四季和昼夜的交替

8　四季和昼夜的交替——地球的公转与自转

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日常生活中，我们都是日出而作，日落而息，一年之中要经历春、夏、秋、冬四个季节，这些看似习以为常的事，你想过这是为什么吗？这些都是因为我们居住的地球，在不停的自转和围绕着太阳的公转引起来的。

自转是地球的一种重要运动形式，地球自转带来白昼更替，地球赤道上的自转线速度为465米/秒。地球在自转时同时公转，自转一周需用23小时56分4秒，公转了约0.986°，按地球自转速度折合3分56秒时间，自转加上公转用的时间共24小时。地球自转：地球绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转，从南极点上空看呈顺时针旋转。

地球的自转并不是一个匀速运动，这是20世纪初天文学的一项重要发现。美国国立标准技术研究所的观察结果表明，长时期以来呈减慢趋势的地球自转速度自1999年开始加快。时间测定师们称，为调准以地球自转速度为标准的地球时间和原子时钟的时间，自1972年起到1999年的27年来为地球的标准时钟追加过共22闰秒的时间，但1999年后却没有追加过闰秒，是因为地球的自转速度加快了。

地球自转轴不在南北极轴上

地球的自转速度有三种变化：

第一长期减慢，这种变化使日的长度在一个世纪内大约增长1～2毫秒，引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。

第二周期性变化，20世纪50年代从天文测时的分析发现，地球自转速度有季节性的周期变化，春天变慢，秋天变快，此外还有半年周期的变化。周年变化的振幅约为20～25毫秒，主要是由风的季节性变化引起的。

第三不规则变化，地球自转还存在着时快时慢的不规则变化，原因还不明确。地球自转减慢还与人类的活动有很大的关系，特别是人造地球卫星的发射，其反作用力让地球自转直接变慢，根据动量守恒的原理，这种因素应该是目前造成地球自转变慢的最主要原因了。所以人类为了地球的安全，发射的卫星不应该再借助地球自转的动量。

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十二生肖与天文学

在我国原古时期，人们无法记述时间，只能体验着寒暑交替的循环往复，最开始是用绳打结记事，可是日子一天一天地过，实在是太长了，又总结不出规律，后来人们发现地上的青草，暖时就青，寒冷就枯萎，于是人们就知道了一年就是地上的草青一次，若问有几岁了，就是说草青了几次，还是无法准确地记述历法。后来有观天者发现月亮盈亏周期可以用来丈量岁的长短，发现十二次月圆为一岁，这一发现，是初期历法最精度的成果之一，“十二”便视为传达天意的“天之大数”。天干需地支为伴，日月相对，天地相对，就非“十二”莫属了，这就是十二生肖产生的天文学背景。

地球的公转过程与太阳的距离有远有近就产生了四季更替；球轨道的形状是一个接近正圆的椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。地球公转就是地球按一定轨道围绕太阳转动，像地球的自转具有其独特规律性一样，太阳引力场以及自转的作用导致地球的公转。地球在公转过程中，所经过的路线上的每一点，都在同一个平面上，而且构成一个封闭曲线。这种地球在公转过程中所走的封闭曲线，叫作地球轨道。如果我们把地球看成一个质点的话，那么地球轨道实际上是指地心的公转轨道。地球的自转和公转是同时进行的，在天球上，自转表现为天轴和天赤道，公转表现为黄轴和黄道。天赤道在一个平面上，黄道在另外一个平面上，这两个同心的大圆所在的平面构成一个23°26′的夹角，这个夹角叫作黄赤交角。黄赤交角的存在，实际上意味着，地球在绕太阳公转的过程中，自转轴对地球轨道面是倾斜的。由于地轴与天赤道平面是垂直的，地轴与地球轨道面交角应是90°减23°26′，即66°34′。地球无论公转到什么位置，这个倾角是保持不变的。

地球绕太阳公转一周所需要的时间，就是地球公转周期。笼统地说，地球公转周期是一“年”。因为太阳周年视运动的周期与地球公转周期是相同的，所以地球公转的周期可以用太阳周年视运动来测得。地球上的观测者，观测到太阳在黄道上连续经过某一点的时间间隔，就是一“年”。

四季更替

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地球公转的不匀速性

地球公转的角速度和线速度都不是固定不变的，随着日地距离的变化而改变，依据开普勒行星运动第二定律可知，地球公转速度与日地距离有关。地球在过近日点时，公转的速度快，角速度和线速度都超过它们的平均值，角速度为1°1′11″/日，线速度为30.3千米/秒；地球在过远日点时，公转的速度慢，角速度和线速度都低于它们的平均值，角速度为57′11″/日，线速度为29.3千米/秒。地球于每年1月初经过近日点，7月初经过远日点，因此，从1月初到当年7月初，地球与太阳的距离逐渐加大，地球公转速度逐渐减慢；从7月初到来年1月初，地球与太阳的距离逐渐缩小，地球公转速度逐渐加快。