地理學考研地球概論課件(全)高等教育出版社第五章 地球的運動教材

第五章地球的運動第一節(jié)地球的自轉(zhuǎn)一、地球自轉(zhuǎn)及其證明二、地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律性三、地球自轉(zhuǎn)的后果主要內(nèi)容一、地球自轉(zhuǎn)及其證明1、地球自轉(zhuǎn)的方向

地球不停的繞著自轉(zhuǎn)軸由東向西做旋轉(zhuǎn)運動，稱為地球的自轉(zhuǎn)運動。

自轉(zhuǎn)的方向是自西向東，也就是從天北極看去，地球呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。2、地球自轉(zhuǎn)的周期恒星日：同一恒星連續(xù)兩次在同地中天的周期，也就是恒星（或春分點）連續(xù)兩次由東向西通過同一子午圈的時間間隔，長度約為23小時56分4秒。太陽日：太陽連續(xù)兩次在同地中天的周期，也就是太陽中心連續(xù)兩次由東向西通過同一子午圈的時間間隔，平均長度是24小時。太陰日：月球連續(xù)兩次在同地中天所經(jīng)歷的時間，也就是月球中心連續(xù)兩次由東向西通過同一子午圈的時間間隔，平均長度是24小時50分。

在一個恒星日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)360°，在一個太陽日內(nèi)，地球公轉(zhuǎn)59

，自轉(zhuǎn)360°59

。這59

的差值是地球公轉(zhuǎn)造成的，使太陽日比恒星日約長4分。恒星日與太陽日比較

在一個恒星日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)360°，在一個太陰日內(nèi)，月球公轉(zhuǎn)13°38

，地球自轉(zhuǎn)373°38

，這13°38

的差值是月球公轉(zhuǎn)造成的，使太陰日比恒星日長約50分。恒星日與太陰日比較3、地球自轉(zhuǎn)的速度角速度：15°/h線速度：

R0——赤道半徑，h——海拔高度由公式可知，緯度越低，距地表越高，其線速度越大。就地表而論，h=0，則在赤道上，v0=460m/s；在緯度30°處，v30=403m/s；在緯度60°上，v60=233m/s；在極點上不論角速度或線速度都為0。地球自轉(zhuǎn)速度的變化長期減慢：月球?qū)Φ厍虻某毕饔迷斐傻模恢芷谧兓褐苣曛芷?、半年周期、月周期、半月周期、近周日和半周日周期變化；不?guī)則變化：地球內(nèi)部物質(zhì)的移動或太陽活動強盛時對地球的影響造成的。4、地球自轉(zhuǎn)的證明（1）落體偏東（2）傅科擺實驗西東BCA物體從高處A點下落，并不是垂直落到地面B點，而是稍微偏向東方的C點落體偏東法國物理學家傅科（1819-1868）于1854年在巴黎進行的實驗。傅科擺的直徑約30cm，重27kg，用67m的金屬絲懸掛在巴黎國葬院的高圓頂下。傅科擺的特點是繩長、錘重，使擺動能持續(xù)較長時間，并在沙盤上留下擺動的軌跡。傅科擺示意圖傅科擺實驗傅科擺前提：擺總是力圖保持其擺動面的方向不變；特征：特殊的懸掛裝置，擺可以自由轉(zhuǎn)動，使擺動超然于地球自轉(zhuǎn)，擺長，錘重，持續(xù)時間長；偏轉(zhuǎn)方向：北半球右偏，南半球左偏；偏轉(zhuǎn)速度：因緯度而異，與緯度的正弦成正比傅科擺的偏轉(zhuǎn)速度d

/dt＝15

sin

/h赤道上，

=0

，sin

=0，

=0，傅科擺不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；兩極，

=90

，sin

=1，

=15

/h，傅科擺偏轉(zhuǎn)速度最大，等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。南北緯30

，

=30

，sin

=1/2，

=7.5

/h二、地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律性南北兩極在地面上的位置和南北天極在天球上的位置，都不是一成不變的。換言之，地軸在地球內(nèi)部的位置和它在宇宙空間的位置，都是在變化著的。上述的變化是兩種不同的運動——極移和進動。1、極移

