地球靠什么力自转和公转?

地球靠什么力自转和公转?
地球靠什么力自转和公转?

地球靠什么力自转和公转?
地球存在绕自转轴自西向东的自转,平均角速度为每小时转动15度.在地球赤道上,自转的线速度是每秒465米.天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映.人们最早利用地球自转作为计量时间的基准.自20世纪以来由于天文观测技术的发展,人们发现地球自转是不均的.1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时.由于原子时的建立和采用,地球自转中的各种变化相继被发现.现在天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化.
通过对月球、太阳和行星的观测资料和对古代月食、日食资料的分析,以及通过对古珊瑚化石的研究,可以得到地质时期地球自转的情况.在6亿多年前,地球上一年大约有424天,表明那时地球自转速率比现在快得多.在4亿年前,一年有约400天,2.8亿年前为390天.研究表明,每经过一百年,地球自转长期减慢近2毫秒（1毫秒＝千分之一秒）,它主要是由潮汐摩擦引起的.此外,由于潮汐摩擦,使地球自转角动量变小,从而引起月球以每年3～4厘米的速度远离地球,使月球绕地球公转的周期变长.除潮汐摩擦原因外,地球半径的可能变化、地球内部地核和地幔的耦合、地球表面物质分布的改变等也会引起地球自转长期变化.
地球自转速度除上述长期减慢外,还存在着时快时慢的不规则变化,这种不规则变化同样可以在天文观测资料的分析中得到证实,其中从周期为近十年乃至数十年不等的所谓"十年尺度"的变化和周期为2～7年的所谓"年际变化",得到了较多的研究.十年尺度变化的幅度可以达到约±3毫秒,引起这种变化的真正机制目前尚不清楚,其中最有可能的原因是核幔间的耦合作用.年际变化的幅度为0.2～0.3毫秒,相当于十年尺度变化幅度的十分之一.这种年际变化与厄尔尼诺事件期间的赤道东太平洋海水温度的异常变化具有相当的一致性,这可能与全球性大气环流有关.然而引起这种一致性的真正原因目前正处于进一步的探索阶段.此外,地球自转的不规则变化还包括几天到数月周期的变化,这种变化的幅度约为±1毫秒.
地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化,月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化.周年周期变化,也称为季节性变化,是二十世纪三十年代发现的,它表现为春天地球自转变慢,秋天地球自转加快,其中还带有半年周期的变化.周年变化的振幅为20～25毫秒,主要由风的季节性变化引起.半年变化的振幅为8～9毫秒,主要由太阳潮汐作用引起的.此外,月周期和半月周期变化的振幅约为±1毫秒,是由月亮潮汐力引起的.地球自转具有周日和半周日变化是在最近的十年中才被发现并得到证实的,振幅只有约0.1毫秒,主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的.
地球公转
1543年著名波兰天文学家哥白尼在《天体运行论》一书中首先完整地提出了地球自转和公转的概念.地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道半长径为149597870公里,轨道的偏心率为0.0167,公转的平均轨道速度为每秒29.79公里；公转的轨道面（黄道面）与地球赤道面的交角为23°27',称为黄赤交角.地球自转产生了地球上的昼夜变化,地球公转及黄赤交角的存在造成了四季的交替.
从地球上看,太阳沿黄道逆时针运动,黄道和赤道在天球上存在相距180°的两个交点,其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点,称为春分点,与春分点相隔180°的另一点,称为秋分点,太阳分别在每年的春分（3月21日前后）和秋分（9月23日前后）通过春分点和秋分点.对居住的北半球的人来说,当太阳分别经过春分点和秋分点时,就意味着已是春季或是秋季时节.太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点,与之相差180°的另一点称为冬至点,太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点.同样,对居住在北半球的人,当太阳在夏至点和冬至点附近,从天文学意义上,已进入夏季和冬季时节.上述情况,对于居住在南半球的人,则正好相反.
