根据太阳影子长度的变化,利用圭表测出,1年的长度是365.25天。而现代方法计算出,1年的长度是365.2422天,两者相差很小。
影子的长短还可以用来测量地球的大小。公元前3世纪,居住在现在埃及亚历山大港的希腊学者埃拉托色尼,就用影子最早测量了地球的大小。
夏至这一天,在亚历山大港正南方的阿斯旺的枯井里,阳光直射井底,而在亚历山大港的影子却同竖直的木杆之间构成7.2度角。亚历山大港和塞恩之间相距800千米,用这种办法测出地球的圆周长是39500千米,和我们今天所采用的数值极为相似。我国唐代著名天文学家僧一行,也用类似的方法测量过地球的大小。
说过了地球公转所产生的现象,我们来看看它是怎样绕太阳公转的吧。地球沿椭圆形轨道绕太阳公转,每年运行一圈。地球在轨道上位置不同,运行的速度不相同,平均速度是29.8千米/秒。地球在轨道上位置不同,到太阳的距离也不相同。每年1月3日前后,日—地距离最短,等于14710万千米,这一点叫做近日点;每年7月4日左右,日—地距离最长,等于15210万千米,这一点叫远日点。
地球自转
地球有公转,有没有自转?这个问题只要参观一下北京天文馆立刻就能明白了。北京天文馆的大厅里有一只巨摆,它每天都迈着稳健的步子有节奏地、一下一下地摆动着。乍看,它活像一只摆钟,滴答滴答地走动着。可是,仔细看来,它摆动的平面相对于地面在不断地变更着。
这种变更是地球自转的反映。
这种摆叫做傅科摆,是1851年由法国物理学家傅科发明的。当时傅科在巴黎大教堂穹顶上安了一根长线,线的下端悬挂着一个大金属球,地板上画了一条白线,让金属球沿着白线摆动。开始的时候,金属球沿着白线一下一下地摆动着。
慢慢地,摆动的方向渐渐离开了白线,由东向西旋转着。几小时以后,金属球摆动的方向相对于白线转了一个很大的角度。在场的人都看呆了。
傅科摆
傅科对大家说:“看,谁也没碰金属球,它摆动的方向为什么会改变呢?不,这不是金属球摆动的方向有了改变,而是我们脚下的地球向东边转过去了。”
傅科的精彩表演和精辟的解释,使在场的观众活跃起来:“啊,我们见到地球自转了。”
现在看来,傅科的话只说对了一半。实际上,摆动方向的改变是地球自转产生的附加力作用的结果。在地球两极,这个力最大,只要24小时就能使摆动方向改变360度。到了北京,约要40个小时才行。如果在赤道上,你怎么也不会看到摆动方向有改变。如果傅科在赤道上做他的实验,则将以失败告终。
地球自转速度同地理纬度有关系,纬度越低,转动速度越快。在赤道上自转速度是28千米/分,在30度纬度地区是24.1千米/分,在纬度60度地区是14千米/分,在两极是0。
在现实生活中,有许多现象是地球自转造成的。我们稍微留心看一看,就会发现,太阳、月亮和一切星星都是从东方升起来,越过天空,从西方落下去的。这就是地球自转的反映。
除此以外,在阿拉斯加有一条自北向南流淌的育空河,它的西岸总显得比东岸险峻,而在西伯利亚由南向北流淌的鄂毕河,却总是东岸比西岸险峻。这两条北半球的河流,流动的方向虽然相反,但如果顺着河水流动的方向望去,它们都是右岸比左岸险峻,好像北半球的河水喜欢冲刷右岸似的。而在南半球,情况正好相反,好像南半球的河水喜欢冲刷左岸。
不仅河水是这样,炮弹也是这样。北半球打出去的炮弹往右偏,河水喜欢冲刷右岸;南半球打出去的炮弹往左偏,河水喜欢冲刷左岸。这些都是地球自转产生的地转偏向力作用的结果。这个力是法国科学家科里奥利发现的,所以又叫科里奥利力。
地球的自转不但对地面的河流和炮弹有影响,也拖着天上的风一起跑。海员们都知道信风这个名词。它在赤道以南是东南风,在赤道以北是东北风。它相当稳定,按时而来,从不轻易失信,因此人们称它信风。古代商人利用信风推动风帆,漂洋过海,从事贸易活动,因此它又叫做贸易风。
信风是这样形成的:在赤道地区,由于烈日当头,终年高温,空气受热上升,形成一个永久的低气压带。而在南、北回归线附近,则是高气压带。高气压带空气往低气压带流动,便形成风。
