地球自轉

地球自轉

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鏇轉,從南極點上空看呈順時針鏇轉。地球自轉軸與黃道面成66.34度夾角,與赤道面垂直。關於地球自轉的各種理論目前都還是假說。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 4.167×10-3度/秒,在地球赤道上的自轉線速度為465米/秒。地球自轉一周耗時23小時56分,約每隔10年自轉周期會增加或者減少千分之三至千分之四秒。

基本信息

簡介

其實,古希臘費羅勞斯海西塔斯等人早已提出過地球自轉的猜想,中國戰國時代《尸子》一書中就已有“天左舒,地右辟”的論述,而對這一自然現象的證實和它被人們所接受,則是在1543年哥白 尼日心說提出之後。

然而,地球為什麼會自轉?自轉的原因是什麼?自轉的動力從哪裡獲得?為什麼選擇現在的方向、姿態、速度自轉?這些都是現代科學至今沒有解決的問題。它不是要求去重複說明“地球在自轉”這種已被證實的自然現象,而是要求弄清地球自轉現象背後的原因,要求弄 清地球自轉的動力來源及其制約因素。

“地球自己轉”已經是在說明地球自轉的原因,它要肯定的是:地球自轉的動力在於“自己”,在於地球內部而不是外部,在於自身具有的內力而不是外力。否定“地球自己轉”並不是否定“地球在自轉”這一現象,而是否定地球內部有推動自己鏇轉的動力,如同水磨鏇 轉的動力並不在於磨體內部一樣。故“地球在自轉”不等於“地球自己轉”,它們是兩個不同的概念,若把兩者等同起來,便是一種“誤等”。

所有的行星都會自轉的。

背景資料

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

時間概念

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。

格林威治時間所說的一秒是一天的8.641萬分之一,而1972年製作的地球時鐘所定義的一秒是從銫原子中放射出的光振動91億9千2百63萬1千7百70次所需要的時間

與銫原子振動數能維持一定速度相比,以地球的自轉為準的格林威治標準時間是發生變化的,閏秒就是為了解決這種問題產生的一種時間概念。

ω=2π/(24*3600s)=7.27/100000rad/s。

地球在自轉時同時公轉,自轉一周需用23小時56分4秒,公轉了約0.986度,按地球自轉速度折合3分56秒,時間,自轉加上公轉用的時間共24小時。經度每隔15度,地方時相差一小時。

自轉周期

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。速度

自轉意義

1、南、北半球發生晝夜交替

2.不同地方的時間差異

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:國際日期變更線,180度經線。

6)台北時間:東八區區時(120度E的地方時)。

3、物體偏向

4,日月星辰的東升西落

規律性

 地球自轉 地球自轉

極移:
地軸在地面上的運動,叫做極移

極移的原因主要有兩種,一種是地軸對於慣性軸偏離的結果,周期大約為14個月。另一種是大氣季節性運行導致,其周期為一年。還有其他一些次要的原因,極移的振幅一般不超過15米。

極移的結果使地球上的緯度和經度發生變化。

進動:天極在天球上的位置的變化稱為進動。

規律性:地軸的進動是一種圓錐形的運動,其規律性如下:

圓錐軸線垂直於地球公轉軌道平面,指向黃道兩極。

圓錐的半徑是黃赤交角

運動的方向是自東向西,即同地球自轉的方向相反。

運動的速度是每年50秒點29,周期是25800年。

表現:
表現為天極的周期性運動。

造成北極星的變遷。

地球赤道面和天赤道發生系統性的變化。

二分二至點每年在黃道上以50秒點29的速度西移。(歲差)

使回歸年小於恆星年

原因

第一,地球形狀

因為地球是一個明顯的扁球體,所以隆起的部位所受的附加引力總是稍大於另一側。二者之間的差值,總是存在於接近日月的一側。

地球自轉地球自轉

第二,黃赤交角

由於黃赤交角的存在,使得日月經常在赤道面以外對赤道隆起施加引力。這樣上述引力差就成為一個力矩,使得地軸趨近黃軸,天極趨近黃極。

第三,地球自轉

因為上述的引力差,給地球的自轉的角動量增加了一個增量,使得地球的自轉方向發生偏轉。這就是地軸的進動,也就是歲差

自轉速度

 地球自轉 地球自轉

美國國立標準技術研究所(NIST)的觀察結果表明,長時期以來呈減慢趨勢的地球自轉速度自1999年開始加快。NIST的時間測定師們稱,為調準以地球自轉速度為標準的地球時間和原子時鐘的時間,自1972年起到1999年的27年來為地球的標準時鐘追加過共22閏秒的時間,但1999年後卻沒有追加過閏秒,是因為地球的自轉速度加快了。

