303 地球自转的后果

地球自转所产生的后果，最明显的是天球的周日运动，其次是水平运动的左右偏转。

地球自西向东自转，在地球上的观测者看来，地外的天空以相反的方向和相同的周期旋转，这就是天球周日运动。我国古代文献中就有“天左旋， 地右动”（《春秋纬·元命苞》）的记载。“天旋”是地动的反映。

周日运动的方式因天体而异，还因地点而不同。

§ 303—1 不同天体的周日运动

一般说来，恒星作为天球上的定点（不考虑其自行），其周日运动是地球自转的单纯反映。它从如下三个方面具体反映地球自转的情况：

——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。“北辰北极，天之枢也”，南北天极如实地反映了地轴在天空中的位置。

——天和地的关系，犹如球面与球心的关系，周日运动的方向应同地球自转方向相反。天体的东升西落，说明地球自西向东自转。

——恒星周日运动的周期（恒星日）和（角）速度，如实地反映了地球自转的周期和它的角速度。

太阳和月亮除参与整个天球的周日运动外，还有它们自身的巡天运动， 因而它们的周日运动不是地球自转的单纯反映。太阳周年运动是地球绕太阳公转造成的视动；月亮的巡天运动则是它本身绕转地球的运动。它们的方向

都是向东，因而二者的周日运动周期，都比恒星周期长。太阳日比恒星日长约 4 分，恒星中天时刻逐日提前 4 分，造成星空形象的季节变化；太阴日比

恒星日长约 54 分，月亮中天时刻逐日推迟约 50 分。

恒星的周日圈固定，每颗恒星都有不变的出没方位和中天高度。太阳和月球的周日圈则因它们赤纬的变化而不断改变，因而没有固定的出没方位和中天高度。其中，太阳周日圈的变化，引起昼夜长短和正午太阳高度的变化

（见§402 和§ 403），从而形成季节的递变。

§ 303—2 不同纬度的周日运动

天球周日运动以仰极为绕转中心，而一地的仰极高度，总是等于当地的地理纬度。因此，各地所见的天球范围及周日圈情况，皆因纬度而不同。

在北半球看起来，天北极（仰极）周围的恒星，永不落入北方地平。这部分周日圈全部位于地平以上的恒星，叫做恒显星，有时也叫拱极星。恒显星的范围是以天北极为中心的一个圆形天空区域，叫恒显星区。恒显星区的界线，就是在北点同地平圈相切的那条赤纬圈，叫恒显圈。恒显圈的半径就是它的仰极距，或天北极高度（图 3—17），即等于所在地的地理纬度。反之，南天极（俯极）周围的恒星，永不升起南方地平。这部分周日圈全线在地平以下的恒星，叫做恒隐星。恒隐星区的范围和恒隐圈的大小，与恒显星相同。介于上述两部分星区之间的恒星，有东升和西落。这部分周日圈与地平圈相交的恒星，叫做出没星。出没星区的范围是以天赤道为中心线的环带， 其宽度为当地余纬的二倍，即 2（90°－? ）。天赤道以北的恒星，升起在地平以上的时间，长于隐没在地平以下的时间；天赤道以南的恒星，则反之。在南半球看起来，同上述情形相反。

天球周日运动的纬度差异，主要表现在恒显星。恒隐星和出没星的范围大小不同。纬度愈高，恒显星区和恒隐星区愈大，出没星区愈小；周日圈与地平的交角愈小。纬度愈低，仰极高度愈小，恒显星和恒隐星区愈小，出没星区愈大；周日圈与地平的交角愈大。在赤道和南北两极，这种变化达到极端。

图 3—18 表示北极、赤道和北半球任意纬度的周日运动的差异：

——在北极，只有恒显星和恒隐星，没有出没星。那里永远只能看到天球的一半。周日圈平行于地平，北天恒星永不没落，南天恒星永不升起。

——在赤道，没有恒显星和恒隐星，只有出没星。那里能看到全天恒星。周日圈垂直于地平，且都被地平圈等分，天体升起在地平以上的时间和隐入地平下的时间相等，这也就是那里终年昼夜等长的原因。天体出没都是直升直落。

——在北半球的任意纬度，北天极周围有恒显星，永不没入北方地平；南天极附近是恒隐星，永不升起南方地平；天赤道两侧是出没星。周日圈与地平斜交，其交角大小等于所在地的余纬（90°－? ）。恒星升起在地平以上的时间，随其赤纬大小而定：赤纬愈大、即愈近天北极，它升起在地平上的时间愈长；赤纬愈小，即愈近天南极，其升起在地平上的时间愈短。唯天赤道总是被地平圈等分。这也就是为什么春秋二分时（太阳赤纬为零），全图 3—17 恒显星区、恒隐星区和出没星区以北半球为例，天北极周围为

恒显星，天南极周围为恒隐星，天赤道南北为出没星。天赤道以北的恒星在地平以上的时间较长，天赤道以南的恒星反之。南半球情形与此相反。三个星区间的具体界限因纬度而不同

图 3—18 不同纬度的天球周日运动

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；周日圈垂宜于地平圈。右：在北半球某纬度，南北天极周围有恒隐星和恒显星，天赤道南北是

