關於地球你知道但不真正了解的一些事情

關於地球磁場

　　地球磁場言是偶極型的，近似於把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的N極大體上對著南極而產生的磁場形狀。

當然，地球中心並沒有磁鐵棒，而是通過電流在導電液體核中流動的發電機效應產生磁場的。

　　地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就已經探測到太陽風的存在。

太陽風是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流，主要成分是電離氫和電離氦。

　　因為太陽風是一種等離子體，所以它也有磁場，太陽風磁場對地球磁場施加作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。

儘管這樣，地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。

在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地球磁場，繼續向前運動，於是形成了一個被太陽風包圍的、彗星狀的地球磁場區域，這就是磁層。

　　地球磁層位於地面600～1000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5～7萬公里。

在太陽風的壓縮下，地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。

在磁赤道附近，有一個特殊的介面，在介面兩邊，磁力線突然改變方向，此介面稱為中性片。

中性片上的磁場強度微乎其微，厚度大約有1000公里。

中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向著地球，南面的磁力線離開地球。

　　1967年發現，在中性片兩側約10個地球半徑的範圍里，充滿了密度較大的等離子體，這一區域稱作等離子體片。

當太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多，並且快速地沿磁力線向地球極區沉降，於是便出現了千姿百態、絢麗多彩的極光。

由於太陽風以高速接近地球磁場的邊緣，便形成了一個無碰撞的地球弓形激波的波陣面。

波陣面與磁層頂之間的過渡區叫做磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。

　　地球磁層是一個頗為複雜的問題，其中的物理機制有待於深入研究。

磁層這一概念近來已從地球擴展到其他行星。

甚至有人認為中子星和活動星系核也具有磁層特徵。

形成原因

　　通常物質所帶的正電和負電是相等數量的，但由於地球核心物質受到的壓力較大，溫度也較高，約6000°C，內部有大量的鐵磁質元素，物質變成帶電量不等的離子體，即原子中的電子克服原子核的引力，變成自由電子，加上由於地核中物質受著巨大的壓力作用，自由電子趨於朝壓力較低的地幔，使地核處於帶正電狀態，地幔附近處於帶負電狀態，情況就象是一個巨大的「原子」。

　　科學家相信，由於地核的體積極大，溫度和壓力又相對較高，使地層的導電率極高，使得電流就如同存在於沒有電阻的線圈中，可以永不消失地在其中流動，這使地球形成了一個磁場強度較穩定的南北磁極。

另外，電子的分布位置並不是固定不變的，並會因許多的因素影響下會發生變化，再加上太陽和月亮的引力作用，地核的自轉與地殼和地幔並不同步，這會產生一強大的交變電磁場，地球磁場的南北磁極因而發生一種低速運動，造成地球的南北磁極翻轉。

　　太陽和木星亦具有很強的磁場，其中木星的磁場強度是地球磁場的20至40倍。

太陽和木星上的元素主要是氫和少量的氦、氧等這類較輕的元素，與地球不同，其內部並沒有大量的鐵磁質元素，那麼，太陽和木星的磁場為何比地球還強呢？木星內部的溫度約為30000°C左右，壓力也比地球內部高的多，太陽內部的壓力、溫度還要更高。

這使太陽和木星內部產生更加廣闊的電子殼層，再加上木星的自轉速度較快，其自轉一周的時間約10小時，故此其磁場強度自然也要比地球高的強。

　　事實上，如果天體的內部溫度夠高，則天體的磁場強度與其內部是否含有鐵、鈷、鎳等鐵磁質元素無關。

由於太陽、木星內部的壓力、溫度遠高於地球，因此，太陽、木星上的磁場要比地球磁場強的多。

而火星、水星的磁場比地球磁場弱，則說明火星、水星內部的壓力、溫度遠低於地球。

　　關於地球磁場的形成原因，一種關於地球磁場成因的假說認為：地球磁場的形成原因和其它行星的磁場的形成原因是類似的，地球或其它行星由於某種原因而帶上了電荷或者導致各個圈層間電荷分布不均勻。

這些電荷由於隨行星的自轉而做圓周運動，由於運動的電荷就是電流，電流必然產生磁場。

這個產生的磁場就是行星的磁場，地球的磁場也是類似的原因產生的。

這個假說和各個行星磁場的有無和強弱現象符合的非常完美。

是如何被發現的

　　歷史上，第一個提出地磁場理論概念的是英國人吉爾伯特。

他在1600年提出一種論點，認為地球自身就是一個巨大的磁體，它的兩極和地理兩極相重合。

這一理論確立了地磁場與地球的關係，指出地磁場的起因不應該在地球之外，而應在地球內部。

　　1893年，數學家高斯在他的著作《地磁力的絕對強度》中，從地磁成因於地球內部這一假設出發，創立了描繪地磁場的數學方法，從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數學理論來表示。

但這僅僅是一種形式上的理論，並沒有從本質上闡明地磁場的起源。

　　現在科學家們已基本掌握了地磁場的分布與變化規律，但是，對於地磁場的起源問題，學術界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。

　　目前，關於地磁場起源的假說歸納起來可分為兩大類，第一類假說是以現有的物理學理論為依據；第二類假說則獨闢蹊徑，認為對於地球這樣一個宇宙物體，存在著不同於現有已知理論的特殊規律。

　　屬於第一類假說的有旋轉電荷假說。

它假定地球上存在著等量的異性電荷，一種分布在地球內部，另一種分布在地球表面，電荷隨地球旋轉，因而產生了磁場。

這一假說能夠很自然地通過電與磁的關係解釋地磁場的成因。

但是，這個假說卻有一個致命缺點，首先它不能解釋地球內外的電荷是如何分離的；其次，地球負載的電荷並不多，由它產生的磁場是很微弱的，根據計算，如果要想得到地磁場這樣的磁場強度，地球的電荷儲量需要擴大1億倍才行，理論計算和實際情況出入很大。

　　以地核為前提條件的地磁場假說也屬於第一類假說，弗蘭克在這類假說中提出了發電機效應理論。

他認為地核中電流的形成，應該是地核金屬物質在磁場中做渦旋運動時，通過感應的方式而發生的。

同時，電流自身形式的場就是連續不斷的再生磁場，好像發電機中的情形一樣。

弗蘭克所建立的模型說明了怎樣實現地磁場的再生過程，解釋了地磁場有一定的數值。

但是在應用這種模型的時候，卻很難解釋地核中的這種電路是怎樣通過圓形迴路而閉合的。

此外，這個模型也沒有考慮到電流對渦旋運動的反作用，而這種反作用是不允許渦旋分布於平行赤道面的平面內的。

　　屬於第一類假說的還有漂移電流假說、熱力效應假說和霍爾效應假說等，但這些假說都不能全面地解釋地磁場的奇異特性。

　　關於地磁場起源還有第二類假說，這其中最具代表性的就是重物旋轉假說。

　　1947年，布萊克特提出任意一個旋轉體都具有磁矩，它與旋轉體內是否存在電荷無關。

這一假說認為，地球和其他天體的磁場都是在旋轉中產生的，也就是說星體自然生磁，就好像電荷轉動能產生磁場一樣。

但是，這一假說在試驗和天文觀測兩方面都遇到了困難。

在現有的實驗條件下，還沒有觀察到旋轉物體產生的磁效應。

而對天體的觀測結果表明，每個星球的磁場分布狀況都很複雜，尚不能證明星球的旋轉與磁場之間存在著必然的依存關係。

　　因此上說，關於地磁場的起源問題，學術界仍處在探索與爭鳴之中，尚沒有一個具有相當說服力的理論，對地磁場的成因作出解釋。

分布與變化規律

　　地磁場的形成具有一定特殊性，按照旋轉質量場假說，地球在自轉過程中產生磁場。

但是，從運動相對性的觀點考慮，居住在地球上的人是不應該感受到地磁場的，因為人靜止於地球表面，隨地球一同轉動，所以地球上的人是無法感覺到地球自轉產生的磁場效應的。

　　通常所說的地磁場只能算作地球表面磁場，並不是地球的全球性磁場（又稱空間磁場），它是由地核旋轉形成的。

地球的內部結構可分為地殼、地幔和地核。

美國科學家在試驗中發現，地球內外的自轉速度是不一樣的，地核的自轉速度大於地殼的自轉速度。

也就是說，地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉，但卻能感覺到地核旋轉所產生的質量場效應，就是它產生了地球的表面磁場。

