地球概论第三章

补充内容：关于两种宇宙观的冲突一、地心说地心说地心说认为地球处于宇宙中心位置并静止不动，太阳、月亮、行星和其他卫星都围绕地球运转。地心说的起源很早，最初是由古希腊哲学家亚里士多德提出的。公元140年前后，天文学家托勒玫进一步发展了前人的学说，建立了宇宙地心说。托勒玫的地心说的主要观点是：第一，地球位于宇宙中心静止不动。第二，每颗行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动。而本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动，但地球不在均轮圆心，它与圆心有一定的距离。第三，水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的联线上，本轮中心在均轮上一年转一周，火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线决是一周。第四，恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天”一起，每天绕地球转一圈。在16世纪“日心说”创立之前的1000多年中，“地心说”一直占统治地位。二、日心说日心说，也称为地动说，是关于天体运动的和地心说相对立的学说，它认为太阳是宇宙的中心，而不是地球。哥白尼提出的日心说，推翻了长期以来居于统治地位的地心说，实现了天文学的根本变革。图2-9以地球和行星共同绕太阳运动来解释行星的视行，这是哥白尼日心说的精髓日心说的历史通常认为完整的日心说宇宙模型是由波兰天文学家哥白尼在1543年发表的《天体运行论》中提出的，实际上在公元前300多年的赫拉克里特和阿里斯塔克就已经提到过太阳是宇宙的中心，地球围绕太阳运动。坚实的大地是运动的这一点在古代是令人非常难以接受的，而另一方面托勒密的地心说体系可以很好的和当时的观测数据相吻合，因此即使在《天体运行论》出版以后的半个多世纪里，日心说仍然很少受到的关注，支持者更是非常稀少。这里必须指出的一点是，近代以来关于梵蒂冈的地心说和哥白尼的日心说的斗争是被严重夸大的。布鲁诺1600年遭受的火刑，并非因为他支持日心说，而是因为他的泛神论等的宗教思想。事实上，直到1609年伽利略发明了天文望远镜，并以此发现了一些可以支持日心说的新的天文现象后，日心说才开始引起人们的关注。这些天文现象主要是指：木卫体系的发现直接说明了地球不是宇宙的唯一中心，金星满盈的发现也暴露了托勒密体系的错误。然而，由于哥白尼的日心说所得的数据和托勒密体系的数据都不能与第谷的观测相吻合，因此日心说此时仍不具优势。直至开普勒以椭圆轨道取代圆形轨道修正了日心说之后，日心说在于地心说的竞争中才取得了真正的胜利。哥白尼的日心说哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写题为《短论》的论文。他规定地球有三种运动：1一种是在地轴上的周日自转运动2一种是环绕太阳的周年运动3一种是用以解释二分岁差的地轴的回转运动哥白尼在他的《天体运行论》一书中认为天体运动必须满足以下七点：1不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心2地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心3所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近4地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的5在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的6在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动7人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象哥白尼用以支持他的学说的论据，主要属于数学性质。他认为一个科学学说是从某些假说引伸出来的一组观念。