直的線,但實際上是大圓的一半。
緯度 (φ)
緯度線投射在圖上看似水平的平行線,但實際上是不同半徑的圓。有相同特定緯度的所有位置都在同一個緯線上。
赤道的緯度為0°,將行星平分為南半球北半球。. World map with equator.svg

經度是一種用於確定地球表面上不同點東西位置的地理坐標。經度是一種角度量,通常用度來表示,並被記作希臘字母λ。子午線穿過南極北極並把相同經度的點連起來。按照慣例,本初子午線是經過倫敦格林尼治皇家天文台的子午線,是0度經線所在地。其他位置的經度是通過測量其從本初子午線向東或向西經過的角度得到的,經度的範圍為從本初子午線0° 向東至180°E 和向西至180° W。具體來說,某位置的經度是一個通過本初子午線的平面和一個通過南極、北極和該位置的平面所組成的二面角。(這就組成了一個右手坐標系,其z軸(右手拇指)從地球中心指向北極方向,其x軸(右手食指)從地球中心指向本初子午線與赤道的交點。)

如果地球是一個均質球體,那麼一點的經度就等於過該點的南北鉛垂面和格林尼治子午面之間夾角的角度。地球上任何地方的南北鉛垂面都會包含地球的自轉軸。但是地球並不是均質的,而是有很多山脈,在山脈的重力影響下,鉛垂面就會偏離地球的自轉軸。即便如此,南北鉛垂面仍然會和格林尼治子午面相交於某個角度,該角度被稱為天文經度,通過天文觀測來確定。地圖和GPS設備上顯示的經度是格林尼治子午面與過該點的一個非嚴格鉛垂面之間夾角的角度,該非嚴格鉛垂面垂直於一個近似於大地水準面橢球體表面,而不是直接垂直於大地水準面本身。

作為起點,過去其它國家或人也使用過其它的子午線做起點,比如羅馬哥本哈根耶路撒冷聖彼德堡比薩巴黎費城等。在1884年的國際本初子午線大會上格林維治的子午線被正式定為經度的起點。東經180°即西經180°,約等同於國際日期變更線,國際日期變更線的兩邊,日期相差一日。

經度的每一度被分為60角分,每一分被分為60秒。一個經度因此一般看上去是這樣的:東經23° 27′ 30"或西經23° 27′ 30"。更精確的經度位置中秒被表示為分的小數,比如:東經23° 27.500′,但也有使用度和它的小數的:東經23.45833°。有時西經被寫做負數:-23.45833°。偶爾也有人把東經寫為負數,但這相當不常規。

一個經度和一個緯度一起確定地球上一個地點的精確位置。緯度的每個度的距離大約相當於111km,但經度的每個度的距離從0km到111km不等。它的距離隨緯度的不同而變化,沿同一緯度約等於111km乘緯度的餘弦。不過這個距離還不是相隔一經度的兩點之間最短的距離,最短的距離是連接這兩點之間的大圓的弧的距離,它比上面所計算出來的距離要小一些。

一個地點的經度一般與它於協調世界時之間的時差相應:每天有24小時,而一個圓圈有360度,因此地球每小時自轉15度。因此假如一個人的地方時比協調世界時早3小時的話,那麼他在東經45度左右。不過由於時區的分劃也有政治因素在裡面,因此一個人所在的時區不一定與上面的計算相符。但通過對地方時的測量一個人可以算得出他所在的地點的經度。為了計算這個數據,他需要一個指示協調世界時的鐘和需要觀察對太陽經過子午圈的時間。由於地球在一個橢圓軌道上繞太陽旋轉,這個計算和觀察比上面敘述的還要複雜些。

歷史[編輯]

亞美利哥·韋斯普奇確定經度的方法

對於地圖繪製和遠洋航海來說,經度的測量是很重要的。在歷史上的大多數時候,水手和探險家們為了確定經度而絞盡腦汁。人們花費了幾個世紀來探索確定經度的方法,因此,經度的歷史記錄了一些最偉大的科學頭腦的努力。

使用四分儀星盤可觀測到太陽或某特定恆星在地平線上的高度,根據該高度可以計算出該位置的緯度,但是經度的確定要更加複雜些。

亞美利哥·韋斯普奇也許是第一個提出經度確定方法的歐洲人,他在前往新世界的旅途中,花費了大量的時間和精力來研究這個問題:

至於經度,我發現經度的確定是那麼困難,以至於我在確定我所經過的東西距離時困難重重。進行實驗的最終結果讓我發現確定經度最好的方法是在一顆行星和另一顆連起來的夜晚進行觀測,尤其是月球和其他行星連起來的夜晚,因為月球在運行的過程中要比其他所有行星要快。我把我很多個夜晚的觀測結果和一本曆書做了對比,根據曆書,在1499年8月23號午夜或前半小時,月球和火星將會連在一條線上。我發現,在當天午夜時,火星的位置在向東3.5度的方向上。[1]

