14地球的自转和公转

地球自转与公转的关系

　　地球的自转是绕地轴旋转的轴心运动，公转是围绕太阳旋转的轨道运动，这两种运动同时进行，所以地球的运动是两种运动的叠加。因此，在分析地球运动特点时，必须将二者结合起来。例如黄赤交角就是自转和公转的共同产物。黄赤交角的存在，引起了昼夜长短、太阳直射点位置的变化，从而有了地球上的四季和五带。可见，掌握地球自转和公转运动的关系非常重要，其中正确理解自转与公转的关系及其产生的各种现象，正确认识地轴、黄赤交角、太阳光线等，在地球处于公转轨道不同位置时的几何配置情况是关键。

用地球自转变化预测厄尔尼诺现象

　　20世纪80年代以来，我国和国外一些学者发现厄尔尼诺事件与天文观测的地球自转运动密切相关。中国科学院上海天文台的天文学家，以地球自转的观测资料中排除了种种干扰因素，找到了用地球自转运动的快慢变化与厄尔尼诺事件之间的规律和预测方法，成功地预测80年代以来发生的所有厄尔尼诺事件的出现。

　　地球不停地自西向东转动，每隔23小时56分转一圈，这就是我们平常用的时间“一天”。但是地球的自转并不那么“老实”，有时快，有时慢，“一天”的时间有时长、有时短。这种变化中相当大部分与太阳、月亮和行星对地球的引力有关系，天文学家很早以前就已经掌握了它们的规律。现代空间天文方法可以将地球自转周期(日长)测量到比万分之一秒还要准确。近些年来，天文学家发现地球自转中这些变化还与大气、海洋的活动以及地球内部物质运动有关，地球自转运动与热带海洋、大气存在着相互作用过程，并由此找到了预测厄尔尼诺事件的钥匙。

　　通过精心处理过的日长资料与东太平洋赤道带海水表面温度变化的比较发现两者极其吻合；当赤道带海温增暖时(亦即厄尔尼诺开始之时)，地球自转速率就开始减慢，日长变长；反之，厄尔尼诺结束后，地球自转又开始加快，日长变短。就是说每次厄尔尼诺事件的出现都发生在地球自转速率由加速变为减速之时，所以根据天文观测的地球自转的变化就可以预测厄尔尼诺现象。这一研究成果可以为气象和海洋领域监测和预测厄尔尼诺事件增添一种新的天文学手段，对人类社会预防自然灾害有着重要的实用意义。

公历和农历

　　所谓“历法”，就是怎样安排年、月、日，让人们使用起来感到方便。它是根据天体运行的周期来安排的。以地球绕太阳公转为主要依据的叫“阳历”，以月亮圆缺为主要依据的叫“阴历”，两者兼备的叫“阴阳历”。

　　公历(又叫阳历、格里历)是世界各国最通用的历制。它是以一个“回归年”作为单位的，计365天5时48分46秒(即365.2422天)。为使用方便，就将365天定为一年，这就是“平年”。回归年比平年多了5时48分46秒，累积四年约等于一天。所以每四年要闰一天，这一天放在二月里，成为29天，那一年就有366天，叫做“闰年”。

　　但是四年中累积的时间，经过四年闰一天后，就多闰了44分56秒，四百年后就会使历年比回归年的时间多了三天。因此在四百年中应少闰三次。它规定：一个平年365天，闰年366天；凡是公历年数能被4整除的是闰年；对于每个世纪的第一年，虽能被4整除，但不能被400整除的仍不作闰年。如1600年到2000年的四百年间，1700年、1800年、1900年，就不算闰年；而1600年、2000年是闰年。这样，在四百年中，原来闰一百次，减少了三次，有九十七次闰年。

　　用这种方法补救以后，每隔3000年后，还有一天之差，那就只需要在3200年减少一个闰年就行了。

　　阴历是以月相变化的周期即朔望月为历法的基本单位。全年十二个月总天数是354.3672天，它同季节的变化周期“回归年”相差约11天。年复一年就会使阴历不能正确反映季节的变化，夏至日和冬至日，在十几年里就会出现在各个月份里，使农事季节难于安排。

　　为了使阴历这种历法能适应季节变化的周期，我国就创造了一种带有一定阳历成分的阴历——阴阳历，也就是我们现在所用的农历(也称夏历)。它是我国历来采用的历法，主要在广大农村中使用。

　　阴阳历是将月亮盈亏的周期和每年季节交替的周期调和起来，因而兼顾了二者的优点。它以两次朔的时间间隔为一个月，这点与阴历相似。每月初一为朔日，十五或十六日为望日。一年设十二个月，大月30天，小月29天，平均每个朔望月长度为29.5306日，则一年354天或355天，而阳历的一年即回归年是365.2422日，两者相差约11天。为了使农历的平均历年接近回归年，采用了加闰月的办法，每19个阴历年加7个闰月，再取平均，这样平均历年的长度基本上等于回归年，这又与阳历相似。某一年增加的一个月叫闰月。

　　我国的农历还突出了适应农时，反映四季变化、天气冷暖的二十四节气。我国的二十四节气是一种特殊的阳历，它是把黄道大圆圈等分为二十四个弧段，每段十五度为一气，共二十四个节气。它和阳历的不同在于，它大约以15天为计算单位，而阳历却以一天为计算单位，二十四节气分属四个季节，每季有六个节气，一个月有两个节气。

