地球自转(地球的运动形式)

国立华侨大学 — Sun, 27 Nov 2022 16:04:34 +0000

地球自转是地球的一种重要运动形式，地球绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转，从南极点上空看呈顺时针旋转。地球自转一周的时间是1日。

简介

“地球自转”，只是在描述地球自身绕日运行的姿态，它相对于太阳的位置而言，每24小时旋转一周；相对于恒星的位置而言，每23小时56分旋转一周，这是现行时间标量的依据，是太阳日和恒星日日长的由来，也是地球出现朝、昼、暮、夜的原因。“地球自转”这一概念揭示的是“地球在自转”这一自然现象。地球自转：地球绕自转轴自西向东的转动。地球自转是地球的一种重要运动形式，自转的平均角速度为7.292×10-5弧度／秒，在地球赤道上的自转线速度为465米／秒。一般而言，地球的自转是均匀的。但精密的天文观测表明，地球自转存在着3种不同的变化。地球自转一周耗时23小时56分，约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。

其实，古希腊的费罗劳斯、海西塔斯等人早已提出过地球自转的猜想，中国战国时代《尸子》一书中就已有“天左舒，地右辟”的论述，而对这一自然现象的证实和它被人们所接受，则是在1543年哥白尼日心说提出之后。

然而，地球为什么会自转？自转的原因是什么？自转的动力从哪里获得？为什么选择现在的方向、姿态、速度自转？这些都是现代科学至今没有解决的问题。它不是要求去重复说明“地球在自转”这种已被证实的自然现象，而是要求弄清地球自转现象背后的原因，要求弄清地球自转的动力来源及其制约因素。

“地球自己转”已经是在说明地球自转的原因，它要肯定的是：地球自转的动力在于“自己”，在于地球内部而不是外部，在于自身具有的内力而不是外力。否定“地球自己转”并不是否定“地球在自转”这一现象，而是否定地球内部有推动自己旋转的动力，如同水磨旋转的动力并不在于磨体内部一样。故“地球在自转”不等于“地球自己转”，它们是两个不同的概念，若把两者等同起来，便是一种“误等”。

所有的行星都会自转的。

背景资料

地球绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转，从南极点上空看呈顺时针旋转。地球自转是地球的一种重要运动形式，自转的平均角速度为7.292×10^(-5)弧度／秒，在地球赤道上的自转线速度为465米／秒，除两极外，地球上任意一点的角速度都为15°/时。一般而言，地球的自转是均匀的。但精密的天文观测表明，地球自转存在着3种不同的变化。

自转周期

地球自转一周的时间是1日，如果以距离地球遥远的同一恒星为参照点，则一日时间的长度为23时56分4秒，叫做恒星日，这是地球自转的真正周期。如果以太阳为参照点，则一日的时间长度为24小时，叫做太阳日，这是我们通常使用的地球自转周期。

自转意义

1、南、北半球发生昼夜交替

2.不同地方的时间差异

1）经度不同，地方时不同，经度相差15度，时间相差1小时。

2）全球被划分为24个时区。

3）各时区区时采用本时区中央经线（时区数乘以15度）的地方时。

4）时差：相差几个时区，区时就相差几个小时。

5）日界线：国际日期变更线，180度经线。

6）北京时间：东八区区时（120度E的地方时)。

3、物体偏向

4,日月星辰的东升西落

规律性

极移：

地轴在地面上的运动，叫做极移。

极移的原因主要有两种，一种是地轴对于惯性轴偏离的结果，周期大约为14个月。另一种是大气季节性运行导致，其周期为一年。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和经度发生变化。

进动：

天极在天球上的位置的变化称为进动。

规律性：

地轴的进动是一种圆锥形的运动，其规律性如下：

圆锥轴线垂直于地球公转轨道平面，指向黄道两极。

圆锥的半径是黄赤交角。

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秒点29，周期是25800年。

表现：

表现为天极的周期性运动。

造成北极星的变迁。

地球赤道面和天赤道发生系统性的变化。

二分二至点每年在黄道上以50秒点29的速度西移。（岁差）

使回归年小于恒星年

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。

自转速度

美国国立标准技术研究所（NIST）的观察结果表明，长时期以来呈减慢趋势的地球自转速度自1999年开始加快。NIST的时间测定师们称，为调准以地球自转速度为标准的地球时间和原子时钟的时间，自1972年起到1999年的27年来为地球的标准时钟追加过共22闰秒的时间，但1999年后却没有追加过闰秒，是因为地球的自转速度加快了。

