地球自转的几个问题

  一、地球周年的自转圈数与昼夜更替数

  众所周知,地球一边绕太阳做公转运动,一边绕地轴做自转运动.在公转一周的过程中,经历约365.25个昼夜,这就很容易得出结论:地球每年自转365.25圈.但实际上地球公转1周,自转的圈数要比昼夜更替数多1,而达到366.25圈.

  为什么地球在绕日公转1周内会多自转1圈呢?这可以参照月球绕地球的转动来理解.如果把地球当成发光的球体,根据月球运动的特点,即月球总是以同一个面向着地球(地球上的观察者只能看到月球的一面,背面是看不到的),月球上的观察者是观察不到昼夜更替现象的,即面向地球的一面总是白天,而背着地球的一面总是黑夜.事实上,在月球绕地球公转1周的过程中,为了使同一个面始终向着地球,例如月球上正对着地球的点a,为了始终正对着地球,月球不得不绕自己的轴自转1圈,见图1.假如月球绕地球1周,月球上的观察者观察到正好经历了1“昼夜,则月球就得自转2圈;若月球绕地球1周,月球上的观察者观察到正好经历了2“昼夜,则月球就必须自转3圈,……,若月球绕地球1周,月球上的观察者观察到的是经历了365“昼夜,则月球就必须自转366圈.根据这样的推理,地球在绕太阳公转1周的过程中,自转圈数比实际观察到的昼夜更替数多1就不难理解了.

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二、月地运动

  地球与月球构成了一个天体系统,称为地月系。在地月系中,地球是中心天体,因此一般把地月系的运动描述为月球对于地球的绕转运动。然而,地月系的实际运动,是地球与月球对于它们的公共质心的绕转运动。地球与月球绕它们的公共质心旋转一周的时间为27天7小时43分11.6秒,也就是27.32166天,公共质心的位置在离地心约4671公里的地球体内。
    月球在绕地球运动的过程中,还要跟着地球一起绕太阳运动。这就是说,月球绕地球运动一周后,再回到的空间位置已不是原出发点了。由此可见,月球在运动过程中还要参与多种系统的运动。月球的运动和其他天体一样,月球也处于永恒的运动之中。月球除东升西落外,它每天还相对于恒星自西向东平均移动13°多,这是因为月球每天27.3天自西向东绕地球一周,每地球昼夜绕1/27.3×360度,约13°多。因此,月亮每天升起来的时间,都比前一天约迟50分钟。(24/273.3×60)月亮的东升西落是地球自转的反映;而自西向东的移动却是月亮围绕地球公转的结果。月亮绕地球公转一周叫做一个“恒星月”,平均是27天7小时43分11秒。月亮绕地球公转的同时,它本身也在自转。月亮的自转周期和公转周期是相等的,即1:1,月球绕地球一周的时间为也就是它自转的周期。

  在高中一年级的地理课中,学生对恒星日太阳日这两个概念及其区别常感到很难理解,只要明白以上讨论的道理,就不难理解了.

  三、恒星日与太阳日

  图2选天空中某颗恒星(例如天狼星,距地球8.7光年,非常遥远,地球上接收到它发出的光可认为是平行光)为第一参照物,选太阳为第二参照物,取此恒星和太阳连线的延长线正好经过地球表面某点P这个特殊位置为基准.此时地球位于公转轨道上的A点,而P点的观察者观察到的此恒星和太阳同时在上中天,以这个特殊位置为计时起点(图2).

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  开始计时后,地球一边公转一边自转,当到达公转轨道的B点时,地球恰自转了1圈,P点再次正对那颗恒星(即P点的观察者看到那颗恒星再次经过上中天)而经历了一个恒星日.但P点还未转到再次正对太阳(即P点的观察者观察到太阳还未再达上中天).地球必须继续运动而到达公转轨道上的C点时,P点才能再次正对太阳(即P点的观察者看到太阳再次经过上中天),经过一个太阳日.而从B点到C点,地球必须经过356秒(自转约59′)才能实现.这样一来,恒星日和太阳日的时间长短就不相等,1个恒星日的时间为23小时564秒,而1个太阳日的时间为24小时.如此以来,地球上每昼夜时间内地球自转约360°59′,则绕太阳公转1周恰多自转1圈,即每年约365.25天,而地球自转约366.25圈.

  根据以上的分析,地球自转1圈(360°)恰用一个恒星日的时间,相应地一个太阳日地球自转约360°59′,这就不难计算出地球自转的角速度:

  公式1

  ω360°/恒星日,或

  ω/(23×3600</s