地极移动
地极移动,简称为极移,是地球自转轴在地球本体内的运动.1765年,欧拉最先从力学上预言了极移的存在.1888年,德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移.1891年,美国天文学家张德勒指出,极移包括两个主要周期成分：一个是周年周期,另一个是近14个月的周期,称为张德勒周期.前者主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫摆动,后者是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动.极移的振幅约为±0.4角秒,相当于在地面上一个12×12平方米范围.
由于极移,使地面上各点的纬度、经度会发生变化.1899年成立了国际纬度服务,组织全球的光学天文望远镜专门从事纬度观测,测定极移.随着观测技术的发展,从二十世纪六十年代后期开始,国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全球定位系统测定极移,测定的精度有了数量级的提高.
根据近一百年的天文观测资料,发现极移包含各种复杂的运动.除了上述周年周期和张德勒周期外,还存在长期极移,周月、半月和一天左右的各种短周期极移.其中长期极移表现为地极向着西径约70°～80°方向以每年3.3～3.5毫角秒的速度运动.它主要是由于地球上北美、格棱兰和北欧等地区冰盖的融化引起的冰期后地壳反弹,导致地球转动惯量变化所致.其它各种周期的极移主要与日月的潮汐作用以及与大气和海洋的作用有关.
岁差与章动
在外力的作用下,地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向,而是不断发生变化.其中地轴的长期运动称为岁差,而周期运动称为章动.岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的变化.公元前二世纪,古希腊天文学家喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时,首次发现了岁差现象.中国晋代天文学家虞喜,根据对冬至日恒星的中天观测,独立地发现了岁差.据《宋史·律历志》记载："虞喜云：'尧时冬至日短星昴,今二千七百余年,乃东壁中,则知每岁渐差之所至'".岁差这个名词即由此而来.
牛顿第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分的吸引.在太阳和月球的引力作用下,地球自转轴在空间绕黄极描绘出一个圆锥面,绕行一周约需26000年,圆锥面的半径约为23°.5.这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差.除太阳和月球的引力作用外,地球还受到太阳系内其它行星的引力作用,从而引起地球运动的轨道面,即黄道面位置的不断变化,由此使春分点沿赤道有一个小的位移,称为行星岁差.行星岁差使春分点每年沿赤道东进约0.13角秒.
地球自转轴在空间绕黄极作岁差运动的同时,还伴随有许多短周期变化.英国天文学家布拉得雷在1748年分析了20年恒星位置的观测资料后,发现了章动现象.月球轨道面（白道面）位置的变化是引起章动的主要原因.目前天文学家已经分析得到章动周期共有263项之多,其中章动的主周期项,即18.6年章动项是振幅最大的项,它主要是由于白道的运动引起白道的升交点沿黄道向西运动,约18.6年绕行一周所致.因而,月球对地球的引力作用也有相同周期变化,在天球上它表现为天极在绕黄极作岁差运动的同时,还围绕其平均位置作周期为18.6年的运动.同样,太阳对地球的引力作用也具有周期性变化,并引起相应周期的章动.
地球的起源和演化
一、地球的起源
地球起源问题是同太阳系的起源紧密相联系的,因此探讨地球的起源问题,首先了解目前太阳系的三个主要特征是必要的.概括起来说,它们是：
1．太阳系中的九大行星,都按反时针方向绕太阳公转.太阳本身也以同一方向自转,这个特征称为太阳系天体运动的同向性.
2．上述行星绕太阳公转的轨道面,非常接近于同一平面,并且这个平面与太阳自转赤道面的夹角也不到6°,这个特征称为行星轨道运动的共面性.
3．除水星和冥王星外,其它所有行星的绕日公转轨道都很接近于圆轨道.这个特征称为行星轨道运动的近圆性.
关于地球的起源问题,已有相当长的探讨历史了.在古代,人们就曾探讨了包括地球在内的天地万物的形成问题,在此期间,逐渐形成了关于天地万物起源的"创世说".其中流传最广的要算是《圣经》中的创世说.在人类历史上,创世说曾在相当长的一段时期内占据了统治地位.