極移是整個地球相對于地軸的運動而造成的，地球自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)的相對運動。極移造成了南北兩極在地面位置的變化。在這個過程中，地軸被認為是不動的。極移的振幅約為±0.4″，相當于在地面上一個12×12平方米范圍。極移的周期周年周期：主要是由于大氣的周年運動引起地球的受迫擺動；張德勒周期：一個近14個月的周期，是由于地球的非剛體引起的地球自由擺動。長期變化：地極向著西經(jīng)約70°～80°方向以每年3.3～3.5毫角秒的速度運動。短期變化：主要與日月的潮汐作用以及與大氣和海洋的作用有關(guān)。極移的軌跡是連續(xù)不斷的圓圈，大體上反映出一種周期性運動；圓圈的大小不一，表明各種因素互相干擾；每一年的軌跡都不是完整的一個圓圈。1968-1975年的極移軌跡2、地軸進動（1）進動

地軸繞著一條通過地球中心并且垂直于黃道面的軸線緩慢而不停地作周期性的圓錐運動。這種運動叫地軸的進動，又叫歲差。地軸進動的具體情況，可以歸納如下

圓錐形運動的圓錐軸線，垂直于地球軌道平面，指向黃極。圓錐的半徑為23°26′，就是黃赤交角。進動的方向向西，同地球自轉(zhuǎn)（和公轉(zhuǎn)）方向相反。進動的速度是每年50.29″，周期為25800年。地軸的進動（2）進動的原因地球的形狀黃赤交角地球自轉(zhuǎn)有關(guān)地軸黃極北極南極C1C2OP1P2月球進動的原因（3）進動的周期地軸的延長線指向天軸，由于地軸的進動，天極和天赤道在恒星間的位置將不斷改變，天赤道與黃道的交點——二分點將不停的按順時針方向移動。也就是說由于天北極的移動，春分點每年向西移動50″.42。行星的引力作用使黃道面的位置有所改變，這也會使春分點的位置向東移動，移動的數(shù)值僅有0.13″。這樣，50″.42—0.13″=50″.29，這就是春分點每年向西移動的數(shù)值，稱為周年總歲差，這樣春分點約25800年在黃道上移動一周，這就是地軸進動的周期。地軸進動的周期為25800年春分點1春分點2赤道A赤道B23°26′黃北極春分點在黃道上不斷西移AB（4）進動的后果太陽在黃道上的視行方向是自西向東的，而春分點在黃道上的移動方向是自東向西的。因此，太陽連續(xù)兩次通過春分點，并沒有在黃道上視行360°，而是視行了360°-50″.29=359°59′9″.71。這就造成了回歸年比恒星年短24分24秒的現(xiàn)象。由于地軸的進動，使天極以25800年的周期圍繞黃極運動，這造成了北極星的變遷。春分點是第二赤道坐標系和黃道坐標系的原點。由于它向西移動，對于赤道坐標系，恒星的赤經(jīng)和赤緯，都經(jīng)常在改變著；對于黃道坐標系，只有恒星的黃經(jīng)每年增加50″.29，黃緯則不變。北極星隨天北極移動而變遷3、極移和進動的區(qū)別極移和進動都是地球自轉(zhuǎn)軸的運動，但運動形式、運動周期和運動結(jié)果卻迥然不同。極移是在不受外力作用下，自轉(zhuǎn)軸在地球體內(nèi)的自由擺動。運動軌跡很復雜，是條彎曲的非閉合曲線。主要周期是近14個月的張德勒周期。極移是地球本體相對于自轉(zhuǎn)軸的運動造成的。因此，極移不改變天極和天赤道在恒星間的位置，對天體的赤道坐標和黃道坐標沒有影響，只能使地理坐標產(chǎn)生微小的變動。進動是在外力矩作用下，自轉(zhuǎn)軸在空間的受迫運動，天極圍繞著黃極，以23°26′為半徑做圓周運動，方向向西，周期為25800年。天極的運動是真實的運動，遂使天極、天赤道和春分點在恒星間的位置不固定。結(jié)果，回歸年的長度短于恒星年，天體的赤經(jīng)、赤緯和黃經(jīng)都要受到影響，但卻不能改變地理經(jīng)度和地理緯度。4、真（視）太陽日與平太陽日視太陽日長度的季節(jié)變化太陽每日赤經(jīng)差真（視）太陽日：因季節(jié)而變化的太陽日叫真太陽日（視太陽日）；