格林威治時間所說的一秒是一天的8.641萬分之一,而1972年製作的地球時鐘所定義的一秒是從銫原子中放射出的光振動91億9千2百63萬1千7百70次所需要的時間。

與銫原子振動數能維持一定速度相比,以地球的自轉為準的格林威治標準時間是發生變化的,閏秒就是為了解決這種問題產生的一種時間概念。

ω=2π/(24*3600s)=7.27/100000 rad/s

地球繞自轉軸自西向東的轉動。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。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。

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 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37000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鏇轉,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。

速度變化

 地球自轉 地球自轉

日本東京工業大學的一個研究小組在最新一期美國《科學》雜誌上發表論文稱,地幔最深層處礦物的導電性能遠高於下層地幔的其他部分,這可能是使地球自轉速度發生周期性變化的重要原因。

地球自轉一周耗時23小時56分,約每隔10年自轉周期會增加或者減少千分之三至千分之四秒。但是科學家們尚不清楚自轉周期發生這種變化的具體原因。

東京工業大學教授廣瀨敬的研究小組人員之前發現與地核相鄰的地幔最深層處存在厚約200公里的礦物層,他們給這種礦物起名為後鈣鈦礦。

在研究中,科研人員在實驗室中模擬了後鈣鈦礦在地球內部所處的環境,即約130萬標準大氣壓、2500攝氏度,並在這種狀態下測定了後鈣鈦礦的導電率,他們發現後鈣鈦礦層的導電性能是下層地幔其他部分的10倍至1000倍。

研究人員認為,流經後鈣鈦礦層的電流較強,這加強了固態地幔與液態外層地核之間的電磁耦合作用,結果導致地球自轉發生周期性的微小變化。

自轉時間

 地球自轉 地球自轉

地球在自轉時同時公轉,自轉一周需用23小時56分4秒,公轉時轉了59秒(角度單位),需用3分56秒,時間,自轉加上公轉用的時間共24小時

原子鐘走的最準

原子鐘的原理是:利用原子中電子能級躍遷所發射光的頻率,經多次分頻後得到時鐘的頻率(如秒)。因為原子能級穩定精確,受溫度等干擾極小,所原子種所標示的時間最準確。目前我國標準授台在西安。

最準確的原子鐘是以銫原子的固有振動頻率來調節的銫原子鐘,它可以精確到計算1500萬年時間誤差僅為1秒,而光原子鐘的準確度可能是目前銫原子鐘的100至1000倍。科學家認為,新型光原子鐘能使人們更精細地理解物質世界的時間,對基本物理常數作更精確地計量。由於準確計時對於高速數據傳輸、同步電視傳送、銀行轉賬結算、傳送電子郵件、衛星軌道的精確控制、深太空導航以及太空飛行器的對接等極為重要,新型光原子鐘的套用將對上述領域產生重大影響。

在人類開發鐘錶技術的歷程中,20世紀50年代出現的原子鐘使計時達到“天文數字般”的準確。原子鐘是根據原子固有振動而製成的,也就是精確測量出特定原子釋放的微波頻率。1967年,科學家採用銫原子鐘技術以微波頻率給“秒”作定義,即1秒鐘等於“銫133原子兩個基態能級的轉換所經過的9, 192,631,770個輻射周期”所需要的時間。

據該科研小組發表在《科學》雜誌上的論文介紹,他們發明的光原子鐘是以一個冷卻的汞離子(去掉一個電子的汞原子)的光頻為基礎設計的,汞離子的光頻傳到一個雷射振盪器上,這個振盪器的作用像傳統時鐘的鐘擺產生“滴答”動作一樣。所不同的是,新的光原子鐘每秒產生的“滴答”次數是1.064× 1024,次數如此之多,研究人員不得不用藉助於高速雷射光纜,以便“數”出這些“滴答”次數以達到計時目的。

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。

空間運動

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鏇轉,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。地軸一直指向北極星,永不改變,在太陽軌道上,運動時間相等時,地球與太陽呈的弧形面積相等。

