太阳公转和自转动画演示

3地球的运动

（1）地球自转

所谓地球自转是地球本身绕地轴的旋转。现代人们终于认识到，地球在不停地向东自转着，太阳的东起西落，就是地球自转的真实反映。由于重力和弧度测量的结果，证实了地球是一个扁球体，从一个侧面证实了地球的自转。为了证明地球的自转，1851年法国物理学家傅科在巴黎一个高建筑物的大厅里，挂了一个长67m，重28kg的大摆，在摆锤的下方安装一根金属针，伸向放在下面的沙盘里，可使傅科摆在沙盘上留下摆动的痕迹。从而清楚地证明脚下的地球确实在不停地转动着。既然地球在自转，那么自高处下落的物体在下落过程，必然具有较高的向东的自转速度。这样它就会下落在偏东的地点，无论是垂直下落或作水平运动都是如此。假如从北极向赤道某一点发射火箭，结果火箭落在目标以西，因预定目标已向东移了。如果火箭刚好运行1小时，那么预定目标就已向东转了15°，即约1670km。这种迫使水平运动物体偏斜的力叫做“地转偏向力”。总的说来，由于地球的自转，任何作水平运动的物体，凡在北半球的总是向前进方向的右侧偏斜；凡在南半球的总是向前进方向的左侧偏斜。这就证实了地球是向东自转的。

①地球自转的周期与速度。天体的周日运动是地球自转的反映，天体周日运动的周期，也就是地球自转的周期。天体每天东升西落，当天体上升到最高转而下降的转折点，即正好位于当地子午面上时，叫上中天。可以设想，在半夜，天体运行到当地子午面的另一边，叫做下中天。某一天体连续两次通过某地上中天的时间间隔，就是这一天体周日运动的周期。太阳、月球和恒星周日运动的周期并不相同，所以地球自转的周期也就有太阳日、太阴日和恒星日之分。它们的区别在于定标点不同，因而周期的长度也不同。

恒星日，是以某一恒星今天在某地上中天的一瞬间为起点，到第二天该恒星又回到当地上中天的一瞬间为终点的这段时间间隔。太阳或月球连续两次通过某地上中天的时间间隔，就分别称为太阳日和太阴日。

在这三种周期中，只有恒星日，才是地球自转的真正周期，因为对地球自转来说，遥远的恒星可以认为是不动的；不动的恒星视动一周，就是地球自转360°所用的时间。而太阳日和太阴日都不是地球自转真正的周期。因为地球公转所造成的太阳周年视运动每天在恒星间向东运动59′；因此，太阳连续两次通过某地上中天的时间间隔是地球自转360°59′的时间。可见，太阳日不是地球自转的单纯反映，而是地球自转和公转的反映。

由于人们生活与太阳的关系密切，“日出而作，日没而息”，因而定太阳日为24小时，而恒星日比太阳日短些，为23小时56分。太阴日比太阳日更长。

地球自转的速度：地球自转的速度可以角速度和线速度两种方式表示。

图3-4　恒星日与太阳日

角速度，即地球转动半径在单位时间内所扫过的角度；线速度，即任一质点在单位时间内绕地轴进行运动所走的距离。

角速度与转动半径长短无关，因此，地球上各处，自转角速度都是一样的，即每恒星日自转360°。一般取24小时自转360°的数值，所以全球各地（除极点外）自转角速度都是每小时15°，每4分钟1°，每分钟15′。

全球各地的自转线速度是不一样的，因为作圆周运动的物体，其线速度大小是与转动半径长短成正比例的。地球自转，使地球上每一质点都以恒星日为周期作圆运动，其转动半径都垂直于地轴，转动半径的长短因纬度和高度而不同。地球表面每一质点，都在一恒星日内转动一周，其圆周长等于当地的纬线圈长，而纬线圈长度随纬度增高而缩短。因此，地球表面的线速度是随纬度的增加减小的，在同一地点，线速度随高度增加而增加。

