地球是一个巨大的球体（更精确地说，是一个略扁的椭球体），要在其表面精确地标记出每一个位置，需要一套统一的参照系统。这套系统就是由无数假想的线条——经线和纬线——构建起来的全球坐标网格。理解经线和纬线是什么、如何工作，是理解地理位置、地图以及全球导航的基础。本文将详细解答围绕经线和纬线的一些核心疑问。
【是什么】经线和纬线到底是什么？它们是如何定义的？
简单来说，经线和纬线是人们为了方便在地球表面定位而设定的两组假想的线。
- 纬线 (Parallels of Latitude)：
- 它们是一系列平行于地球赤道的圆。
- 定义：通过测量地面点到赤道平面的角度来确定。赤道本身是0度纬线。
- 所有位于同一条纬线上的点拥有相同的纬度值。
- 纬线圈是完整的圆，越靠近两极，圆的半径越小。
- 经线 (Meridians of Longitude)：
- 它们是一系列连接地球南极和北极的半圆。
- 定义：通过测量地面点相对于一个选定的本初子午线（零度经线）的角距离来确定。
- 所有位于同一条经线上的点拥有相同的经度值。
- 所有经线都相交于南极和北极两个点。
- 所有经线的长度大致相等。
经线和纬线共同构成了一个覆盖全球的网格，地球表面的每一个点都可以通过一对唯一的经度值和纬度值来精确描述。
【它们有什么区别？】经线和纬线的形状、长度、方向有何不同？
尽管都是地球表面定位的工具，经线和纬线在几何特性上存在显著差异：
形状和结构：
- 纬线： 除了北极和南极是点（90°N和90°S）之外，其他纬线都是完整的圆。这些圆相互平行，且与赤道平面平行。
- 经线： 都是连接南极和北极的半圆弧。所有经线都汇聚于两极。经线不相互平行，它们在赤道处距离最远，向两极逐渐靠近直至相交。
长度：
- 纬线： 长度不相等。赤道（0°纬线）是最长的纬线，其长度接近地球周长。随着纬度增加，纬线圈的周长逐渐减小，到两极（90°纬线）时，纬线变成了一个点，长度为零。
- 经线： 所有经线的长度大致相等（都是半个大圆的弧长），约为地球周长的一半。
方向：
- 纬线： 指示东西方向。在地图上，纬线通常呈水平线或弯曲的曲线，但总是与水平方向（东西）相关。
- 经线： 指示南北方向。在地图上，经线通常呈垂直线或弯曲的曲线，但总是与垂直方向（南北）相关。
相交方式：
- 经线和纬线在全球绝大多数地方都以直角（90度）相交。
【主要在哪？】地球上哪些经线和纬线是特别重要的？它们各自在哪里？
在众多的经线和纬线中，有一些线因为其特殊的地理意义或作为测量基准而被赋予了重要的地位：
重要的纬线：
- 赤道 (Equator, 0°纬线)： 地球表面与通过地心且垂直于地轴的平面相交的大圆。它将地球分为北半球和南半球。
- 北回归线 (Tropic of Cancer, 约23.5°N)： 太阳在北半球直射点的最北界线。夏至日，太阳垂直照射北回归线。
- 南回归线 (Tropic of Capricorn, 约23.5°S)： 太阳在南半球直射点的最南界线。冬至日，太阳垂直照射南回归线。
- 北极圈 (Arctic Circle, 约66.5°N)： 北半球出现极昼和极夜的最南界线。
- 南极圈 (Antarctic Circle, 约66.5°S)： 南半球出现极昼和极夜的最北界线。
注意：回归线和极圈的具体纬度值（约23.5°和66.5°）是地球自转轴倾斜角度（约23.5°）的直接体现。
重要的经线：
- 本初子午线 (Prime Meridian, 0°经线)： 国际约定通过英国伦敦格林威治天文台旧址的经线为0度经线。它是测量全球经度的起始线，将地球分为东经和西经。
- 国际日期变更线 (International Date Line, 约180°经线)： 大致沿着180°经线，作为全球日期变更的界线。跨过这条线向东，日期减一天；向西，日期加一天。它为了避开陆地和政治边界，实际并非完全直线，而是在某些地方有偏移。
【怎么测量？】经度和纬度是如何测量和表示的？最大范围是多少？
经度和纬度都是用角度来表示的。
纬度的测量和表示：
- 测量：纬度是地面点到赤道平面的夹角。从赤道（0°）开始，向北测量为北纬（用N表示），向南测量为南纬（用S表示）。