平太陽日：真太陽日的全年平均值（作為時間單位）。太陽每日赤經(jīng)差季節(jié)變化的主要原因是黃赤交角同樣的黃經(jīng)差造成不同的赤經(jīng)差；第二赤道坐標系與黃道坐標系有共同原點（春分點），但因基圈不同，黃經(jīng)不同于赤經(jīng)；冬夏二至（黃赤二道平行）赤經(jīng)差最大，視太陽日最長；春秋二分（二道交角最大）赤經(jīng)差最小，視太陽日最短。黃赤交角與視太陽日長度每一節(jié)氣的太陽黃經(jīng)差都是15°。由于黃赤交角的存在，它們造成的赤經(jīng)差卻不同：二分最小，視太陽日最短；二至最大，視太陽日最長。視太陽日全年極小值：春秋二分——天赤道與黃道交角最大（23°26′)——每日赤經(jīng)差：59′-5′=54′，太陽日時間減少21秒。視太陽日全年極大值：冬夏二至——天赤道與黃道平行——每日赤經(jīng)差：59′+5′=64′，太陽日時間增加21秒。一年中最長的真太陽日在冬夏二至，24時0分21秒，最短的真太陽日在春秋二分，23時59分39秒。只考慮黃赤交角的影響：赤經(jīng)差變化的次要原因是橢圓軌道造成太陽每日黃經(jīng)差本身的變化：由于日地距離的變化，地球公轉(zhuǎn)速度的不等；近日點變化最快，視太陽日較長；遠日點變化最慢，視太陽日較短。1月2日視午1月1日視午4月2日視午4月1日視午7月2日視午7月1日視午（a）視太陽日

平太陽日（a）視太陽日

平太陽日（a）視太陽日

平太陽日圖橢圓軌道（公轉(zhuǎn)速度）與視太陽日長度（a）一月初，地球近近日點，太陽每日赤經(jīng)差達極大值（61

），視太陽日最長。（b）四月初，太陽每日赤經(jīng)差為全年平均值（59

），視太陽日=平太陽日。（c）七月初，地球近遠日點，太陽每日赤經(jīng)差達極小值（57

），視太陽日最短。只考慮橢圓軌道的影響：全年最大：近日點（1月初），地球公轉(zhuǎn)速度最快，每日黃經(jīng)差=59′+2′=61′，相應的赤經(jīng)差增加2′，真太陽日增加8秒；全年最?。哼h日點（7月初），地球公轉(zhuǎn)速度最慢，每日黃經(jīng)差=59′-2′=57′，相應的赤經(jīng)差減少2′，真太陽日減少8秒。真太陽日長度受到黃赤交角和橢圓軌道兩個因素的作用和干擾：真太陽日長度變化：二至最長，二分最短；冬至略長于夏至，最長的視太陽日在冬至后（12月23日，長度是24時0分29秒）；秋分短于春分，最短的視太陽日在秋分前（9月17日）長度是23時59分39秒。圖

視太陽日長度的周年變化

點線為長度因黃赤交角而發(fā)生的變化，虛線為視太陽日長度因日地距離而發(fā)生的變化，實線表示二者的疊加，主極大在冬至后，次極大在夏至前；主極小在秋分前，次極小在春分后。三、地球自轉(zhuǎn)的后果1、不同天體的周日運動恒星周日運動的路線（周日圈），即各自所在的赤緯圈，都以南北天極為不動的中心天和地的關(guān)系，猶如球面和球心的關(guān)系，周日運動的方向應同地球自轉(zhuǎn)方向相反恒星周日運動的周期和速度，如實反映了地球自轉(zhuǎn)的周期和它的角速度2、

不同緯度的周日運動恒顯星：在北半球看來，天北極周圍恒星永不落入地平，這部分周日圈全部位于地平以上的恒星；恒隱星：天南極周圍恒星永不升起南方地平，這部分周日圈全部位于地平以下的恒星；出沒星：介于上述兩部分星區(qū)之間的恒星，有東升西落，周日圈與地平圈相交；恒顯星區(qū)：恒顯星在天球上的赤緯范圍；恒顯圈：恒顯星區(qū)的界線，即在北點與地平圈相切的赤緯圈。