科學家在研究中還發現，地核的自轉軸與地球的自轉軸不在一條直線上，所以由地核旋轉形成的地磁場兩極與地理兩極並不重合，這就是地磁場磁偏角的形成原因。

　　科學家們在對地磁場的研究中發現，地磁場是變化的，不僅強度不恆定，而且磁極也在發生變化，每隔一段時間就要發生一次磁極倒轉現象。

　　早在二十世紀初，法國科學家布律內就發現，70萬年前地磁場曾發生過倒轉。

1928年，日本科學家松山基范也得出了同樣的研究結果。

第二次世界大戰後，隨著古地磁研究的迅速發展，人們獲得了越來越多的地磁場倒轉證據。

如岩漿在冷卻凝固成岩石時，會受到地磁場的磁化而保留著像磁鐵一樣的磁性，其磁場方向和成岩時的地磁場方向一致。

科學家在研究中發現，有些岩石的磁場方向與現代地磁場方向相同，而有些岩石的磁場方向與現代地磁場方向正好相反。

科學工作者通過陸上岩石和海底沉積物的磁力測定，及洋底磁異常條帶的分析終於發現，在過去的7600萬年間，地球曾發生過171次磁極倒轉。

距今最近的一次發生在70萬年前，正如布律內所指出的那樣。

倒轉原因

　　根據地磁場起源理論，地磁場磁極之所以發生倒轉，是由地核自轉角速度發生變化而引起的。

地殼和地核的自轉速度是不同步的，現階段地核的自轉速度大於地殼的自轉速度。

然而，40億年前，情況卻不是這樣，那時地球表面呈熔融狀態，月球也剛剛被俘獲，地球從裡到外的自轉速度是一致的，地球表面不存在磁場。

但是，隨著地球向月球傳輸角動量，地球的自轉角速度越來越小。

同時，地球也漸漸形成了地殼、地幔和地核三層結構。

地球自轉角動量的變化首先反映在地殼上，出現了地殼自轉速度小於地核自轉速度的情形。

這時，在地球表面第一次可以感受到磁場的存在，地核以大於地殼的自轉速度形成了地磁場。

按照左手定則，磁場的N極在地理南極附近，磁場的S極在地理北極附近。

地殼與地核自轉角速度不同步，這種情形並不能長久地保持下去，地核必然通過地幔軟流層物質向地殼傳輸角動量，其結果是地核的自轉角速度逐漸減小，地殼的自轉角速度逐漸增大。

當地殼與地核的自轉角速度此增彼減而最終一致時，地磁場就會在地球表面消失。

地核與地殼間的角動量傳輸並不會到此為止，在慣性的作用下，地殼的自轉角速度還在繼續增大，地核的自轉角速度繼續減小，於是出現了地殼自轉角速度大於地核自轉角速度的情形。

這時，在地球表面就會感受到來自地核逆地球自轉方向的旋轉質量場效應。

按照左手定則判斷，新形成的地磁場的N極在地理北極附近，S極在地理南極附近。

從較長的時期看，整個地球的自轉速度處在減速狀態，但地殼與地核間的相對速度卻是呈周期性變化的，這就是每隔一段時間地球磁場就要發生一次倒轉的原因。

　　據測定，地磁場發生倒轉前有明顯的預兆，地球的磁場強度減弱直至為零，隨後，約需一萬年的光景，磁場強度才緩緩恢復，但是，磁場方向卻完全相反。

目前，地球磁場強度有逐漸減弱的趨勢，在過去的4000年中，北美洲的磁場強度已減弱了50%，這說明地核相對地殼的速度差正在縮小。

　　值得說明的是，無論地球表面測得的地磁場方向如何發生變化，但是，在太空中地磁場的方向卻始終是不變的。

因為在太空中測得的地磁場，是整個地球自轉產生的旋轉質量場效應，並不會因為地殼與地核相對速度的改變而發生變化。

根據左手定則，在太空中測得的地磁場的N方向始終在地理南極上空。

　　在電磁感應效應中，通電導體產生的磁場強度與電流強度成正比，即與導體內「定向移動」的自由電子數目成正比。

而每個電子的自旋角動量又是恆定的，所以磁場強度實際上是與所有電子的自旋角動量之和成正比。

同理，宏觀物體產生的磁場強度，也應與旋轉質量場的角動量成正比，即與物體的質量和自旋角速度成正比，與質量場的旋轉半徑（觀測點到物體質心的距離）成反比。

用公式表示為：

　　H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0為常數，T為自轉周期，r為旋轉質量場半徑)

　　根據這一公式，在地球表面測得的磁場強度H，只與地核的質量成正比，角速度ω的取值為地殼與地核自轉角速度之差，r為地球的半徑（地磁場強度為5×10-5特斯拉）。

而地球在太空中形成的空間磁場，其磁場強度與整個地球的質量成正比，與地球的自轉角速度成正比（近似值），與觀測點到地球中心的距離成反比。

因此，在近地球的宇宙空間，地球所形成的空間磁場強度大於地表的磁場強度。

空間磁場的最大特點是磁極恆定，不會像地球表面磁場那樣發生磁極倒轉現象。

特性

　　地球的磁性, 是地球內部的物理性質之一。

地球是一個大磁體, 在其周圍形成磁場, 即表現出磁力作用的空間, 稱作地磁場。

它和一個置於地心的磁偶極子的磁場很近似, 這是地磁場的最基本特性。

地磁場強度很弱, 這是地磁場的另一特性, 在最強的兩極其強度不到10-4(T), 平均強度約為0.6x10-4(T), 而它隨地點或時間的變化就更小, 因此常用(γ), 即10 -9(T)做為磁場強度單位。

　　地球磁場的起源

　　關於地球磁場的來源，早期歷史上曾有來自北極星的傳說，但是到公元17世紀初就已經認識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當時仍不清楚地球磁場是怎樣產生的。

隨著科學的發展，對於地球磁場觀測和地球結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先後提出了10多種學說。

這裡按照歷史的先後對一些各有一定根據或設想的地球磁場來源學說作簡單介紹：

　　(1)永磁體學說，是最早提出的一種學說，認為地球內部存在巨大的永磁體，由這永磁體產生地球磁場，但後來認識到地球內部溫度很高，不可能存在永磁體。

　　(2)內部電流學說，認為地球內部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產生地球磁場，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在。

　　(3)電荷旋轉學說(公元1900年，簡寫作1900)，認為地球表面和內部分別分布著符號相反、數量相等的電荷，由地球自轉而形成閉合電流，由此電流產生磁場，但這學說缺乏理論和實驗基礎。

　　(4)壓電效應學說(1929)，認為在地球內部物質在超高壓力下使物質中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而產生電流和磁場。

但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一(10-3)。

　　(5)旋磁效應學說(1933)，認為地球內的強磁物質旋轉可以產生地球磁場，但這種旋磁效應產生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一(10-11)。

　　(6)溫差電效應學說(1939)，認為地球內部的放射性物質產生的熱量，使熔融物質發生連續的不均勻對流，這樣產生溫差電動勢和電流，由此電流產生地球磁場，但理論估計也同地球磁場不符合。