格林威治时间所说的一秒是一天的8.641万分之一，而1972年制作的地球时钟所定义的一秒是从铯原子中放射出的光振动91亿9千2百63万1千7百70次所需要的时间。

与铯原子振动数能维持一定速度相比，以地球的自转为准的格林威治标准时间是发生变化的，闰秒就是为了解决这种问题产生的一种时间概念。

ω＝2π／（24＊3600s)=7.27/100000rad/s

地球绕自转轴自西向东的转动。地球自转是地球的一种重要运动形式，自转的平均角速度为7.292×10-5弧度／秒，在地球赤道上的自转线速度为465米／秒。一般而言，地球的自转是均匀的。但精密的天文观测表明，地球自转存在着3种不同的变化。

自转速度的变化20世纪初以后，天文学的一项重要发现是，确认地球自转速度是不均匀的。人们已经发现的地球自转速度有以下3种变化：

①长期减慢。这种变化使日的长度在一个世纪内大约增长1～2毫秒，使以地球自转周期为基准所计量的时间，2000年来累计慢了2个多小时。引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。科学家发现在37000年以前的泥盆纪中期地球上大约一年400天左右。

②周期性变化。20世纪50年代从天文测时的分析发现，地球自转速度有季节性的周期变化，春天变慢，秋天变快，此外还有半年周期的变化。周年变化的振幅约为20～25毫秒，主要是由风的季节性变化引起的。

③不规则变化。地球自转还存在着时快时慢的不规则变化。其原因尚待进一步分析研究。

地球自转轴对于地球本体的运动地球自转轴在地球本体上的位置是经常在变动的，这种变动称为地极移动，简称极移。1765年L.欧拉证明，如果没有外力的作用，刚体地球的自转轴将围绕形状轴作自由摆动，周期为305恒星日。1888年人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在。1891年美国的S.C.张德勒进一步指出，极移包括两种主要周期成分：一种是周期约14个月的自由摆动，又称张德勒摆动；另一种是周期为12个月的受迫摆动。

实际观测到的张德勒摆动就是欧拉所预言的自由摆动。但因地球不是一个绝对刚体，所以张德勒摆动的周期比欧拉所预言的周期约长40％。张德勒摆动的振幅大约在0.06″～0.25″之间缓慢变化，其周期的变化范围约为410～440天。极移的另一种主要成分是周年受迫摆动，其振幅约为0.09″，相对来说比较稳定，主要由于大气和两极冰雪的季节性变化所引起。

将极移中的周期成分除去以后，可以得到长期极移。长期极移的平均速度约为0.003″／年，方向大致在西经70°左右。

地球自转轴在空间的运动地球的极半径约比赤道半径短1／300，同时地球自转的赤道面、地球绕太阳公转的黄道面和月球绕地球公转的白道面，这三者并不在一个平面内。由于这些因素，在月球、太阳和行星的引力作用下，使地球自转轴在空间产生了复杂的运动。这种运动通常称为岁差和章动。岁差运动表现为地球自转轴围绕黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需2.6万年。章动是叠加在岁差运动上的许多复杂的周期运动。

速度变化

日本东京工业大学的一个研究小组在最新一期美国《科学》杂志上发表论文称，地幔最深层处矿物的导电性能远高于下层地幔的其他部分，这可能是使地球自转速度发生周期性变化的重要原因。

地球自转一周耗时23小时56分，约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。但是科学家们尚不清楚自转周期发生这种变化的具体原因。

东京工业大学教授广濑敬的研究小组人员之前发现与地核相邻的地幔最深层处存在厚约200公里的矿物层，他们给这种矿物起名为后钙钛矿。

在研究中，科研人员在实验室中模拟了后钙钛矿在地球内部所处的环境，即约130万标准大气压、2500摄氏度，并在这种状态下测定了后钙钛矿的导电率，他们发现后钙钛矿层的导电性能是下层地幔其他部分的10倍至1000倍。

