运动中的地球

运动中的地球

地学是地球科学的简称，是研究地球的科学。地学其实是一个笼统的名字，在它下面包括大量其他学科，而且这些学科基本上都相互独立、互不隶属。主要有：地理学、地质学、气象学、海洋学、土壤学、水文学、测量学等，多得很。但我们在这里不具体地介绍这些学科，而是直接来了解地球。

地球概况

在辽阔无垠，或者以爱因斯坦的说法，有限无界的宇宙之中的某处，有一个普通的星系，那就是银河系。银河系整体的样子像一个圆盘，天文学家们称为银盘，其直径约10万光年，组成它的恒星约有1千亿颗。

在位于银河系比较边缘的地方，距银河系的中心约3万光年之处，有一个太阳系。地球就位于太阳系之内，是围绕太阳运转的一颗行星。地球有四种运动：

第一种是宇宙大爆炸后与其他天体一起不断地从爆炸的中心向四周飞散。

地球形成示意图

第二种是与太阳系其他天体一起环绕银河中心的运动。其速度约是260千米每秒，一天则超过两千万千米。

第三种和第四种就分别是公转和自转了。

地球的公转

公转简言之就是地球绕着太阳运转。不过，这听起来好像地球在绕着太阳这个球体的球心在旋转，这是不对的。事实上，地球所绕之旋转的是地球与太阳的共同质量中心，太阳与地球在同时环绕这个中心旋转。不过，由于地球与太阳之间的质量太过悬殊——太阳质量是地球的30多万倍，这样一来就使得地球与太阳的共同质心几乎就是太阳的中心了。

我打个比方说吧，现在我与一只蚂蚁来站翘翘板，怎样才能让翘翘板保持平衡呢？我必须一条腿站在翘翘板的一边，两条腿的中心就是翘翘板的中心，而蚂蚁的质量几乎可以忽略不计。

还有，由于太阳系里除地球外还有许多其他天体，特别是八大行星，它们也在与地球一样公转，因此太阳实际上还不是处在它与地球的共同质量中心，而是整个太阳系的共同质量中心。当然，即使这样，这个中心也几乎就是太阳的中心。

地球公转的轨道总的说来是一个椭圆，其半长轴为149600000千米，半短轴为149580000千米，周长为940000000千米。不过，由于椭圆 的偏心率只有1/60 ，扁率只有1/700 ，这个椭圆已经非常近似于圆了。

我们知道，椭圆有两个焦点和一个中心，中心就是长轴与短轴的交点，所谓偏心率就是中心与焦点之间的距离。如图：

太阳就位于F1、F2两个焦点之一上，这个图看上去比较扁，它只是一个标准的椭圆，而不是地球公转轨道的真实形状。

如图，由于地球处在椭圆轨道的边缘而太阳处在椭圆的焦点，就必然使得地球公转时在不同时间与太阳的距离也不同：有时距太阳近，有时则远，这就是近日点与远日点产生的原因。还有，由于地球绕太阳公转一周的时间是固定的，因此也使得近日点与远日点交替出现，大约在每年一月，太阳经过地球的近日点，每年七月则经过远日点。

这时也许您会问，为什么在太阳距我们最近时，反而是最冷的冬天呢？而当太阳距我们最远时倒是最热的夏天了，真是奇哉怪也。这等到后面我们讲四季的形成时您就明白了。地球公转一周的时间是一年，但在天文学上有四种年，分别是恒星年、回归年、近点年和交点年。

我们知道，所谓一年其实就是地球绕太阳公转一周所需要的时间，太阳是年复一年地公转着的，要测量公转一周所需要的时间，就得先找准一个参考点，然后等太阳第二年再转到这儿来时，看要花多少时间，这就是一年的长度了。

这样的点可以找到四个，分别是恒星、春分点、近日点、黄白交点。当地球以这些点为起点绕太阳一圈时，它们分别构成了恒星年、回归年、近点年和交点年。

这些起点中，春分点和近日点比较好理解。前者指地球上春分那一天地球所在的位置。太阳中心连续两次经过春分点之间的时间间隔就是一年。这样一年的长度约为365.2422日，被称为回归年。近日点就是地球最靠近太阳的那一天所在的位置，太阳连续两次经过近日点的时间间隔就是一个近点年，其长度是365.2596天。