　　(7)發電機學說(1946－1947)，認為是地球內部的導電液體在流動時產生穩恆的電流，由這電流產生地球磁場。

　　(8)旋轉體效應學說(1947)，是根據少數天體觀測得到的經驗規律，認為具有角動量的旋轉物體都會產生磁矩，因而產生磁場。

這一學說需要使用一無科學根據的常數，5年後又被提出這一學說的科學家根據精密的實驗結果加以否定了。

　　(9)磁力線扭結學說(1950)，認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產生地球磁場。

　　(10)霍爾效應學說(1954)，認為在地球內部由於溫度不均勻產生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應產生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產生地球磁場。

　　(11)電磁感應學說(1956)，認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風到達地球後，會通過地球內部的電磁感應和整流作用產生地球內部的電流，由此產生地球磁場。

在這些學說中，只有發電機學說(又稱磁流體發電機學說)在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是目前研究和應用較多的地球磁場學說。

　　(12)自由電子旋轉說，是唯一中國人根據分子、原子學，結合地震波提供的地球深處高清圖像提出的學說。

　　地震產生的內部深層波動往往會在地核和地幔的介面上產生反射，反射波在傳遞到地表的過程中，如果碰到地下構造，就會發出微弱的信號。

通過上千次地震得到的信號記錄以及1000多次的地震觀測，這支由MIT地球、大氣與行星學系(EAPS)教授RobvanderHilst領導的地球學家和礦物學家組成的跨學科小組得到了中北美洲高清晰度深層地球結構圖，從結構圖看地球外核是液體。

　　我們知道物質是由分子原子組成的，原子由原子核和電子組成。

　　火山爆發使我們知道地球內部是一個高溫世界。

19世紀末，著名物理家居里在自己的實驗室里發現磁石的一個物理特性，就是當磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性就會消失。

後來，人們把這個溫度叫「居里點」。

按照「居里點」的的結論地球內部不能有一個永磁體。

　　按照物理學研究的結果，高溫,高壓中的物質，其原子的核外電子會被加速而向外逃逸，所以地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來，在內核與地幔間會形成一個汽液態的充滿自由電子的負電球層（液體外核）。

　　按照麥克斯韋的電磁理論，可以總結出這樣一句話「電動生磁，磁動生電。

所以，要形成地球磁場必須有電子移動。

我們知道，一個線圈通上直流電，那麼線圈周圍有一個直流電磁場（通上交流點，就是一個交流電磁場），這個磁場就是電子在線圈中移動的結果。

　　地球的磁場就象一個螺線管通直流電的直流電磁場。

地球內部的高溫、高壓，使地球內核物質逸出電子而強金屬化，不易流動，呈固體狀態。

地球內核逸出的大量電子集中在相對內核壓力小、溫度低的液體外核球層，外核球層由於得到大量自由電子而呈非金屬狀的汽液態。

大量的自由電子隨地球自轉象電子在線圈運動相仿，所以是液體外核自轉在宇宙空間建立了一個強大的磁場。

　　地球自轉，使液體外核呈現一個扁球體，地球傾斜自轉也可以認為天體引力傾斜。

傾斜的力使液體外核赤道面亦傾斜。

液體外核的赤道面，既受內核自轉控制，又受天體引力拖拽，使其自轉慣性改變方向，進而導致磁極既不與地球自轉軸重合又不與黃道面垂直，處於兩者兼顧狀態，事實也正是如此。

地球自轉

　　

地球繞地軸自西向東地自轉，平均角速度為每小時轉動15度。

在地球赤道上，自轉的線速度是每秒465米。

天空中各種天體東升西落的現象都是地球自轉的反映。

人們最早利用地球自轉作為計量時間的基準。

自20世紀以來由於天文觀測技術的發展，人們發現地球自轉是不均的。

1967年國際上開始建立比地球自轉更為精確和穩定的原子時。

由於原子時的建立和採用，地球自轉中的各種變化相繼被發現。

現在天文學家已經知道地球自轉速度存在長期減慢、不規則變化和周期性變化。

　　通過對月球、太陽和行星的觀測資料和對古代月食、日食資料的分析，以及通過對古珊瑚化石的研究，可以得到地質時期地球自轉的情況。

在6億多年前，地球上一年大約有424天，表明那時地球自轉速率比現在快得多。

在4億年前，一年有約400天，2.8億年前為390天。

研究表明，每經過一百年，地球自轉長期減慢近2毫秒（1毫秒＝千分之一秒），它主要是由潮汐摩擦引起的。

此外，由於潮汐摩擦，使地球自轉角動量變小，從而引起月球以每年3～4厘米的速度遠離地球，使月球繞地球公轉的周期變長。

除潮汐摩擦原因外，地球半徑的可能變化、地球內部地核和地幔的耦合、地球表面物質分布的改變等也會引起地球自轉長期變化。

恆星日為23時56分4秒；太陽日為24小時。

　　地球自轉速度除上述長期減慢外，還存在著時快時慢的不規則變化，這種不規則變化同樣可以在天文觀測資料的分析中得到證實，其中從周期為近十年乃至數十年不等的所謂"十年尺度"的變化和周期為2～7年的所謂"年際變化"，得到了較多的研究。

十年尺度變化的幅度可以達到約±3毫秒，引起這種變化的真正機制目前尚不清楚，其中最有可能的原因是核幔間的耦合作用。

年際變化的幅度為0.2～0.3毫秒，相當於十年尺度變化幅度的十分之一。

這種年際變化與厄爾尼諾事件期間的赤道東太平洋海水溫度的異常變化具有相當的一致性，這可能與全球性大氣環流有關。

然而引起這種一致性的真正原因目前正處於進一步的探索階段。

此外，地球自轉的不規則變化還包括幾天到數月周期的變化，這種變化的幅度約為±1毫秒。

　　地球自轉的周期性變化主要包括周年周期的變化，月周期、半月周期變化以及近周日和半周日周期的變化。

周年周期變化，也稱為季節性變化，是二十世紀三十年代發現的，它表現為春天地球自轉變慢，秋天地球自轉加快，其中還帶有半年周期的變化。

周年變化的振幅為20～25毫秒，主要由風的季節性變化引起。

半年變化的振幅為8～9毫秒，主要由太陽潮汐作用引起的。

此外，月周期和半月周期變化的振幅約為±1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。

地球自轉具有周日和半周日變化是在最近的十年中才被發現並得到證實的，振幅只有約0.1毫秒，主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。

地球公轉

　　

1543年著名波蘭天文學家哥白尼在《天體運行論》一書中首先完整地提出了地球自轉和公轉的概念。

地球公轉的軌道是橢圓的，公轉軌道半長徑為149597870公里，軌道的偏心率為0.0167，公轉的平均軌道速度為每秒29.79公里；公轉的軌道面（黃道面）與地球赤道面的交角為23°27'，稱為黃赤交角。

地球自轉產生了地球上的晝夜變化，地球公轉及黃赤交角的存在造成了四季的交替。

　　從地球上看，太陽沿黃道逆時針運動，黃道和赤道在天球上存在相距180°的兩個交點，其中太陽沿黃道從天赤道以南向北通過天赤道的那一點，稱為春分點，與春分點相隔180°的另一點，稱為秋分點，太陽分別在每年的春分（3月21日前後）和秋分（9月23日前後）通過春分點和秋分點。

對居住的北半球的人來說，當太陽分別經過春分點和秋分點時，就意味著已是春季或是秋季時節。

太陽通過春分點到達最北的那一點稱為夏至點，與之相差180°的另一點稱為冬至點，太陽分別於每年的6月22日前後和12月22日前後通過夏至點和冬至點。

同樣，對居住在北半球的人，當太陽在夏至點和冬至點附近，從天文學意義上，已進入夏季和冬季時節。

上述情況，對於居住在南半球的人，則正好相反。

地極移動

　　地極移動，簡稱為極移，是地球自轉軸在地球本體內的運動。

1765年，歐拉最先從力學上預言了極移的存在。

1888年，德國的屈斯特納從緯度變化的觀測中發現了極移。

1891年，美國天文學家張德勒指出，極移包括兩個主要周期成分：一個是周年周期，另一個是近14個月的周期，稱為張德勒周期。

前者主要是由於大氣的周年運動引起地球的受迫擺動，後者是由於地球的非剛體引起的地球自由擺動。

極移的振幅約為±0.4角秒，相當於在地面上一個12×12平方米範圍。

由於極移，使地面上各點的緯度、經度會發生變化。

1899年成立了國際緯度服務，組織全球的光學天文望遠鏡專門從事緯度觀測，測定極移。

隨著觀測技術的發展，從二十世紀六十年代後期開始，國際上相繼開始了人造衛星都卜勒觀測、雷射測月、雷射測人衛、甚長基線干涉測量、全球定位系統測定極移，測定的精度有了數量級的提高。