以北半球為例，天北極周圍為恒顯星，天南極周圍為恒隱星，天赤道南北為出沒星。天赤道以北的恒星在地平以上的時間較長，天赤道以南的恒星反之。南半球與之相反。恒顯星區(qū)、恒隱星區(qū)和出沒星區(qū)以北半球為例，天北極周圍為恒顯星，天南極周圍為恒隱星，天赤道南北為出沒星。天赤道以北的恒星在地平以上的時間較長，天赤道以南的恒星反之。南半球與之相反。恒顯星區(qū)、恒隱星區(qū)和出沒星區(qū)緯度越高，恒顯（隱）星區(qū)愈大，出沒星區(qū)愈?。褐苋杖εc地平的交角愈??；緯度越低，恒顯（隱）區(qū)愈小，出沒區(qū)愈大：周日圈與地平的交角愈大。恒顯（隱）圈的仰（俯）極距=

出沒星區(qū)寬度=2(90

－

周日圈與地平交角=90

不同緯度的天球周日運動左：在北極，只有恒顯星和恒隱星，而無出沒星；周日圈平行于地平圈。中：在赤道，只有出沒星，而無恒顯星和恒隱星；周日圈垂直于地平圈。右：在北半球某緯度，南北天極周圍有恒顯星和恒隱星，天赤道南北是出沒星。北天恒星在地平以上的時間較長，南天恒星反之。周日圈傾斜與地平圈，傾角為當?shù)赜嗑暎?0-

）。3、水平運動偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)方向：北半球偏右，南半球偏左科里奧利力（地轉(zhuǎn)偏向力）

F

V

m·sin

科里奧利力只改變運動方向，不改變速率影響地球大氣環(huán)流，對形成行星風帶、天氣系統(tǒng)和洋流有重要作用第二節(jié)地球的公轉(zhuǎn)一、地球公轉(zhuǎn)及其證明二、地球公轉(zhuǎn)的后果一、地球公轉(zhuǎn)及其證明1、地球公轉(zhuǎn)的軌道軌道形狀：橢圓軌道半長軸（a）：149600000km軌道半短軸（b）：149580000km半焦距（c）：2500000km周長（l）：940000000km偏心率（e）：0.016（1：60）扁率（f）：

298.257太陽在軌道中的位置：兩焦點之一近日點（地球1月初經(jīng)過）：147100000km遠日點（地球7月初經(jīng)過）：152100000km

地球的近日點和遠日點2、地球公轉(zhuǎn)的方向、周期和速度⑴地球公轉(zhuǎn)的方向

從黃北極向下看地球的公轉(zhuǎn)運動，其運動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，呈逆時針方向，也就是自西向東。

黃赤交角⑵地球公轉(zhuǎn)的周期恒星年——太陽連續(xù)兩次回歸到同一恒星的方向上，或一個恒星連續(xù)兩次合日的一段時間間隔，長度是365日6時9分9.7秒，即365.2564日；回歸年——太陽連續(xù)兩次回歸到春分點的一段時間間隔，長度是365日5時48分46秒，即365.2422日；近點年——太陽連續(xù)兩次回到近地點（對地球來說的近日點）的一段時間間隔，長度是365日6時13分56秒，即365.2596日；食年——太陽連續(xù)兩次通過黃白交點之一的一段時間間隔，長度是346日14時52分53秒，即346.6200日。地球公轉(zhuǎn)周期的比較四種年的比較⑶地球公轉(zhuǎn)的速度速度平均近日點遠日點角速度59′1°1′10″/日57′10″/日線速度29.78km/s30.3km/s29.3km/s夏半年日數(shù)186天，冬半年日數(shù)179天3、地球公轉(zhuǎn)的證明⑴恒星周年視差⑵光行差⑴恒星年視差從不同地點觀測同一目標，這個目標就會有不同的方向，即在它的背景上有不同的位置。不同方向之間的夾角稱為視差；由于觀測者的位移，使目標方向發(fā)生改變的現(xiàn)象，叫做視差位移。