自1543年波兰天文学家哥白尼提出了日心说以后,天体演化的讨论突破了宗教神学的桎梏,开始了对地球和太阳系起源问题的真正科学探讨.1644年,笛卡儿（R.Descartes）在他的《哲学原理》一书中提出了第一个太阳系起源的学说,他认为太阳、行星和卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡里形成的.一个世纪之后,布封（G.L.L. de Buffon）于1745年在《一般和特殊的自然史》中提出第二个学说,认为：一个巨量的物体,假定是彗星,曾与太阳碰撞,使太阳的物质分裂为碎块而飞散到太空中,形成了地球和行星.事实上由于彗星的质量一般都很小,不可能从太阳上撞出足以形成地球和行星的大量物质的.在布封之后的200年间,人们又提出了许多学说,这些学说基本倾向于笛卡尔的"一元论",即太阳和行星由同一原始气体云凝缩而成；也有"二元论"观点,即认为行星物质是从太阳中分离出来的.1755年,著名德国古典哲学创始人康德（I. Kant）提出"星云假说".1796年,法国著名数学和天文学家拉普拉斯（P. S. Laplace）在他的《宇宙体系论》一书中,独立地提出了另一种太阳系起源的星云假说.由于拉普拉斯和康德的学说在基本论点上是一致的,所以后人称两者的学说为"康德－拉普拉斯学说".整个十九世纪,这种学说在天文学中一直占有统治的地位.
到本世纪初,由于康德－拉普拉斯学说不能对太阳系的越来越多的观测事实作出令人满意的解释,致使"二元论"学说再度流行起来.1900年,美国地质学家张伯伦（T. C. Chamberlain）提出了一种太阳系起源的学说,称为"星子学说"；同年,摩耳顿（F. R. Moulton）发展了这个学说,他认为曾经有一颗恒星运动到离太阳很近的距离,使太阳的正面和背面产生了巨大的潮汐,从而抛出大量物质,逐渐凝聚成了许多固体团块或质点,称为星子,进一步聚合成为行星和卫星.
现代的研究表明,由于宇宙中恒星之间相距甚远,相互碰撞的可能性极小,因此,摩耳顿的学说不能使人信服.由于所有灾变说的共同特点,就是把太阳系的起源问题归因于某种极其偶然的事件,因此缺少充分的科学依据.著名的中国天文学家戴文赛先生于1979年提出了一种新的太阳系起源学说,他认为整个太阳系是由同一原始星云形成的.这个星云的主要成份是气体及少量固体尘埃.原始星云一开始就有自转,并同时因自引力而收缩,形成星云盘,中间部分演化为太阳,边缘部分形成星云并进一步吸积演化为行星.
总的来说,关于太阳系的起源的学说已有40多种.本世纪初期迅速流行起来的灾变说,是对康德－拉普拉斯星云说的挑战；本世纪中期兴起的新的星云说,是在康德－拉普拉斯学说基础上建立起来的更加完善的解释太阳系起源的学说.人们对地球和太阳系起源的认识也是在这种曲折的发展过程中得以深化的.
至此,我们可以对形成原始地球的物质和方式给出如下可能的结论.形成原始地球的物质主要是上述星云盘的原始物质,其组成主要是氢和氦,它们约占总质量的98％.此外,还有固体尘埃和太阳早期收缩演化阶段抛出的物质.在地球的形成过程中,由于物质的分化作用,不断有轻物质随氢和氦等挥发性物质分离出来,并被太阳光压和太阳抛出的物质带到太阳系的外部,因此,只有重物质或土物质凝聚起来逐渐形成了原始的地球,并演化为今天的地球.水星、金星和火星与地球一样,由于距离太阳较近,可能有类似的形成方式,它们保留了较多的重物质；而木星、土星等外行星,由于离太阳较远,至今还保留着较多的轻物质.关于形成原始地球的方式,尽管还存在很大的推测性,但大部分研究者的看法与戴文赛先生的结论一致,即在上述星云盘形成之后,由于引力的作用和引力的不稳定性,星云盘内的物质,包括尘埃层,因碰撞吸积,形成许多原小行星或称为星子,又经过逐渐演化,聚成行星,地球亦就在其中诞生了.根据估计,地球的形成所需时间约为1千万年至1亿年,离太阳较近的行星（类地行星）,形成时间较短,离太阳越远的行星,形成时间越长,甚至可达数亿年.
