地球自转和公转，重要的运动形式

地球的运动有许多种，其中最显著的是地球的自转和公转。

（一）地球的自转

地球绕着假想的地轴不停地旋转，这是地球的自转。地球自转是地球的一种重要运动形式，它具有确定的方向、周期和速度。地球自转的方向是自西向东。如果在北极上空俯视，其方向是逆时针的；如果在南极上空俯视，其方向是顺时针的。

地球的自转周期，指地球自转一周所用的时间。由于所用的标准不同，地球的周期也不同。当用遥远的恒星做标准时，天空某一恒星两次经过同一子午线的时间间隔为一个恒星日。一个恒星日等于23 h 56 min 4 s，这是地球自转的真正周期。当用太阳做标准时，太阳两次经过同一子午线的时间间隔为一个太阳日，即24 h。由于地球在自转的同时还在绕日公转，一个太阳日地球要自转360°59′，比恒星日多出59′，所以时间上比恒星日多3 min 56 s（如图5-2-6）。

地球自转的速度有角速度和线速度之分。地球自转的角速度约为15°/h。地球自转的线速度是单位时间内地球某点所经过的线距离，线距离因纬度而异，在地球赤道上的自转线速度最大，为465 m/s。

图5-2-6　恒星日与太阳日

（二）地球的公转

地球在自转的同时，还自西向东绕太阳做旋转运动，这就是地球的公转。

1.地球公转的特点

地球公转具有严格的轨道、周期和速度。

地球公转的路线叫作公转轨道。它是近似正圆的椭圆轨道。太阳位于椭圆的一个焦点上。由于地球轨道是椭圆形的，随着地球的绕日公转，日地之间的距离就不断变化。地球轨道上距太阳最近的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较近的一端，称为近日点。在近代，地球过近日点的日期大约在每年1月初。此时地球距太阳约为14710万km，通常称为近日距。地球轨道上距太阳最远的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较远的一端，称为远日点。在近代，地球过远日点的日期大约在每年的7月初。此时地球距太阳约为15210万km，通常称为远日距（如图5-2-7）。近日距和远日距二者的平均值为14960万km，这就是日地平均距离，即1个天文单位。

图5-2-7　地球的公转

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。由于所选取的参考点不同，则“年”的长度也不同。常用的周期单位有恒星年和回归年。若以恒星为参考点而得到的地球公转周期就是恒星年，它是地球公转360°的时间，是地球公转的真正周期。用日的单位表示，其长度为365.2564 d。如果以地球上春分点为参考点，从地球上看，太阳中心连续两次过春分点的时间间隔，称为回归年。春分点是黄道和天赤道的一个交点，它在黄道上的位置不是固定不变的，每年要向西移动50.29″，因此，一个回归年的时间为365.2422 d，比恒星年要短，显然，回归年不是地球公转的真正周期。

2.黄赤交角及其影响

地球的自转轴与其公转的轨道面成66°34′的倾斜角。人们有时形象地比喻地球“斜着身体”绕太阳公转。地球的自转同它公转之间的这种关系，天文学和地理学上通常用它的余角（23°26′），即赤道面与轨道面的交角来表示；而在地心天球上，则表现为地球公转轨道面（黄道面）与赤道面（天赤面）的交角，并被称为黄赤交角（图5-2-8）。黄赤交角的存在，具有重要的天文和地理意义。

图5-2-8　地轴倾斜与黄赤交角

由于黄赤交角的存在，在地球绕日公转的过程中，太阳有时直射北半球，有时直射南半球，有时直射赤道。太阳直射点在北纬23°26′到南纬23°26′之间来回移动。当太阳直射点北移到北纬23°26′（北回归线）时，其时令正是北半球的夏至日（6月22日前后）。此后，太阳直射点南移。到9月23日前后，太阳直射点移到赤道，这一天是北半球的秋分日。太阳直射点继续南移，12月22日前后，太阳直射点到达南纬23°26′（南回归线）处，此时为北半球的冬至日。以后，太阳直射点北返，当3月21日前后太阳直射点再次移到赤道，这一天是北半球的春分日。过后，太阳直射点继续北移，6月22日前后太阳直射点又移到北纬23°26′（北回归线）。这样，地球以一年为周期绕太阳运转，太阳直射点相应地在地球赤道两侧南北回归线之间往返移动。