②地球自转的地学意义。昼夜的交替：地球是一个球体，太阳只能照亮它的一半，向着太阳的一面为昼半球，背着太阳的一面为夜半球；昼半球和夜半球的分界线，叫做晨昏线。

如果地球既不自转也不公转，或自转和公转的周期相同，则地球上昼半球和夜半球的位置将不会变化，那么在一个地点就没有白昼与黑夜的交替变化了。实际上，地球既有自转又有公转，而且自转周期短，公转周期长，这就是造成地球上昼半球和夜半球的位置在不断地相互交替。对于一个地点来说，有时位于昼半球，有时位于夜半球，也就有了白昼和黑夜的交替现象。这样，在地球上，不但有空间上的昼半球和夜半球（对全球来说的），而且在时间上有了白昼和黑夜的区别（对于地球上一个地点来说的）。

白昼和黑夜的交替是一种周期性的现象，这个周期就是1日（太阳日）。昼夜交替是自转和公转的联合结果。昼夜交替的周期这样短，说明地球自转的速度是比较快的。

昼夜的交替，一方面在地球表面各种自然过程和现象中造成昼夜的节奏性，另一方面，昼夜交替迅速不致造成昼夜温差甚大，这对地球上生物的生存是一个极为有利的条件。

方位的确定（地理坐标）：地球表面的方向即地平方向，可分为东、南、西、北。长期以来人们以日出为东，日落为西，正午太阳所在的方向为南北。根据太阳出没来确定方向，实际上是根据地球自转来确定方向。以地球自转方向为西东，以自转轴的方向为南北。因此，除了两个极点外，在地球上任何其他地点都有东、西、南、北。

时间的确定：时间是根据天体在天空的位置测定的。根据太阳在天空的位置测定的时间就是太阳时。一般是根据太阳在上中天（即正午）时来确定当地的时间。由于地球不停地自西向东自转，各地中天的时刻便不相同，在东边的地方比在西边的地方中天的时刻就早些，这样测定的时间便因经度的不同而异。这种因经度而不同的时间，称为地方时。

在同一经度上地方时相同，不同经度的地方时不同。因而在交通发达的今天，当进行东西方往来时，就需要不断地改正钟表所指示的时刻，这就给生活和生产带来极不方便。时区的划分，区时制度的建立就是适应这种要求而产生的。

水平运动物体的偏向：地球上一切作水平方向自由运动的物体，如气团、河流、洋流等，不论朝哪个方向运动，都会与其最初运动方向发生偏离。顺着运动物体前进方向看来，在北半球向右方偏转，在南半球向左方偏转。19世纪初，法国物理学家科里奥利（1792—1843年）第一个对物体水平运动方向偏转这一自然现象作出解释，他认为这是地球自转的结果。水平运动方向发生偏转，好象是受到力的作用，实际上是一种惯性作用，因而它是一种惯性力，这种惯性力便叫做水平地转偏向力。物理学上也把它叫做科里奥利力。

地球自转所以会使水平运动物体发生偏向，基本原理是惯性作用。由于地球自转，地球上的经、纬线在空间的方位不断地发生变化，而运动着的物体由于惯性作用，力图保持其出发时的运动方向和速度。经过一段时间后，看来水平运动的物体的运动方向发生了变化，其实是经、纬线本身方向变化的结果。因为地球上的方向是以经纬为标志的。

由此可见，由于地球自转，地球上一切的水平运动方向都要发生偏转。唯有赤道上没有偏转。地球偏向力对地球上的大气环流的形成有着重要作用，从而对地球上气候带的划分也有着重要意义。

（2）地球的公转

①太阳周年视运动与地球公转。太阳不仅有东升西落的周日视运动，而且有以1年为周期在星座间的移动，叫做太阳的周年视运动。太阳周年视运动的路线叫做黄道；黄道南北各宽8°的范围内称为黄道带。黄道带内的恒星被划分成12个星座，这就是黄道星座。太阳的周年视运动就表现为太阳在天球上以1年为周期，在黄道星座间位置的移动。