四个点中最不好理解的是交点年，要理解交点年首先要理解交点，要理解交点则先要理解黄道与白道。

我们可以看到，在铅笔与桌面之间有一个交角，地球在绕太阳公转时正是像这时候的铅笔的样子。也就是说，地球是斜着身子转的，地球的轨道平面，即黄道面，与天球赤道面之间有一个交角，约为23°26′。什么是天球的赤道面呢？就是我们将整个的天穹，以地球为中心假想成为是一个巨大的球体，即天球。既然它是一个像地球一样的“天球”，那当然也像地球一样有赤道、两极等了。它的赤道就是天赤道，而赤道平面所截的平面就是赤道面，极就是天极。而且，由于天球是地球的延伸，因此天赤道其实也就是地球赤道假想向天空无限的延伸，而天极就是地球自转轴与那个天球的假想交点。

这些都可以用下面的图来表示：

从图中我们看得出来，那个标着轨道面的就是黄道面，它外面那一圈就是黄道。标着赤道面的就是天球的赤道面了。在天球赤道面与黄道面之间有一个23°26′的夹角，而在天极与黄道面之间则有一个66°34′的夹角，它们合起来正好是90°。地球就是这么斜着身子绕太阳转的。这个23°26′的夹角被称为黄赤交角。这个角度也是地球一年四季的成因，这些我们后面还会细谈。

我们还看得出来，黄道与天赤道有两个交点A与B，它们就是春分点与秋分点了，它们又被称为白羊宫第一点和天秤宫第一点。

前面我们谈了黄道，并顺便谈了天球与天赤道，除了它们而外，还有一个白道。所谓白道，简而言之就是月球绕地球公转的轨道，它所形成的白道面与黄道面也有一个交角，就像前面天球赤道面与黄道面有一个交角一样，并且，像天球赤道与黄道之间有两个交点一样，它们也有两个交点，称为黄白交点。

至此，什么是交点年就清楚了：它就是地球两次经过同一黄白交点的时间间隔。它长约346.6200天。看得出来，这个年比前面的回归年与近点年都要短了十多天，这是因为黄白交点每年都要沿着黄道向西走不少距离，称为“交点退行”。这就等于是它自己跑上前去迎接转过来的地球一样，当然所需的时间最短。

恒星年很简单，但却是最为真实的一年，因为只有它才是地球真正绕太阳运转一周（即整整360°）所需要的时间。这是为什么呢？原因很简单：因为这里的参考物才是固定不动的。

地球的公转与自转

前面回归年的基点春分点、近点年的基点近日点、交点年的基点黄道与白道的交点，都有一个共同的特点：它们是不固定的，而恒星年就不同了。恒星年就是以天空中某一颗可以看做是静止不动的恒星为参照物，从这次经过它的瞬间算起，再到下次又经过它时的时间间隔。不用说，在这个期间地球才是真正地公转了一周，因此它的时间间隔才是最为精确的一年。

虽然恒星年最为精确，不过我们习惯上还是采用回归年作为纪年的标准。因为回归年有一个特点：它精确地反映了地球的季节变化周期。因为它是根据黄赤交角来定位的，而黄赤交角的存在决定着地球上一年四季的变化。

地球公转平均速度约30千米每秒，平均每天约运行260万千米，比 “坐地日行八万里”要快多了！

奔腾的黄河

地球的自转

自转就是地球绕着自己转动，就好像芭蕾舞演员踮起脚尖像个陀螺似地打转儿一样，因此被称为“自转”。地球自转是自西向东，呈逆时针方向。也许这时有人问：为什么地球是转动的呢？我们可感觉不到呀。因为按常理说，要是我们真的站在一个不断自己转动的球上，不给转得晕头转向才怪！

对这个诘问只能这样回答：这是因为地球实在太大了的缘故。我们之所以不能亲身体验出地球自转带来的眩晕感觉就像不能体验地球公转时那高速的运动一样。上面刚说过，地球公转的速度达30千米每秒，比地球上最快的飞机都不知道要快多少倍，可我们地球上的人压根儿也体验不到，感觉倒好像地球是固定不动的一样呢。更玄的是，既然地球是一个球，那么我们生活在地球“反面”的人为什么不会往下掉呢？假使这时候是朝上的吧，但总得有个时候朝下，那时我们周围的东西连同我们自己为什么不劈里啪啦往下掉呢？我们甚至根本感觉不到自己是朝下的呢！

