地关于地球的运动：永不停歇的宇宙之旅
地球，我们赖以生存的家园，并非静止不动。它是一个在宇宙中持续运动着的天体，其复杂的运动模式塑造了我们所知的一切现象，从昼夜的交替到四季的更迭，再到漫长的时间尺度上的气候变化。要理解我们的世界，首先需要深入探究地球究竟是如何运动的。
地球有哪些主要的运动形式？（是什么）
地球的运动并非单一的，而是多种不同尺度、不同周期的运动叠加在一起的结果。最主要和为人熟知的包括：
- 自转 (Rotation)： 地球绕着通过其南北极的假想轴旋转。
- 公转 (Revolution)： 地球绕着太阳旋转。
此外，还有一些更精微或更大尺度的运动：
- 岁差 (Precession)： 地球自转轴方向在空间中的缓慢摆动。
- 章动 (Nutation)： 地球自转轴在岁差运动过程中的微小、短周期颤动。
- 随太阳系在银河系中的运动： 太阳系作为一个整体围绕银河系中心旋转。
- 随银河系在宇宙中的运动： 银河系在宇宙空间中相对于其他星系的运动。
地球的自转：围绕轴心的舞蹈
什么是自转？（是什么）
地球的自转是指它绕着一根通过其地心、连接北极和南极的假想轴（地轴）进行的旋转运动。这个轴相对于地球表面是固定的，但相对于宇宙空间，其方向是会缓慢变化的（这就是岁差和章动）。自转的方向是从西向东。
自转有多快？（多少/如何）
自转的速度并非地球上每个地方都相同。这是因为地球是一个球体。线速度最高的区域在赤道，那里需要在一天的周期内转过最大的圆周。赤道上的自转线速度大约是1674.4 千米/小时，或者说大约 465 米/秒。随着纬度的增加，圆周变小，线速度也随之降低。在极点，线速度理论上为零。然而，整个地球的角速度是相同的，大约每小时旋转15度。
自转周期是多久？（多少）
地球的自转周期有两种定义：
- 恒星日 (Sidereal Day)： 地球相对于遥远恒星自转一周所需的时间。这个周期大约是 23小时56分4秒。这是地球轴心完成一次完整旋转的真正时间。
- 太阳日 (Solar Day)： 地球相对于太阳自转一周所需的时间，即两次正午（或任何固定太阳位置）之间的时间间隔。这个周期平均是 24小时。由于地球在自转的同时也在绕太阳公转，每天相对于太阳的位置都会稍微向前移动一点，因此需要额外几分钟的自转才能再次对准太阳，所以太阳日比恒星日略长。我们日常计时使用的是平均太阳日。
自转带来了什么影响？（如何）
地球自转是最显而易见的运动形式之一，它对地球上的生命和现象产生了基础性的影响：
- 昼夜更替： 地球面向太阳的一半是白天，背向太阳的一半是夜晚。自转使得地球表面不同区域轮流面向和背离太阳，形成了周期性的昼夜变化。
- 科里奥利力 (Coriolis Force)： 这是一种惯性力，它使得运动中的物体（如大气、洋流、炮弹）在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。这种力是理解大气环流、海洋洋流模式以及天气系统形成的关键。
- 地球的形状： 高速自转产生的离心力使得地球在赤道区域略微向外膨胀，成为一个扁球体，而非完美的球体。赤道直径比极直径大约长43千米。
- 时间系统的基础： 每日24小时的时间划分直接来源于地球的自转周期。
为什么地球会自转？（为什么）
地球的自转起源于其形成过程。在大约46亿年前，太阳系由一个巨大的、旋转的尘埃和气体云（太阳星云）坍缩形成。星云的初始旋转动量在坍缩过程中得以保持（角动量守恒定律）。形成行星的物质继承了这种旋转，地球也不例外。一旦开始旋转，如果没有外部力的显著作用，它就会继续以恒定的角速度旋转下去。太阳系内的行星和卫星的自转方向和速度差异反映了各自形成过程中的具体条件。
