地球自转

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深太空氣候天文台英语Deep Space Climate Observatory拍攝的地球自轉影像,顯示出自轉軸的傾斜。
黃道面看地球自轉的模擬動畫,顯示地球以約23.5度的傾角自轉
透過長時間曝光攝影技術拍攝的星跡,是實際上靜止的星星隨地球轉動而產生的光跡,為地球自轉的證據之一

地球自zhuàn[1]是行星地球圍繞其自身旋轉,以及空間中旋轉軸方向的變化。地球由西旋轉為順行運動。從北方的極星北極星鳥瞰,地球自轉是逆時針方向。

北極,也稱為地理北極或陸地北極,是地球自轉軸在北半球與其表面相交的點。這個點不同於地球的北磁極。位於南極洲南極,是地球自轉軸與其表面相交的另一個點。

地球相對於太陽每24小時自轉一次,但相對於其它遙遠的恒星每23小時56分4秒自轉一次(見下文Template:Broken anchor)。隨著時間的推移,地球自轉速度略有放緩;因此,在過去的一天比現在短。這是由於月球對地球自轉的潮汐效應造成的。原子鐘顯示,現代的一天比一個世紀前長了約1.7毫秒[2],藉著新增閏秒的速率將UTC緩慢地調整。對歷史上的天文記錄分析顯示出一種減緩的趨勢;自西元前8世紀以來,日長每世紀新增約2.3毫秒[3]

科學家報告說,在2020年,地球開始以更快的速度旋轉,而在過去幾十年中,地球的自轉速度一直低於每天86,400秒。2022年6月29日,地球自轉比 24小時少了1.59 毫秒完成,創下了新紀錄[4]。由於這一趨勢,世界各地的工程師都在討論「負閏秒」和其他可能的計時措施[5]

這種速度的增加被認為是由於各種因素造成的,包括其熔融核心、海洋和大氣的複雜運動、月球等天體的影響,以及可能的氣候變化,這導致地球兩極的冰融化。冰塊解釋了地球的形狀是在赤道周圍凸起的一個扁球體,當這些質量減小時,兩極會因重量減輕而反彈,地球變得更加球形,這具有使質量更接近其重心的作用。角動量守恆決定了圍繞其重心分佈更緊密的質量旋轉得更快[6]

歷史[编辑]

這張在尼泊爾喜馬拉雅山長時間曝光攝影的照片,顯示了地球自轉時北半球夜空恆星的視路徑

在古代希臘人中,有幾位畢達哥拉斯學派相信地球的自轉,而不是天的晝夜自轉。第一位也許是菲洛勞斯(西元前470-385年),儘管他的系統很複雜,包括每天圍繞中心火旋轉的一顆反地球[7]。 西元前四世紀,希塞塔英语Hicetas克里德斯·龐蒂庫斯英语Heraclides Ponticus畢達哥拉斯的艾克范特英语Ecphantus the Pythagorean支持了一種更傳統的觀點,他們認為地球自轉,但並不認為地球繞太陽公轉。西元前三世紀,薩摩斯的阿里斯塔克斯提出了太陽位於中心

然而,亞里斯多德在西元前四世紀責備菲洛勞斯的思想是基於理論而非觀察。他提出了一個圍繞地球旋轉,固定恆星球體的概念[8]。這被後來的大多數人所接受,尤其是托勒密(西元2世紀),他認為如果地球自轉,就會被大風摧毀[9]

西元499年,印度天文學家阿耶波多提出,球形地球每天繞其軸線旋轉,恆星的視運動是由地球自轉引起的相對運動。他提供了以下類比:「就像一個在船上朝一個方向行駛的人看到岸邊靜止的東西朝著相反的方向行進一樣,就像在蘭卡的人看到固定的恆星似乎在向西行進一樣。」[10][11]