- 范围：纬度的范围是 0° 到 90°。北纬的最大值是90°N（北极），南纬的最大值是90°S（南极）。
- 表示方式：
- 度分秒 (Degrees, Minutes, Seconds, DMS)：例如，40° 42′ 46″ N 表示北纬40度42分46秒。每一度有60分（′），每一分有60秒（″）。
- 十进制度 (Decimal Degrees, DD)：例如，40.7128° N。这是将分和秒转换为度的十进制小数。
经度的测量和表示：
- 测量：经度是地面点所在的经线平面与本初子午线平面之间的夹角。从本初子午线（0°）开始，向东测量为东经（用E表示），向西测量为西经（用W表示）。
- 范围：经度的范围是 0° 到 180°。东经的最大值是180°E，西经的最大值是180°W。180°E和180°W实际上是同一条经线（大致为国际日期变更线）。
- 表示方式：同样使用度分秒或十进制度，并标注东经（E）或西经（W）。例如，74° 00′ 21″ W 表示西经74度0分21秒，或 74.0058° W。
地球上的任何一点都可以用一个纬度值和一个经度值组成的坐标对 (纬度, 经度) 来唯一确定。例如，纽约市的坐标大约是 (40° 42′ 46″ N, 74° 00′ 21″ W) 或 (40.7128° N, 74.0058° W)。
【为什么是这样？】为什么经线是半圆？为什么纬线是圆且平行？
经线和纬线的形状和相对位置是基于地球的球体特性以及我们如何定义它们的几何方式决定的。
为什么纬线是圆且平行：
- 纬线是通过切割地球的平面来定义的。这些切割平面都与赤道平面平行，并垂直于地轴。
- 一个与赤道平面平行的平面与地球球体相交的轨迹是一个圆。
- 由于这些切割平面是相互平行的，它们与地球表面相交形成的纬线圈自然也是相互平行的。
- 赤道平面过地心，形成的纬线圈是地球上最大的圆（大圆）。其他平行于赤道平面的平面离地心越来越远（除非它们也过地心），形成的纬线圈是小圆，半径随着纬度增加而减小。
为什么经线是半圆：
- 经线是通过切割地球的平面来定义的。这些切割平面都包含地球的自转轴。
- 一个包含地轴的平面与地球球体相交的轨迹是一个过地心的大圆。
- 经线被定义为连接南极和北极的线。地球的自转轴通过南极和北极。因此，任何包含地轴的平面都将通过南极和北极。
- 这个大圆的一半，从南极到北极（或北极到南极），就是一条经线。
- 所有的经线都相交于地轴穿过地表的两个点——南极和北极。因此，经线不是完整的圆，而是半圆，且它们汇聚于两极。
这种垂直相交的网格系统，使得地球表面的任何一个点都能通过一对独立的角度值（纬度表示南北位置，经度表示东西位置）来唯一确定，这在几何上非常高效和直观。
【一度有多远？】地面上的一度经度或纬度大约代表多长的距离？这个距离固定吗？
地面上每隔一度经线或纬线的距离并不是固定的。
一度纬线的地面距离：
- 在地球表面，沿任何一条经线方向测量，每隔一度纬度的距离是相对固定的。
- 由于地球是一个略扁的椭球体（赤道略鼓，两极略平），每隔一度纬度的实际距离会略有变化。在赤道附近，一度纬度约等于110.567公里；而在两极附近，一度纬度约等于111.699公里。
- 取平均值，通常我们说一度纬度的距离大约是 111 公里（或约60海里）。这个数值在进行粗略估算时很有用，并且可以认为在小范围内是近似固定的。
一度经线的地面距离：
- 在地球表面，沿任何一条纬线方向测量（除了两极），每隔一度经度的距离是变化的。
- 这是因为经线在赤道处距离最远，向两极逐渐汇聚。纬线圈的周长随着纬度的增加而减小。
- 因此，在赤道（0°纬线）上，一度经度的距离最大，约为111.321公里。
- 随着纬度的增加，一度经度的距离逐渐减小。例如，在45°纬度处，一度经度的距离约为赤道处的一度经度距离的cos(45°)，即约111.321公里 * 0.707 ≈ 78.7公里。
- 在两极（90°N/S纬线）处，所有经线都汇聚于一点，所以一度经度的距离为零。
总结： 一度纬度的地面距离大致固定，约为111公里；而一度经度的地面距离随着纬度的变化而变化，在赤道处最大，向两极逐渐减小到零。理解这一点对于精确计算地球表面两点之间的距离非常重要。