太阳周年视运动方向自西向东，平均角速度59′，约为1°。观测事实证明：今天子夜在子午线上看到的星宿，明天同一时刻却在子午线西面1°处看到；同一颗恒星，要以1年为周期，才能重又看到。也就是说同一星象每天提前4分钟到来，1个月要提前2小时到来，1年提前24小时到来。这说明太阳在恒星间是向东运行的，速度大约每天1°，运行1周就是1年。哥白尼认为太阳的周年运动是地球绕太阳公转的反映。太阳周年视运动的方向就是地球公转的方向，所以地球绕太阳公转是自西向东的。

②黄赤交角与地轴的倾斜。赤道面与天球相交的大圆，叫天赤道。地球绕太阳公转的轨道面，叫黄道面。黄道面与天球相交的大圆叫黄道。从地球上看，太阳终年在黄道上运动。这是太阳的视运动。天赤道与黄道有两个交点：一个叫春分点，是太阳视运动从天球南半球进入天球北半球与天赤道的交点；另一个叫秋分点，是太阳视运动从天球北半球进入天球南半球与天赤道的交点。在黄道上，春分点与秋分点之间的点也有两个：在天球北半球的称夏至点；在天球南半球的称冬至点。

地球的赤道面与黄道面（或者天赤道与黄道）的交角，叫黄赤交角，现在黄赤交角约为23°26′。换句话说，地轴与黄道面约成66°34′的交角（图3-5）。值得注意的是：地轴既与黄道面成66°34′的交角，同时又总是指向北极星。也就是说，地球公转时，倾斜着的地轴保持固定的方向，作水平移动。

图3-5　地轴倾斜与黄赤交角

③地球公转的轨道、速度和周期。

地球公转的轨道和速度：地球绕太阳公转的路线称为公转轨道。太阳周年视运动的角速度平均每天约为59′。通过观测发现太阳周年视运动的角速度是不平均的，从而推知地球公转的角速度每天也有微小的变化。地球公转角速度的变化，说明日地距离是有变化的，从而推知公转轨道为椭圆形，太阳位于椭圆的一个焦点上（图3-6）。大约1月初，地球离太阳最近，地球的这一轨道位置叫做近日点，这时日地距离为1.471亿千米。大约7月初离太阳最远，地球的这一轨道位置叫做远日点，这时日地距离为1.521亿千米。日地平均距离约为1.496亿千米。

图3-6　地球公转的轨道

地球轨道总长为9.4亿千米。因而地球公转的线速度为每秒29.78km，即约为每秒30km。

地球公转的周期：太阳周年视运动的周期就是地球公转的周期，为1年。由于太阳周年视运动的参考点不同，则年的长度也不同。常用的有回归年和恒星年。

恒星年是地球公转的真正周期，即地球公转360°所需的时间。把太阳中心和任何一个位于地球公转轨道面上的恒星连成一条直线，地球将一年一度经过这条直线和地球轨道的交点。从今年地球经过这个交点的一瞬间为起点，到明年地球又经过这一交点的一瞬间为终点，这一段时间间隔称为恒星年。它是以不动的恒星年为定标点的，所以是地球公转太阳360°的周期。恒星年的长度是365日6小时9分10秒。

回归年是太阳在天球上连续两次通过春分点的时间间隔，长度为365日5小时48分46秒。它是以春分点为定标点的，由于春分点每年西退50.26″，因此回归年比恒星年少20分24秒。这个差值在我国古书上称为岁差，即“岁岁微差”之意。它实际上是地球在公转轨道上少走50.26″的时间。

图3-7　地轴的进动

春分点的西退是由于地轴在天空中位置的变动造成的。地轴（或天轴）在天空中位置的变动，称为地轴的进动。

地轴的进动是一种周期性变动。地轴的这种变动类似于陀螺旋转轴的摆动一样。

④地球公转的地学意义。

四季变化：地球绕太阳公转的结果，使太阳光线直射的范围在南北纬23°27′之间作周期性变动，从而形成了春夏秋冬四季变化。四季变化一方面是昼夜长短的变化，另一方面是正午太阳高度的变化。这是春夏秋冬四季冷热变化的基本原因。

昼夜长短：一个地方昼夜长短决定于通过该地的昼弧和夜弧的长度，某地某天的昼弧和夜弧的长度取决于两个因素：当地的地理纬度和当时太阳直射点的纬度位置。前者是地点因素，后者是时间因素。

