地球概论第3章

由于地球轨道速度对于光速的影响，使星光视方向与真 方向之间存在着一定的偏离，这就是恒星的光行差位移。
图3-17 光行差椭圆
地球公转以一年为 周期，恒星视位置绕转 其真位置也以一年为周 期，恒星视位置的绕转 路线，被叫做光行差轨 道，其形状则因恒星的 黄纬而不同。在南北黄 极，光行差轨道是半径 为20" 的椭圆 （与地球 轨道形状相同）。在黄 道上，变成长度为20" 2的一段直线。在其他黄 纬，光行差轨道都是半 长轴为20的椭圆：愈近 黄极，椭圆扁率愈小； 愈近黄道，椭圆扁率愈 大。
地球公转及其证明 一、 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。
图3-12（上） 恒星年视差
图3-12 （下）恒星年视差
当地球轨道半径垂 直于星地连线时， 同一恒星的视差位 移达极大，被称为 该恒星的年视差。
❖ 远日点（地球七月初经过） ： 152 100 000km。
图3-20 地球的近日 点和远日点
二、 黄赤交角
图3-21 地球的轨道面
三、地球公转的周期
参考点 恒星 春分点 近日点
黄白交点
周期名称 恒星年 回归年 近点年
交点年（食年）
地球公转角度 周期长度（日）
360°
365.2564
359°59′9″.74
图3-9(B) 恒星日与太阴日比较
在一个恒星日内，地球 自转360°，在一个太阴日内， 月球公转31°38，地球自转 373°38，这13°38的差值是 月球公转造成的，使太阴日 比恒星日长约54分。
四、地球自转的速度 ❖角速度：除极地为0外，全球相等。 ❖线速度：随纬度增大而减小，随高度增 大而增大。
❖ 恒星愈远，其年视差愈小（比邻星年视 差为0.76 ） ；
❖ 恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒
差距互为倒数：D
图3-13 恒星年视差与恒星距离
恒星愈远，其年视差愈小。若 年视差以角秒为单位，距离以秒差 距为单位，则二者互为倒数。
椭圆的偏心率因黄 纬而不同：在黄极是正 圆，在黄道是一直线， 其余都是椭圆。不论偏 心率大小如何，圆的半 径，椭圆的半长轴和直 线的一半，都是恒星年 视差。
（或地轴绕黄轴的圆锥形运动）
地轴的一种圆锥运动
❖圆锥轴垂直于轨道平面，指向黄极； ❖圆锥半径23（黄赤交角）；
❖方向向西（与地球自转和公转方向相 反）；
❖速度每年50（主要为日月岁差，还有 行星岁差） ；
❖周期25 800年。
地轴进动的原因 ❖ 地球形状； ❖ 黄赤交角； ❖ 地球自转。
• 出没星区宽度=2(90－
• 周日圈与地平交角=90
三、 水平运动偏转
偏转方向：北半球偏右，南半球偏左 科里奥利力（地转偏向力）
F Vm·sin
科里奥利力只改变运动方向，不改变速率 影响地球大气环流，对形成行星风带、天
气系统和洋流有重要作用
第七节 地球的公转
雨中奔跑的行人，跑得愈快， 雨伞愈应向前方倾斜。与此类似 的，地球的轨道速度：
= 30 km/s
星光光速：
V
V = 300 000 km/s
则：
tan = 30/300 000 = 0.0001
= 20.47
这个角度为光行差常数。

图3-15 光行差与雨行差示意图
图3-16 光行差
地球自转的规律性
一、 地轴和极移
地极：地球瞬时自转轴与地球表面的交点。 CIO（国际习用原点）：统一的地极坐标原点
极移（polar motion） ❖定义：地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。 （或南北两极在地面上的移动） ❖原理：地球内部物质不均匀性，不规则椭球体 造成。
❖极移特征：南北两极在地面上的移动，极 移范围不超过±0.″4，15米
角为当地余纬（90-）。
❖ 恒显星区：恒显星在天球上的赤纬范围；
❖ 恒显圈：恒显星区的界线，即在北点与地 平圈相切的赤纬圈。
• 纬度越高，恒显（隐）星区愈大，出没星区 愈小：周日圈与地平的交角愈小；
• 纬度越低，恒显（隐）区愈小，出没区愈大： 周日圈与地平的交角愈大。
• 恒显（隐）圈的仰（俯）极距=
• ⒊相关概念 • 偏心率（c/a）， • 扁率（f=(a-b)/c）, • 天文单位（轨道半长轴）， • 中距点（地球轨道短轴的两端，地球4月初
和10月初过中距点），
• 近日点与远日点（分别位于长轴的两端， 地球1月初归近日点，7月初过远日点）
太阳在轨道中的位置：两焦点之一
❖ 近日点（地球一月初经过） ： 147 100 000km；
角速度：平均每日59（因距离而变化） 线速度：平均每秒30km（因距离而变化） 面速度：不变（开普勒第二定动
二十四气