我们如何知道地球在自转？（如何）
尽管我们感觉不到，但有确凿的物理证据证明地球在自转：
- 傅科摆 (Foucault Pendulum)： 这是最著名的实验证据。一个长摆在开始摆动后，由于惯性，其摆动平面在空间中是保持不变的。但如果观察者站在地面上，会发现摆动平面相对于地面缓慢旋转。这并不是摆本身在旋转，而是地面（即地球）在它下方旋转。在北极或南极，傅科摆的摆动平面会在一个恒星日内完成360度旋转；在赤道，则不会发生相对旋转；在其他纬度，旋转速度与纬度相关。
- 天体东升西落的现象： 这是自转最直观的表现，虽然在历史上曾被误解为天体绕地球运动。如果地球不转，天空中的星星和太阳将保持固定位置。
- 地球的扁球体形状： 只有高速自转才能解释地球在赤道的膨胀。
- 科里奥利力的存在： 只有在旋转的参考系中才会产生科里奥利力，其对大气和海洋运动的影响与地球的自转速度和方向完全吻合。
地球的公转：环绕太阳的旅行
什么是公转？（是什么）
地球的公转是指地球绕着太阳进行的轨道运动。地球沿着一个近似椭圆的轨道绕太阳运行。
公转的轨道在哪里？（哪里）
地球的公转轨道位于一个被称为黄道面的平面上。黄道面是地球绕太阳公转的轨道平面。地球的轨道不是一个完美的圆，而是一个椭圆，太阳位于这个椭圆的一个焦点上。这意味着地球与太阳的距离是变化的。离太阳最近的点称为近日点 (Perihelion)，大约在每年的1月初；离太阳最远的点称为远日点 (Aphelion)，大约在每年的7月初。近日点距离约为1.471亿千米，远日点距离约为1.521亿千米，平均距离约为1.496亿千米，这个平均距离被定义为一个天文单位 (AU)。
公转有多快？（多少/如何）
地球的公转速度是相当惊人的。它的平均轨道速度大约是 29.78 千米/秒，或者说大约 107,000 千米/小时。这个速度在近日点时稍快，在远日点时稍慢，这是开普勒第二定律（等面积速度定律）的表现——地球在单位时间内扫过的面积相等，因此在距离太阳近时速度快，远时速度慢。
公转周期是多久？（多少）
地球的公转周期是定义“年”的基础，同样也有几种不同的定义：
- 恒星年 (Sidereal Year)： 地球绕太阳一周，回到相对于遥远恒星的同一位置所需的时间。这个周期大约是 365.256 个平均太阳日。这是地球完成一个完整轨道所需的时间。
- 回归年 (Tropical Year)： 地球绕太阳一周，回到相对于春分点（太阳在天球上的黄道与天赤道的交点）的同一位置所需的时间。这个周期大约是 365.242 个平均太阳日。由于岁差的存在，春分点每年沿黄道向西移动约50.3弧秒，所以回归年比恒星年略短。我们的日历（如公历）是基于回归年制定的，以确保季节与日历日期保持同步。
公转带来了什么影响？（如何）
公转与地球的轴倾斜相结合，产生了地球上最重要的周期性变化：
- 年的形成： 地球绕太阳一周的时间长度定义了“年”这个时间单位，这是日历和时间记录的基础。
- 四季变化： 这是地球公转最重要的影响之一，但它并非由地球与太阳的距离远近决定（虽然距离有微小影响，但不是主要原因）。四季的产生主要是因为地轴相对于公转轨道平面有一个约 23.5 度的倾斜角，并且这个倾斜方向在一年中基本保持不变。
- 当北半球朝向太阳倾斜时（大约在北半球的夏季），太阳光直射北半球，日照时间长，获得的太阳能多，温度高，形成夏季。此时南半球背离太阳，光线斜射，日照时间短，温度低，形成冬季。