这一切都是为什么呢？为什么我们不会有按常理来说应该有的感觉？对所有这类问题的回答，我们都只能回答：这是因为地球实在太大了的缘故，因此人的感觉会变。在星球这样的大尺度下，靠感觉与经验是不行的，就像爱因斯坦曾经说过的一样：直接观察所得出的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。

我们要真正理解天体的运动、理解宇宙、理解科学，首先要做到的一点就是必须能够超越日常的经验。对于我们这些向来缺乏科学传统、更加重视经验的中国人更是如此，我们那句古老的格言：“眼见为实”——当我们面对科学时——在很大程度上必须被抛弃。

地球自转的基本特征是环绕自己一根假想的轴——地轴——在旋转，这根轴对于我们理解自转是很重要的，我们理解地球自转的许多性质都得依靠它。例如我们前面说过的黄赤交角也可以看做是地轴——也就是上图中标着天极的那根轴——与黄道平面的交角，也就是地球斜着身子转时的倾斜程度，它的度数为66°34′。

除了单纯的自转外，地轴还有一个重要的运动，就是由于太阳与月亮的引力作用而产生的岁差运动，它导致了恒星年与回归年之前的岁差。

“一天”是如何来的

地球自转一圈需要的时间是一天，合24小时，这大家都知道，但像一年的365天一样，这也不是那么精确的。为了测定地球自转一周需要多长时间同样需要一个参照点，于是又像确定一年时可以有不同的参照点一样，在这里也可以有不同的参照点，且由于参照点的不同，产生了三种“一天”，分别叫恒星日、太阳日、太阴日。

恒星日就是地球相对于某一颗恒星完成一次自转所需要的时间，太阳日则是太阳经过同一条子午线两次所需要的时间，太阴日就是月亮两次经过同一条子午线需要的时间。太阴乃是中国古人对月亮的雅称。

这三个不同的“日”之间是有区别的，其中只有恒星日是地球自转的真正周期，因为只有恒星是在天空相对不动的，它在天上静静地等待着地球的两次经过，因此在恒星日地球真正地旋转了360°。太阳与月亮就不同了，它们自己也在向东做运动，因此，当太阳经过某一条子午线后，它并没有在那里傻傻地等地球自转一圈，等那条子午线再经过它一次，而是继续向东，这也就是说，当那条子午线回到太阳原来所在的地方时，太阳已经往东跑了一段距离，子午线必须再往前走一段才能追上太阳。这样一来它实际上跑了不止360°，而是多跑了近1°。太阴日也是一个道理。

虽然如此，人们历来还是采用太阳日，这是因为太阳实在比某颗恒星要好认得多，测定它两次经过同一个地方或者同一条子午线所需要的时间也很方便，因此人类自古以来就以太阳日为标准的一天，而且将其等分成24份，即每天的24小时。这样一来，一个恒星日就没有24小时了，它只合约23小时56分4秒，按比例来说比一个太阳日要短1/365 。还有，地球自转的速度并不是一成不变的，它有多种变化，例如长期变化、季节变化与不规则变化。

地球自转速度长期变化的主要原因在于太阳与月球对地球潮汐产生的作用。潮涨潮落，它们对地球不可避免地会产生影响，主要是它所产生的摩擦作用产生阻力，对地球的自转起到了“刹车”的作用，使其速度渐渐地变慢。这也就是说，它绕地轴转同样大的一圈所花的时间会慢慢增加。这就意味着一天会慢慢延长。同时，由于地球公转的时间仍然是一样的，因此这就意味着一年中所包含的天数会慢慢减少。据科学家们研究发现，约三亿七千万年前，一年中约有400天。也就是说，当地球公转一圈，地球能够自转400圈。地球自转会产生许多结果，最明显者当然是昼夜的交替了。

由于地球是一个不透明的球体，因此太阳光在同一个时间只能照亮它的一半，那被照亮的一半就是昼半球，而没有太阳光照射的一半就是夜半球了。它们之间的分割线叫作晨昏线。

早晨，当太阳升起在某地东方的地平线时，那就表示某地所在的地球的这一部分已经是昼半球了，此后，地球继续自转，大约过了12个小时，它便又沉没在西方的地平线下了，这时候，该地所在的半球便变成了夜半球。如此循环往复、轮流交替、永不停息。

美丽的星空