他认为真正的假说或者定理必须能够做到下面两件事情：它们必须能够说明天体所观测到的运动。它们必须不能违背毕达哥拉斯关于天体运动是圆周的和均匀的论断。当时有许多反对的观点，但是用当时的知识进行了反驳。反对理由：如果地球在转动，空气就会落在后面，而形成一股持久的东风。哥白尼答复：空气含有土微粒，和土地是同一性质，因此逼得空气要跟着地球转动。哥白尼答复：空气转动时没有阻力是因为空气和不断转动的地球是连接着的。反对理由：一块石子向上抛去，就会被地球的转动抛在后面，而落在抛掷点的西面。哥白尼答复：由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质，所以各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。反对理由：如果地球转动，它就会因离心力的作用变得土崩瓦解。哥白尼答复：如果地球不转动，那么恒星的那些更庞大的球就必须以极大的速度转动，这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。哥白尼答复：离心力只在非天然的人为运动中找得到，而在天然的运动中，如地球和天体的运动中，则是找不到的。哥白尼的主要贡献：发表＜天体运行论＞，提出＂日心说＂301地球自转及其证明一、地球自转：是地球本身的绕地轴旋转运动。方向：向东二、地球自转的证明（1）、地球形状（2）、落体偏东（3）、水平运动偏斜（4）、傅科摆实验偏转方向：北半球，右偏；南半球，左偏。OAA′傅科摆实验地球自转有许多理论和实验上的证据。其中，最雄辩和直观的，当推法国物理学家傅科（1819-1868）在巴黎进行的摆的实验（为纪念他的这个功绩，后人称这种摆为傅科摆）。1、结构：单摆，长67米，锤27公斤。2、优点：周期长---长绳；持续久----抗阻力强。3、特点：摆参与地球自转，摆动平面不变。4、解释：假设当傅科摆起摆时，摆动平面与南北方向（或东西方向）重合。经过若干时间后，由于地球的自转，导致该地的南北方向线（或东西方向线）发生偏转，但因摆锤运动的惯性和摆动平面不受地球自转的牵连，故南北方向线（或东西方向线）相对摆面发生了偏离。5、速度：摆动平面的偏转角速度ω是与纬度的正弦成正比的，即：ω=15°sin/小时图3-2傅科摆偏转速度图3-3在两极，傅科摆偏转最快（与地球自转角速度相同）；在赤道，偏转速度为零。302地球自转的规律性302-1地轴和极移一、概念地轴在地球本体内的移动造成地极在地面上的移动称为极移。地极在地面上的运动称极移。二、极移的情况：极移：南北两极在地面上的移动，不涉及天极在天球上位置的变化三、极移的原因1、是由于地球自转轴与地球形状轴不相重合而造成的。造成自转轴绕形状轴的摆动。2、是由于大气的季节性运动及水流的运动也造成形状轴的位置变化，使极移更加复杂。说明：极移是影响地理坐标，而不影响天轴和天极，更不影响天球坐标。1968–1974年的极移轨迹302—2地轴进动一、进动在物理学上，用来表示转动物体的转动轴绕另一轴的转动称做进动。所谓地轴的进动，就是地球在自转过程中，地轴围绕黄轴的转动。高速旋转图3-5左：陀螺的进动（进动方向与自转方向一致）右：地球的进动（进动方向与自转方向相反）二、地轴进动的原因地球形状；黄赤交角；地球自转。•地球的形状•黄赤交角•地球自转力矩M1M2，合力矩使地轴趋近黄轴三、进动的后果1、北极星改变2、春分点西移50″29/年，进动周期25800年3、天球坐标改变4、形成岁差。恒星年与回归年存在差值（20分24秒）北极星随天北极移动而变迁22赤道面（和天赤道）的变化二分二至点因地轴进动而在黄道上不断西移图中实线表示旧天赤道，虚线表示新天赤道，以新旧天赤道的变化，表示二分二至点的西移。24302-3地球自转的周期恒星日：长约23h56m太阳日：长约平均24h太阴日：长约24h50m太阳日长于恒星日的原因：恒星日与太阳日比较地球AB地球ABB‘地球ABB‘AC如图，当地球在E1处，恒星，月球同时在A处中天，恒星日，太阳日同时开始。此后，月绕地公转，地绕轴自转，同时又绕日公转，地公转至E2处，恒星第二次在A处中天，完成一个恒星日（23时56分）；月球未完成一个太阴日，要完成一个太阴日，地球要自转13°38′。