- 当南半球朝向太阳倾斜时（大约在北半球的冬季），情况则相反，南半球是夏季，北半球是冬季。
- 在春分和秋分时，地轴既不朝向也不背离太阳，太阳光线直射赤道，全球各地日照时间大致相等，形成春季和秋季。
正是这种固定的轴倾斜伴随公转，导致了地球上不同区域在一年中接收到的太阳辐射能量和日照时长的变化，从而产生了明显的四季更迭。
- 不同纬度地区日照时长的变化： 除了四季，轴倾斜和公转还导致了纬度越高的地方，夏季白昼越长、冬季白昼越短（甚至出现极昼极夜现象）。
为什么地球会公转？（为什么）
地球的公转是由太阳的强大引力与地球绕太阳运动的惯性共同作用的结果。太阳的引力像一根看不见的绳索，将地球拉向它；而地球由于其形成时的初始运动获得了向前运动的惯性，倾向于沿直线飞离太阳。这两者之间微妙的平衡使得地球既不会被太阳吞噬，也不会飞离太阳，而是被约束在一个稳定的轨道上持续运动。这是万有引力定律在天体运动中的经典体现。
我们如何知道地球在公转？（如何）
证明地球公转的证据包括：
- 恒星视差 (Stellar Parallax)： 观察近距离恒星的位置，会发现它们相对于遥远背景恒星的位置会随着地球在轨道上的移动而发生微小的年度周期性位移。这种位移的大小和方向与地球绕太阳公转的轨道大小和方向精确对应，是地球公转的直接几何证据。
- 恒星光行差 (Aberration of Starlight)： 由于地球的公转速度与光速叠加效应，来自遥远恒星的光似乎并非沿着其真正的方向入射，而是有一个微小的偏角。望远镜需要稍微倾斜一个角度才能看到恒星，这个偏角的方向随地球在轨道上的位置变化而变化，形成一个年度周期性的视运动，证明了地球的运动。
- 季节和日照时长的年度变化： 正如之前解释的，这些现象只有在地球公转并伴随轴倾斜的情况下才能得到合理解释。
- 对其他行星运动的观测和计算： 基于地球公转的日心说模型能更简洁准确地解释和预测太阳系内其他行星的视运动规律，这比基于地球静止的地心说模型复杂且不准确的解释要优越得多。
其他更精微及更大尺度的运动
岁差和章动（是什么/多少）
地球的自转轴并非固定指向天空中的同一点。它像一个陀螺在减速旋转时那样，其轴心会缓慢地画圈摆动。
- 岁差： 这是地轴最主要的摆动，主要是由于太阳和月球（以及较小的行星）引力对地球赤道隆起部分的潮汐作用造成的。地轴指向在天球上以约23.5度的角度绕黄道北极画圆，完成一个周期大约需要 25,772 年。这意味着北极星（当前是勾陈一）会随着时间推移而变化。
- 章动： 在岁差的大圆运动基础上，地轴还有一个叠加的、更小的、更快的周期性颤动。这主要是由月球轨道平面相对于地球轨道平面的变化引起的。章动的主周期是 18.6 年（与月球轨道的交点周期相同），振幅约为9.2角秒。
这些运动虽然幅度小，但它们导致了恒星坐标（如赤经和赤纬）随时间的变化，对于精确的天文观测至关重要。
随太阳系和银河系的运动（哪里/多少）
除了自身的运动，地球还随同整个太阳系一起运动，并且太阳系又随同整个银河系一起运动：
- 太阳系在银河系中的运动： 太阳系位于银河系猎户臂的边缘，围绕着银河系的中心旋转。太阳系绕银河系中心运动的轨道近似圆形，距离中心约2.6万光年。其轨道速度约为 220 千米/秒，完成一个周期大约需要 2.3 亿年，这被称为“宇宙年”。
- 银河系在宇宙中的运动： 我们的银河系本身也在宇宙空间中运动，它与附近的仙女座星系等成员一起属于一个名为“本星系群”的星系团。本星系群正在朝向一个被称为“巨引源”的区域运动，速度可达数百千米每秒。同时，随着宇宙的膨胀，银河系也在远离更远的星系。