研究人员认为，流经后钙钛矿层的电流较强，这加强了固态地幔与液态外层地核之间的电磁耦合作用，结果导致地球自转发生周期性的微小变化。

自转时间

地球在自转时同时公转，自转一周需用23小时56分4秒，公转时转了59秒(角度单位)，需用3分56秒，时间，自转加上公转用的时间共24小时

原子钟走的最准

原子钟的原理是：利用原子中电子能级跃迁所发射光的频率，经多次分频后得到时钟的频率（如秒）。因为原子能级稳定精确，受温度等干扰极小，所原子种所标示的时间最准确。目前我国标准授台在西安。

最准确的原子钟是以铯原子的固有振动频率来调节的铯原子钟，它可以精确到计算1500万年时间误差仅为1秒，而光原子钟的准确度可能是目前铯原子钟的100至1000倍。科学家认为，新型光原子钟能使人们更精细地理解物质世界的时间，对基本物理常数作更精确地计量。由于准确计时对于高速数据传输、同步电视发送、银行转账结算、发送电子邮件、卫星轨道的精确控制、深太空导航以及航天器的对接等极为重要，新型光原子钟的应用将对上述领域产生重大影响。

在人类开发钟表技术的历程中，20世纪50年代出现的原子钟使计时达到“天文数字般”的准确。原子钟是根据原子固有振动而制成的，也就是精确测量出特定原子释放的微波频率。1967年，科学家采用铯原子钟技术以微波频率给“秒”作定义，即1秒钟等于“铯133原子两个基态能级的转换所经过的9，192，631，770个辐射周期”所需要的时间。

据该科研小组发表在《科学》杂志上的论文介绍，他们发明的光原子钟是以一个冷却的汞离子（去掉一个电子的汞原子）的光频为基础设计的，汞离子的光频传到一个激光振荡器上，这个振荡器的作用像传统时钟的钟摆产生“滴答”动作一样。所不同的是，新的光原子钟每秒产生的“滴答”次数是1.064×1024，次数如此之多，研究人员不得不用借助于高速激光与光缆，以便“数”出这些“滴答”次数以达到计时目的。

对地球本体的运动

地球自转轴在地球本体上的位置是经常在变动的，这种变动称为地极移动，简称极移。1765年L.欧拉证明，如果没有外力的作用，刚体地球的自转轴将围绕形状轴作自由摆动，周期为305恒星日。1888年人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在。1891年美国的S.C.张德勒进一步指出，极移包括两种主要周期成分：一种是周期约14个月的自由摆动，又称张德勒摆动；另一种是周期为12个月的受迫摆动。

将极移中的周期成分除去以后，可以得到长期极移。长期极移的平均速度约为0.003″／年，方向大致在西经70°左右。

自转之谜

传统的观点认为，太阳和行星皆形成于一团巨大的原始旋转星云物质。当这些原始旋转星云物质在自身引力作用下自行收缩时，由于角动量守恒，星云物质越收缩，越致密，旋转也就越来越快，当星球形成后，星云物质的旋转角动量就变成了寻求的自转角动量。

首先，太阳系起源于一团星云物质，本身就是一种假说，所以，上述传统的关于地球自转起源的解释也就是不确定的东西。我们不应该把这种解释视为金科玉律。

其次，这种传统解释有许多不能自圆其说的地方。按照这种观点，原始星云应是按照同一方向以基本相同的角速度旋转的，这样形成的星球则应该是质量越大，其自转速度也越快，太阳系所有的天体应该是朝同一方向公转和自转。然而，太阳系的现状却偏偏不是这样。一是太阳的质量约为行星总质量的750倍，占整个太阳系质量的99%以上，但是它的角动量却只有全系统的2%，行星的质量虽小，其角动量却很大；二是太阳系绝大多数天体是按逆时针方向旋转的（包括公转和自转），但金星和少数卫星却是按顺时针方向旋转的。