在10世紀,一些穆斯林天文學家接受了地球繞其軸線旋轉的觀點[12]。根據比魯尼的說法,阿布·賽義德·西傑茲英语al-Sijzi(西元1020年)發明了一種星盤,名為「al-zúraqī」,其基礎是他的一些同時代人認為「我們看到的運動是由於地球的運動,而不是天空的運動[13][14]。」13世紀的一篇文獻進一步證實了這一觀點的普遍性,該文獻指出:「根據幾何學家[或工程師](「muhandisīn」)的說法,地球處於持續的圓周運動中,而看起來是天空的運動實際上是由於地球的運動,而不是恆星的運動[13]。」論文是為了討論它的可能性而寫的,要麼做為對托勒密反對它的論點的反駁,要麼表示懷疑[15]。在馬拉蓋烏勒貝格天文台英语Ulugh Beg Observatory奈綏爾丁(生於1201年)和阿里·古什吉英语Ali Qushji(生於1403年)研究地球自轉;他們所使用的論據和證據與哥白尼所使用的相似[16]。 在中世紀的歐洲,托馬斯·阿奎那(Thomas Aquinas)接受了亞里斯多德的觀點[16],14世紀的約翰·布裏丹(John Buridan[17])和妮可·奧雷斯梅(Nicole Oresme[18])也不情願地接受了亞里斯多德。 在中世紀的歐洲,多瑪斯·阿奎那接受了亞里斯多德的觀點[17],於是14世紀的尚·布里丹[18]尼科爾·奧雷姆 [19],也不情願地接受了亞里斯多德。直到1543年尼古拉斯·哥白尼採用了日心說的世界體系,當代人才開始建立對地球自轉的理解。哥白尼指出,如果地球的運動是劇烈的,那麼恆星的運動一定更劇烈。他承認畢達哥拉斯的貢獻,並列舉了相對運動的例子。對哥白尼來說,這是建立更簡單的行星繞太陽運行模式的第一步[20]

第谷·布拉厄提出了精確的觀測結果,克卜勒基於他的行星運動定律,他將哥白尼的工作做為假設地球靜止的第谷系統英语Tychonic system的基礎。1600年,威廉·吉爾伯特在其關於地球磁性的論文中强烈支持地球自轉[21],從而影響了他同時代的許多人[22]:208。像吉爾伯特這樣公開支持或沒有拒絕地球繞太陽運動的人被稱為「半哥白尼人」[22]:221。哥白尼之後一個世紀,里喬利對地球自轉的模型提出了質疑,因為當時下落物體缺乏可觀察到的向東偏轉[23];這種偏轉後來被稱為科里奥利效應。然而,克卜勒、伽利略牛頓的貢獻為地球自轉提供了理論支持。

實證檢驗[编辑]

赤道隆起地理極被壓扁意味著地球自轉。 在他的「基本原理」中,牛頓預測這種平坦化將達到230分之一,並指出讓·里歇爾英语Jean Richer在1673年進行的鐘擺量測是重力變化的確證[24],但17世紀末讓皮卡爾英语Jean Picard卡西尼子午線弧英语Meridian arc(子午線長度)的初始量測提出了相反的觀點。 然而,在1730年代,皮埃爾·莫佩爾蒂法國赤道大地測量任務英语French Geodesic Mission to the Equator的量測建立了地球圖英语Figure of the Earth,從而奠定了牛頓和哥白尼的地位[25]

在地球旋轉的參考系中,一個自由運動的物體遵循的路徑明顯的與它在固定參考系中遵循的路徑不同。由於科氏力,落下的物體從其釋放點下方的垂直線向東稍微偏轉向,北半球從射擊方向向右轉向(在南部向左轉向)。科里奧利效應主要在氣象尺度上觀察到,它是南北半球氣旋旋轉方向相反的原因(分別為逆時針和順時針)。

1679年,胡克根據牛頓的建議,試圖驗證從8.2米高度墜落的物體向東偏移的預測,但沒有成功,但後來,在18世紀末和19世紀初,波隆那喬瓦尼·巴蒂斯塔·古列爾米尼英语Giovanni Battista Guglielmini漢堡約翰·弗裏德裏希·本森伯格英语Johann Benzenberg弗賴貝格費迪南德·賴希英语Ferdinand Reich使用了更高的塔和小心釋放的重物,獲得了確切的結果[n 1]。一個從158.5米的高度落下的球,與28.1毫米的計算值相比,偏離垂直方向27.4毫米。