　　所谓农历，是由于我国农民曾经长期根据阴阳历所附载的二十四节气进行农业生产。

　　所谓夏历，不是先秦的夏历，更不是传说中夏代的历法，那是因为它在冬至所在的历月为十一月这一点上，是同先秦时代的夏历相同。

地球自转的证明

　　在学习地球的运动一节时，高一新教材中只提到一种证明地球自转的方法傅科摆。其实，证明地球自转的方法有许多种，现列举几例：

1.重力加速度法

　　地球在时刻不停地自转，由于惯性离心力的作用，地面的重力加速度必然是赤道最小、两极最大；地球不可能是正球体，而必然是赤道略鼓、两极略扁的旋转椭球体。重力测量和弧度测量的结果，证实了这些观点的正确性，因而从一个侧面证实了地球的自转。

2.深井测量法

　　既然地球时刻不停地自转，那么，由于自转速度随高度的增加，自高处下落的物体，在下落过程中，必然具有较高的向东的自转速度，因而必然坠落在偏东的地点。为了证实这一点，有人曾在很深的矿井中进行试验。试验结果是：自井口中心下落的物体，总在一定的深度同矿井东壁相撞。这从另一侧面证实了地球的自转运动。

3.炮弹法

　　既然地球时刻不停地在自转，那么，地面上水平运动的物体，必然相对地发生持续的右偏(北半球)或左偏(南半球)。根据这种观点，人们分析射出炮弹运动的方向，结果证实了上述观点的正确性。

4.牙签法

　　先用一只脸盆装满水，放在水平且不易振动的地方，待水静止后，轻轻放下一根细牙签(木质)，并在牙签的一端做一记号，记住细牙签的位置。过几个小时后(最好超过10个小时)，再去看时你就会发现，细牙签已经转动了一定角度，看起来像是细牙签在转动，其实它并没有转动，而是地球在转动。这种方法其实就是一种简易的傅科摆证明法。

　　牙签在北半球作顺时针(向右)转动，因为地球自转在北半球看起来是逆时针(向左)方向的。南半球则与北半球相反。

地球与月球比年龄

　　很长一段时间占统治地位的结论是，地球和月球是在45亿年前同时诞生的，它们的外壳都裹着厚厚的岩石。但由于宇航员们登上月球带回了源岩石——月面岩石，这个观点受到了怀疑。

　　根据科学家的测定，源岩石几乎与月球一样古老。然而这种源岩石在地球上至今没有见到。美国明尼苏达州南部的花岗岩和片麻岩，是被发现的地球上最古老的矿物了，也不过是38亿岁。那么，为什么它们竟比源岩石差出7亿岁呢?是不是地球还不如它的卫星——月球古老?

　　美国加州理工学院的安德森博士经过10年潜心研究，提出了一个新的理论——“熔岩海洋理论”，比较可信地回答了这个问题。他认为，大约40亿年前，地球表面是一片沸腾的“热洋”熔却物质布满全球，形成了熔岩的海洋。由于初生的地球“源岩石”比那些熔却物质重，地球的源岩石也沉到了地幔，被深处的岩浆所熔化而变成了下层地幔的一部分，永远地被埋葬了。于是，人们无法在地球上找到大于40亿岁的岩石。月球则不然，它并没有遭到过“熔海之灾”。因此，人们可以从其表面发现几十亿年前的踪迹。

地球自转速度不一及其原因

　　对地球自转速度进行精密测量表明，地球自转速度因季节不同有所变化，在8月和9月自转速度最快，在3月和4月自转速度最慢。

　　地球不仅在一年之内自转速度不均衡，而且各年之间的自转速度也有差异。近300年的记录表明，地球自转速度最快的是1870年，最慢的是1903年。是什么原因引起地球自转速度发生变化的呢?多数人的观点认为，是地球上海水的涨潮和退潮影响所致。近年来的研究表明，海水的涨潮与退潮不是主要原因，主要是地球两极冰块融化所造成的海水水位的上升。目前，这个观点已被大多数科学家所接受。

　　地球上的冰川主要分布在南极洲和北极附近的格陵兰，南极洲冰川是格陵兰的8倍。科学统计表明，南极冰层的厚度，从1870年至1909年，减少了近25米，到1935年又增加了15米，此后又逐渐减少，冰层的这种减少～增加～减少的变化周期，与已知的地球各年自转速度的变化相吻合。

　　为什么冰层增减会导致地球自转速度的变化呢?这是因为地表冰层减少，使海水水位上升，反之，冰层增加，使海水水位下降。而水位的升降可改变地球质量的分布，地球质量的分布如有变化，就会引起地球转动惯量的变化。当海水上涨时，地球质量分布的半径增大，转动惯量也随之增大，地球自转时，其角动量是守恒的，而角动量等于转动惯量与角速度的乘积。转动惯量增加，必然导致角速度减小，这就表现为地球自转速度减慢。

地球自转速度的历史变化

　　地球在形成的初期，自转一周大约仅有4小时；晚寒武世(5亿多年前)约20.8小时；泥盆纪(3.8亿年前)约21.6小时；三叠纪(2亿年前)约22.7小时；白垩纪(8千万年前)约23.5小时；始新世(4.6千万年前)约23.7小时；现代为24小时。可见，地球运转的速度曾经发生过很大的变化。