（三）地球运动的地理意义

地球运动的地理意义主要表现在以下两方面：第一，地球自转和公转决定了太阳辐射在地球上的季节变化和纬度分布，从而决定了地球上的四季和五带；第二，地球自转和公转都是周期性的现象，利用它们的周期性，人类创造了计时制度和历法制度。

1.四季和五带

太阳直射点的南北移动，造成了全球昼夜长短和正午太阳高度的季节变化和纬度差异，从而在地球上产生了四季和五带。

（1）四季

地球运行从春分点到秋分点，是北半球的夏半年和南半球的冬半年，此时太阳直射在北半球，北半球昼长夜短，正午太阳偏高；南半球的情况则正好相反。北极地区有极昼现象，南极地区有极夜现象。从秋分点到春分点，是北半球的冬半年和南半球的夏半年，此时太阳直射在南半球，南半球昼长夜短，正午太阳偏高；南极地区有极昼现象。在这基础上将全年划分为四季，每季3个月，太阳在黄道上运行90°。夏季是一年中白昼最长、太阳最高的季节，冬季则相反，春秋两季是冬夏间的过渡季节（图5-2-9）。

图5-2-9　四季的产生

①春季

以地球在春分点时为本季的中点，前、后各一个半月为始终点。春分日一般指3月21日，这一天正午太阳直射点正好落在赤道上，那里太阳高度为90°，在两极点太阳光线擦掠而过。整个春季太阳直射点从南半球经赤道移到北半球。在我国中纬度地区，本季太阳高度居中，天气逐渐转热。

②夏季

以地球在夏至点时为本季的中点，前、后各一个半月分别为始点、终点。夏至日一般指6月21或22日，此时正午太阳直射点正落在北回归线上，这是太阳直射点的最北位置，在北极圈内出现了极昼，在南极圈内则出现了极夜。整个夏季太阳直射点由南向北移到北回归线后又转向南。在我国中纬度地区，本季太阳高度为最大，昼长夜短，天气炎热。

③秋季

以地球在秋分点时为本季的中点，前、后各一个半月。秋分日一般指9月23日，太阳照射情况类似春分日。整个秋季太阳直射点从北半球经赤道移到南半球。本季我国大部分地区秋高气爽，但逐渐变冷。

④冬季

以地球在冬至点时为本季的中点，前、后各一个半月。冬至日一般指12月22日，正午太阳直射点正落在南回归线上，这是太阳直射点的最南位置，此时在南极圈内出现了极昼，在北极圈内出现了极夜。整个冬季太阳直射点由北向南到南回归线后又转向北。在我国冬季太阳高度为最小，昼短夜长，北方天气寒冷。

（2）五带

地球上的五带指热带、南温带、北温带和南寒带、北寒带。这是天文上的分带，是以正午太阳高度和昼夜长短为标准确定的纬度地带。这种划分不考虑地表的差异，只强调太阳的光照情况。划分五带的纬度界线是南回归线、北回归线和南极圈、北极圈，南回归线、北回归线是太阳直射点最南和最北的界线，南极圈、北极圈是有无极昼和极夜现象的纬度界线，这四条界线将地球分为五带，各带均有明显的天文特征（图5-2-10）。

热带是南回归线、北回归线之间的地带，即南纬23°26′—北纬23°26′之间的低纬地区，热带占全球总面积的39.8%。本带内最大的天文特征是除南回归线、北回归线外，太阳每年直射两次；太阳高度最大值为90°，最小值也不小于43°8′。因此，热带得到最强烈的太阳光照，全年昼夜长短的变化不大，白昼和黑夜都不会长于13 h 25 min，也不会短于10 h 35 min。在赤道上两次太阳直射之间的间隔最长，达半年（分别在春分日和秋分日），且终年昼夜等长。越向南回归线、北回归线靠近，两次太阳直射的间隔越短，而昼夜长短的变化幅度越大。到南回归线、北回归线，太阳直射仅为一次，昼夜长短相差2 h 50 min。

南温带、北温带是南回归线、北回归线分别与南极圈、北极圈之间的地带，即南、北纬23°26′～66°34′之间，宽度均为48°8′。南温带、北温带的面积占全球总面积的51.9%。温带地区太阳终年不会直射，正午太阳高度的极大值随纬度的增加而降低，到南极圈、北极圈正午太阳高度的极大值仅为46°52′。昼夜长短的变化幅度则随纬度的增加而显著地增大，南回归线、北回归线上的2 h 50 min到南极圈、北极圈时可扩大到24 h。