最著名的地球自轉測試是物理學家里昂·傅科於1851年首次建造的傅科擺,它由一個鉛填充的黃銅球體組成,懸掛在巴黎萬神殿的頂部67米。由於地球在擺動的鐘擺下旋轉,鐘擺的振盪平面以取決於緯度的速率旋轉。在巴黎的緯度,預測和觀測到的偏移約為每小時11度順時針。現在世界各地的許多博物館中都有傅科擺的設置。

時期[编辑]

ESO拉西拉天文台的頭頂上可以看到,弧形的星圈圍繞著南天極[26]

真太陽日[编辑]

像地球這樣在順行軌道上的行星,「恆星日」比太陽日短。在時間1,太陽和某顆遙遠的恆星都在頭頂上。在時間2,這顆行星已經旋轉了360度,遠處的恆星再次在頭頂上,但太陽不是(1 → 2=一個恆星日)。直到稍晚的時間3,太陽才再次出現在頭頂上(1 → 3=一個太陽日)。

地球相對於太陽的自轉週期太陽正午至太陽正午)是其「真太陽日」或「視太陽日」[27]。它取決於地球的軌道運動,因此受到地球軌道離心率傾斜度變化的影響。兩者都會在數千年內發生變化,因此真太陽日的年變化也會發生變化。一般來說,它在一年中的兩個時期比平均太陽日長,在另外兩個時期則較短[n 2]。當太陽明顯沿著黃道以比平時更大的角度移動時,真太陽日在近日點附近往往更長,需要大約 10秒的時間。相反的,在遠日點處,太陽日短大約{10秒。當太陽沿黃道的視運動投影到天赤道上時,在至點附近的時間大約長20秒,導致太陽移動的角度比平時更大。現時,近日點和至點效應結合在一起,使12月22日附近的真太陽日延長了30平均太陽秒,但至點效應被6月19日附近的遠日點效應部分抵消,因為它只長了13秒。分點的影響使其在3月26日9月16日附近分別縮短了18秒21秒[28][29]

平太陽日[编辑]

一年中真太陽日的平均值是「平太陽日」,其中包含86,400個平太陽秒。現時,這些秒中的每一秒都比SI秒略長,這是由於潮汐摩擦,使地球的平太陽日現在比19世紀略長。自1972年引入閏秒以來,平均太陽日的平均長度比86,400國際標準秒長約0至2毫秒[30][31][32]。由於核幔耦合引起的隨機波動具有大約5ms的振幅[33][34],1895年,西蒙·紐康在他的太陽表中選擇了1750年至1892年之間的平均太陽秒作為獨立的時間單位。這些表用於計算1900年至1983年間世界的星曆表,因此這一秒被稱為曆書秒。在1967年,SI秒等於曆書秒[35]視太陽時是地球自轉的量度,它與平太陽時之間的差值被稱為均時差

恆星的一天和恆星日[编辑]

地球相對於國際天球參考系的自轉週期,被國際地球自轉服務(IERS)稱為太陽日,是平均太陽時(UT1)的86164.098903691(23h56m4.098903691s0.99726966323716 mean solar days)[36][n 3]。地球相對於進動平春分點春分點 (天體座標)英语Equinox (celestial coordinates)的自轉週期,命名為「恆星日」,是 86164.09053083288 秒平太陽時 (UT1) (23h 56m 4.09053083288s0.99726956632908 mean solar days)[36]。因此,恆星日比恆星的一天短約8.4ms[38]。 恆星日和恆星的一天都比平太陽日短約3分56秒。這是地球繞太陽運行時,相對於天體參考系額外旋轉1圈的結果(因此為366.24圈/年)。IERS提供了1623–2005[39]1962–2005[40]期間的平太陽日(單位:SI秒)。