若没有地球自转的影响,赤道以南不远的地区应该刮南风,赤道以北不远的地区应该刮北风。实际上地球有自西向东的自转,而这种自转还带着它周围的空气一道转动,因此,当风向赤道吹的过程中,也受到一个地球自转产生的地转偏向力的作用,因而在赤道以南形成东南风,在赤道以北形成了东北风。由于地面上受热多少由太阳光直射点位置确定,而阳光直射点在一年当中定时在赤道南北来回移动,所以这种风按时而至,并在赤道南北来回移动。
气象学家指出,地球上有几个高低相间的气压带:在赤道附近是低气压带;在南北回归线附近是回归高气压带;两极是极地高气压带;在回归高压带和极地高压带之间是副极地低压带。各气压带间的风向,都受地转偏向力指挥,因此地球上形成了一系列南北相间的风带。除了前面讲述的偏东信风以外,在回归高压带和副极地低压带之间是著名的西风带。尤其在南半球,洋面广阔,受陆地地形影响少,常刮强劲的西风,因此,人们叫它咆哮的西风带。在副极地低压带和极地高压区之间,是偏东的极地东风带。
地球在飞快地自转,并且在地面上造成了许多严重后果,为什么我们长期以来没有觉察出来呢?关于这个问题,我国东汉时期的《尚书纬·考灵曜》一书中解释得很清楚。它指出:“地恒动不止,而人不知,譬如人在大舟中,闭窗而坐,舟行而不觉也。”
哥白尼也说过类似的比喻:“如果船只平稳地行驶,船外的一切东西,从船上看来,都好像是以船行的速度向后移动,以致船上的人误以为船和船上的一切东西都是静止的。这个理由,对于地球无疑也是适用的。”
伽利略的比喻更巧妙,他说:“试把自己和友人关在一只大船甲板底下的大房间里,如果船用均匀的速度运动着,那么你们就不可能一下子判断出船是在运动呢,还是静止着。你们在那里跳远的话,在地板上跳出来的距离就和在静止不动的船上跳出来的距离一样。你们不会因为船在高速度行进而向船尾跳得远些,向船头跳得近些……如果你丢掷一些东西给你的同伴,你从船尾丢向船头所花的力气,并不比从船头丢向船尾所花的力气更大……苍蝇也会四处飞行,而不会在靠近船的一边停留……”
哥白尼还说过:“地球同附在它上面的东西,包括水和空气在内,一起运动,因此,空气和其中的一切轻飘之物,如果没有其他力量的驱遣,看起来都应该是静止的。”
在这些话里,科学家们给我们指出,应该根据什么来判断我们地球在运动。根据和我们地球一起运动的树木、田野和房屋吗?
不行,这好像“关在甲板底下的大房间里”的人看到床和桌子是静止不动的一样,是察觉不了地球在自转的。他必须走到甲板上遥望两岸的树木、田野和房屋,才能判断船在运动。而根据树木、田野和房屋向后退去,才能判断出船在前进。
我们生活在地球这只巨大的宇宙飞船上,要察觉地球在运动,也只能依靠地球外面的参照物,这就是星星。太阳早上从东边升起来,晚上从西边落下去;月亮从东边升起来,从西边落下去;一切星星都是从东边升起来,从西边落下去。步伐是那样协调,行动是那样一致,这绝不是协商好了的,而是我们地球自转的结果。
“坐地日行八万里,巡天遥看一千河。”这概括了地球的两种运动:自转和公转。
知识点磁偏角
磁偏角是地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。因指南针、磁罗盘是测定磁偏角最简单的装置,所以磁偏角的发现和测定的历史也很早。1702年,英国E·哈雷发表了第一幅大西洋磁偏角等值线图。根据规定,磁针指北极N向东偏则磁偏角为正,向西偏则磁偏角为负。磁偏角是指磁针静止时,所指的北方与真正北方的夹角。
寻找自转的证据
旭日东升,白昼来到;夕阳西下,黑夜降临。地球上白天和黑夜的交替是地球自转的结果。
地球本身是不发光的,它依照反射太阳光辉而照亮。太阳只能照亮半个地球。所以向太阳的一面是白天,背太阳的一面是黑夜。由于地球在不停地自转,因此被照亮的部分和照不到的部分在不停地移动,这样就造成白天和黑夜交替出现了。
一年有春、夏、秋、冬四季,春去夏来,夏去秋来,秋去冬来,天气各不相同。有一首小诗描写了四时景色:“春水满泗泽,夏云多奇峰。秋月扬明辉,冬岭秀孤松。”
有人以为,四季变化是日—地距离变化引起的。从直观看,这似乎有道理。烤火的时候不是离炉火近热、离炉火远凉吗?