　　根據近一百年的天文觀測資料，發現極移包含各種複雜的運動。

除了上述周年周期和張德勒周期外，還存在長期極移，周月、半月和一天左右的各種短周期極移。

其中長期極移表現為地極向著西經約70°～80°方向以每年3.3～3.5毫角秒的速度運動。

它主要是由於地球上北美、格陵蘭和北歐等地區冰蓋的融化引起的冰期後地殼反彈，導致地球轉動慣量變化所致。

其它各種周期的極移主要與日月的潮汐作用以及與大氣和海洋的作用有關。

歲差與章動在外力的作用下，地球的自轉軸在空間的指向並不保持固定的方向，而是不斷發生變化。

其中地軸的長期運動稱為歲差，而周期運動稱為章動。

歲差和章動引起天極和春分點位置相對恆星的變化。

公元前二世紀，古希臘天文學家喜帕恰斯在編制一本包含1022顆恆星的星表時，首次發現了歲差現象。

中國晉代天文學家虞喜，根據對冬至日恆星的中天觀測，獨立地發現了歲差。

據《宋史·律曆志》記載："虞喜云：'堯時冬至日短星昴，今二千七百餘年，乃東壁中，則知每歲漸差之所至'"。

歲差這個名詞即由此而來。

　　牛頓第一個指出產生歲差的原因是太陽和月球對地球赤道隆起部分的吸引。

在太陽和月球的引力作用下，地球自轉軸在空間繞黃極描繪出一個圓錐面，繞行一周約需26000年，圓錐面的半徑約為23°.5。

這種由太陽和月球引起的地軸的長期運動稱為日月歲差。

除太陽和月球的引力作用外，地球還受到太陽系內其它行星的引力作用，從而引起地球運動的軌道面，即黃道面位置的不斷變化，由此使春分點沿赤道有一個小的位移，稱為行星歲差。

行星歲差使春分點每年沿赤道東進約0.13角秒。

地球自轉軸在空間繞黃極作歲差運動的同時，還伴隨有許多短周期變化。

英國天文學家布拉得雷在1748年分析了20年恆星位置的觀測資料後，發現了章動現象。

月球軌道面（白道面）位置的變化是引起章動的主要原因。

目前天文學家已經分析得到章動周期共有263項之多，其中章動的主周期項，即18.6年章動項是振幅最大的項，它主要是由於白道的運動引起白道的升交點沿黃道向西運動，約18.6年繞行一周所致。

因而，月球對地球的引力作用也有相同周期變化，在天球上它表現為天極在繞黃極作歲差運動的同時，還圍繞其平均位置作周期為18.6年的運動。

同樣，太陽對地球的引力作用也具有周期性變化，並引起相應周期的章動。

自轉是什麼？

自轉是指物件自行旋轉的運動，物件會沿著一條穿越身件本身的軸進行旋轉，這條軸被稱為「自轉軸」。

一般而言，自轉軸都會穿越天體的質心。

凡衛星、行星、恆星、星系繞著自己的軸心轉動﹐謂之自轉。

地球自轉一周的時間是23小時56分4秒;月亮自轉一周的時間跟它繞地球公轉一周的時間相同﹐都是27天7小時43分11.5秒。

地球自轉軸與黃道面成66.34度夾角。

　　沿著自轉軸轉動的球體

　　地球同太陽系其他八大行星一樣，在繞太陽公轉的同時。

圍繞著一根假想的自轉軸在不停地轉動，這就是地球的自轉。

　　幾百年前，人們就提出了很多證明地球自轉的方法，著名的「傅科擺」使我們真正看到了地球的自轉，但是，地球為什麼會繞軸自轉？為什麼會繞太陽公轉呢？這是一個多年來一直令科學家十分感興趣的問題，粗略看來，旋轉是宇宙間諸天體一種基本的運動形式，但要真正回答這個問題，還必須首先搞清楚地球和太陽系是怎麼形成的。

地球自轉和公轉的產生與太陽系的形成密切相關。

　　現代天文學理論認為，太陽系是由所謂的原始星雲形成的，原始星雲是一大片十分稀薄的氣體雲，50億年前受某種擾動影響，在引力的作用下向中心收縮。

經過漫長時期的演化，中心部分物質的密度越來越大，溫度也越來越高，終於達到可以引發熱核反應的程度，而演變成了太陽。

在太陽周圍的殘餘氣體則逐漸形成一個旋轉的盤狀氣體層，經過收縮、碰撞、捕獲、積聚[1]等過程，在氣體層中逐步聚集成固體顆粒、微行星、原始行星，最後形成一個個獨立的大行星和小行星等太陽系天體。

　　我們知道，要測量一個直線運動的物體運動快慢，可以用速度來表示，那麼物體的旋轉狀況又用什麼來衡量呢？一種辦法就是用「角動量」。

對於一個繞定點轉動的物體而言，它的角動量等於質量乘以速度，再乘以該物體與定點的距離。

物理學上有一條很重要的角動量守恆定律，它是說，一個轉動物體。

如果不受外力矩作用，它的角動量就不會因物體形狀的變化而變化。

例如一個芭蕾舞演員，當他在旋轉過程中突然把手臂收起來的時候（質心與定點的距離變小），他的旋轉速度就會加快，因為只有這樣才能保證角動量不變。

這一定律在地球自轉速度的產生中起著重要作用。

　　形成太陽系的原始星雲原來就帶有角動量，在形成太陽和行星系統之後，它的角動量不會損失，但必然發生重新分布，各個星體在漫長的積聚物質的過程中分別從原始星雲中得到了一定的角動量。

由於角動量守恆，各行星在收縮過程中轉速也將越來越快。

地球也不例外，它所獲得的角動量主要分配在地球繞太陽的公轉，地月系統的相互繞轉和地球的自轉中，這就是地球自轉的由來，但要真正分析地球和其他各大行星的公轉運動和自轉運動還需要科學家們做大量的研究工作。

　　這就是說，在地球的形成過程中，運動——尤其指旋轉，自始至終伴隨著地球的形成過程而不是地球形成之後再在某種原因下開始自轉或公轉的。

太陽系的幾乎所有天體包括小行星都自轉，而且是按照右手定則的規律自轉，所有或者說絕大多數天體的公轉也都是右手定則。

為什麼呢？太陽系的前身是一團密雲，受某種力量驅使，使它彼此相吸，這個吸積過程，使密度稀的逐漸變大，這就加速吸積過程。

原始太陽星雲中的質點最初處在混沌狀，橫衝直闖，逐漸把無序狀態變成有序狀態，一方面，向心吸積聚變為太陽，另外，就使得這團氣體逐漸向扁平狀發展，發展的過程中，勢能變成動能，最終整個轉起來了。

開始轉時，有這麼轉的，有那麼轉的，在某一個方向占上風之後，都變成了一個方向，這個方向就是現在發現的右手定則，也許有其他太陽系是左手定則，但在我們這個太陽系是右手定則。