證明方法

炮彈法

地球時刻不停地在自轉,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。

重力法

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,兩極略扁的鏇轉橢球體。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。

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。

自轉之謎

 地球自轉 地球自轉

傳統的觀點認為,太陽和行星皆形成於一團巨大的原始鏇轉星雲物質。當這些原始鏇轉星雲物質在自身引力作用下自行收縮時,由於角動量守恆,星雲物質越收縮,越緻密,鏇轉也就越來越快,當星球形成後,星雲物質的鏇轉角動量就變成了尋求的自轉角動量。

首先,太陽系起源於一團星雲物質,本身就是一種假說,所以,上述傳統的關於地球自轉起源的解釋也就是不確定的東西。我們不應該把這種解釋視為金科玉律。

其次,這種傳統解釋有許多不能自圓其說的地方。按照這種觀點,原始星雲應是按照同一方向以基本相同的角速度鏇轉的,這樣形成的星球則應該是質量越大,其自轉速度也越快,太陽系所有的天體應該是朝同一方向公轉和自轉。然而,太陽系的現狀卻偏偏不是這樣。一是太陽的質量約為行星總質量的750倍,占整個太陽系質量的99%以上,但是它的角動量卻只有全系統的2%,行星的質量雖小,其角動量卻很大;二是太陽系絕大多數天體是按逆時針方向鏇轉的(包括公轉和自轉),但金星和少數衛星卻是按順時針方向鏇轉的。

正因為傳統的關於地球自轉的解釋有許多漏洞,所以有學者提出了一些新的解釋。

美國有一位天文學家認為,原始行星不自轉。太陽對原始行星的吸引使其朝太陽的一邊隆起,凸出來。當原始行星繞太陽公轉時,這個隆起部分偏離朝太陽的方向,但是太陽對隆起部分的吸引又把它拉回朝向太陽的方向,這樣就強迫行星自轉起來。當然,這位天文學家的解釋也有許多問題,例如,為什麼大多數行星斜著身子按逆時針自轉和公轉,而金星是按順時針自轉,天王星是躺著身子自轉和公轉?

現代科學研究表明,行星的自轉並非一成不變的。最為突出的是我們的地球,其自轉有明顯的波動:一年中,8月間地球自轉最快,3—4月間自轉最慢。在各個世紀和不同的年份自轉也不是均勻的,如17世紀地球自轉比較快,20世紀30—40年代自轉加快,60—70年代自轉減慢,到了80—90年代自轉又加快。

地球的自轉在不斷地變化,這說明有一處原動力在為地球的自轉加速和減速。那么,這一原動力是什麼呢?

有人說,地球自轉變化與南極有關。南極的巨大冰川,現在正在慢慢融化,也就是說,南極大陸的冰塊在減少,重量正在減輕。這樣,地球失去了平衡,影響了自轉速度。但是,這種變化是單向的,它不可能既給地球自轉加速,又給自轉減速。

有一種令大多數人信服的解釋是:季風影響地球自轉。有科學家計算過,每年由季風從大陸轉移到海洋,又從海洋轉移到大陸的空氣,重量竟達300萬億噸。這么大重量的物質從地球一處轉移到另一處,足可以影響地球的重心,改變地球的角動量分布,使地球自轉發生加速或減速變化。

自轉規律

極移

地軸在地面上的運動,叫做極移。

極移的原因主要有兩種,一種是地軸對於慣性軸偏離的結果,周期大約為14個月。另一種是大氣季節性運行導致,其周期為一年。還有其他一些次要的原因,極移的振幅一般不超過15米。

極移的結果使地球上的緯度和經度發生變化。

進動

天極在天球上的位置的變化稱為進動。

1.規律性:

地軸的進動是一種圓錐形的運動,其規律性如下:

圓錐軸線垂直於地球公轉軌道平面,指向黃道兩極。

圓錐的半徑是黃赤交角。

運動的方向是自東向西,即同地球自轉的方向相反。

運動的速度是每年50秒點29,周期是25800年。

2.表現:

表現為天極的周期性運動,造成北極星的變遷。

地球赤道面和天赤道發生系統性的變化。

二分二至點每年在黃道上以50秒點29的速度西移。(歲差)

使回歸年小於恆星年。

3.原因:

第一,地球的形狀

因為地球是一個明顯的扁球體,所以隆起的部位所受的附加引力總是稍大於另一側。二者之間的差值,總是存在於接近日月的一側。

第二,黃赤交角

由於黃赤交角的存在,使得日月經常在赤道面以外對赤道隆起施加引力。這樣上述引力差就成為一個力矩,使得地軸趨近黃軸,天極趨近黃極。

第三,地球自轉

因為上述的引力差,給地球的自轉的角動量增加了一個增量,使得地球的自轉方向發生偏轉。這就是地軸的進動,也就是歲差。

證明過程

傅科擺傅科擺

16世紀時,“太陽中心說”的創始人哥白尼曾依據相對運動原理提出了地球自轉的理論。可從哥白尼曾提出這一理論後的相當長一段時間內,這一理論只能停留在讓人們從主觀上接受的水平,直到19世紀才被法國物理學家傅科設計的一項實驗所證實。

傅科是用一種特殊的擺來進行實驗的。這個擺由一根長60餘米的纖細金屬絲懸掛一個27千克重、直徑約30厘米的鐵球所組成。當時人們把這種從未見過的“超級擺”稱之為“傅科擺”。

為了證明地球在自轉,法國物理學家傅科(1819—1868)於1851年做了一次成功的擺動實驗,傅科擺由此而得名。實驗在法國巴黎的一個圓頂大廈進行,擺長67米,擺錘重28公斤,懸掛

點經過特殊設計使摩擦減少到最低限度。這種擺慣性和動量大,因而基本不受地球自轉影響而自行擺動,並且擺動時間很長。在傅科擺實驗中,人們看到,擺動過程中擺動平面沿順時針方向緩緩轉動,擺動方向不斷變化。分析這種現象,擺在擺動平面方向上並沒有受到外力作用,按照慣性定律,擺動的空間方向不會改變,因而可知,這種擺動方向的變化,是由於觀察者所在的地球沿著逆時針方向轉動的結果,地球上的觀察者看到相對運動現象,從而有力地證明了地球是在自轉。傅科擺放置的位置不同,擺動情況也不同。在北半球時,擺動平面順時針轉動;在南半球時,擺動平面逆時針轉動,而且緯度越高,轉動速度越快;在赤道上的擺幾乎不轉動。傅科擺擺動平面偏轉的角度可用公式θ°=15tsinφ來求,單位是度。式中φ代表當地地理緯度,t為偏轉所用的時間,用小時作單位,因為地球自轉角速度1小時等於15°,所以,為了換算,公式中乘以15。

傅科擺的擺動作為地球自轉的有力證據,現已為世界所公認。中國北京天文館的大廳里就有一個傅科擺,一個金屬球在一根系在圓穹頂上的長長細線下來回擺動著。

智利震歪地軸

2010年2月27日的智利地震震歪地軸,地球每天自傳減速約1.26微秒。

地震加快自轉

美國宇航局下屬噴氣推進實驗室的地球物理學家理察·格羅斯說,在當地時間26日印度洋發生地震的瞬間,印度洋底的一個地質板塊被另一個所擠壓而向下沉,地球的質量向地心集中,進而導致地球自轉周期縮短了3微秒,地球軸心也傾斜了大約2厘米。

但是科學家也認為,由於地球的自轉周期經常發生細微的變動,印度洋大地震對其影響可能是短期的,也不會太顯著。

扭曲時空

 地球自轉 地球自轉

美國太空總署2004年10月21日表示,科學家及大學研究員首次準確發現,人造衛星圍繞地球轉動時會被些微拖離原有的軌道,此結果證實了地球轉動會令周遭的時間及空間結構變形,亦都證明了愛因斯坦在1915年發表的“廣義相對論”是對的。

物理科學家薩拉蒙指出:“地球轉動時會扭曲旁邊的時空,愈接近地球,變形的情況愈嚴重。以往人們從未偵察過時空變形這種被稱為“結構拖曳效應”的現象。這次是我們首次實實在在且直接地錄得對象轉動時引起的變形現象。”

令人造衛星偏離軌道

美國太空總署地球系統技術聯合中心的帕夫利斯指觀察結果與保齡球在糖漿轉動相似,帕夫利斯說:“保齡球鏇轉時會牽動旁邊的糖漿,所有在糖漿的物品都會在保齡球周遭移動。相同地,地球轉動時會牽動周遭的時空結構,令接近地球的人造衛星偏離軌道。