图5-2-10　五带的划分

南寒带、北寒带是南极圈、北极圈分别到南极、北极之间的高纬地带，即从纬度66°34′～90°之间。寒带的面积是五带中最小的，仅占地球总面积的8.3%。寒带最显著的天文特征是出现极昼和极夜现象，夏季出现极昼，冬季出现极夜。但不同纬度极昼和极夜的天数差别很大，在南极圈、北极圈上全年只有一天极昼和极夜，到南、北两极极昼和极夜就各有约6个月。另一现象是太阳高度很小。极昼期间尽管太阳终日不落，太阳却始终很低。寒带内白昼光照强度低，终年得不到充足的太阳辐射是其寒冷的真正原因。

南温带、南寒带和北温带、北寒带的天文特征是共同的，但出现这些特征的时间则相差半年。同一时间出现的特征是相反的，当北温带是昼长夜短的夏季时，南温带则是昼短夜长的冬季；同样，当北寒带出现极昼现象时，南寒带则出现极夜现象。

2.昼夜长短

地球上昼半球和夜半球的分界线（圈），叫作晨昏线（圈）。晨昏线把所有的纬线分割成昼弧和夜弧。地球不停地自转，昼夜也不断地交替。同时地球不停地公转，由于黄赤交角的存在，在同一季节，不同纬度的昼弧和夜弧的长度不同；在同一纬度，昼弧和夜弧的长度随季节而变化。

就昼夜长短的纬度分布而言，春分、秋分日，太阳直射点在赤道，晨昏线正好通过两极，地球上所有地方的昼夜长短都相等，各为12 h。夏至日，太阳直射点在北回归线，在北半球，除赤道地区昼夜等长外，其他地区昼夜长度不等。纬度越高昼越长而夜越短。在北极圈内，太阳整天不落，称为“极昼”。与此同时，在南半球，纬度越高昼越短而夜越长。在南极圈内，太阳整天不升起，称为“极夜”。冬至日，太阳直射点在南回归线，除赤道地区昼夜长度仍然相等外，南北半球的昼夜长短的变化，与夏至日正好相反。

就昼夜长短的季节变化而言，赤道以北的纬度带，每年夏至前后，昼长达到最大值，每年冬至前后，昼长达最小值。例如，北纬40°，夏至日白昼长14 h 52 min；冬至日为9 h 8 min；春分、秋分日各为12 h。

3.历法和时间

历法和时间是人们日常使用的两个时序系统。历法所计量的是长时间，包括年、月、日的问题；时间所计量的则是短时间，指的是时、分、秒的问题。

（1）历法

历法根据天文周期，具体规定全年的天数、各年的月数、各月的日数及相互间的关系，并使每一日都有一个序号（即日期），以表明其所从属的年份和月份，这样的号码称为历日，如2014年8月22日。

历法是人们在生产劳动中逐渐创造和完善起来的，其依据最主要的是天文现象，特别是朔望月和回归年的观测。人们主要创立了三种历法：阴历、阴阳历和阳历。

阴历创立最早，主要成分是历月，是根据朔望月的长度来安排的：大月30日，小月29日，平均历月等于朔望月即29.5306日，积12个历月为1历年，仅为354日。阴历的最大缺陷在于它的月份不能准确地表示季节变化的周期，因此，现在除信奉伊斯兰教的国家和地区采用阴历外，其他国家和地区均已不再使用。

阴阳历是改良的阴历，它的历月与阴历相同，它的历年则兼顾朔望月和回归年。阴阳历每一历年在平年有12个历月，在闰年则有13个历月，这使得平均历月仍等于朔望月，而平均历年等于12.3688朔望月，即365.2422日，相当于一个回归年。这种历法既有明确的月相意义，也兼顾了季节含义。我国的传统历法夏历（或称农历）就是一种阴阳历。但阴阳历的缺陷在于平年和闰年相差的日数太多（达29～30日），于是就有阳历的出现。

在阴阳历中，还根据太阳的位置，把一个太阳年分成二十四个节气，即：立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种、夏至、小暑、大暑、立秋、处暑、白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒和大寒等24个节气。纪年用天干地支搭配，六十年周而复始。这种历法相传创始于夏代，所以又称为夏历、旧历。二十四节气的创立是我国古代劳动人民智慧的结晶，与农业生产实践密切相关。因此，二十四节气一直在我国农村广泛使用。