地球自轉的能量來源就是由物質勢能最後變成動能所致，最終是地球一方面公轉，一方面自轉。

公轉怎麼定義？

　　一個天體圍繞著另一個天體轉動叫做公轉。

　　太陽系裡的行星繞著太陽轉動，或者各行星的衛星繞著行星而轉動，都叫做公轉。

　　公轉是一件物體以另一件物體為中心所作的循環運動，一般用來形容行星環繞恆星或者衛星環繞行星的活動。

所沿著的軌道可以為圓、橢圓、雙曲線或拋物線。

地球的公轉

　　地球公轉一周的周期稱為一太陽年，約為365天4小時58分56秒。

　　地球公轉的地理意義

　　1．太陽直射點的回歸運動

　　2．晝夜長短變化

　　3．正午太陽高度的變化

　　4．四季和五帶劃分

公轉原因的推測

　　所有較大的「星球」為什麼會「自轉」？所有的小「分子」為什麼又會在做永不停息的「布朗運動」？所有的「電子」又為什麼會在「原子核」周圍「公轉」？它們轉來轉去不「暈」嗎？

　　●首先它們又不是「動物」當然是不會覺得「暈」了。

而為什麼它們會「自轉」，其實根本原因還是要歸根到「磁場」上！

　　●我們先來看一個現象就差不多知道怎麼回事了。

下面是一個「大風車」，只要旁邊有一個「蠟燭」在「燒火」，「空氣」的「密度」就會「不均勻」，從而使「空氣」產生「對流」，因此大風車便「旋轉」了起來！那麼我們在看看無論是「星球」還是「磁鐵」的「磁場」是「均勻」的嗎？很明顯是不均勻的，否則也不會把「磁鐵」上的「紙」抖一抖就會讓「磁粉」自然顯現出「磁力線」來。

　　●也就是說，最先，電子因為「原子核」的磁場「不均勻」產生了「電子」的永不停息的「公轉」，就像「空氣的對流」；於是產生了「分子」永不停息的做「布朗運動」；由此所「拼合而成」每個「星球」的整體，也整合而成了大的「磁場」，而這個磁場也必然是不均勻的，於是，當「星球」足夠大，磁場足夠強的時候，在幾乎沒有「阻力」的「真空」里，就把「星球」自己也帶動了，「公轉」同理。

地球自轉

地球繞自轉軸自西向東的轉動，從北極點上空看呈逆時針旋轉，從南極點上空看呈順時針旋轉。

地球自轉是地球的一種重要運動形式，自轉的平均角速度為7.292×10-5弧度／秒，在地球赤道上的自轉線速度為 465米／秒，除兩極外，地球上任意一點的角速度都為15°/時。

一般而言，地球的自轉是均勻的。

但精密的天文觀測表明，地球自轉存在著3種不同的變化。

地球自轉的周期

　　地球自轉一周的時間是1日，如果以距離地球遙遠的同一恆星為參照點，則一日時間的長度為23時56分4秒，叫做恆星日，這是地球自轉的真正周期。

如果以太陽為參照點，則一日的時間長度為24小時，叫做太陽日，這是我們通常使用的地球自轉周期。

自轉速度的變化

　　20世紀初以後，天文學的一項重要發現是，確認地球自轉速度是不均勻的。

人們已經發現的地球自轉速度有以下3種變化：① 長期減慢。

這種變化使日的長度在一個世紀內大約增長1～2毫秒，使以地球自轉周期為基準所計量的時間，2000萬年來累計慢了2個多小時。

引起地球自轉長期減慢的原因主要是潮汐摩擦。

科學家發現在三億七千萬年以前的泥盆紀中期地球上大約一年400天左右。

②周期性變化。

20世紀50年代從天文測時的分析發現，地球自轉速度有季節性的周期變化，春天變慢，秋天變快，此外還有半年周期的變化。

周年變化的振幅約為20～25毫秒，主要是由風的季節性變化引起的。

③不規則變化。

地球自轉還存在著時快時慢的不規則變化。

其原因尚待進一步分析研究。

地球自轉的意義

　　1、南、北半球發生晝夜交替

　　2、地方時與區時有差異

　　1）經度不同，地方時不同，經度相差15度，時間相差1小時。

　　2）全球被劃分為24個時區。

　　3）各時區區時採用本時區中央經線（時區數乘以15度）的地方時。

　　4）時差：相差幾個時區，區時就相差幾個小時。

　　5）日界線：180度經線。

　　6）北京時間：東八區區時（120度E的地方時)。

　　3、物體偏向

地球自轉軸對於地球本體的運動

　　地球自轉軸在地球本體上的位置是經常在變動的，這種變動稱為地極移動，簡稱極移。

1765年L.歐拉證明，如果沒有外力的作用，剛體地球的自轉軸將圍繞形狀軸作自由擺動， 周期為 305 恆星日 。

1888年人們才從緯度變化的觀測中證實了極移的存在。

1891年美國的S.C.張德勒進一步指出，極移包括兩種主要周期成分：一種是周期約14個月的自由擺動，又稱張德勒擺動；另一種是周期為12個月的受迫擺動。

　　實際觀測到的張德勒擺動就是歐拉所預言的自由擺動。

但因地球不是一個絕對剛體，所以張德勒擺動的周期比歐拉所預言的周期約長40％。

張德勒擺動的振幅大約在0.06″～0.25″之間緩慢變化 ，其周期的變化範圍約為410～440天。

極移的另一種主要成分是周年受迫擺動，其振幅約為0.09″，相對來說比較穩定，主要由於大氣和兩極冰雪的季節性變化所引起。

　　將極移中的周期成分除去以後，可以得到長期極移。

長期極移的平均速度約為0.003″／年，方向大致在西經70°左右。

地球自轉軸在空間的運動

　　地球的極半徑約比赤道半徑短1／300，同時地球自轉的赤道面、地球繞太陽公轉的黃道面和月球繞地球公轉的白道面，這三者並不在 一個平面內。

由於這些因素，在月球、太陽和行星的引力作用下，使地球自轉軸在空間產生了複雜的運動。

這種運動通常稱為歲差和章動。

歲差運動表現為地球自轉軸圍繞黃道軸旋轉，在空間描繪出一個圓錐面，繞行一周約需 2.6萬年。

章動是疊加在歲差運動上的許多複雜的周期運動。

　　證明地球自轉

　　1.牙籤法

　　先用一隻臉盆裝滿水,放在水平且不易振動的地方,待水靜止後,輕輕放下一根木質細牙籤,並在牙籤的一端做一個記號,記住牙籤的位置,過幾個小時後(最好在10個小時以上),再去看時你就會發現,牙籤已經轉動了一定角度,看起來好像是牙籤在轉動,其實它並沒有轉動,而是地球在轉動.在北半球,牙籤作順時針轉動,因為地球自轉在北半球看起來是逆時針方向的.南半球則與北半球相反.

　　2.炮彈法

　　地球時刻不停地自轉,地面上水平運動的物體,必然相對地發生持續的右偏(北半球)或左偏(南半球).根據這種現象,人們分析射出的炮彈運動的方向,就能證明地球在自轉.

　　3.重力加速度法

　　地球在時刻不停地自轉,由於慣性離心力的作用,地面的重力加速度必然是赤道最小,兩極最大;地球不可能是正球體,而必然是赤道略鼓,兩極略扁的旋轉橢球體.重力測量和弧度測量的結果,證實了這些觀點的正確性,也就從一個側面證實了地球的自轉.

　　4.深井測量法

　　地球時刻不停自轉,由於自轉速度隨高度而增加,物體自高處下落的過程中,必然具有較高的向東的自轉速度,而必然墜落在偏東的地點.為了證實這一點,有人曾在很深的礦井中進行試驗.試驗結果是:自井口中心下落的物體,總在一定的深度同礦井東壁相撞,從另一個側面證實了地球的自轉運動.