出没星。北天恒星在地平以上时间较长，南天恒星反之。周日圈倾斜于地平圈，其倾角等于当地余纬（90°－? ）。

球昼夜等长的道理。

天球的周日运动及其纬度差异，可用一个简单的方法进行演示：

如图 3—19 所示，用一个大型圆底的烧瓶当作天球模型，里面注入半瓶带色（不宜太浓）的水，使烧瓶倒置时，水面刚好平分烧瓶的圆球部分。这个水面用来表示地平面。穿过瓶塞插进一根金属细棒，用来表示天轴。在烧瓶球面的不同部分，贴上几个纸剪的五角星，表示分布在天球上的恒星。

当你手握金属棒，旋动烧瓶的时候，就可以清晰地看到不同纬度的天球周日运动情形。用这个方法演示，比天球仪演示更为生动直观。

图 3—19 天球周日运动的演示（对照图 3—18 的说明）

天球周日运动还因地方经度而不同。不同经度的周日运动，体现在时间上的差异，即同一天体有不同的时角。在同一瞬间，同一天体的时角差，即为二地的经度差。人们正是根据天体的时角差，推算二地的经度差。只要其中一地的经度是已知的，另一地点的经度就可以被推算出来。

§ 303—3 水平运动的偏转

地球自转的另一种效应是使地面上的水平运动发生偏转：北半球右偏， 南半球左偏。这里的“右”偏和“左”偏，是指观测者面向物体运动方向时的偏向而言。

这种现象之所以发生，是因为物体具有惯性，力图保持其运动速率和方向。然而，地球上的水平方向都以经线和纬线为准：经线的方向就是南北方向，纬线的方向就是东西方向。但是，由于地球的自转，作为南北和东西方向基准的经线和纬线，都随着地球自转而不断地改变着它们的空间方向。于是，真正保持不变方向的物体的水平运动，用地球上的水平方向表示，倒是相对地发生了偏转。

地球自转的方向是自西向东，在北半球是逆时针方向，即自右向左转动； 在南半球是顺时针方向，即自左向右转动。因此，北半球的经线和纬线都向左偏转，以致那里的水平运动方向相对地发生右偏；南半球的经线和纬线都向右偏转，以致那里的水平运动发生左偏（图 3－20）。

按惯性定律推论，如果物体改变它的速率或运动方向，那么，这种变化必定是由于某种外来的影响。于是，人们设想有一个假想的力作用于水平运动物体，使它发生左右偏转。法国学者科里奥利（1792—1843）最早研究并证明它的存在，故称这种视力为科里奥利力（或简称科氏力）。地理和气象学上则形象地称它为地转偏向力，因为它是由于“地转”而发生偏向的。地转偏向力的存在，对许多地理事物产生深远的影响：

——地转偏向力影响大气环流。它对地球上的气压带和风带（行星风系） 的形成，气旋、反气旋和台风（热带气旋）的发生和发展，以及洋流的分布等，都起着主要的作用。

——在北半球，河流对右岸的冲刷比对左岸强烈，以致大河右岸通常较为陡峻，而左岸较为平缓。由于这个原因，北半球的河流一般总是从右面绕

过障碍，南半球情形相反。

——在工程技术方面也不乏地转偏向力影响的例子：如在北半球，机车的右轮通常比其左轮磨损得更快；发射远射程炮弹和火箭时，如不计算地转偏向力的影响，就不会有效地命中目标。

地转偏向力是一种视力，只能改变物体运动的方向，而不能改变其速率。地转偏向力的大小随纬度和物体运动速度而定。在气象学上，具体表示地转偏向力（F）的是如下公式

F＝2Vωm sin?

式中 V 是水平运动速度，ω为地球自转角速度，m 为物体质量。在这里， ωsin? 即傅科摆偏转速度。该公式表示，纬度愈高，运动速度愈大，地转偏向力就愈大，而与运动方向无关。

复习与思考

●在北半球，傅科摆向什么方向偏转？南半球呢？赤道呢？在纬度 30° 处，傅科摆的偏转速度是多少？

●什么是极移和进动？一地的经度和纬度因极移而发生变化，但不会因进动而发生变化，为什么？

●由于岁差，天极描成 5°的弧，约需多少年？在怎样的条件下，岁差现象将消失？

●假如地球形状更扁些，那么，进动将变得更快些还是更慢些？假如月地距离更近些呢？假如地球密度更大些呢？又假如地球自转更快些呢？（前二种情形快些，后二种情形慢些）

●为什么视太阳日长度会有季节变化？为什么二至日的视太阳日长度大于二分日？为什么最长的视太阳日不是南至日，而在南至日之后？

●地球自转速度怎样因纬度和高度而不同？在纬度 60°处，自转的速度减为多少？

●某恒星中天时，正好位于当地（纬度为? )的天顶，问：该恒星的赤纬

（δ)等于多少？

●在纬度? 处，天体上中天时，其方位是多少？是否所有天体都一样？

●某恒星离天北极 23°，问：它是否永远位于上海（31°N）的地平之上？图 3－20 水平运动的偏转