（在一个恒星日中，月球绕地公转13°10′35″，即地要匀自转13°10′35″，但地自转13°10′35″过程中，月绕地又转了一个角度θ，所以13°10′35″+θ=13°38′）自转13°38′约需要54分，因此，太阴日比恒星日长54分钟。恒星日与太阴日比较太阳日与太阴日的比较302—4真太阳日与平太阳日一、真太阳日：真太阳东生西落一周的时间为真太阳日。真太阳日不等长。二、平太阳日：真太阳日的全年平均值叫平太阳日。其长度为24小时。真太阳日不等的原因1、由于黄赤交角的存在，太阳的每日黄经差所造成的每日赤经差不等的。二分前后真太阳日比平太阳日短21秒；二至前后长21秒。2、由于太阳的椭圆轨道，太阳的每日黄经差本身存在的周年变化。远近日点，影响日长约8秒。上二因素叠加，最长的太阳日长24小时29秒，最短的太阳日长23小时59分39秒。地球自转有长期变慢的趋势，日的长度每世纪（100年）增长0.0016s。每一节气的太阳黄经差都是15°。由于黄赤交角的存在，它们造成的赤经差却不同：二分最小，视太阳日最短；二至最大，视太阳日最长黄赤交角和视太阳日长度点线为长度因黄赤交角而发生的变化，虚线为视太阳日长度因日地距离而发生的变化，实线表示二者的叠加，主极大在冬至后，次极大在夏至前；主极小在秋分前，次极小在春分后。视太阳日长度的周年变化302-5地球自转的速度一、角速度每时：360°/24h=15°/h每分：360°×60′/24h×60m=15′/m每秒：360°×60′×60″/24h×60m×60s=15″/s二、线速度在赤道海平面的自转线速度：V0=2πR/T=465m/s在任意维度φ的自转线速度vφr=Rcosφ所以vφ=2πr/T=2πRcosφ/T=465cosφm/s在同一纬度，地球自转的线速度随高度增加而增加。长期变化：地球自转长期变慢。一般来说地球公转的速度是更加稳定的。根据珊瑚化石的研究，3亿7千万年前，一年约400日，目前一年365日。原因，潮汐摩擦对地球自转起着刹车的作用。点击激活303地球自转的后果303---1不同天体的周日运动一、恒星的周日运动：1、反映地球自转轴的位置。2、反映地球自转的方向3、反映地球自转的周期速度。4、固定的出没方位和中天高度：因为恒星的赤纬不发生变化，每颗恒星的周日圈固定，每颗恒星都有固定不变的出没方位和中天高度。二、太阳和月亮的周日运动303-2不同纬度的周日运动周日平行圈：天体的周日运动，都是以天极为圆心做圆运动，此运动轨迹一定平行于天赤道，所以称周日平行圈。一、在两极（φ=90°）恒显星恒隐星恒显星区、恒隐星区和出没星区二、在赤道上（φ=0°）恒星为出没星。三、赤道和两极之间（0φ90°）（左）：在北极，只有恒显星和恒隐星，而无出没星；周日圈平行于地平圈。（中）：在赤道，只有出没星，而无恒显星和恒隐星；周日圈垂直于地平圈。（右）：在北半球某纬度，南北天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北是出没星。北天恒星在地平以上的时间较长，南天恒星反之。周日圈倾斜与地平圈，倾角为当地余纬（90-）。不同纬度的天球周日运动303-3---3水平运动的偏转结论：由于地球自西向东转动，凡沿地表运动的物体，在北半球的观察者顺着物体的运动的方向看去，它偏离原运动方向的右方；在南半球的观察者，顺着物体运动的方向看去，它偏离原运动方向的左方。最早进行研究的是法国的数学家科里奥里。在地理学和气象学商又形象的成为地转偏向力。F=2mvwsinφ由于地转偏向力的存在，对地面上某些自然现象都会产生影响。1、往洞中流水2、铁路、公路3、河流右陡左缓4、对气象上的气压带、风带、气旋、反气旋等都有影响。地球公转：就是地球绕太阳的转动。转动方向：与地球自转方向一致，也是自西向东转。公转中心：是地球和太阳的共同质量中心，求得共同质心与太阳的中心的距离仅450km，太阳R日=70万km。把地球公转当作地球单纯地绕太阳运动，还是十分地接近事实的。公转有三方面的证据：（1）恒星的周年视差；（2）光行差；（3）多普勒效应304-地球公转及其证明304-1恒星的周年视差恒星周年视差恒星年视差地球轨道位置对恒星视位置的影响；当日地连线垂直星地连线时，视差位移达最大值（每年二次），为该恒星年视差大小；当地球轨道半径垂直于星地连线时，