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坐地日行八万里?地球的运动到底有多快
作者:牧夫天文 发布时间:2018-9-6 浏览次数:51 

 

  开学了,我们也来上课吧!别皱眉头,今天只用到大概小学三年级的知识。毛泽东的诗句“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”大家都知道吧……什么?没听过!?请教一下令尊吧,他一定背得滚瓜烂熟。“巡天遥看”的事我们在牧夫天文没少做,“坐地日行”是多少呢?现在就细细道来。家有学童吗?我们一起来回归基础吧。

Credit: NASA Goddard via YouTube

  一段由来自DSCOVR(深空气候观测)卫星的EPIC相机的3000幅图片组成的新延时视频显示了地球一年的旋转,这是在一百多万千米之外所见的情景。

  作为一个地球人,我们很容易相信自己是静止的。无论如何,我们并不会感到周围有任何移动。但当你仰望天空,就会看到我们在运动的证据了。

  一些最早的天文学家提出,我们居住在一个以地球为中心的宇宙中,也就是说地球位于一切的中心。他们说太阳围绕我们转动,由此产生了日出日落,月亮和其他行星的运动也是如此。但是总有一些事情眼见着与此不符。有时,一颗行星会在继续向前运动之前逆行一阵子。

  我们现在知道这种叫做逆行的运动是地球在其轨道上“追上”其他行星时发生的。比如,火星的轨道比地球离太阳远。在地球和火星各自轨道的某一点,我们追上这颗红色行星并超越它。超过它的时候,火星在天空中会反向运动。然后,在我们超越之后,它又恢复了正向运动。(想了解更多的逆行?来戳这篇链接:又双叒叕水逆了?

  日心太阳系的另一个证据来自对视差(或从彼此间某一方面来说的恒星视位置的改变)的观察。视差的一个简单例子是,在你面前伸直手臂、抬起食指,闭上右眼,只用左眼看食指。然后再闭上左眼,只用右眼看食指。手指的视位置改变了对不对?这是因为你的双眼在从稍有不同的角度看手指。

视差(图片来自网络)

  在地球上观看恒星时,也发生了同样的事情。地球绕太阳一周要大约365天。如果我们在夏天看一颗恒星(距离我们相对较近),在冬天再观看它一次,因为我们在轨道上不同的点,恒星在天空中的视位置便因此而改变了。我们从不同的观察点看到这颗恒星,通过一些简单的计算,还可以利用视差得知恒星的距离。

  我们的自转有多快?

  地球持续不断的自转,但速度取决于你所在的纬度。比如说,地球的赤道周长(地表最大的圆周长度)约为40070千米(NASA数据),这就是伟人诗句中“坐地日行八万(华)里”的由来。一天是24小时,用周长除以一天的时长,得到赤道上的自转线速度为大约1670千米/小时。

  但在其他纬度,你不会运动得这么快。如果我们从赤道向高纬度方向走半程,到达45度的纬度(无论南北),可以用纬度的余弦来计算速度。如果你不知道如何计算余弦函数,手机的科学计算器就能解决它。45度的余弦是0.707,所以45度处的自转线速度大约是0.707X1670=1180km/h。当你向北或南走得更远时,这一速度减少更多。到达北极或南极点时,你的自转线速度变得非常慢,用一整天时间在原地完成自转(角速度依然是每昼夜360度)。

  太空机构都喜欢利用地球的自转。比如,如果他们要送宇航员到国际空间站,靠近赤道的地点就更合适。这就是为什么前往国际空间站的货运任务啥的总是从佛罗里达发射。童鞋们可以再想想为什么我国的新航天发射场选址在海南文昌(要是曾母暗沙具备条件,估计就是那儿了)。这样安排,而且顺着地球自转方向发射,火箭的速度会得到推进,为飞向太空助一臂之力。

  地球绕太阳公转有多快?

  地球的自转当然不是我们在太空中唯一的运动形式。根据康奈尔大学的数据,我们绕太阳公转的速度大约是10.7万千米/小时,这可以通过基本的几何学计算出来。

  首先,我们必须算出地球运行了多远。地球用约365天绕日一周。轨道是个椭圆,但为了简化计算,我们近似看作正圆。这样,地球的轨道就是圆的周长。根据国际天文学联合会的数据,日地距离(也叫天文单位)是1.4959787亿千米。这就是半径(r)。圆的周长等于2 x π x r。所以在一年中,地球走过了大约9.4亿千米的路程。

  由于速度等于路程除以所用时间,地球的速度可用9.4亿千米除以365.25天算得,其结果再除以24小时,得到每小时的千米数。这样,地球每小时约运行107226千米,速度约为260万千米每天,这就成了“坐地日行五百万里”啦。

  太阳和星系也在运动

  太阳在银河系中有自己的轨道。太阳距离银河系中心约有2.5万光年,而银河系的直径至少有10万光年。斯坦福大学认为我们处在中心以外的大约半程处。太阳和太阳系大概在以每秒200千米的速度飞奔,也就是平均速度高达72万千米/小时。这又成“坐地日行三千五百万里”了!即使以这样的高速,太阳系也要大约2.3亿年才能环绕银河系一周。

 

  银河系在太空中也与其他星系有相对运动。大约40亿年内,银河系将会与它最近的邻居仙女座大星系发生碰撞。两者将以大约每秒112千米的速度冲向对方。

  因此,宇宙中的万物都是在运动的。坐地日行多少里,取决于你选的参照系。

  如果地球停转会怎样?

  你绝不会马上被抛入太空,因为相对于地球的自转运动来说,它的引力是如此强大。(自转运动产生向心加速度。)在向心加速度最强的地点(赤道),它也只有地球引力的大约千分之三。换句话说,你根本感觉不到它,尽管你在赤道称体重会比在两极轻那么一丢丢。

  NASA称地球在未来几十亿年内停止自转的可能性“几乎为零”。但是理论上说,如果地球真的突然停转,会产生可怕的结果。大气层会以原来地球旋转的速度继续运动。NASA补充说,这意味着一切都会被从地面上一扫而光,包括人、建筑物、树木、表层土壤和岩石。

  如果过程平缓些咋样呢?NASA说,这就更像是过去几十亿年来的剧本了,因为太阳和月亮都在给地球自转拖后腿。给人类和动植物适应这种变化的时间是足够的。根据物理法则,地球减缓自转的极限是每365天转一圈。这种情况称为“太阳同步”,也叫“潮汐锁定”,会使我们行星的一面永远朝向太阳,另一面则是永久的黑夜。有个现成的例子,月球已经处于“地球同步”的旋转状态,月亮总是以同一面朝向我们,而另一半永远羞涩地躲藏着。

  但是再回来看一下无自转的剧本:NASA说,如果地球完全停转,还会有一些其他的怪异结果。其一是磁场几乎会消失,因为它产生的部分原因就是自转。我们将失去多彩的极光,环绕地球的范艾伦辐射带很可能也会消失。(范艾伦辐射带是在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能粒子辐射带,主要由地磁场中捕获的高达几兆电子伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成。——译者注)然后地球就只能在狂暴的太阳面前裸奔了。太阳随时都在向地球抛射日冕物质(带电粒子),它会击中地表,使一切遭受辐射。NASA说,那将带来严重的生物危害。

 
 
 

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