帕夫利斯以及馬里蘭大學的學者監察2個圍繞地球的人造衛星,發現人造衛星在地球扭曲空間時真的偏離軌道。帕夫利斯表示:“我們量度地球與人造衛星之間的距離,準確度達幾毫米,而且我們已將所有已知的力量剔除,例如潮汐力量及引力模型錯誤等。所以結果不可能被其它力量影響。”“雷射地球動力學衛星”1號及2 號就是負責量度地球與衛星距離的探測儀器,它們只是一大塊金屬片,表面鑲有反射器,能將地面發射站發出的雷射反射,令控制站能輕易追蹤它們及量度探測器的距離。

在空間運動

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鏇轉,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

傅科擺傅科擺

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,兩極略扁的鏇轉橢球體.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鏇轉產生的現象。

由於地球的自轉,擺動平面的鏇轉方向,在北半球是順時針的,在南半球是反時針的。擺的鏇轉周期,在兩極是24小時,在赤道上傅科擺不鏇轉。在緯度40°的地方,每小時鏇轉10°弱,即在37小時內鏇轉一周。

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鏇轉、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。

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傅科擺地球自轉

“地球在自轉”不等於“地球自己轉” ,康德拉普拉斯關於地球自轉動力來源於地球內部的“星雲假說”誤導了地球科學。地球無故不會轉,它內部沒有動力!現地球之所以24小時自轉一周,是因為它在以每小時10萬多公里的速度繞日公轉,且途中遇到太陽風的側面推力,使高空產生等離子西風環流,高空西風又推動地面西風和向東涌的洋流,進而推動地球自西向東鏇轉。

一,地球在自轉≠地球自己轉

今天人們所說的“地球自轉” ,只是在描述地球自身繞日運行的姿態,它相對於太陽的位置而言,每24小時鏇轉一周;相對於恆星的位置而言,每23小時56分鏇轉一周,這是現行時間標量的依據,是太陽日和恆星日日長的由來,也是地球出現朝,晝,暮,夜的原因。 “地球自轉”這一概念揭示的是“地球在自轉”這一自然現象。 

其實,古希臘的費羅勞斯,海西塔斯等人早已提出過地球自轉的猜想,中國戰國時代“尸子”一書中就已有“天左舒,地右辟“的論述,而對這一自然現象的證實和它被人們所接受,則是在1543年哥白尼日心說提出之後。

然而,地球為什麼會自轉?自轉的原因是什麼?自轉的動力從哪裡獲得?為什麼選擇現在的方向,姿態,速度自轉?這些都是現代科學至今沒有解決的問題。它不是要求去重複說明“地球在自轉“這種已被證實的自然現象,而是要求弄清地球自轉現象背後的原因,要求弄清地球自轉的動力來源及其制約因素。

“地球自己轉”已經是在說明地球自轉的原因,它要肯定的是:地球自轉的動力在於“自己” ,在於地球內部而不是外部,在於自身具有的內力而不是外力。否定“地球自己轉“並不是否定”地球在自轉“這一現象,而是否定地球內部有推動自己鏇轉的動力,如同水磨鏇轉的動力並不在於磨體內部一樣。故”地球在自轉“不等於”地球自己轉“ ,它們是兩個不同的概念,若把兩者等同起來,便是一種”誤等“ 。

二, “誤等”誤導了分支科學

幾個世紀以來,人們似乎習慣於把“地球在自轉”的現象歸結為是地球自身的行為,並未更多地意識到這兩個概念的不同,也沒仔細質疑過“地球自己轉”的動力來源。一代代人大膽地在“地球自己轉”這一基礎上,開墾著一塊塊分支科學的園地,其中地質力學,大氣動力學等,把地球自轉所產生的角動量,慣性,科里奧利效應等,引為自身的力源;天體物理學用“地球自己轉”的原理,去解釋其它行星,天體的運動;哲學家們據此概括出“事物運動的動力都存在於事物內部“這樣的普遍規律;還有的分支學科運用這一原理”圓滿地“解釋過其它自然現象。在這樣的氣氛下,誰若撬”地球自己轉“這塊基石,難免會觸動一系列分支學科發生連鎖地震,科學界必群起而攻之。

