2 地球在太阳系中的运动

    地球在太阳系内的运动总体上具有高度稳定性，所以长期以来一直作为人类确定和记录时间的标准。昼夜更替和四季变化，人类的生活和劳动，都与地球的转动有密切关系。但人们通过持久的精密观测，发现地球的转动由于受到太阳系内不同天体的相互影响，实际上相当复杂，其地学意义很值得继续探讨。

    2．1 地球自转与昼夜交替

    （1）地理坐标系

    由于地球存在绕轴自转运动，人们定义地球旋转轴为地轴，地轴通过地心与地面相交的两个端点为地极，即北极和南极。通过地心而又垂直于地轴的平面与地表相交而成的圆，称为赤道。

    所有与地轴相垂直的面与地表相交而成不同大小的圆，称为纬线。所有纬线都与赤道平行，是地理坐标系的横轴。赤道把地球分为南、北两个半球，各有90°纬度。

    所有通过地轴的平面，都和地球表面相交而成为同样大小的圆，称为经线圈。每个经线圈都可分为两条相差180°的半圆弧，就是经线。

    所有经线都表示南北方向，又称子午线，是地理坐标系的纵轴。通过经线的平面，就是子午面。1884年经过国际协议，确定以通过英国伦敦当时的格林威治天文台的经线为本初子午线，代表经度的0°线。由此分别划分东经和西经180°经度（图1-7）。

    经线和纬线在地球表面交织成经纬网，地面上任何一点都在特定的经纬网交点上。因此只要获得地面上任何一点的经、纬度数据，就可以精确地测定该点的地理位置。近年国际上推广的全球定位系统（GPS）轻便的GPS接收器，利用地球人造卫星遥控技术可以直接读出仪器所在地的经纬度，精度可以达到米至厘米级，不受高山、雪原、沙漠、海洋等地理环境的影响，极大地方便了地学研究中测定地理坐标问题。

    （2）天球坐标系

    与地球的实体概念相反，天球是研究天体的视位置和视运动而引进的一个假想的圆球。天球实际上是将地球的地理坐标系扩展为以无限长为半径的球体：将地轴无限延长称为天轴，天轴与天球相交的两个点即天北极和天南极；地球赤道无限扩展与天球相交的大圆圈，就是天赤道。

    由于地球的自西向东自转，人们看到的则是每日太阳东升西落的现象。地球绕太阳作公转运动，太阳在天球上每年的视运动路线称为黄道，黄道面和天赤道面之间存在的夹角（23°26′），称为黄赤交角，黄道面法线在天球上的交点称为黄极（图1-8）。月球绕地球公转轨道在天球上的投影，称为白道，与黄道之间仅有5°9′交角，反映月球和地球的公转轨道面相当接近。

    从观察者所在位置作铅垂线，向上、下延长与天球相交的点称为天顶和天底；通过地心并与上述铅垂线垂直的平面，称为地平面；地平面与天球相交而成的大圆圈，即为地平圈；连结天球两极和观察者天顶的大圆圈，为天球子午圈。天体由东往西运行经过子午圈的时间，称为中天时刻。显然，天赤道、天极在天球上的位置都是固定的；而天顶、地平圈、天球子午圈和中天时刻则随观测者所在位置不同而改变。由于存在地平圈，在北半球上，人们只能见到天北极和天顶，看不见天南极和天底。

    由于天球上的赤道与南北极和地球的赤道和南北极一一对应，所以天球上的赤道坐标系（又称第二赤道坐标系）的基本原理与地理坐标系非常相似，只不过在天球上的经纬度使用赤经、赤纬术语。应当说明，天文学研究中由于目的不同，还采用不同的天球坐标系，如第一赤道坐标系、黄道坐标系、地平坐标系等。

    （3）地球的自转

    地球绕地轴旋转的方向为自西向东，即从北极上空俯视呈反时针方向旋转。

    地球自转一周的时间单位是一日。由于观测自转周期选定的参考点不同，一日的定义和长度也略有差别。科学界习用的恒星日是距地球遥远的恒星（或春分点）连续两次通过同一子午圈的时间，代表地球自转360°的真正周期，长度为23h56min04s。日常生活中昼夜交替为一日的概念，称为太阳日，是太阳连续两次通过同一地点子午圈的时间。由于地球不仅自转，还有公转，一个太阳日地球平均自转360°59′，所以太阳日比恒星日长3min56s（图1-9）。

     自转速度 有角速度和线速度两种。角速度是物体整体转动时的转动速度，单位为弧度/秒，地球自转角速度除两极点外，到处都是每个恒星日360°，每小时约15°。线速度是质点作圆周运动时的切线速度，地球上各点的自转线速度并不相同，赤道上线速度最大，为464m/s，到南北纬60°处几乎减少一半，到两极则为零。

