第一章地球的运动——第一节 地球的自转和公转

2011年11月一个晴朗无月的夜晚,在中国科学院国家天文台兴隆观测站,拍摄团队将相机对准北极星附近的星空并固定好,通过长达6小时的曝光,得到一张绚丽的星轨照片。为什么这些恒星在天空中看起来都围绕北极星附近作圆周运动?北极星相对地平线的高度与拍摄地点的纬度有什么关系?

地球的自转
在茫茫宇宙中,地球与其他星球一样,都处在不断的运动之中。
地球绕其自转轴的旋转运动,叫作地球的自转。地球的自转轴叫地轴,它的北端始终指向北极星附近。在地球上的人们感觉不到地球的自转,在北半球观察,恒星似乎围绕北极星附近的某点(地轴北端指向的星空位置)作圆周运动。北半球纬度越高,北极星相对地平线的高度越高。
地球自西向东自转,自转一周的时间是1日。选定的参照物不同,1日的时间长度略有差别,名称也不同。如果以太阳为参照物,则1日的时间长度为24时,称为太阳日。如果以遥远的恒星为参照物,则1日的时间长度为23时56分4秒,称为恒星日。恒星日是地球自转的真正周期。
地球自转的速度可以用角速度和线速度来描述。根据自转周期,可以算出地球自转角速度纳为15°每时。地球表面除南北两极点外,任何地点的自转角速度都相等。由于不同纬度的纬线圈长度不同,所以,不同纬度地区的自转线速度有差异。

地球的公转
地球绕太阳的运动,科作地球的公转。同地球自转方向一致,地球公转的方向也是自西向东。地球公转一周的时间是1年。如果以太阳作为参照物,1年的时间长度为365日5时48分46秒,称为回归年。如果以其他恒星作为参照物,1年的时间长度为365日6时9分10秒,称为恒星年,这是地球公转的真正周期。
地球公转的轨迹叫作公转轨道,它是近似正圆的椭圆轨道,太阳位于椭圆的一个焦点上。每年的1月初,地球距离太阳最近,这个位置叫近日点;每年的7月初,地球距离太阳最远,这个位置叫远日点。随着地球的公转,日地距离不断地发生细微的变化,地球公转的速度也随之发生变化。（远日点(7月初) 日地距离：1.521亿km 角速度：57'/d 线速度：29.3km/s。 近日点(1月初) 日地距离：1.471亿km 角速度：61'/d 线速度：30.3km/s。）

黄赤交角及其影响
地球自转的同时也在围绕太阳公转。过地心并与地轴垂直的平面称为赤道平面,地球公转轨道平面称为黄道平面。赤道平面与黄道平面之间存在一个交角,叫作黄赤交角。目前的黄赤交角是23°60'。
地球在公转过程中,地轴的空间指向和黄赤交角的大小,在一定时期内可以看作是不变的。由于黄赤交角的存在,地球在公转轨道上的位置不同,地表接受太阳垂直照射的点(简称太阳直射点)是有变化的。太阳直射的范围,最北到达北纬23°26',最南到达南纬23°26'。
北半球夏至日(6月22日前后),太阳直射北纬23°60'。之后,太阳直射点逐渐南移,到了秋分日(9月23日前后),太阳直射赤道,至冬至日(12月22日前后),太阳直射南纬23°60'。之后,太阳直射点逐渐北返,春分日(3月21日前后),太阳直射赤道，到了夏至日,太阳再次直射北纬23°60'。
太阳直射点在南、北纬23°60'之间的往返运动,称为太阳直射点的回归运动。北纬23°60'称为北回归线,南纬23°60'称为南回归线。太阳直射点回归运动的周期就是一个回归年。