但四季形成的原因不在日—地距离的远近。1月3日前后,地球离太阳最近,应该最热,而在我们北半球,1月的天气最严寒。7月4日前后,地球离太阳最远,应该最冷,而在我们北半球,7月的天气最炎热。这同日—地距离关系正好相反。在南半球的冷热情况虽然符合日—地距离远近的关系,但它不是日—地距离远近变化引起的。有人做过计算,1月初地球从太阳那里得到的热量比7月初多7%。这样微小的差异,是不会引起那么大的寒暑变化的。
天文学家告诉我们,地球轨道面和赤道面不重合,即有黄赤交角存在,这就使得在一年时间内,太阳光直射地面上的位置不断在赤道两边来回移动。阳光直射的地方,地面接收的热量多,天气热,是夏季;阳光斜射的地方,地面接收的热量少,天气冷,是冬季。介乎这两者之间的是春季和秋季。因为太阳光直射的位置在不断地移动,所以地面上一定的地方接收的太阳热量有时多,有时少,这样,就形成了四季变化。
每年春分(3月21日左右)时,太阳光直射在赤道上,这时南半球和北半球得到同样多的阳光,白天和黑夜的长短正好相等,北半球气候温和是春天,南半球是秋天。
当地球的北极逐渐转向太阳,北半球接收的阳光越来越多,南半球接收的阳光越来越少。在夏至的时候(6月22日左右),太阳光直射在北回归线上空,北半球得到的热量多,是夏天;南半球相反,得到的热量少,是冬天。
地球的北极逐渐偏离太阳,北半球接收的阳光越来越少,南半球接收的阳光越来越多。在秋分的时候(9月23日左右),太阳光又直射到赤道上,地球上各地白天和黑夜都一样长。南半球和北半球接收到同样多的阳光,北半球是秋天,南半球是春天。
当地球的南极逐渐转向太阳,南半球接收的阳光越来越多,北半球接收的阳光越来越少。在冬至的时候(12月22日左右),太阳光直射到南回归线上,南半球得到热量多,是夏天。北半球则相反,是冬天。
地球在轨道上周而复始地运动着,太阳光直射到地面上的位置在南回归线和北回归线之间来回移动。这样,我们居住的地球上便出现了复杂多变的四季变化。
除了同一个地方不同时间季节不同以外,地面上不同的地方,由于得到阳光多少不同,温度高低也是不同的。
在赤道附近,太阳光直射,得到的热量最多,气候炎热;在南、北极地区,太阳光斜射,得到的阳光最少,气候寒冷;在赤道和两极中间的地区,得到的太阳光在寒带和热带之间,气候温和。因此,人们把地球上分成5个不同的气候带,它们是热带、南温带、北温带、南寒带、北寒带。
季节变化和气候带的分布是证明地球公转和自转最有力的证据。
磁化的球体
远在2000多年前的春秋战国时代,我国就发现了自然界的磁石(即磁铁矿)和磁石吸铁的现象。古人将磁石写作“慈石”,比喻磁石吸铁犹如父母慈爱子女一样。后来,人们开始用磁石来做指示方向的工具,叫做司南。
司南司南的样子像一个汤勺,它的下面是一个铜盘,刻有24个方位。勺可在盘上转动,停止转动后勺柄就能指示南方。现在,北京中国历史博物馆内有复原的司南模型。
到了宋代,人们拿一根钢针,放在磁铁上方,使钢针变成磁针,发明了用人工磁化方法制成的便于应用的指南针,而且还应用到航海上。
我国还发现了指南针所指的南北与真正南北略有偏离的磁偏角现象。后来,指南针传到了欧洲,对新航线和新大陆的发现起了很大的作用。可以说我国是世界上最早利用地球磁性的国家,而哥伦布是在发现新大陆途中才发现磁偏角的,比我国晚了约400多年。
司南和指南针为什么能指南北呢?人们对这一现象的认识曾经历了漫长的过程。有人曾经认为,指南针是受到遥远的北极星的吸引才永远指向北极星的方向。
但后来发现,悬挂的指南针越往北方移动时,指针北端越朝下倾斜,也就不再指北极星了。在北极附近,针北端指向球的北极,而针南端指向北极星。随着自然知识的增长,人们渐渐明白了,原来我们居住的地球也是有磁性的。地磁北极吸引着磁针的南极,地磁南极吸引看磁针的北极。指南针上的磁针在地球磁性的作用下,具有指极性,而也就能够指向南北了。