至于原始的地球到底是高温的还是低温的,科学家们也有不同的说法.从古老的地球起源学说出发,大多数人曾相信地球起初是一个熔融体,经过几十亿年的地质演化历程,至今地球仍保持着它的热量.现代研究的结果比较倾向地球低温起源的学说.地球的早期状态究竟是高温的还是低温的,目前还存在着争论.然而无论是高温起源说还是低温起源说,地球总体上经历了一个由热变冷的阶段,由于地球内部又含有热源,因此这种变冷过程是极其缓慢的,直到今天地球仍处于继续变冷的过程中.
二、地球的演化
地表的基本轮廓可以明显地分为两大部分,即大陆和大洋盆地.大陆是地球表面上的高地,大洋盆地是相对低洼的区域,它为巨量的海水所充填.大陆和大洋盆地共同构成了地球岩石圈的基本组成部分.因此,岩石圈的演化问题,也就是大陆和大洋盆地的构造演化问题.有关地球内部的结构请参见地球各圈层结构一节.
现在,绝大部分地球科学家都确认大陆漂移现象,并一致认为地球上海洋与陆地的结构分布和变化与大陆漂移运动直接相关.比较坚硬的地球岩石圈板块作为一个单元在其之下的地球软流圈上运动；由于岩石圈板块的相对运动,导致了大陆漂移,并形成了今天地球上的海洋和陆地的分布.地球岩石圈可分为大洋岩石圈和大陆岩石圈,总体上,前者的厚度是后者的一半,其中大洋岩石圈厚度很不均匀,最厚处可达80公里.
大部分大型的地球板块由大陆岩石圈和大洋岩石圈组成,但面积巨大的太平洋板块由单一的大洋岩石圈构成.地球上陆地面积约占整个地球面积的30％,其中约70％的陆地分布在北半球,并且位于近赤道和北半球中纬度地区,这很可能与地球自转引起的大陆岩块的离极运动有关.
在全球范围内,分布在大陆附近的大陆壳岛屿几乎全部位于大陆的东海岸一侧,个别一些大陆东部边缘,则被一连串的大陆壳岛屿构成的花彩状岛群所环绕,形成了显著的向东凸出的岛弧.这种全球大陆壳岛屿的分布特征,可以用岩石圈板块的普遍向西运动和边缘海底的扩张理论来加以解释.长期以来,人们就注意到地表上的某些大陆构造能够拼合在一起,这就好像是一个拼板玩具,特别是非洲的西海岸与南美洲的东海岸之间的吻合性最为明显.这种现象可以用大陆岩石圈的直接破裂和大陆岩块体的长期漂移得到解释.这就是我们后面将要介绍的关于杜托特提出的现今的大陆是由北半球的劳亚古陆和南极洲附近的冈瓦纳古陆的破裂后漂移形成的.
1966年,梅纳德（H. W. Menard）等汇集了当时所有的有关海洋深度的探测资料,再度进行了世界海洋深度的统计,得到全球陆地在海平面以上的平均高程为0.875公里,大洋的平均深度为3.729公里.大陆和大洋之间存在为海水所淹没的数拾公里宽的边缘地带,这个地带包括大陆架和大陆坡,两者共占地球表面积的10.9%.大陆地壳和大洋地壳的差异非常明显,大陆地壳的化学成份主要是花岗岩质,而大洋盆地下的岩石主要是由玄武岩或辉长岩构成.因此,整个地壳又可以分为大陆硅铝壳和大洋硅镁壳两大类型.
有关大陆的起源问题,地质和地球物理学家杜托特（A. L. Du Toit）于1937年在他的《我们漂移的大陆》一书中提出了地球上曾存在两个原始大陆的模式.如果这个模式成立,那么这两个原始大陆分别被称为劳亚古陆（Lanrasia）和冈瓦纳古陆（Gondwanaland）；这实际上就象以前魏格纳等人所主张的那样,把全球大陆只拼合为一个古大陆.杜托特认为,两个原始大陆原来是在靠近地球两极处形成的,其中劳亚古陆在北,冈瓦纳古陆在南,在它们形成以后,便逐渐发生破,并漂移到今天大陆块体的位置.