問題是,由“誤等”誤導的這些科學分支已經走到非常困難的境地。如氣象學一直以為,風就是由於“地球自己轉”而產生緯向環流的,而金星243天才自轉一周,它卻有比地球更大的緯向風,又作何解釋?地質力學認為,山脈是地殼跟不上“地球自己轉”的轉速而向西滑動堆擠而成的,那么金星自己幾乎不轉,它地表上兩條巨大的山系和大峽谷是怎么來的?另外抱給你一個地球,把它放在太空同樣的軌道上,它會自轉嗎?到底地球自己轉還是不轉的問題,已經尖銳地提到現代科學的面前,無法迴避。

三,虛構的“星雲說”

科學並沒有做錯題,結論與事實不符的原因在於被康德-拉普拉斯星雲說所誤導。自哥白尼證實地球在自轉這一現象後,人們就開始探索地球自轉的動因。 300年前的牛頓力學便精確地描述了地球的自轉及其進動,但牛頓並未從物理學上論及地球自轉的動力來源,而是簡單地把它歸因為上帝的“第一推動“ 。

1755年,康德在“宇宙發展史-根據牛頓定理試論整個宇宙的結構及其力學起源”一書中,虛構出一種“原始星雲” ,地球在這種星雲的引力收縮中誕生,於是保留著收縮時所產生的鏇轉慣性,從此永恆地按牛頓慣性定律鏇轉, “地球自己轉”的動力是地球形成時與生俱來的,地球自轉的原因在於地球物質自身的引力,力源在地球內部,地核的鏇轉角速度應大於地殼。 隨著拉普拉斯把這套虛構的假說數學化,康德-拉普拉斯星雲說誕生, “地球自己轉”被公認為是“地球在自轉”現象的原因,並成為戰勝上帝推動說的有力武器。

當然,瓊斯-捷費利斯的碰撞潮汐說,施米特的俘獲說,本納季的新災變說等,在地球鏇轉慣性的最初來源問題上提出過不同看法和推導,但在地球自轉的力源問題上與康德並無兩樣,即地球內部一直保留著某種原始的鏇轉慣性。這些假說的推論過程有一個共同特點,即第一大前提都是虛構的,沒有觀測和實驗的證據。

科學不能建立在無法實驗驗證的假說基礎之上,康德-拉普拉斯星雲假說是不可靠的,不能作為科學立論的基礎。況且,康德所臆造的原始星雲根本就不存在。如果50億年前有原始星雲, 50億光年遠處就不會有星光傳來,因為星雲是不發光的。現既然有星光傳來,說明那裡沒有星雲。同理, 50億年後,那裡的人類看到咱們太陽的星光時,也說我們這裡曾是原始星雲,你信嗎?

四,地球無故不會轉

地球自轉地球自轉

還是抱給你一個地球,把它放在同樣的軌道上,它會不會轉呢?也許你認為,若不預先給它一個鏇轉慣量,它就不會轉。那你可錯了,又在重複宇航時代初期的思路。 60年代,原蘇聯美國曾向太空發射探測太陽輻射的人造衛星,讓鏡頭固定地對準太陽並繞太陽公轉,可出人意料的是,衛星在太空胡翻亂滾,鏡頭東搖西晃,根本無法給太陽拍照。衛星內部沒有康德式引力收縮,也沒預先給定一個鏇轉慣量,衛星為何無故而轉呢? 一次次失敗使科學家們對傳統的太空觀念產生了懷疑,太空除引力,磁力之外,必還有第三種力,不然,太空中的物體,包括地球,無故自己不會轉。

五,太空第三種力

70年代,太空探測發現太陽在刮“風” !即太陽表面的電漿微粒流在向四面八方猛吹,在地球軌道附近實測平均風速約為450公里/秒,有時達到770公里/秒。微粒流中絕大多數是氫原子核,其次是氦核及少量其它元素的原子核。 這些帶電粒子流在地球軌道空間呼嘯而過,對阻攔它們前進的一切障礙都會給予一定衝力,它把太空探測器吹得左鏇右轉,把彗星的氣體和塵埃從彗頭吹出,形成幾千萬公里長的彗發,把地球磁層吹變形,迎風面被擠壓在約8萬公里半徑之內,而避風面卻延長到200多萬公里之遙。