我国古代把黄道按黄经等分为24个弧段。从太阳黄 经270°冬至起，每段跨黄经15°。太阳在黄道上视 行通过这二十四等分点的日期时刻，结合地面上的 物候气候的特征给以专名，形成二十四节气。在二 十四节气中，逢单数的叫节气，逢双数的叫中气。
365.2422
360°0′11″
365.2596
341°.6
346.6200
恒星年，地球公转真正周期；回归年，季节变化周 期；近点年和交点年均与日月食发生有关。
参考点自东向西移动，对应周期缩短，如回归年、 食年；参考点自西向东移动，对应周期加长，如近点年。
图3-22 四种年的比较
四、 地球公转速度
年视差和光行差比较 ❖ 黄纬愈高，年视差椭圆的偏心率愈小； ❖ 恒星年视差沿轨道半径方向偏离其平均 位置；
❖ 恒星光行差则沿轨道切线方向偏离其真 位置。
三、多普勒效应
地球轨道速度对星光频率的影响。
图3-18 年视差（左）和光行差（右）的比较 恒星年视差位置的偏离方向，二者有90之差。
6634′
恒星周日运动的路线（周日圈），即各 自所在的赤纬圈，都以南北天极为不动 的中心
天和地的关系，犹如球面和球心的关系， 周日运动的方向应同地球自转方向相反
恒星周日运动的周期和速度，如实反映 了地球自转的周期和它的角速度
二、 不同纬度的周日运动
恒显星、恒显区和恒显圈
❖ 恒显星：在北半球看来，天北极周围恒星永 不落地平，这部分周日圈全部位于地平以上 的恒星；
❖极移周期：包括14个月的周期，1年为周期 的受迫摆动（主要成分）
❖结果：各地经纬度变化，不造成天北极在 天球上的变化。
图3-4 极移与 进动的比较
极移是地极的移动，不涉及天极在天球 上位置的变化；进动造成天极的移动，不 涉及地极在地面上的位置的变化
二、 地轴进动（岁差：Precession）
定义：在外力作用下，地轴绕黄轴的缓慢的 周期性的圆锥形运动，引起了春分点位置沿 黄道的西退和天北极位置在星空中的变迁。
➢ 地球公转的后果：恒星周年视差，太阳周年运动，行 星同太阳的会合运动，月球同太阳的会合运动
第六节 地球的自转
地球自转及证明
一、傅科摆实验 北半球为顺时针偏转，证明了地球自转的为逆时
针（向东）方向； 偏转速度为sinφ·15°/ h，在两极，傅科摆偏
转速度最大，等于地球自转的角速度；（30°N， θ=7.5°/ h） 证明了地球自转的周期
图3-19 地球与地球共转轨道面的交角
地球公转的规律性 一、 地球轨道
轨道形状：椭圆
❖ 轨道半长轴（a）：149 600 000km； ❖ 轨道半短轴（b）：149 580 000km； ❖ 半焦距（c）：2 500 000km； ❖ 周长（l）：940 000 000km； ❖ 偏心率（e）：0.016； ❖ 扁 率 （f）：7 000。
黄道十二宫
西方的天文学家把黄道按黄经等分成12个弧段，叫 做黄道十二宫，每宫跨黄经30°。名称来源于它们 几千年前所在的星座。
图 3-5 左：陀螺的进动（向东） 右：地球的进动（向西）
图 3-6 力矩 M1>M2，合力矩使地轴趋近黄轴
地轴进动的表现 ❖ 天极周期性运动； ❖ 北极星变迁； ❖ 赤道面（和天赤道）的系统的变化； ❖ 二分点沿黄道西移（交点退行） ；
图3-7 北极星的变迁
❖ 使回归年小于恒星年（我国古称“岁 差”）太阳巡天一周，有别于季节上的 一周岁，差值为20 ；
傅科摆的特点是绳长、锤重， 使摆动能持续较长时间，并 在沙盘上留下摆动的轨迹。
图 3-1 傅科摆示意图
该傅科摆是一个镀金 球体,球内装有一些铜,球体 由一根不锈钢丝从75英尺 高的天花板上悬吊下来。 万向接头使它可以自由地 朝任何方向摆动。傅科摆 下方的电磁铁抵销了空气 摩擦力,使摆可以持续地均 匀摆动。由于地球的自转, 摆在一天中摆动的方向似 乎会变化。这个球体需要 36小时45分钟才能完成一 个周期。
图3-14 恒星年视差椭圆
❖ 恒星愈远，其年视差愈小（比邻星年视 差为0.76 ） ；
❖ 恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒
差距互为倒数：D
二、 光行差
光行差是由于地球轨道速度对于光速的影响， 使星光视方向与真方向之间存在着一定的偏 离，这就是恒星的光行差位移。
地球向某一恒星接近，在相互关系上，也可 以看作该恒星向地球接近。在地球上的观测 者看来，来自恒星的光线，既以每秒300 000 千米的速率投向地球，同时，又以每秒30千 米的速率作平行于轨道面的运动。这样，地 球上所看到的星光的视方向，实际上是这两 种运动的合成方向，因而不同于星光的真方 向。
❖ 恒隐星：天南极周围恒星永不升起南方地平， 这部分周日圈全部位于地平以下的恒星；
❖ 出没星：介于上述两部分星区之间的恒星， 有东升西落，这部分周日圈与地平圈相交的 恒星；