地球自轉(zhuǎn)
地球繞自轉(zhuǎn)軸自西向東的轉(zhuǎn)動,從北極點(diǎn)上空看呈逆時針旋轉(zhuǎn),從南極點(diǎn)上空看呈順時針旋轉(zhuǎn).地球自轉(zhuǎn)是地球的一種重要運(yùn)動形式,自轉(zhuǎn)的平均角速度為 7.292×10-5弧度／秒,在地球赤道上的自轉(zhuǎn)線速度為 465米／秒,除兩極外,地球上任意一點(diǎn)的角速度都為15°/時.一般而言,地球的自轉(zhuǎn)是均勻的.但精密的天文觀測表明,地球自轉(zhuǎn)存在著3種不同的變化.
自轉(zhuǎn)速度的變化
20世紀(jì)初以后,天文學(xué)的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)是,確認(rèn)地球自轉(zhuǎn)速度是不均勻的.人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地球自轉(zhuǎn)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(jì)內(nèi)大約增長1～2毫秒,使以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)所計(jì)量的時間,2000萬年來累計(jì)慢了2個多小時.引起地球自轉(zhuǎn)長期減慢的原因主要是潮汐摩擦.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在三億七千萬年以前的泥盆紀(jì)中期地球上大約一年400天左右.②周期性變化.20世紀(jì)50年代從天文測時的分析發(fā)現(xiàn),地球自轉(zhuǎn)速度有季節(jié)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(fēng)的季節(jié)性變化引起的.③不規(guī)則變化.地球自轉(zhuǎn)還存在著時快時慢的不規(guī)則變化.其原因尚待進(jìn)一步分析研究.
地球自轉(zhuǎn)軸對于地球本體的運(yùn)動
地球自轉(zhuǎn)軸在地球本體上的位置是經(jīng)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(zhuǎn)軸將圍繞形狀軸作自由擺動 ,周期為 305 恒星日 .1888年人們才從緯度變化的觀測中證實(shí)了極移的存在.1891年美國的S.C.張德勒進(jìn)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(shí)際觀測到的張德勒擺動就是歐拉所預(yù)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(yù)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 ,其周期的變化范圍約為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(wěn)定,主要由于大氣和兩極冰雪的季節(jié)性變化所引起.
將極移中的周期成分除去以后,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(jīng)70°左右.
[編輯本段]地球自轉(zhuǎn)軸在空間的運(yùn)動
地球的極半徑約比赤道半徑短1／300,同時地球自轉(zhuǎn)的赤道面、地球繞太陽公轉(zhuǎn)的黃道面和月球繞地球公轉(zhuǎn)的白道面,這三者并不在 一個平面內(nèi).由于這些因素,在月球、太陽和行星的引力作用下,使地球自轉(zhuǎn)軸在空間產(chǎn)生了復(fù)雜的運(yùn)動.這種運(yùn)動通常稱為歲差和章動.歲差運(yùn)動表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)軸圍繞黃道軸旋轉(zhuǎn),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(yùn)動上的許多復(fù)雜的周期運(yùn)動.
傅科擺證明地球自轉(zhuǎn)
1.牙簽法
先用一只臉盆裝滿水,放在水平且不易振動的地方,待水靜止后,輕輕放下一根木質(zhì)細(xì)牙簽,并在牙簽的一端做一個記號,記住牙簽的位置,過幾個小時后(最好在10個小時以上),再去看時你就會發(fā)現(xiàn),牙簽已經(jīng)轉(zhuǎn)動了一定角度,看起來好像是牙簽在轉(zhuǎn)動,其實(shí)它并沒有轉(zhuǎn)動,而是地球在轉(zhuǎn)動.在北半球,牙簽作順時針轉(zhuǎn)動,因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)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
地球時刻不停地自轉(zhuǎn),地面上水平運(yùn)動的物體,必然相對地發(fā)生持續(xù)的右偏(北半球)或左偏(南半球).根據(jù)這種現(xiàn)象,人們分析射出的炮彈運(yùn)動的方向,就能證明地球在自轉(zhuǎn).
3.重力加速度法
地球在時刻不停地自轉(zhuǎn),由于慣性離心力的作用,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,兩極略扁的旋轉(zhuǎn)橢球體.重力測量和弧度測量的結(jié)果,證實(shí)了這些觀點(diǎn)的正確性,也就從一個側(cè)面證實(shí)了地球的自轉(zhuǎn).
4.深井測量法
地球時刻不停自轉(zhuǎn),由于自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度,而必然墜落在偏東的地點(diǎn).為了證實(shí)這一點(diǎn),有人曾在很深的礦井中進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)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(cè)面證實(shí)了地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動.
5.傅科擺
證實(shí)地球自轉(zhuǎn)的儀器,是法國物理學(xué)家傅科于1851年發(fā)明的.地球自西向東繞著它的自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn),同時在圍繞太陽公轉(zhuǎn).觀察地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)并不難.用未經(jīng)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(dāng)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,然后讓它往返擺動.幾小時后,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旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的現(xiàn)象.
由于地球的自轉(zhuǎn),擺動平面的旋轉(zhuǎn)方向,在北半球是順時針的,在南半球是反時針的.擺的旋轉(zhuǎn)周期,在兩極是24小時,在赤道上傅科擺不旋轉(zhuǎn).在緯度40°的地方,每小時旋轉(zhuǎn)10°弱,即在37小時內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周.
顯然擺線越長,擺錘越重,實(shí)驗(yàn)效果越好.因?yàn)閿[線長,擺幅就大.周期也長,即便擺動不多幾次（來回?cái)[動一二次）也可以察覺到擺動平面的旋轉(zhuǎn)、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.