图3-8　地球公转、地轴倾斜并指向北极四季形成

昼夜长短季节变化的具体情况，因南北半球而不同。就北半球而论，自春分经夏至到秋分，各地都是昼长夜短；反之，自秋分经冬至到春分，各地都是昼短夜长，自冬至经春分到夏至，白昼越来越长；反之，自夏至经秋分到冬至，白昼越来越短。南半球情况同北半球相反。

昼夜长短的变化幅度，随纬度增加而变大。如在赤道上昼夜长短无差别，在南北纬30°处，最长和最短的白天，相差4小时。在南北纬50°处，差8小时；南北纬65°处，差18小时；在南北纬66°34′处，差24小时。从南北纬66°34′开始，极昼极夜的日数，因纬度的增加而增加。到南北极点，极昼极夜各约半年。

太阳高度：太阳高度就是太阳对于地平面的角距离，所以又称太阳高度角。一个地方的太阳高度，在一天里随着太阳的周日视运动而变化；在一年内，正午的太阳高度随季节而变化；在同一日期，不同纬度正午的太阳高度也不相同。对于地球上四季和五带的形成来说，太阳高度是个重要因素。因为它在很大程度上决定地球表面获得太阳热能的数量。

在同一日期，正午太阳高度因纬度不同而不同。在太阳直射点的纬度上，正午太阳高度是90°，自此点向南北同时降低；某地离开直射点几度，则太阳高度也降低几度。

四季变化的性质：地球上一年分春、夏、秋、冬四季，严格地说，这只是南北半球中纬度的现象，在低纬度和高纬度四季变化就不那么明显了，但还是有季节变化的。季节变化只是半球性现象，并没有全球统一的四季，也就是说南北半球季节是相反的。当北半球是夏季的时候，南半球是冬季；当北半球是春季时，南半球是秋季，反之亦然。

全球之所以没有统一的季节，是因为形成四季的主要原因是太阳热能在南北半球间的季节分配不均所造成的，而不是地球离太阳的远近造成的。太阳热能在南北半球的季节分配主要是受太阳直射点在哪一个半球所决定的。因为太阳直射点的移动决定着不同纬度上白昼长短和正午太阳高度的变化，因而决定着一地获得太阳热能的多少。

四季的划分：春夏秋冬四季乃是一种天文现象，表现为昼夜长短和太阳高度的季节变化。根据昼夜长短和正午太阳高度来划分四季，是以四立为四季的始点，二分二至为四季的中点，夏至前一个半月（即夏至前到立夏）和夏至后一个半月（即夏至后到立秋）是半北球全年白昼最长，太阳高度最高的3个月，就以这3个月作为夏季。南半球的情况与此相反，是为冬季。这是我国传统的四季划分法。

冬至前一个半月（即冬至前到立冬）和冬至后一个半月（即冬至后到立春），是北半球全年白昼最短，太阳高度最低的3个月，就以这3个月作为冬季。南半球情况与此相反，是为夏季。

以春分前一个半月（即春分到立春）和春分后一个半月（即春分到立夏），这3个月为冬到夏的过渡季节——春季。不言而喻，南半球则是秋季。秋季的情况与春季相似。它是夏季到冬季的过渡季节。

这样划分四季，具有明显的天文意义，同实际的气候变化不甚符合。如立春在天文上是春季的开始，但在气候上仍处隆冬。夏至在天文上是夏季的中点，是一年内白昼最长，太阳最高的一天，但在气候上却不是一年内最热的时节。

五带的性质：地球表面接受太阳热能的纬度差异是划分五带的基础，因为它是地球表面冷热差异的基本原因。而季节变化的特点又是划分五带的依据，如正午太阳高度的季节变化有其纬度差异；其中最突出的是有无阳光的直射。而地球上有无阳光直射的纬度界线，就是南北回归线，以这两条纬线作为热带和南北温带的分界线。又如，昼夜长短的季节变化也有其纬度差异，其中最突出的就是有无极昼极夜。而地球上有无极昼极夜的纬度界线就是南北极圈，于是便以这两条纬线作为温带和寒带的分界线。