在黃極是正圓在黃道是一直線其余都是橢圓地球公轉(zhuǎn)軌道是封閉曲線，恒星在天球上視差位移的路線也是封閉曲線，其具體形狀則因恒星的黃緯而不同。周年視差橢圓

太陽上觀測的恒星在天球上的位置，作為平均位置，地球上觀測到的恒星實際位置與之有偏離，該偏離的最大值叫恒星周年視差；當日地連線垂直星地連線時，視差位移達最大值（每年二次），其值為恒星周年視差；恒星周年視差當?shù)厍蜍壍腊霃酱怪庇谛堑剡B線時，同一恒星的視差位移達極大，被稱為該恒星的周年視差。恒星年視差的大小

aD因為1弧度=206265″，所以如果恒星周年視差為1秒（π″=1），那么恒星距離的秒差距與其周年視差的角秒值互為倒數(shù)恒星愈遠，其年視差愈小D＝206265α1秒差距恒星年視差與恒星距離最先測定的恒星的周年視差觀測者測定恒星測定年代所得數(shù)值現(xiàn)代測定值觀測地點白塞耳天鵝座6118380.314″0.30″加里寧格勒亨德遜半人馬座α18390.98″0.76″好望角斯特魯維天琴座α18390.261″0.124″塔爾多恒星周年視差為0.76″請計算星地距離D=1/π″=1/0.76(秒差距)=1/0.76×206265a=271401Au⑵光行差在同一瞬間，運動中的觀測者所觀測到的天體的視方向同靜止的觀測者所觀測到的天體的真方向之差，稱為光行差。θS-vcAOvS′

天體的光線沿著SO方向以光速c射向觀測者，由于地球以速度v向A點運動，則天體S相對于觀測者應有相反方向v的視運動。這兩種運動的合成，使觀測者實際觀測到的天體S的方向為OS′，它不同于觀測者所觀測到的OS方向。兩個方向之間的夾角

，稱為光行差位移。地球的軌道速度：

=30km/s星光光速：

V=300000km/s則：

tan

=30/300000=0.0001

=20.47這個角度為光行差常數(shù)光行差橢圓在南北黃極，光行差軌道是半徑為20

的橢圓(與地球軌道形狀相同)。在黃道上，變成長度為20

2的一段直線。在其他黃緯，光行差軌道都是半長軸為20

的橢圓：愈近黃極，橢圓扁率愈小；愈近黃道，橢圓扁率愈大。年視差和光行差比較黃緯愈高，年視差橢圓與光行差橢圓的的扁率愈?。缓阈悄暌暡钛剀壍腊霃椒较蚱x其平均位置；恒星光行差則沿軌道切線方向偏離其真位置。年視差（左）和光行差（右）的比較恒星年視差位置的偏離方向，二者有90

之差。二、地球公轉(zhuǎn)的后果1、恒星周年視差2、太陽周年運動3、行星的視運動2、太陽周年運動

太陽周年運動是恒星周年視差的特例，太陽周年運動的方向、周期、速度、軌道等都反映了地球的公轉(zhuǎn)。二十四氣與黃道十二宮二十四氣十二宮二十四氣黃道十二宮宮名黃經(jīng)度太陽進入日期（約）節(jié)氣備注白羊?qū)m0°～30°3月21日春分白羊?qū)m第一點金牛宮30°～60°4月20日谷雨雙子宮60°～90°5月21日小滿巨蟹宮90°～120°6月22日夏至巨蟹宮第一點獅子宮120°～150°7月23日大暑室女宮150°～180°8月23日處暑天秤宮180°～210°9月23日秋分天秤宮第一點天蝎宮210°～240°10月23日霜降人馬宮240°～270°11月22日小雪摩羯宮270°～300°12月22日冬至摩羯宮第一點寶瓶宮300°～330°1月20日大寒雙魚宮330°～0°2月19日雨水二十四氣與十二宮3、行星的視運動⑴行星相對于太陽的視運動⑵行星相對于恒星的視運動⑶行星相對于月球的會合運動⑴行星相對于太陽的視運動地內(nèi)行星相對于太陽的視運動

對地內(nèi)行星來說，當它的黃經(jīng)和太陽黃經(jīng)相等時，稱它為合日，簡稱合。比太陽遠的那個合日是上合，比太陽近的是下合。地內(nèi)行星同太陽的黃經(jīng)差被限定在某個限度內(nèi)且小于90°，這個限度叫做大距，分東大距和西大距。

地外行星相對于太陽的視運動

對地外行星