地球磁層實際就是地球磁場俘獲的等離子微粒圈層,由於它的禁止作用,高速撞來的太陽風質子流便停止在它的外沿,形成所謂“激波” 。太陽風中每個氫原子核撞擊地球等離子圈層的力可由牛頓第二運動定律求得。

原因

假設宇宙中有以太的存在,由於以太的存在範圍無限大,並且一直處於運動狀態,地球及太陽均處於以太當中,地球及太陽都會受到來自以太的作用力,並且在這個力的作用下沿著以太的運動方向開始運動,而地球在受到以太的作用力時還要受到太陽的對它的吸引,在這兩種起到決定性的力的作用下,地球開始自轉。

關於地球自轉的各種理論都還是假說。考慮地球自轉的成因應該和地球公轉結合起來,在宇宙中沒有絕對靜止的物體,受到各種外力的大質量的天體為了保持自身運動的平衡性必然依靠自轉來維繫平衡性。小質量的粒子由於運動的速度極快,也必須依靠自轉來維繫自身運動的平衡。這一點可以參考陀螺的運動原理,自轉的物體在運動中對外力的耐受性較高。

傳統的觀點認為,太陽和行星皆形成於一團巨大的原始鏇轉星雲物質。當這些原始鏇轉星雲物質在自身引力作用下自行收縮時,由於角動量守恆,星雲物質越收縮,越緻密,鏇轉也就越來越快,當星球形成後,星雲物質的鏇轉角動量就變成了尋求的自轉角動量。首先,太陽系起源於一團星雲物質,本身就是一種假說,所以,上述傳統的關於地球自轉的起源的解釋也就是不確定的東西。我們不應該把這種解釋視為金科玉律。其次,這種傳統解釋有許多不能自圓其說的地方。按照這種觀點,原始星雲應是按照同一方向以基本相同的角速度鏇轉的,這樣形成的星球則應該是質量越大,其自轉速度也越快,太陽系所有的天體應該是朝同一方向公轉和自轉。然而,太陽系的現狀卻偏偏不是這樣。一是太陽的質量約為行星總質量的750倍,占整個太陽系質量的99%以上,但是它的角動量卻只有全系統的2%,行星的質量雖小,其角動量卻很大;二是太陽系絕大多數天體是按逆時針方向鏇轉的(包括公轉和自轉),但金星和少數衛星卻是按順時針方向鏇轉的。

正因為傳統的關於地球自轉的解釋有許多漏洞,所以有學者提出了一些新的解釋。

美國有一位天文學家認為,原始行星不自轉。太陽對原始行星的吸引使其朝太陽的一邊隆起,凸出來。當原始行星繞太陽公轉時,這個隆起部分偏離朝太陽的方向,但是太陽對隆起部分的吸引又把它拉回朝向太陽的方向,這樣就強迫行星自轉起來。當然,這位天文學家的解釋也有許多問題,例如,為什麼大多數行星斜著身子按逆時針自轉和公轉,而金星是按順時針自轉,天王星是躺著身子自轉和公轉?

現代科學研究表明,行星的自轉並非一成不變的。最為突出的是我們的地球,其自轉有明顯的波動:一年中,8月間地球自轉最快,3~4月間自轉最慢。在各個世紀和不同的年份自轉也不是均勻的,如17世紀地球自轉比較快,20世紀30~40年代自轉加快,60~70年代自轉減慢,到了80~90年代自轉又加快。

地球的自轉在不斷地變化,這說明有一處原動力在為地球的自轉加速和減速。那么,這一原動力是什麼呢?

有人說,地球自轉變化與南極有關。南極的巨大冰川,正在慢慢融化,也就是說,南極大陸的冰塊在減少,重量正在減輕。這樣,地球失去了平衡,影響了自轉速度。但是,這種變化是單向的,它不可能既給地球自轉加速,又給自轉減速。

還有一種解釋是:季風影響地球自轉。有科學家計算過,每年由季風從大陸轉移到海洋,又從海洋轉移到大陸的空氣,重量竟達300萬億噸。這么大重量的物質從地球一處轉移到另一處,足可以影響地球的重心,改變地球的角動量分布,使地球自轉發生加速或減速變化。

天文學分類導航

天文學,是研究宇宙空間天體的學科。主要通過觀測天體發射到地球的輻射,發現並測量它們的位置、探索它們的運動規律、研究它們的物理性質、化學組成、內部結構、能量來源及其演化規律。”
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