地轴是什么?关于地轴的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:13:34

地轴(the earth's axis)是地球自转所围绕的轴。实际上,地球本身并不存在这样一个轴,地轴只是人们假想的通过地心连接南、北两极的假想轴线。地轴与赤道平面相垂直,与地球公转轨道面成66°34′交角。地轴北端与地表的交点是北极点,南端与地表的交点是南极点,目前地轴正对着北极星。

地轴在地球中的位置并不固定,而有微小的移动,造成“极移”。

概述

地轴是地球自转的假想轴,地球自转是围绕地轴进行的。实际上,地球本身并不存在这样一个轴,地轴只是人们假想的通过地心连接南、北两极的轴。地轴与赤道平面相垂直,与地球公转轨道面成66°34′交角。地轴北端与地表的交点是北极点,南端与地表的交点是南极点,目前地轴正对着北极星。从地球的北极点鸟瞰,地球自转是逆时针旋转;从南极点上空看是地球自转为顺时针旋转。

倾斜的地轴导致四季的形成

由于地轴倾斜,随着地球公转,受到太阳直射的纬度在南北纬23度26分之间变化,世界各地的太阳高度角也在变化,受到的太阳辐射强度也就随之变化。对于地球上的特定位置,由于受太阳辐射的强度不同,冷热就不同,也就形成了四季的变化。

如果地轴垂直与地球公转平面,太阳永远直射赤道,那么越接近赤道的地方就越热,一年中每个月都是高温,除了白昼变化,全年气温无变化。离赤道远的国家全年都是冬季,而且由于距离赤道太远白昼变化也会变得不明显,甚至全年黑夜,距离赤道一般远的地方会全年傍晚。

地轴倾斜的原因

关于地轴倾斜的产生原因的假说很多,目前没有形成统一意见,其中“陨星撞击说”和“板块漂移说”被讨论较多。

陨石撞击说

地球的早期只是一颗小行星,靠引力不断俘获外来天体壮大自己,而外来天体都是在相对地球高速运动的,所以俘获的过程就是剧烈碰撞。碰撞有正撞和侧撞,最大的一次撞击发生在45亿年前,一颗很大的小行星从侧面撞击了地球,使地球旋转起来,撞出去的物质和小行星形成了月亮,撞击留下的大坑形成了海洋。 如果没有月球,地球就会摇摆不定,甚至颠倒。月球的引力是地球自转轴最好的稳定器,它使地轴指向北极星附近,并使地轴与公转平面保持66度34分。使地球一年有了四季。初始时地球自转很快,一天只有5小时,是潮汐摩擦的减速作用成了一天24小时。所以,是惯性使它继续旋转,万有引力引起的潮汐摩擦使它慢慢减速。

板块漂移说

另一种假说是认为地轴倾斜的主要原因是南半球大陆板块向北半球漂移的结果。由于南半球大陆板块不断向北半球漂移,造成北半球负荷较重,使北半球地轴下沉,形成向南倾斜的地轴。通过计算,南半球与北半球大陆板块的面积之比约为3∶5,这正好与地轴倾角24°基本相符。

假说认为:从地球演化历史来看, 地轴在早期是直立的。2亿年前的联合古陆, 基本都分布于中、低纬度和赤道附近, 分布在南、北半球的大陆板块面积基本相当, 所以地轴直立。但东西半球大陆板块面积不等, 东半球的大陆板块面积比西半球大得多, 这样就造成了地球由西向东自转。2亿年后, 联合古陆开始解体, 分裂成劳亚古陆和冈瓦纳古陆。随着劳亚古陆不断向北半球漂移, 使北半球大陆板块面积较大, 负荷较重, 地轴开始倾斜, 形成了地轴倾角。由于地轴倾角的存在,位于南半球的冈瓦纳古陆中的印度板块、非洲板块、澳洲板块和南美洲板块纷纷向北半球漂移。其中印度板块漂移最快, 在50 Ma内向北漂移了近5 000 km, 以最快速度与欧亚板块撞碰,形成了世界屋脊——喜马拉雅山脉。这些大陆板块源源不断向北半球漂移, 造成地轴越来越倾斜, 形成目前的地轴倾角24°。

地轴的变动

地球的旋转像一个陀螺,轴的指向在恒星空间中维持一定方向。来自太阳、月球和其它行星的外来力量可能导致这固定的方向有所偏移,即造成地轴的变动。一般来说,地球转轴大型、周期性的变动称为岁差,而较小的变动称为章动和极移。

岁差

岁差(precession)是地球的自转轴相对于恒星空间的进动。分点的位置,相对于在天球上固定不动的恒星,沿着黄道每年向西移动。通常,每年的移动量是50.29",即每71.6年移动1°。这个过程虽然缓慢但会逐年累加起来,完整的岁差圈要经历25,765年(称为柏拉图年),分点在黄道上退行一周360°。

章动

章动(nutation)是在行星或陀螺仪的自转运动中,轴在进动中的一种轻微不规则运动,使自转轴在方向的改变中出现如“点头”般的摇晃现象。 地球的章动来自于潮汐力所引起的进动,并使得岁差的速度不是常数,而会随着时间改变。

极移

极移(polar motion)是地球的自转轴在地球表面横越的运动,这是将地球视为在一个固定不变的参考座标系(所谓的地球中心、地心地固坐标系(ECEF))下所做的测量,这种变动只有几米。

极移的原因主要有两种,一种是地轴对于惯性轴偏离的结果,周期大约为14个月。另一种是大气季节性运行导致,其周期为一年。还有其他一些次要的原因,极移的振幅一般不超过15米。

极移的结果使南北极点位置发生变化,而造成地球上的纬度和经度发生变化。