　　5. 傅科擺

　　證實地球自轉的儀器，是法國物理學家傅科於1851年發明的。

地球自西向東繞著它的自轉軸自轉，同時在圍繞太陽公轉。

觀察地球的自轉效應並不難。

用未經扭曲過的尼龍釣魚線，懸掛擺錘，在擺錘底部裝有指針。

擺長從3米至30米皆可。

當擺靜止時，在它下面的地面上，固定一張白卡片紙，上面畫一條參考線。

把擺錘沿參考線的方向拉開，然後讓它往返擺動。

幾小時後，擺動平面就偏離了原來畫的參考線．這是在擺錘下面的地面隨著地球旋轉產生的現象。

　　由於地球的自轉，擺動平面的旋轉方向，在北半球是順時針的，在南半球是反時針的。

擺的旋轉周期，在兩極是24小時，在赤道上傅科擺不旋轉。

在緯度40°的地方，每小時旋轉10°弱，即在37小時內旋轉一周。

　　顯然擺線越長，擺錘越重，實驗效果越好。

因為擺線長，擺幅就大。

周期也長，即便擺動不多幾次（來回擺動一二次）也可以察覺到擺動平面的旋轉、擺錘越重，擺動的能量越大，越能維持較長時間的自由擺動。

圖中拍照的是懸掛在北京天文館球形展覽大廳天花板上的傅科擺擺錘部分。

地球公轉

地球公轉的特性

　　像地球的自轉具有其獨特規律性一樣，地球的公轉也有其自身的規律。

這些規律從地球軌道、地球軌道面、黃赤交角、地球公轉的周期和地球公轉速度和地球公轉的效應等幾個方面表現出來。

地球公轉軌道和方向

　　地球在公轉過程中，所經過的路線上的每一點，都在同一個平面上，而且構成一個封閉曲線。

這種地球在公轉過程中所走的封閉曲線，叫做地球軌道。

如果我們把地球看成為一個質點的話，那麼地球軌道實際上是指地心的公轉軌道。

　　嚴格地說，地球公轉的中心位置不是太陽中心，而是地球和太陽的公共質量中心，不僅地球在繞該公共質量中心在轉動，而且太陽也在繞該點在轉動。

但是，太陽是太陽系的中心天體，地球只不過是太陽系中一顆普通的行星。

太陽的質量是地球質量的33萬倍，日地的公共質量中心離太陽中心僅450千米。

這個距離與約為70萬千米的太陽半徑相比，實在是微不足道的，與日地1.5億千米的距離相比，就更小了。

所以把地球公轉看成是地球繞太陽（中心）的運動，與實際情況是十分接近的。

　　地球軌道的形狀是一個接近正圓的橢圓，太陽位於橢圓的一個焦點上。

橢圓有半長軸、半短軸和半焦距等要素，分別用a、b、c表示，其中a又是短軸兩端對於焦點（F1、F2）的距離。

　　半焦距與半長軸和平短軸之間存在著這樣的關係：

　　即 c2=a2-b2

　　半焦距c與半長軸a的比值c/a，是橢圓的偏心率，用e表示，即e=c/a，

　　偏心率是橢圓形狀的一種定量表示，e的數值大於0而小於1。

橢圓越接近於圓形，則e的數值就越小，即接近於0；反之，橢圓越扁，e的數值就越大。

經過測定，地球軌道的半長軸a為149600000千米，半短軸b為149580000千米。

根據這個數據計算出地球軌道的偏心率為：

　　可見，地球軌道非常接近於圓形。

　　由於地球軌道是橢圓形的，隨著地球的繞日公轉，日地之間的距離就不斷變化。

地球軌道上距太陽最近的一點，即橢圓軌道的長軸距太陽較近的一端，稱為近日點。

在近代，地球過近日點的日期大約在每年一月初。

此時地球距太陽約為147100000千米，通常稱為近日距。

地球軌道上距太陽最遠的一點，即橢圓軌道的長軸距太陽較遠的一端，稱為遠日點。

在近代，地球過遠日點的日期大約在每年的7月初。

此時地球距太陽約為152100000千米，通常稱為遠日距。

近日距和遠日距二者的平均值為149600000千米，這就是日地平均距離，即1個天文單位。

　　根據橢圓周長的計算公式：

　　L=2πα（1-0.25×e2）

　　計算出地球軌道的全長是940000000千米。

　　地球的公轉方向與自轉方向一致，從黃北極看，是按逆時針方向公轉的，即自西向東。

這與太陽系內其它行星及多數衛星的公轉方向是一致的, 平均角速度為每小時轉動15度。

在地球赤道上，自轉的線速度是每秒465米。

太陽周年視運動

　　地球公轉是從太陽的周年視運動中發現的。

為了說明太陽的周年視運動，我們首先用一個動點與一個定點的關係來進行分析。

　　假如，動點A在繞定點B做圓周運動。

則在定點B看上去，A點的軌跡是一個圓形，A點的運動方向是逆時針的。

這種情況，與從動點A看定點B的運動特徵是完全相同的，B點的運動軌跡也是圓形的，運動方向也是逆時針的。

但是，A繞B的運動是一種真運動，而B繞A的運動則是一種視運動，它是A繞B運動的一種直觀反映。

　　地球的繞日公轉和在地球上的觀測者見到的太陽視運動的特點與上述情況相同。

儘管實際情況是地球繞日公轉，但是作為地球上的觀測者，只能感到太陽相對於星空的運動，這種運動的軌跡平面與地球軌道平面是重合的，方向、速度和周期都與地球的相同。

太陽相對星空的運動，是一種視運動，稱為太陽周年視運動。

太陽周年視運動實際上是地球公轉在天球上的反映。

地球軌道面和黃赤交角

　　如前所述，地球在其公轉軌道上的每一點都在相同的平面上，這個平面就是地球軌道面。

地球軌道面在天球上表現為黃道面，同太陽周年視運動路線所在的平面在同一個平面上。

　　地球的自轉和公轉是同時進行的，在天球上，自轉表現為天軸和天赤道，公轉表現為黃軸和黃道。

天赤道在一個平面上，黃道在另外一個平面上，這兩個同心的大圓所在的平面構成一個23°26′的夾角，這個夾角叫做黃赤交角。

　　黃赤交角的存在，實際上意味著，地球在繞太陽公轉過程中，自轉軸對地球軌道面是傾斜的。

由於地軸與天赤道平面是垂直的，地軸與地球軌道面交角應是90°——23°26′，即66°34′。

地球無論公轉到什麼位置，這個傾角是保持不變的。

　　在地球公轉的過程中，地軸的空間指向在相當長的時期內是沒有明顯改變的。

目前北極指向小熊星座α星，即北極星附近，這就是天北極的位置。

也就是說，地球在公轉過程中地軸是平行地移動的，所以無論地球公轉到什麼位置，地軸與地球軌道面的夾角是不變的，黃赤交角是不變的。

　　黃赤交角的存在，也表明黃極與天極的偏離，即黃北極（或黃南極）與天北極（或天南極）在天球上偏離23°26′。

　　我們所見到的地球儀，自轉軸多數呈傾斜狀態，它與桌面（代表地球軌道面）呈66°34′的傾斜角度，而地球儀的赤道面與桌面呈23°26′的交角，這就是黃赤交角的直觀體現。

地球公轉周期及歲差

　　地球繞太陽公轉一周所需要的時間，就是地球公轉周期。

籠統地說，地球公轉周期是一「年」。

因為太陽周年視運動的周期與地球公轉周期是相同的，所以地球公轉的周期可以用太陽周年視運動來測得。

地球上的觀測者，觀測到太陽在黃道上連續經過某一點的時間間隔，就是一「年」。

由於所選取的參考點不同，則「年」的長度也不同。

常用的周期單位有恆星年、回歸年和近點年。

　　地球公轉的恆星周期就是恆星年。

這個周期單位是以恆星為參考點而得到的。

在一個恆星年期間，從太陽中心上看，地球中心從以恆星為背景的某一點出發，環繞太陽運行一周，然後回到天空中的同一點；從地球中心上看，太陽中心從黃道上某點出發，這一點相對於恆星是固定的，運行一周，然後回到黃道上的同一點。

