一、地球的自转

太阳系是一个比较稳定的旋转系统。地球在太阳系形成过程中获得的一定的角动量主要分布在地球的自转、公转和地-月转动系统中。地球的椭球体形状与离心力的作用有关，而离心力又只在物体旋转时才可能产生，可见地球是旋转的。科学实验早已证明了地球旋转的事实。

1851 年，傅科在巴黎众神殿上以长度为 200 英尺的一条绳子悬吊一个 60 磅重的铁球，做成摆，并在铁球下装一细针，球摆动时，针可在地面铺的沙层上划出记号。根据力学定律，摆动物体都力图保持它原有的摆动平面。傅科在实验中却发现，摆总是逐渐向右偏转，在 49°N 的巴黎，每小时偏 11

°多，每 32 小时偏转一周（360°）。后来的研究表明，在极地摆动平面每小时偏转 15°，每 24 小时偏转一周。但在赤道上却不发生偏转。既然摆动平面是固定不变的，这种偏转就只能是视偏转了，它说明不同纬度上的经线方向在不断变化。地球是自西向东旋转的。在赤道上，经线的切线平行于地轴，因此它的方向不因地球旋转而变化。在两极，经线的切线与地轴相互垂直，因此它们的方向每天变化 360°，每小时变化 15°，与地球旋转角速度相同。摆动平面的视偏转与地球旋转方向相反，即在北半球向右或顺时针， 在南半球向左或逆时针。

不同纬度上，摆动平面每小时偏转的角度α等于地球每小时自转的速度与所在纬度正弦的乘积，其公式为：

α=15×sinϕ

地球绕地轴旋转，称为地球自转。自转一周的时间即自转周期，叫做一

日。但由于观测周期采用的参考点不同，一日的定义也略有差别。如果取春分点为标准，则春分点连续两次通过同一子午面的时间，叫做一恒星日。如果取太阳为标准，则地球上同一地点连续两次通过地心与日心的连线所需的时间，叫做一个太阳日。但是地球不但自转，还绕太阳公转，公转轨道又呈椭圆形，所以一年中的太阳日并不是等长的。取一年的平均值就得到一个平均太阳日，即 24 小时。这是地球平均自转 360°59′的时间，其中 59′是地球公转造成的。所以，它比一个恒星日长 3 分 55.909 秒平均太阳时。

地球自转速度包括线速度和角速度两种。赤道上线速度最大，为464m/s，到 60°N 和 S 处几乎减少一半，到两极则为零。不同纬度的线速度L 可用下式表示：

L=464×cosϕ

自转角速度除两极点外，到处都是每日 360°，每小时 15°。

长期以来，人们认为地球自转速度非常稳定，因此把它作为计算时间的标准。实际上，地球自转速度并不是永远固定不变的。据推测，在地球形成的初期，自转周期仅有 4 小时。而现在已经计算出，距今 5×108 年前的寒武

纪晚期，自转周期为 20.8 小时，至泥盆纪增至 21.6 小时，石炭纪 21.8 小

时，三迭纪 22.7 小时，白垩纪 23.5 小时，始新世 23.7 小时，目前为 24 小时。我们知道，活的珊瑚每天分泌碳酸钙，形成躯壳上的细小日纹。现代珊瑚每年有 365 条日纹，而五、六亿年前的珊瑚化石每年却有四百多条日纹。这就说明当时地球自转速度比现在要快得多，即当时的一天要比现在短。

地球自转速度并不是一直变慢，也有以变快为主的阶段，但减慢是主要趋势，而减慢的原因则是多种多样的。早在二百多年前康德就已指出，月球和太阳引潮力造成的潮汐从东向西冲击地壳，而地球自转方向为自西向东， 潮汐与地壳摩擦产生的阻滞地球自转的力，将减慢地球自转速度。也有人认为地球自转速度减慢是太阳活动的影响和地球不断膨胀和增大的结果。但是，地球自转速度变化的根本原因仍然在地球的内部。地球上比重大的物质在重力作用下不断向地心集中。据估计每秒钟有 5×104 吨铁从地幔进入地核，这种运动将使地球自转加快；而火山爆发、岩浆活动等过程使地幔物质流向地表，当然也会引起自转速度的变化。

除了长期的变化之外，地球自转还有季节变化。每年 3—4 月，地球自转速度最慢，8 月最快。但季节性日长变化不超过 0.5—0.6 毫秒。自转的季节性变化可能与地球上纬向风速、洋流和冰雪分布的季节变化有密切关系。因为它们影响地球质量分布于转动轴线间的距离，因之影响到地球的转动惯量。当转动惯量增大时，转速将减慢；反之，转速将加快。