这意味着地球正以令人难以置信的高速穿梭于宇宙之中，只是因为这些运动发生在巨大的尺度上，并且我们作为其中的一部分，难以直接感知。
为什么我们感觉不到地球的运动？（为什么/如何）
尽管地球以惊人的速度自转（赤道1674.4千米/小时）和公转（107,000千米/小时），我们生活在地球表面却感觉不到这些运动，也不会被甩出去。这是因为：
- 惯性： 根据牛顿运动定律，处于运动状态的物体在没有外力作用下会保持匀速直线运动状态。我们和地球大气层、地表的一切物体都与地球一起运动。我们具有与地球相同的速度和方向，这种运动状态是恒定的（至少在局部范围内看是均匀的）。就像坐在高速平稳行驶的列车或飞机上，如果我们不看窗外，也很难感觉到运动，除非有加速、减速或转弯。地球的运动在日常尺度上非常平稳和规律，几乎没有我们能直接感知到的显著加速度或变化。
- 相对运动： 我们所感知的运动通常是相对运动。我们感觉到的是相对于地球表面的运动（如走路、风吹）。由于我们随着地球一起运动，相对于地球本身，我们的运动状态变化很小，因此难以感知到地球作为整体的运动。
- 大气层： 大气层也随地球一起自转和公转，就像附着在地球表面的一个“信封”。这使得我们不会感受到由于地球高速运动而产生的狂风（除非是相对于地表有空气流动的风）。
简单来说，我们之所以感觉不到地球的运动，是因为我们和周围的一切物体都随着地球一起以极高的、几乎恒定的速度运动，这种运动对于我们而言没有相对速度的变化，或者说加速度太小，不足以被我们的感官系统察觉。我们感知的是相对于地表的运动，而不是相对于遥远宇宙空间的运动。
我们如何研究和测量地球的运动？（如何）
对地球运动的研究和测量是天文学、地球物理学和测地学等学科的核心内容。科学家们通过多种手段来精确了解地球的运动：
- 天体观测： 通过长期精确观测恒星、太阳、月球和行星的位置及视运动，可以反推地球的运动状态（如通过恒星视差和光行差证明公转，通过傅科摆证明自转，通过月球和太阳对地球的引力分析岁差和章动）。
- 卫星测量 (GPS, VLBI等)： 全球定位系统 (GPS)、甚长基线干涉测量 (VLBI)、卫星激光测距 (SLR) 和多普勒轨道和无线电定位综合系统 (DORIS) 等空间大地测量技术可以极高精度地测量地球表面的点相对于地心甚至相对于遥远类星体的精确位置和速度变化。这些测量直接反映了地球的自转、极移（自转轴在地球体内的微小移动）以及地壳板块运动，也间接验证了公转等更大尺度的运动模型。
- 惯性测量单元 (IMU)： 精密的陀螺仪和加速度计可以测量局部空间的旋转和加速度，虽然用于导航，但其原理也与地球自转产生的惯性效应相关。
- 物理模型和计算： 基于万有引力定律、角动量守恒定律等物理原理，科学家可以建立地球和太阳系天体运动的动力学模型，通过计算预测未来的运动轨迹和位置，并与观测数据进行比对验证。
- 古气候学和地质学证据： 地球运动（如岁差、轨道离心率、地轴倾角的变化，即米兰科维奇循环）对地球接收到的太阳辐射量有周期性影响，这些变化在地质记录（如冰芯、海洋沉积物）中留下了气候变化的印记，从而间接证明了这些轨道参数的长期变化。
综上所述，地球的运动是一个多层次、多尺度的复杂现象，从快速的自转和公转，到缓慢的岁差和章动，再到随太阳系和银河系在宇宙中的宏大旅程。这些运动由引力和惯性主导，并深刻影响着地球的环境和我们在宇宙中的位置。虽然我们无法直接感受，但科学的观测和计算为我们揭示了这颗蓝色星球永恒而精密的运动规律。