地球是怎样旋转的?

地球绕自转轴自西向东的转动.地球自转是地球的一种重要运动形式,自转的平均角速度为 7.292×10-5弧度／秒,在地球赤道上的自转线速度为 465米／秒.一般而言,地球的自转是均匀的.但精密的天文观测表明,地球自转存在着3种不同的变化.
自转速度的变化
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20世纪初以后,天文学的一项重要发现是,确认地球自转速度是不均匀的.人们已经发现的地球自转速度有以下3种变化：① 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,使以地球自转周期为基准所计量的时间,2000 年来累计慢了2个多小时.引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦.科学家发现在37000年以前的泥盆纪中期地球上大约一年400天左右.②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.③不规则变化.地球自转还存在着时快时慢的不规则变化.其原因尚待进一步分析研究.
地球自转轴对于地球本体的运动
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地球自转轴在地球本体上的位置是经常在变动的,这种变动称为地极移动,简称极移.1765年L.欧拉证明,如果没有外力的作用,刚体地球的自转轴将围绕形状轴作自由摆动 , 周期为 305 恒星日 .1888年人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在.1891年美国的S.C.张德勒进一步指出,极移包括两种主要周期成分：一种是周期约14个月的自由摆动,又称张德勒摆动；另一种是周期为12个月的受迫摆动.
实际观测到的张德勒摆动就是欧拉所预言的自由摆动.但因地球不是一个绝对刚体,所以张德勒摆动的周期比欧拉所预言的周期约长40％.张德勒摆动的振幅大约在0.06〃～0.25〃之间缓慢变化 ,其周期的变化范围约为410～440天.极移的另一种主要成分是周年受迫摆动,其振幅约为0.09〃,相对来说比较稳定,主要由于大气和两极冰雪的季节性变化所引起.
将极移中的周期成分除去以后,可以得到长期极移.长期极移的平均速度约为0.003〃／年,方向大致在西经70°左右.
地球自转轴在空间的运动
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地球的极半径约比赤道半径短1／300,同时地球自转的赤道面、地球绕太阳公转的黄道面和月球绕地球公转的白道面, 这三者并不在 一个平面内.由于这些因素,在月球、太阳和行星的引力作用下,使地球自转轴在空间产生了复杂的运动.这种运动通常称为岁差和章动.岁差运动表现为地球自转轴围绕黄道轴旋转,在空间描绘出一个圆锥面,绕行一周约需 2.6万年.章动是叠加在岁差运动上的许多复杂的周期运动.
证明地球自转
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1.牙签法
先用一只脸盆装满水,放在水平且不易振动的地方,待水静止后,轻轻放下一根木质细牙签,并在牙签的一端做一个记号,记住牙签的位置,过几个小时后(最好在10个小时以上),再去看时你就会发现,牙签已经转动了一定角度,看起来好像是牙签在转动,其实它并没有转动,而是地球在转动.在北半球,牙签作顺时针转动,因为地球自转在北半球看起来是逆时针方向的.南半球则与北半球相反.
2.炮弹法
地球时刻不停地自转,地面上水平运动的物体,必然相对地发生持续的右偏(北半球)或左偏(南半球).根据这种现象,人们分析射出的炮弹运动的方向,就能证明地球在自转.
3.重力加速度法
地球在时刻不停地自转,由于惯性离心力的作用,地面的重力加速度必然是赤道最小,两极最大;地球不可能是正球体,而必然是赤道略鼓,两极略扁的旋转椭球体.重力测量和弧度测量的结果,证实了这些观点的正确性,也就从一个侧面证实了地球的自转.
4.深井测量法
地球时刻不停自转,由于自转速度随高度而增加,物体自高处下落的过程中,必然具有较高的向东的自转速度,而必然坠落在偏东的地点.为了证实这一点,有人曾在很深的矿井中进行试验.试验结果是:自井口中心下落的物体,总在一定的深度同矿井东壁相撞,从另一个侧面证实了地球的自转运动.
5. 傅科摆
证实地球自转的仪器,是法国物理学家傅科于1851年发明的.地球自西向东绕着它的自转轴自转,同时在围绕太阳公转.观察地球的自转效应并不难.用未经扭曲过的尼龙钓鱼线,悬挂摆锤,在摆锤底部装有指针.摆长从3米至30米皆可.当摆静止时,在它下面的地面上,固定一张白卡片纸,上面画一条参考线.把摆锤沿参考线的方向拉开,然后让它往返摆动.几小时后,摆动平面就偏离了原来画的参考线．这是在摆锤下面的地面随着地球旋转产生的现象.
由于地球的自转,摆动平面的旋转方向,在北半球是顺时针的,在南半球是反时针的.摆的旋转周期,在两极是24小时,在赤道上傅科摆不旋转.在纬度40°的地方,每小时旋转10°弱,即在37小时内旋转一周.
显然摆线越长,摆锤越重,实验效果越好.因为摆线长,摆幅就大.周期也长,即便摆动不多几次（来回摆动一二次）也可以察觉到摆动平面的旋转、摆锤越重,摆动的能量越大,越能维持较长时间的自由摆动.图中拍照的是悬挂在北京天文馆球形展览大厅天花板上的傅科摆摆锤部分.