約翰·哈里森[2]

通過對比月球和火星的實際位置與它們的預期位置,亞美利哥·韋斯普奇得以初步推測出他的經度位置。但是他的方法有幾點局限:第一,此方法要求發生一些特殊的天文現象(比如,火星和月球穿越相同的升交點赤經),並且要求觀測者通過天文曆書預測到這種現象。第二,觀測者需要知道準確的時間,而這在國外是很難實現的。最後,此方法要求有一個穩定的觀測平台,這導致該技術在顛簸的甲板上毫無用處。

1612年,伽利略·伽利萊提出,當對木星的衛星軌道有了足夠精確的了解後,可以利用他們的位置來作為確定通用的時間,這為經度的確定提出了一種可能的方案,但是他提出的這個方法並不適用於海上導航,因為船隻是不穩定的[3] 。1714年,英國政府通過了經度法案,該法案提供豐厚的經費獎勵給第一個提出在航船上確定經度的可行方案的人。這些獎勵激勵了很多人來研究經度確定的解決方案。


約翰·哈里森是英國一個自學成才的鐘表匠,發明了航海鍾,這是海上精確確定經度的關鍵一環,因此也革新並擴大了遠距離安全航行的可能[2] 。雖然經度委員會於1773年因航海鍾把獎勵授予了哈里森,但是當時的航海鍾很昂貴,因此,以月球距離來確定經度的方法仍然被使用了幾十年。後來,由於航海鍾變得更容易獲取,再加上無線電報時信號的產生,使得用月球確定經度的方法最終於20世紀退出了歷史舞台。

測量[編輯]

測量經度對製圖和對導航來說都很重要。17世紀和18世紀最重要的發明之一是發明精確的測量經度的方法。在製圖方面第一個取得重大成果的是喬凡尼·多美尼科·卡西尼,他從1681年開始使用伽利略·伽利萊提出的觀測木星衛星的方法來確定經度。在海上沒有專業天文學家在旁的情況下這個觀測就更困難了。約翰·哈里森發明的在船上依然精確走的鐘終於使得人們也可以在船上精確地測量經度了。

赤經和赤緯[編輯]

為了確定天體在天球上的位置天文學家引入了一個與經度和緯度類似的系統:赤經赤緯。這個系統的天極位於地球的地理極延長與天球相交處,赤經的起點在春分點

其它天體上的經度[編輯]

行星的坐標系統一般是以它們的自轉軸來確定的,它們的經度的起點各不相同。一般來說有固定的、可觀察到的固體表面的行星的經度的起點是某個表面特徵,比如一個環形山北極是自轉指向太陽系北半面的極。火星的本初子午線比如是經過一個叫做Airy-0的環形山的子午線。由於行星自轉軸的歲差運動它的本初子午線和它的極不斷地變化。巨行星沒有固定的表面,因此它們的磁場被用來定義坐標系統。太陽的磁場非常多變,因此它的磁場也無法用來做坐標系統了,它的表面的坐標系統是按照一個抽象的赤道上的點來確定的。

除地球、月球和太陽外其它行星的經度按它們的自轉方向不同而不同。假如行星按順時針方向自轉則它們的經度從0度朝西算到360度,假如行星按逆時針方向自轉則其經度從0度向東算到360度。出於傳統地球、月球和太陽上既有東經又有西經。

在精確地計算經度的時候地球和火星上被設想為一個橢圓體,因為它們的赤道半徑比極半徑略大些。比較小的天體如木衛一土衛一由於它們的形狀更加不規則而被設想為三軸橢圓體。這樣的天體的經度的計算更複雜。簡單的計算程序一般使用球體。

參看[編輯]

  • ^ Vespucci, Amerigo. "Letter from Seville to Lorenzo di Pier Francesco de' Medici, 1500." Pohl, Frederick J. Amerigo Vespucci: Pilot Major. New York: Columbia University Press, 1945. 76-90. Page 80.
  • ^ 2.0 2.1 "Longitude clock comes alive". BBC. March 11, 2002.
  • ^ Denny, Mark, The Science of Navigation: From Dead Reckoning to GPS, Johns Hopkins University Press: 105, 2012, ISBN 9781421405605, in 1610, Galileo thought he might win the Spanish longitude prize with his idea of measuring time by observing the moons of Jupiter ... The trouble with the method was in making accurate measurements of the four moons while on the deck of a moving ship at sea. This problem proved intractable, and the method was therefore not adopted .