因此，從地心天球的角度來講，一個恆星年的長度就是視太陽中心，在黃道上，連續兩次通過同一恆星的時間間隔。

　　恆星年是以恆定不動的恆星為參考點而得到的，所以，它是地球公轉360°的時間，是地球公轉的真正周期。

用日的單位表示，其長度為365.2564日，即365日6小時9分10秒。

　　地球公轉的春分點周期就是回歸年。

這種周期單位是以春分點為參考點得到的。

在一個回歸年期間，從太陽中心上看，地球中心連續兩次過春分點；從地球中心上看，太陽中心連續兩次過春分點。

從地心天球的角度來講，一個回歸年的長度就是視太陽中心在黃道上，連續兩次通過春分點的時間間隔。

　　春分點是黃道和天赤道的一個交點，它在黃道上的位置不是固定不變的，每年西移50″.29，也就是說春分點在以「年」為單位的時間裡，是個動點，移動的方向是自東向西的，即順時針方向。

而視太陽在黃道上的運行方向是自西向東的，即逆時針的。

這兩個方向是相反的，所以，視太陽中心連續兩次春分點所走的角度不足360°，而是360°—50″.29即359°59′9″.71，這就是在一個回歸年期間地球公轉的角度。

因此，回歸年不是地球公轉的真正周期，只表示地球公轉了359°59′9″.71的角度所需要的時間，用日的單位表示，其長度為365.2422日，即365日5小時48分46秒。

　　地球公轉的近日點周期就是近點年。

這種周期單位是以地球軌道的近日點為參考點而得到的。

在一個近點年期間，地球中心（或視太陽中心）連續兩次過地球軌道的近日點。

由於近日點是一個動點，它在黃道上的移動方向是自西向東的，即與地球公轉方向（或太陽周年視運動的方向）相同，移動的量為每年11″，所以，近點年也不是地球公轉的真正周期，一個近點年地球公轉的角度為360°+11″，即360°0′11″，用日的單位來表示，其長度365.2596日，即365日6小時13分53秒。

　　只有恆星年才是地球公轉的真正周期。

在下面章節中，我們將學習到回歸年是地球寒暑變化周期，即四季變化的周期，它與人類的生活生產關係極為密切。

回歸年略短於恆星年，每年短20分24秒，在天文學上稱為歲差。

　　為什麼春分點每年西移50″.29而造成歲差現象呢？這是地軸進動的結果。

　　地軸的進動同地球的自轉、地球的形狀、黃赤交角的存在以及月球繞地球公轉軌道的特徵，有著密切的聯繫。

　　地軸的進動類似於陀螺的旋轉軸環繞鉛垂線的擺動。

當急轉的陀螺傾斜時，旋轉軸就繞著與地面垂直的軸線，畫圓錐面，陀螺軸發生緩慢的晃動。

這是因為地球引力有使它傾倒的趨勢，而陀螺本身旋轉運動的慣性作用，又使它維持不倒，於是便在引力作用下發生緩慢的晃動。

這就是陀螺的進動。

　　地球的自轉，就好像是一個不停地旋轉著的龐大無比的大「陀螺」，由於慣性作用，地球始終在不停地自轉著。

地球自身的形狀類似於一個橢球體，赤道部分是凸出的，即有一個赤道隆起帶。

同時，由於黃赤交角的存在，太陽中心與地球中心的連線，不是經常通過赤道隆起帶的。

所以，太陽對地球的吸引力，尤其是對於赤道隆起帶的吸引力，是不平衡的。

另外，月球繞地球公轉的軌道平面，與黃道面和天赤道面都不重合，與黃道面呈5°9′的夾角，也就是說，地球中心與月球中心的連線，也不是經常通過赤道隆起帶。

所以，月球對地球的吸引力，尤其是對赤道隆起帶的吸引力，也是不平衡的。

據萬有引力定律,F1＞F2。

　　日月的這種不平衡吸引力，力圖使赤道面與地球軌道面相重合，達到平衡狀態。

但是，地球自轉的慣性作用，使其維持這種傾斜狀態。

於是，地球就在月球和太陽的不平衡的吸引力共同作用下產生了擺動，這種擺動表現為地軸以黃軸為軸做周期性的圓錐運動，圓錐的半徑為23°26′，即等於黃赤交角。

地軸的這種運動， 稱為地軸進動。

地軸進動方向為自東向西，即同地球自轉和公轉方向相反，而陀螺的進動方向與自轉方向是一致的。

　　這是因為陀螺有「傾倒」的趨勢，而地軸有「直立」的趨勢。

　　地軸進動的速度非常緩慢，每年進動50″.29，進動的周期是25800年。

　　由於地軸的進動，造成地球赤道面在空間的傾斜方向發生了改變，引起天赤道相應的變化，致使天赤道與黃道的交點——春分點和秋分點，在黃道上相應地移動。

移動的方向是自東向西的，即與地球公轉方向相反，每年移動的角度為50″.29。

因此，年的長度，以春分點為參考點周期單位要比以恆定不動的恆星為參考點的周期單位略短，這就是產生歲差的原因。

　　由於地軸的進動，造成地球的南北兩極的空間指向發生改變，使天極以25800年為周期繞黃極運動。

所以，天北極和天南極在天球上的位置也是在緩慢地移動著。

北極星在公元前3000年曾是天龍座α星，目前的北極星在小熊座α星附近，到了公元7000年，移到仙王座α星附近，到公元14000年，織女星將成為北極星。

　　由於地軸進動造成天極和春分點在天球上的移動，以其為依據而建立起來的天球坐標系也必然相應地變化。

對赤道坐標系來說，恆星的赤經和赤緯要發生變化，對黃道坐標系來說，恆星的黃經要發生改變。

但是，地軸的進動不改變黃赤交角，即地軸在進動時，地軸與地球軌道面的夾角始終是66°34′。

　　在這裡還要說明一下，由於地軸進動而造成的天極、春分點的移動角度相對來講是很微小的，在較長的時間裡不會有很大的移動。

所以，我們仍然可以說天極和春分點在天球上的位置不變，恆星的赤經、赤緯和黃經也可以粗略地認為是不變的，以此為依據而建立的星表、星圖仍是可以長期使用的。

地球公轉速度

　　地球公轉是一種周期性的圓周運動，因此，地球公轉速度包含著角速度和線速度兩個方面。

如果我們採用恆星年作地球公轉周期的話，那麼地球公轉的平均角速度就是每年360°，也就是經過365.2564日地球公轉360°，即每日約0°.986，亦即每日約59′8″。

地球軌道總長度是940000000千米，因此，地球公轉的平均線速度就是每年9.4億千米，也就是經過365.2564日地球公轉了9.4億千米，即每秒鐘29.8千米，約每秒30千米。

　　依據開普勒行星運動第二定律可知，地球公轉速度與日地距離有關。

地球公轉的角速度和線速度都不是固定的值，隨著日地距離的變化而改變。

地球在過近日點時，公轉的速度快，角速度和線速度都超過它們的平均值，角速度為1°1′11″/日，線速度為30.3千米/秒；地球在過遠日點時，公轉的速度慢，角速度和線速度都低於它們的平均值，角速度為57′11″/日，線速度為29.3千米/秒。

地球於每年1月初經過近日點，7月初經過遠日點，因此，從1月初到當年7月初，地球與太陽的距離逐漸加大，地球公轉速度逐漸減慢；從7月初到來年1月初，地球與太陽的距離逐漸縮小，地球公轉速度逐漸加快。

　　我們知道，春分點和秋分點對黃道是等分的，如果地球公轉速度是均勻的，則視太陽由春分點運行到秋分點所需要的時間，應該與視太陽由秋分點運行到春分點所需要的時間是等長的，各為全年的一半。