早在19世纪末,地质家学休斯（E. Suess）已认识到地球南半球各大陆的地质构造非常相似,并将其合并成一个古大陆进行研究,并称其为冈瓦纳古陆,这个名称源于印度东中部的一个标准地层区名称（Gondwana）.冈瓦纳古陆包括现今的南美洲、非洲、马达加斯加岛、阿拉伯半岛、印度半岛、斯里兰卡岛、南极洲、澳大利亚和新西兰.它们均形成于相同的地质年代,岩层中都存在同种的植物化石,被称为冈瓦纳岩石.杜托特用以证明劳亚古陆和冈瓦纳古陆的存在和漂移的主要证据,是来自地质学、古生物学和古气候学方面.根据三十多年中积累起来的资料,有力地证明冈瓦纳古陆的理论基本上是正确的.
劳亚古陆是欧洲、亚洲和北美洲的结合体,这些陆块即使在现在还没有离散得很远.劳亚古陆有着很复杂的形成和演化历史,它主要由几个古老的陆块合并而成,其中包括古北美陆块、古欧洲陆块、古西伯利亚陆块和古中国陆块.在晚古生代（距今约3亿年前）这些古陆块逐步靠扰并碰撞,大致在石炭纪早中期至二叠纪（即2亿至2亿7千万年前）才逐步闭合.古地质、古气候和古生物资料表明,劳亚古陆在石炭～二叠纪时期位于中、低纬度带.在中生代以后（即最近的1－2亿年间）劳亚大陆又逐步破裂解体,从而导致北大西洋扩张形成.研究表明,全球新的造山地带的形成和分布,都是劳亚古陆和冈瓦纳古陆破裂和漂移的构造结果.在这过程中,大陆岩块的不均匀向西运动和离极运动的规律十分明显.总的看来,劳亚古陆曾位于北半球的中高纬度带,冈瓦纳古陆则曾一度位于南半球的南极附近；这两个大陆之间由被称为古地中海（也称为特提斯地槽）的区域所分隔开.
在杜托特（1937年）提出劳亚古陆与冈瓦纳古陆理论之前,魏格纳（A.L.Wegener）早在1912年曾提出了地球上曾只有一个原始大陆存在的理论,称为联合古陆.魏格纳认为,它是在石炭纪时期（距今约2.2亿－2.7亿年前）形成的.魏格纳把联合古陆作为他描述大陆漂移的出发点.然而根据人们现在的认识,魏格纳所提出的联合古陆决不是一个原始的大陆.虽然仍有很大一部分人赞同联合古陆观点,但他们所作出的古大陆复原图与魏格纳所提出的复原图相比,已存在很大的差别,相反倒有些接近杜托特的两个古大陆分布的理论.
最近2亿年以来的大陆漂移和板块运动,已得到了确切证明和广泛的承认.然而有人推测,板块运动很可能早在30亿年前就已经开始了,而且不同地质时期的板块运动速度是不同的,大陆之间曾屡次碰撞和拼合,以及反复破裂和分离.大陆岩块的多次碰撞形成了褶皱山脉,并连接在一起形成新的大陆,而由大洋底扩张形成新的大洋盆地.因此,要准确复原出大陆在2亿多年前所谓的"漂移前的漂移"是十分困难的.地球的年龄已有46亿年历史,目前已经知道地球上最古老的岩石年龄为37亿年,并且分布的面积相当小.这样,从46亿年到37亿年间,约有9亿年的间隔完全缺失地质资料.此外,地球上25亿年前的地质记录也非常有限,这对研究地球早期的历史状况带来不少困难,因此,直到现在我们还没有一个关于地球早期历史的统一的理论.
大洋的起源与演化
有关大洋的起源和演化研究从本世纪初才开始,在此之前一般认为大洋盆地是地球表面上永存的形态,也即大洋盆地自从贮水形成以来,其位置和分布格局是固定的.随着地球科学的发展,特别是本世纪初以魏格纳为首的大陆漂移这一革命性的学说的提出,对自最近的2亿多年以来大洋的起源和演化有了突破性的认识.