正因为传统的关于地球自转的解释有许多漏洞，所以有学者提出了一些新的解释。

美国有一位天文学家认为，原始行星不自转。太阳对原始行星的吸引使其朝太阳的一边隆起，凸出来。当原始行星绕太阳公转时，这个隆起部分偏离朝太阳的方向，但是太阳对隆起部分的吸引又把它拉回朝向太阳的方向，这样就强迫行星自转起来。当然，这位天文学家的解释也有许多问题，例如，为什么大多数行星斜着身子按逆时针自转和公转，而金星是按顺时针自转，天王星是躺着身子自转和公转？

现代科学研究表明，行星的自转并非一成不变的。最为突出的是我们的地球，其自转有明显的波动：一年中，8月间地球自转最快，3—4月间自转最慢。在各个世纪和不同的年份自转也不是均匀的，如17世纪地球自转比较快，20世纪30—40年代自转加快，60—70年代自转减慢，到了80—90年代自转又加快。

地球的自转在不断地变化，这说明有一处原动力在为地球的自转加速和减速。那么，这一原动力是什么呢？

有人说，地球自转变化与南极有关。南极的巨大冰川，现在正在慢慢融化，也就是说，南极大陆的冰块在减少，重量正在减轻。这样，地球失去了平衡，影响了自转速度。但是，这种变化是单向的，它不可能既给地球自转加速，又给自转减速。

有一种令大多数人信服的解释是：季风影响地球自转。有科学家计算过，每年由季风从大陆转移到海洋，又从海洋转移到大陆的空气，重量竟达300万亿吨。这么大重量的物质从地球一处转移到另一处，足可以影响地球的重心，改变地球的角动量分布，使地球自转发生加速或减速变化。

证明过程

16世纪时，“太阳中心说”的创始人哥白尼曾依据相对运动原理提出了地球自转的理论。可从哥白尼曾提出这一理论后的相当长一段时间内，这一理论只能停留在让人们从主观上接受的水平，直到19世纪才被法国物理学家傅科设计的一项实验所证实。

傅科是用一种特殊的摆来进行实验的。这个摆由一根长60余米的纤细金属丝悬挂一个27千克重、直径约30厘米的铁球所组成。当时人们把这种从未见过的“超级摆”称之为“傅科摆”。

为了证明地球在自转，法国物理学家傅科（1819—1868）于1851年做了一次成功的摆动实验，傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎的一个圆顶大厦进行，摆长67米，摆锤重28公斤，悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这种摆惯性和动量大，因而基本不受地球自转影响而自行摆动，并且摆动时间很长。在傅科摆实验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。分析这种现象，摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转。傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同。在北半球时，摆动平面顺时针转动；在南半球时，摆动平面逆时针转动，而且纬度越高，转动速度越快；在赤道上的摆几乎不转动。傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式θ°=15tsinφ来求，单位是度。式中φ代表当地地理纬度，t为偏转所用的时间，用小时作单位，因为地球自转角速度1小时等于15°，所以，为了换算，公式中乘以15。

傅科摆的摆动作为地球自转的有力证据，现已为世界所公认。中国北京天文馆的大厅里就有一个傅科摆，一个金属球在一根系在圆穹顶上的长长细线下来回摆动着。

智利地震震歪地轴

2010年2月27日的智利地震震歪地轴，地球每天自传减速约1.26微秒。

地震加快地球自转

美国宇航局下属喷气推进实验室的地球物理学家理查德·格罗斯说，在当地时间26日印度洋发生地震的瞬间，印度洋底的一个地质板块被另一个所挤压而向下沉，地球的质量向地心集中，进而导致地球自转周期缩短了3微秒，地球轴心也倾斜了大约2厘米。

但是科学家也认为，由于地球的自转周期经常发生细微的变动，印度洋大地震对其影响可能是短期的，也不会太显著。

扭曲时空

美国太空总署2004年10月21日表示，科学家及大学研究员首次准确发现，人造卫星围绕地球转动时会被些微拖离原有的轨道，此结果证实了地球转动会令周遭的时间及空间结构变形，亦都证明了爱因斯坦在1915年发表的“广义相对论”是对的。

物理科学家萨拉蒙指出：“地球转动时会扭曲旁边的时空，愈接近地球，变形的情况愈严重。以往人们从未侦察过时空变形这种被称为“结构拖曳效应”的现象。这次是我们首次实实在在且直接地录得对象转动时引起的变形现象。”

