固体地球物理学概论第三章-02.ppt

§3.2 地球的自转 地球自转是一个天文问题，也是一个地球物理问题。 在天文学中，地球作为一颗行星，研究它的自转变化，对于研究天体的起源和演化以及测定天体方位，都有重要意义。 在地球物理学中，地球作为整体的自转运动，与地球的局部运动 地壳运动、海洋运动和大气运动都有密切联系。 不仅如此，地球自转与地球内部的构造和运动也有一定联系。其中地球自转与地震激发、地磁场维持、大陆漂移等之间的关系，为当前地学界十分关注的课题。 一、地球自转的证实 －傅科摆 随着自然科学的发展，人类在长期的实践中，终于从多方面证实了地球确实在不停地由西向东旋转着。 比如重力测量发现地面赤道处的重力加速度最小，而在两极处最大； 弧度测量发现地球不是正球体，而是扁球体; 从高处下落的物体其坠落点总是会向东偏等。 这些 都是地球自转中其旋转惯性离心力的作用结果。 既然地球在自转着，那么“超然”于地球自转的某种运动 (包括垂直运动、水平运动、落动等)，就会由于运动惯性而发生相对于地面的特殊运动。 如果能制作出一种超然于地球自转的仪器，并详细观测它的特殊运动，则有可能对地球自转进行定量的证明。 人们首先想到做运动，就是摆动。由于地球自转，摆动平面就会发生相对于地面的偏转。研究这种偏转现象，并且定量地计算偏转速度的变化，则是地球自转的最生动的证明。 傅科摆 法国物理学家傅科 (Focke)设计了一个特殊的摆， 并于1851年在法国巴黎的一个圆顶大厦，成功地进行了摆动试验， 试验结果证实了地球向东旋转。为了纪念这个摆及其试验的设计者，把这种摆称为傅科摆，如图3·2·1。 傅科摆的结构同普通摆一样，悬挂摆的架子固定在地面上，架子与摆之间通过可以在任意方向旋转的旋钮加以联结，使悬点摩擦力减小到最少，即为可以自由摆的单摆。 为增大摆动的持续时间，傅科采用了67m的长绳。 为增大摆的惯性，摆锤重达27kg。 国内外很多天文馆都设置有傅科摆，走进北京天文馆正门，悬挂在大厅中央的就是一个傅科摆，该摆以每小时改变9·60的速度，沿顺时针方向昼夜不停地转动着。 这种偏转转现象怎么理解呢? 由物理学知道单摆的摆动平面在不受外力作用时，其摆动的空间方向始终不会发生变化的。然而，人们所看到的是，摆动平面相对于地球表面发生了按顺时针方向缓慢地转动，其实质是:摆下面的地球在沿逆时针方向转动造成的。 在北极做这样的实验，摆动1小时，摆动面偏转150，这就是地球自转速度。 显然，经过24小时后，摆动面又回到原来的摆动方向上。在南极可获得类似结果，只是摆动面是向着逆时针方向转动的。 在赤道上做这个实验，摆动平面没有偏转现象，这是因为在地球赤道附近的地面随地球自转的运动，如同传送带一样自西向东作近似平行于摆动面的移动，如图3·2·2(c)所示! 而极地附近的地面运动，好像转盘绕极点转动，所以摆动面的相对转动效果最明显，如图3·2.2（a，b)所示。 在地球两极和赤道之间的广阔地带上，摆动平面的偏转速度ω与当地纬度φ有关。傅科摆的偏转规律为: ω＝150 sinφ 式中φ取正(北纬)，偏转方向为顺时针方向φ 取负(南纬)，则偏转方向为逆时针方向。 两极和赤道的情况，是该公式的两个特例。 根据这个公式，在北京(北纬39057’)，每小时偏转9.60，在傅科摆的原始试验地巴黎(北纬48050’)，每小时偏转11.30。 总而言之，有许多方法都证明了地球自转的客观存在，其中最有力的傅科摆试验，具体地证明了地球自转的方向、周期和角速度。 二、地球自转的特征 1、地轴取向稳定 地球的自转是整个地球的一种旋转运动，其旋转轴叫做地轴。 地轴与地球表面相交两点，分别叫地球北极和地球南极，合称地球两极。 地轴的无限延长叫天轴。 天轴就是天球周日运动的轴线，它同天球面相交两点，即天北极和天南极，合称天球两极。 注意，地极与天极的位置是由地轴决定的，而不是相反。 地轴在地球内部的位置以及天轴在宇宙空间中的位置，我们称之为地轴的取向。 应当指出:地轴的取向具有高度的稳定性，而地极和天极的位置却不是一成不变的。 地极在地面上的运动称为极移。 它是整个地球相对干地轴的运动所造成的，;一般不过10一20m的范围)天极在天球上的移动，年变化不超过5，是由地轴进动引起的。 2、自转速度稳定 地球自转速度相当稳定，因此长久以来都作为时间和纪年的标准。 地球自转一周，定为一天。但由于采用的参考点不同，“一天”的含义也略有不同，即-有太阳日和恒星日之分。 所谓太阳日 是以太阳为参考点，地球上同一子午面连续两次通过该点的时间。所谓恒星日 是以春分点为参考点，地球上同一子午面连续两次通过该点的时间。 由于地球不但自转，而且绕日公转，公转的轨道是椭圆，所以在一年之中每天的太阳日不