对于大陆漂移学说,并非一开始就得到许多人支持的,因为当时对引起大陆漂移的机制,即力源问题并没有很好解决.1931年,霍姆斯等人提出了地幔对流学说,用于解释大陆漂移的力源,然而这个观点在当时很少受到人们的注意.19世纪后期,有人建立了地球收缩的全球构造学说,用于解释地球上为什么会有如此大规模的造山运动.然而,本世纪50年代以后,随着全球性大洋中裂谷的巨大拉张性证据的发现,收缩学说被普遍放弃了,与此同时,地球膨胀学说很快流行起来.膨胀说认为,地球开始时很小,直径是现今地球的一半.由于地球大幅度膨胀,原始地壳裂开成为现在的大陆,裂开的地方经过不断发展成为现代的大洋盆地.并且,由于地球的大幅度膨胀引起的所谓大陆漂移,表明大陆块基本上是停留在原地的,即各大陆之间和大陆相对于地幔之间并没有发生过显著的移动.由于膨胀说无法解释大陆地壳上广泛发育的褶皱山脉构造特征是怎么形成的,霍姆斯等人的地幔对流说很快再次被重视.60年代初,随着洋底探测资料的迅速积累,赫斯（H. H. Hess）和迪茨（R. S. Dietz）首先把地幔对流方案发展为海底扩张的学说.赫斯在1962年发表了《大洋盆地的历史》一文,提出了大洋起源的新观点,即海底扩张理论.赫斯认为洋底的主要构造就是由地幔对流作用的直接表现.海底扩张理论证明,大陆和洋底是在对流着的地幔上被动地移动着,而不像早期的大陆漂移说所主张的大陆在洋底上主动漂移.海底扩张理论提出后不久,一些别的洋底观测结果,诸如洋底地壳构造、地磁、地震震源和地热流量分布等对这个理论提供了有力证据.这种情况下,使得大部分的学者都转向了关于海底扩张的研究.现在已经普遍确认,可以用海底扩张和板块运动理论解释大洋起源和演化,大洋盆地的固定论看来是过时了.海底扩张和板块构造学说对大洋的起源和演化的理论解释的基础都是地幔对流说.
现代研究证实,大洋最初是在大陆内部孕育的,并开始于大陆岩石圈中的裂谷.大陆在裂谷处破裂并相互分离,从而开始产生新的大洋盆地.魏格纳曾把南大西洋两对岸的吻合作为阐述大陆漂移说的出发点.事实上,把南美洲与非洲两大陆拼合到一起,不仅大陆边沿地形轮廓非常吻合,而且岩石类型和地质构造也可以对接起来.现已证明,大西洋在二叠纪（2亿5千万年前）时还根本不存在,据估计,形成中大西洋的大陆裂谷发生在稍后的三叠纪（约1亿6千万－1亿9千万年前）.至侏罗纪末期（约1亿2千万年前）,中大西洋可能已张开达1000公里的宽度；南大西洋的张开大约开始于早白垩纪（约1亿1千万年前）,而最初的裂谷发生在晚侏罗纪（约1亿3千万年前）；北大西洋张开最晚,大约开始于第三纪初（约6000－7000万年前）,与此同时,由北大西洋裂谷向东北延展而伸入格陵兰与欧洲之间,挪威海随之张裂开.从6千万年到2千万年前,挪威海、巴芬海和北大西洋主体都在扩张,但速率和方向均有些变化.综上所述,现今的那些广阔的大洋盆地并不是从来如此,而是长期的地球运动和演化的结果.大洋由狭窄海湾到宽阔盆地的发展,是通过持续发生的大规模海底扩张过程实现的.海底扩张和板块运动的动力都是地幔对流.
由于地球原始地壳自从形成以来,从来没有停止过大规模的地质构造形态的运动.因此,可以肯定地说,现在地球上大洋和陆地的形态就是过去数拾亿年来大规模地壳运动的结果.
出处：上海网上天文台