令人造卫星偏离轨道

美国太空总署地球系统技术联合中心的帕夫利斯指观察结果与保龄球在糖浆转动相似，帕夫利斯说：“保龄球旋转时会牵动旁边的糖浆，所有在糖浆的物品都会在保龄球周遭移动。相同地，地球转动时会牵动周遭的时空结构，令接近地球的人造卫星偏离轨道。

帕夫利斯以及马里兰大学的学者监察2个围绕地球的人造卫星，发现人造卫星在地球扭曲空间时真的偏离轨道。帕夫利斯表示：“我们量度地球与人造卫星之间的距离，准确度达几毫米，而且我们已将所有已知的力量剔除，例如潮汐力量及引力模型错误等。所以结果不可能被其它力量影响。”“激光地球动力学卫星”1号及2号就是负责量度地球与卫星距离的探测仪器，它们只是一大块金属片，表面镶有反射器，能将地面发射站发出的激光反射，令控制站能轻易追踪它们及量度探测器的距离。

地球自转轴在空间的运动

地球的极半径约比赤道半径短1／300，同时地球自转的赤道面、地球绕太阳公转的黄道面和月球绕地球公转的白道面，这三者并不在一个平面内。由于这些因素，在月球、太阳和行星的引力作用下，使地球自转轴在空间产生了复杂的运动。这种运动通常称为岁差和章动。岁差运动表现为地球自转轴围绕黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需2.6万年。章动是叠加在岁差运动上的许多复杂的周期运动。

证明地球自转

1.牙签法

先用一只脸盆装满水,放在水平且不易振动的地方，待水静止后，轻轻放下一根木质细牙签,并在牙签的一端做一个记号，记住牙签的位置，过几个小时后(最好在10个小时以上)，再去看时你就会发现，牙签已经转动了一定角度，看起来好像是牙签在转动,其实它并没有转动,而是地球在转动。在北半球，牙签作顺时针转动，因为地球自转在北半球看起来是逆时针方向的。南半球则与北半球相反。

2.炮弹法

地球时刻不停地自转,地面上水平运动的物体,必然相对地发生持续的右偏(北半球)或左偏(南半球).根据这种现象，人们分析射出的炮弹运动的方向，就能证明地球在自转。

3.重力加速度法

地球在时刻不停地自转，由于惯性离心力的作用，地面的重力加速度必然是赤道最小，两极最大；地球不可能是正球体，而必然是赤道略鼓，两极略扁的旋转椭球体.重力测量和弧度测量的结果，证实了这些观点的正确性，也就从一个侧面证实了地球的自转.

4.深井测量法

地球时刻不停自转，由于自转速度随高度而增加，物体自高处下落的过程中，必然具有较高的向东的自转速度,而必然坠落在偏东的地点。为了证实这一点,有人曾在很深的矿井中进行试验.试验结果是：自井口中心下落的物体,总在一定的深度同矿井东壁相撞，从另一个侧面证实了地球的自转运动.

5.傅科摆

证实地球自转的仪器，是法国物理学家傅科于1851年发明的。地球自西向东绕着它的自转轴自转，同时在围绕太阳公转。观察地球的自转效应并不难。用未经扭曲过的尼龙钓鱼线，悬挂摆锤，在摆锤底部装有指针。摆长从3米至30米皆可。当摆静止时，在它下面的地面上，固定一张白卡片纸，上面画一条参考线。把摆锤沿参考线的方向拉开，然后让它往返摆动。几小时后，摆动平面就偏离了原来画的参考线．这是在摆锤下面的地面随着地球旋转产生的现象。

由于地球的自转，摆动平面的旋转方向，在北半球是顺时针的，在南半球是反时针的。摆的旋转周期，在两极是24小时，在赤道上傅科摆不旋转。在纬度40°的地方，每小时旋转10°弱，即在37小时内旋转一周。

显然摆线越长，摆锤越重，实验效果越好。因为摆线长，摆幅就大。周期也长，即便摆动不多几次（来回摆动一二次）也可以察觉到摆动平面的旋转、摆锤越重，摆动的能量越大，越能维持较长时间的自由摆动。图中拍照的是悬挂在北京天文馆球形展览大厅天花板上的傅科摆摆锤部分。

地球自转