阳历又称公历、格里历，是当前世界各国通行的历法。阳历严格以回归年的日数作为依据，它的主要成分是历年。历月从历年派生出来，不再与朔望月相联系。这样阳历的历月和历日都具有确切的季节含义。阳历的平均历年为回归年，即365.2422日，平年为365日，每四年安排一个闰年，为366日，但每400年中要减少3个闰年，即400年97闰。具体安排为凡是能被4整除的年份都是闰年，但其中能被100整除却不能被400整除的年份不是闰年。全年分为12个历月，1、3、5、7、8、10、12月为31日，4、6、9、11月为30日，2月为28日或29日。

阳历仍有一定的缺陷，如历月的日数安排和大、小月分布不均匀，平均历年与回归年之间仍有微小的差值，岁首的安排不科学（无天文学意义）等。现在有人提出了“世界历”和“十三月历”的改历方案，但尚无定论。

（2）时间

时间计量一般包含时刻和时段两个概念。前者是指时间的迟早，后者是指时间的间隔。这里主要说的是时刻。时间的度量以地球自转和公转为标准，并由此定出时间单位。

日是计量时间的基本单位，通常的日是指平太阳日，即太阳周日视运动的平均周期，这是以地球自转为基础的，它的长度比较稳定。日可分为时、分、秒，一个平太阳日等分成24个平太阳时，一个平太阳时等分成60个平太阳分，一个平太阳分等分成60个平太阳秒。

在地球上各地因所处经度的不同，时刻是不一致的。当北京在早晨六时迎接黎明时，莫斯科则午夜刚过。时刻分地方时和标准时两种。

地方时是指本地或本经度的时间，这是根据太阳的位置确定的时刻，在北半球把太阳正南的时刻作为中午12时。很显然在不同的经线上各地都有自己的正午时刻。地方时因地方经度差异而不同，经度相差1°，地方时刻相差4分；经度差1′，地方时刻相差4秒。不同的地方时给人们的交往和联系带来不便，为适应国际交流和科学技术的发展，需要建立统一的国际时间计量系统，这就规定了标准时。

标准时是指一定时区共同使用的时间，又分为区时和法定时。为了克服时间上的混乱，1884年，在华盛顿召开的国际经度会议上，规定将全球划分为24个时区。它们是中时区（零时区）、东1—12区、西1—12区。每个时区横跨经度15°，时间正好是1小时。最后的东、西第12区各跨经度7.5°，以东、西经180°为界。每个时区的中央经线上的时间就是这个时区内统一采用的时间，称为区时。相邻两个时区的时间相差1小时。例如，我国东8区的时间总比泰国东7区的时间早1小时，而比日本东9区的时间晚1小时。因此，出国的人，必须随时调整自己的手表，才能和当地时间相一致。凡向西走，每过一个时区，就要把表向前拨1小时；凡向东走，每过一个时区，就要把表向后拨1小时。实际生活中往往出现1个国家或1个省份同时跨着2个或更多时区，为了照顾到行政上的方便，常将1个国家或1个省份划在一起。所以时区并不是按南北直线来划分，而是按自然条件来划分。例如，我国幅员宽广，差不多跨5个时区，但实际上只以东8时区的标准时即北京时间为准。

格林尼治时间，也称世界时，即格林尼治所在地的标准时间。我们知道各地都有自己的地方时间，就会感到不便。因此，天文学家就提出一个大家都能接受且又方便的记录方法，那就是以格林尼治的地方时间为标准。格林尼治是英国伦敦南郊原格林尼治天文台的所在地，它又是世界上地理经度的起始点。对于世界上发生的重大事件，都以格林尼治的地方时间记录下来。一旦知道了格林尼治时间，人们就很容易推算出相当的本地时间。例如，某事件发生在格林尼治时间上午8时，我国在英国东面，北京时间比格林尼治时间要早8小时，我们就立刻知道这次事情发生在相当于北京时间16时，也就是北京时间下午4时。

区时的使用，使地球上的时间井然有序。但是，既然越往东时间来得越早，那么，哪里才是新的一天的开始呢？为了解决这个问题，国际上规定，原则上以180°经线作为地球上“今天”和“昨天”的分界线，叫作“国际日期变更线”，简称“日界线”。人们规定，在日界线西侧以东12区早24小时。也就是说，东、西12区钟点相同（同为一个时区），但日期正好相差一天。因此，若从日界线以西到日界线以东，日期要减一天；反之，从日界线以东到日界线以西，日期要加一天。

为了照顾180°经线附近一些地区和国际使用日期的方便，日界线避免通过陆地，因此，它不完全在180°经线上，而有几处曲折。