最近(1999-2000年),超過86,400 國際單位秒平太陽日的年平均長度在0.25 ms1ms間變化,必須將其添加到上述平太陽時中給出的恆星日和恆星的一天日數中,才能獲得其國際單位秒長度(見日長波動)。

角速度 [编辑]

地球自转的角速度大约是每小时15;而表面线速度纬度而变,是赤道线速度乘以纬度的余弦。因此赤道的线速度最大,两极的线速度最小,而赤道线的速度約每秒465.1公尺。

春分時從太陽看到的地球轉軸傾角(或傾角)和它相對於自轉軸軌道平面

對地球自轉的長期監測需要甚長基線干涉儀的座標配合全球定位系統衛星雷射測距和其它衛星技術配合著使用。這些提供了對世界時進動章動等的絕對參考[41]

過去的數百萬年,地球的旋轉受到月球引力的交互作用影響減緩了許多:參見潮汐加速。但是有些大型的事件,像是2004年印度洋地震,就使地球的轉動加速了大約3微秒[42]。在冰河期後期的後冰河期反彈,是因為地球質量的分布改變影響了地球的慣量,經由角動量守恆,改變了轉動速率[43]

地軸變動[编辑]

地球的旋轉像一個陀螺,軸的指向有在恆星空間中維持一定方向的性質。來自太陽月球和其它行星的外來力量導致這固定的方向有所偏移。地球轉軸大型、週期性的變動稱為歲差,而較小的變動稱為章動極移

歲差[编辑]

歲差precession)是地球的自轉軸相對於恆星空間進動分點的位置,相對於在天球上固定不動的恆星,沿著黃道每年向西移動。通常,每年的移動量是50.29",即每71.6年移動1°。這個過程雖然緩慢但會逐年累加起來,完整的歲差圈要經歷25,765年(稱為柏拉圖年),分點在黃道上退行一周360°。

章動[编辑]

章動(nutation)是在行星陀螺儀的自轉運動中,軸在進動中的一種輕微不規則運動,使自轉軸在方向的改變中出現如「點頭」般的搖晃現象。 地球的章動來自於潮汐力所引起的進動,並使得歲差的速度不是常數,而會隨著時間改變。

極移[编辑]

極移是地球的自轉軸在地球表面橫越的運動,這是將地球視為在一個固定不變的參考座標系(所謂的地球中心、地心地固坐标系ECEF))下所做的測量,這種變動只有幾米。

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

影響地球自轉速度的因素[编辑]

地球自转速度主要受三個因素影響,总体使其趋慢。

规律[编辑]

规律[编辑]

地轴的进动是一种圆锥形的运动,其规律性如下:

  • 圆锥轴线垂直地球公转轨道平面,指向黄道两极。
  • 圆锥的半径黄赤交角
  • 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50.29角秒,周期約25800年。

表现[编辑]

原因[编辑]

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

起源[编辑]

藝術家想象下的原行星盤

在理論上,地球的形成是太陽系誕生的一部分:最初只是大量的、旋轉中的塵埃岩石氣體,最後終於形成太陽系。組成它的化學元素是來自大爆炸產生的,還有超新星釋放出的重元素。這個星際塵埃是不均勻的,重力吸積過程上任何的不對稱,導致最終形成行星的角動量[44]。 目前的轉動週期是初始的旋轉受到其它因素影響的結果,包括潮汐力忒伊亞碰撞假說

相關條目[编辑]

註解[编辑]

  1. ^ SeeFallexperimente zum Nachweis der Erdrotation德语Fallexperimente zum Nachweis der Erdrotation (German Wikipedia article).
  2. ^ 當地球離心率超過0.047,並且近日點位於適當的分點或至點時,只有一個有一個峰值的週期會平衡另一個有兩個峰值的時期[28]
  3. ^ Aoki, the ultimate source of these figures, uses the term "seconds of UT1" instead of "seconds of mean solar time".[37]

參考資料[编辑]

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外部連結[编辑]