    （4）昼夜交替和标准时区

    地球自转导致不同经度地区昼夜交替的时间参差不齐，也造成同一时刻、不同经线上具有不同的地方时。地球表面每隔15°经线，向东时间要提前1小时，向西则推迟1小时。例如东经116°附近的北京正当上午8时，位于经线0°的英国伦敦为凌晨0时（推迟8小时），东经176°附近的新西兰惠灵顿已是中午12时（提前4小时）。更向东至太平洋彼岸西经124°附近的加拿大温哥华则为前一日的下午16时（提前16小时）。地方时的建立符合当地日出日落自然规律和居民的生物钟自然节律，无疑是必要的。但随着近代交通、通讯事业发展以及地区和国际间交流日益频繁，需要有一种全球通用的世界时或称格林威治时间。世界时与地方时之间的换算很简单，因为各地与格林威治时间的经度差，就是本身的经度。

    为了在全球范围建立一个既有相对统一性，又保持一定地方性的完善时间系统，人们在地球表面按360°经度划分出24个理论时区及国际日界线（图1-10）。每一时区跨经度15°，并以本初子午线所在的时区为零区，向东和向西各自依次为东1区、东2区……东12区及西1区、西2区……西12区。每一时区的东西界线距各自中央经线均为7.5°，就采用中央经线的地方时作为全区的标准时间，称为区时。

    各国在实际执行中根据实际国土分布和行政区划界线，对标准时区有所调整。例如中国国土自西至东跨越63个经度，包括东5区到东9区共五个时区，但现在都采用北京所在的东8区的区时作为全国统一时间，称北京时间。北京时间严格以东经120°的地方时为标准，并不代表北京实际位置东经116°19′的地方时刻。

    （5）地球自转的地学意义

     科里奥利力 由于地球自西向东自转，在北半球沿地表运动的物体发生向右偏转，在南半球则向左偏转。事实上运动物体的运动方向按惯性原理并没有改变，只是由于地球自转，作为地表定方向的经线和纬线发生了偏转的缘故（图1-11）。这种现象由法国人科里奥利（G．Coriolis）于1835年首先发现，因此称为科里奥利力（地转偏向力）。其计算公式：

    其中，F为科里奥利力，m为运动物体质量，v为其水平运动速度，

    速度和纬度的正弦成正比，相同质量和速度的运动物体，F随纬度增高而加大。

    科里奥利力对气团、洋流、河水的运动方向和其他许多自然现象有着明显的影响。如地球上信风带的形成、墨西哥湾暖流的偏向、北半球河流右岸冲刷加强和高纬度带河流上浮运木材多向右岸集中等。

     自转速度变化 人们通过长期的天文观测实践，发现天体（特别是月球）位置的观测数据总是与理论推算不相符合，由此对传统上认为的地球以均匀速度自转概念产生疑问。自20世纪20年代末出现石英钟（日差万分之一秒）以来，用以校核地球自转周期，已经证实了地球自转速度的不均匀性。

    地球自转速度存在长期变慢的趋势已经获得公认，已估算出在一个世纪内日长增加1～2ms（毫秒）。并与月球对地球的潮汐摩擦作用密切有关。地质历史中古生物化石（珊瑚、叠层石等）骨骼上保存的生长条纹反映了当时的年、日周期记录，已经发现4亿年前的古生代泥盆纪每年约有400日，6500万年前的中生代白垩纪每年约有376日，与现在一年365日相比，证明一年内的日数减少，日长增加，地球自转在减慢。

    地转自转速度存在周期变化的现象也已得到多方证明。由于大气环流引起的大气角动量的季节性变化，使地球自转速度出现春慢秋快的周年差异，振幅约为20～25ms；由太阳潮汐和大气角动量引起的半年变化，振幅约为9ms；由月球潮汐引起的月和半月变化，振幅只有1ms。以上这些周期性变化较有规律，可以事先预报。

    此外，地球自转速度还存在时快时慢的不规则变化，已经通过天体观测和天文测时资料得到证实。这类变化有的相当剧烈，但成因不明，难以预报。

    应当指出，地球自转速度变化与地球不同圈层中出现的多种突发性事件（如极移、地震、气候变化、海洋变化等）之间可能存在广泛而深刻的联系，但其确切的成因机制尚未获得合理解释。因此，除天文学家外，地球物理、大地测量、地质、地震、气象、海洋、古生物等学科的学者，也都对地球自转变化问题发生浓厚的兴趣，已形成多学科之间大跨度交叉和渗透的重要研究方向。
　　本文标题：地球在太阳系中的运动-宇宙中的行星地球
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