地球绕轴自转这一事实是确定地理坐标的基础，如果没有两个极点，就几乎不可能建立统一的地理坐标。地球自转的重要的地理意义表现在以下几方面：

1. 地球自转决定了昼夜的更替，并使地表各种过程具有一昼夜的节奏。

地球是不透明的，任何时候，太阳都只能照射地球的一半，使地球表面产生昼和夜的区别。如果地球只有公转而没有自转，那么昼夜更替的周期将不会是一日而是一年。在这种情况下，与地表热量平衡相联系的一切过程，包括气压、气流、蒸发、水汽凝结以及有机界的状况，都将发生和现在全然不同的变化。比如，巨大的昼夜温差将会引起十分强烈的风暴，过度的炎热和严寒将会造成生物的死亡，等等。但由于地球有自转，而且既不象金星那样慢， 也不象木星那样快，昼夜更替适中，地表增温和冷却不超过一定的限度，生物才得以生存，其他许多过程才不朝极端方向发展。

1. 由于地球自转的结果，所有在北半球作水平运动的物体都发生向右偏转，在南半球则向左偏。假设在北半球任何一点的地平面上有南北线

   N—S 和东西线 W—E，有四个物体从这两条线的交点 C 分别向 CN，CW，CS 和 CE 四个方向运动，由于地球自转的缘故，地平面按反时针方向旋转。因此，经过一定时间以后，南北线和东西线分别落到了 N1—S1 和 W1—E1 的位置（图 1- 5），而四个物体按惯性规律力图保持其原来的运动速度和方向，从而向右偏离了位置（图 1-5），而四个物体按惯性规律力图保持其原来的运动速度和方向，从而向右偏离了地面的基线。

这一现象可以用地球自转的线速度来解释。物体自 C 点向北运动，是从线速度较大的纬度转移到线速度较小的纬度，由于惯性的作用，它必然超越其出发点 C 的经线；向南运动时，情况正相反，它自线速度较小的纬度转移到线速度较大的纬度，所以便落后于其出发点的经线，结果仍然是向右偏转。当物体沿东西方向运动时，实际上是沿纬线的切线方向运动，即仍由高纬向低纬运动，故运动方向仍将发生偏转。

科里奥利首先发现地球自转情况下运动物体的偏转力，因此称为科里奥利力。科里奥利力 D 可用下式表示：

D=2vWsinϕ

式中 v 为运动物体的速度；w 为地球自转的角速度；ϕ为运动物体所在纬度。地表某一点的角速度和纬度正弦值的乘积，只影响运动物体的方向，而

不影响其速率；而运动物体的速度却决定着偏转力的大小。当物体静止不动，即 v 等于零时，偏转力也等于零。科里奥利力对气团、洋流、流水的运动方向和其他许多自然现象有着明显的影响，例如北半球河流多有冲刷右岸的倾向，高纬地区河流上浮运的木材也多向右岸集中。

1. 地球自转造成同一时刻、不同经线上具有不同的地方时间。一个地方正当正午的时候，距它

   180°经度的地方却正当午夜。这说明，地球表面每隔 15°经线，时间即相差 1 小时。人们据此划定了地球的时区。全部经度360°，分为 24 个时区。以本初经线为中心，包括东西经各 7°30′的范围为中时区。东西另外各 15°经度为东一区、西一区；如此类推，至东西十二区，即是以 180°经线为中心的时区。这样，如中时区为正午，东一区为下午一时，而西一区则为上午十一时，东西十二区正在午夜。午夜是前一日与后一日的分界。在同一时刻，180°经线以东是前一日的结束，以西却是次一日的开始。经过国际协议，把 180°经线定为国际日期变更线（局部地方有所调整）。自西向东越过这条线，即从东半球进入西半球，应把日期减去一日；自东向西越过这条线，即从西半球进入东半球，则应把日期加上一日

（图 1-6）。

1. 由于月球和太阳的引力，地球体发生弹性变形，在洋面上则表现为潮汐。而地球自转又使潮汐变为方向与之相反的潮汐波，并反过来对它起阻碍作用。潮汐摩擦阻力虽然要

   40000 年才能使地球的一昼夜延长一秒，但对地球的长期发展却具有不可忽视的意义。

2. 地球的整体自转运动，同它的局部运动，例如地壳运动、海水运动、大气运动等，都有密切的关系。大陆漂移、地震、潮汐摩擦、洋流等现象都在不同程度上受到地球自转的影响。

此外，当地球自转加快时，离心力把海水抛向赤道，可以造成赤道和低纬区的海面上升，而中高纬度区海面则相应下降。