但是，地球公轉速度是不均勻的，則走過相等距離的時間必然是不等長的。

視太陽由春分點經過夏至點到秋分點，地球公轉速度較慢，需要186天多，長於全年的一半，此時是北半球的夏半年和南半球的冬半年；視太陽由秋分點經過冬至點到春分點，地球公轉速度較快，需要179天，短於全年的一半，此時是北半球的冬半年和南半球的夏半年。

由此可見，地球公轉速度的變化，是造成地球上四季不等長的根本原因。

　幾個名詞：

　　1，一光年：是指一年時間裡面光走過的距離,注意，光年是長度單位。

　　2，地球公轉：我們的地球以每秒29.79公里的速度，沿著一個偏心率很小的橢圓繞著太陽公轉。

走完大約約9.4億公里的一圈路程要花365天又5小時48分46秒，即大約一年。

（日地平均距離是1.5億公里）

　　光在一年時間裡面走過的距離是地球公轉的周長的多少倍？由於1光年是光在一年時間裡面走過的距離，地球公轉周長是地球一年走過的弧長,時間都是一年。

所以距離之比就是光速300000km/s和地球公轉的速度29.79km/s之比：n＝300000/29.79＝10000倍。

　　我們已經知道地球公轉軌道半徑1.5億公里，很容易算出周長的。

根據公式s＝2×3.14×1.5億，大約9.4億公里。

地球偏向力

亦稱科氏力(科里奧利力)，因為地球自轉而產生的以地球經緯網為參照系的力。

　　是常被引入的第3類慣性力，前兩類為平動慣性力和慣性離心力，當物體相對做勻速圓周的參考系有速度時，引入此力，由於比較複雜，很少被講到，所以經常被人遺忘，表達式為F=2v×ω(矢量式,×為叉積)

　　由於地球自轉而產生作用於運動空氣的力，稱為地轉偏向力，簡稱偏向力。

它只在物體相對於地面有運動時才產生(實際不存在)，只能改變(水平運動)物體運動的方向，不能改變物體運動的速率。

地轉偏向力可分解為水平地轉偏向力和垂直地轉偏向力兩個分量。

由於赤道上地平面繞著平行於該平面的軸旋轉，空氣相對於地平面作水平運動產生的地轉偏向力位於與地平面垂直的平面內，故只有垂直地轉偏向力，而無水平地轉偏向力。

由於極地地平面繞著垂直於該平面的軸旋轉，空氣相對於地平面作水平運動產生的地轉偏向力位於與轉動軸相垂直的同一水平面上，故只有水平地轉偏向力，而無垂直地轉偏向力。

在赤道與極地之間的各緯度上，地平面繞著平行於地軸的軸旋轉，軸與水平面有一定交角，既有繞平行於地平面旋轉的分量，又有繞垂直於地平面旋轉的分量，故既有垂直地轉偏向力，也有水平地轉偏向力。

　　原因簡述如下：物體為保持水平慣性運動，經緯網因隨地球自轉而產生相對加速度。

　　簡明推導

　　首先請明白：

　　1.物體的速度是有方向性的，圓周運動的物體在某一時刻的運動方向與圓周切線方向平行。

　　2.物體受到的萬有引力是指向地心的，它可以分解成兩個力，一是使物體保持與地球自轉同步的離心力，另一個是重力。

　　畫一個○，圓心表示地心，過圓心做垂直的兩條虛線。

一條表示地軸，，在圓圈的線上找一個點（最好是右上半邊），在這個點上畫一條虛線與地軸垂直，再畫一條虛線與地軸平行。

　　我們來分析這一點的受力：向地心方向畫一個力，這是萬有引力，將這個力延剛才畫的那兩條虛線分解，其中一個是向心力，另一個是重力。

　　我們拿長江做一個例子：

　　當水靜止時，一切正常。

他與周圍的物體相對靜止。

　　長江相對於地球是自西向東流，地球自傳也是自西向東轉，因此在某一時刻，以長江上的某一點來說，水流的線速度大於該點的自轉線速度。

由於速度變大，如果想要保持原來的狀態，該點需要受到更大的向心力，但此時萬有引力沒有變化，萬有引力在與地軸垂直方向的分力也沒有變化，該點由於受不到足夠的向心力，所以會做離心運動，他的圓周運動的半徑會變大。

對於長江來說，圓周運動半徑變大只有一個方法——向低緯度移動。

這樣從上空看，長江水向右偏了。

　　　存在條件

　　非赤道地區對於地面擁有水平運動方向速度分量的物體

　　大小

　　f=2mvωsinφ（後附證明）

　　m為物體質量

　　f為地轉偏向力的大小

　　v為物體的水平運動速度分量

　　ω為地球自轉的角速度

　　sin是正弦函數

　　φ為物件所處的緯度

　　方向

　　　垂直於物體速度的水平分量方向，北半球向右，南半球向左

　　地理意義

　　　對於洋流，河流，風及其他具有水平運動的事物產生影響。

偏向力與生活

　　表水平運動的物體在地轉偏向力的作用下運動方向發生了偏移，使許多自然現象都受其影響，同時也影響著人類的生產和生活，請看下面五例：（以北半球為例）

　　一、水漩渦的形成。

　　當我們打開水龍頭向塑料桶中注水時，當水庫放水（放水口在水下）時，水槽放水時等，都會看到在水面形成漩渦。

注水時呈順時針旋轉，放水時呈逆時針旋轉。

　　當向桶中注水時，水從注水點向四周流動，北半球在地轉偏向力的作用下右偏，漩渦呈順時針方向旋轉。

南半球則呈逆時針方向旋轉。

放水時表面水都流向下層出水點，北半球在地轉偏向力的作用下右偏，漩渦呈逆時針方向旋轉。

南半球則呈順時針方向旋轉。

　　不過江河中的漩渦不一定符合這一規律，因為它還受到河床特徵的影響。

　　二、車輛和行人靠右行。

　　不是所有的國家或地區的車輛和行人都靠右行，但靠右行是最為合理的。

　　靠左行，北半球車輛在地轉偏向力的作用下右偏，都偏向道路中間，更容易與對面過來的車輛相撞，發生車禍的頻率會更高。

靠右行，北半球車輛在地轉偏向力的作用下右偏，都偏向路邊，路邊是司機開車注意力的集中點，司機會不斷調整方向來保證行車安全。

　　車輛靠右行導致人也靠右行，這樣更安全些。

由於長期習慣，所以人們無論在哪裡行走都喜歡右行。

　　三、左右鞋磨損程度不同。

　　這種現象現代人已經難看到，因為一雙鞋穿的時間太短，表現不明顯。

我想40歲以上的人對這個現象還記憶猶新。

　　這是由於兩隻鞋的受力差異而形成的。

在北半球，由於地轉偏向力作用於右側，所以人們常發現右鞋磨損比左鞋要多些；而南半球由於地轉偏向力作用於左側，所以左鞋磨損比右鞋要多些。

　　四、跑道上逆時針跑行。

　　在跑道上跑行，人們總喜歡沿逆時針方向。

　　逆時針方向跑，正好在彎道處。

地轉偏向力向外，身體傾斜產生一個向內的向心力，二力方向相反，更易平衡，過彎道處不易跌倒。

順時針方向跑，也正好在彎道處。

地轉偏向力和身體傾斜產生一個向內的向心力方向相同，不易平衡，過彎道處易跌倒。

　　人類的發源地都在北半球，人們長期受地轉偏向力的影響形成了這一習慣，所以哪怕到了南半球，人們還是習慣於這樣的行為。

　　五、機械設備都是順時針旋轉。

　　我們所見到的電扇、電機、柴油機、水輪機等都是順時針旋轉。

　在北半球順時針旋轉，地轉偏向力指向軸心，有於物質的向心作用，使機械設備更耐用、更牢固。

而逆時針旋轉時地轉偏向力指向外，有於物質的離心運動，機械設備易損壞，使用壽命縮短。

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