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初中科學/3.3 地球的自轉

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這節課你將學到:
  1. 什麼是自轉?地球按什麼方向自轉?
  2. 地球自轉一周需要多少時間?
  3. 為什麼會有晝夜差異?為什麼會有晝夜變化?
  4. 為什麼會有時差?地球上分為幾個時區?
  5. 什麼是國際日期變更線?
圖3-27:白晝。
圖3-28:夜晚。

不知你對生活中一個很普通的現象有沒有好奇過呢——為什麼地球上會有白天和黑夜的變化呢?(圖3-27、圖3-28)

原來,這是由於地球自轉(Rotation)的影響。那什麼叫地球自轉呢?地球自轉怎麼造就的晝夜變化呢?有人說「當中國是早晨的時候,美國正是傍晚」這是真的嗎?如果是真的,這又是怎麼回事呢?

地球的自轉與晝夜的更替

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圖3-29:「地心說」體系。
圖3-30:「日心說」體系。

古人看到每日日出日落、晝夜更替,不明白其具體原因。就猜測:地球是居中不動的,而太陽繞着地球轉動,每天轉一圈。這其中有半圈是太陽升到「地上」,那時陽光普照萬物,是白天。當另外那半圈太陽落到「地下」的時候,大地上得不到陽光,那就是黑夜了。真的是這樣嗎?

這種學說就是「地心說」(圖3-29),它曾經被歐洲封建教會作為統治人民的思想武器——上帝造了人類,自然要把人類安置在宇宙的中心,所以地球是宇宙中心,至於日月等其他天體,都是給地球作陪襯的。可是,事實並非如此。

後來,越來越多的科學家發現,「地心說」與觀測的結果相差越來越大。於是,新的學說就慢慢形成了。波蘭天文學家哥白尼提出了「日心說」(圖3-30),認為是地球繞太陽轉。同時,地球本身還在自轉,正是地球的自轉造成了晝夜的更替。

圖3-31:地球自轉模擬動畫。

什麼是自轉?自轉簡單說就是一個物體繞着自己內部的一根無形的「軸」旋轉,這根軸叫自轉軸。對於地球來說,這根自轉軸就是指地軸。我們的地球就是繞着這根軸日夜不息地旋轉着(圖3-31),地球自轉一周需要24小時也就是1天,這被稱作一個「太陽日」或1「日」。地球自轉的方向是自西向東。(註:地球實際自轉一周的時間是23時56分4秒,其稱作1「恆星日」。但由於地球同時還在公轉,所以24小時才是晝夜更替的真正周期。此處暫不提恆星日。)

那為什麼會產生晝夜更替呢?我們知道,地球是一個既不發光又不透明的球體,因此在某一時刻,地球上總有一半向着太陽是白天,另一半背着太陽是黑夜。由於地球會自轉,所以向着太陽和背着太陽的面在不斷地變化。每24小時,地球剛好自轉一周,因此一晝一夜也就正是24小時。晝夜變化,也就是這樣的原因。

時差與時區

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關於協調世界時、時區的有趣事實,你知道嗎?
  • 協調世界時的縮寫UTC,是由英文Coordinated Universal Time和法文Temps Universel Cordonné而來。當時英法兩國都希望用自己語言的縮寫(CUT或TUC)來作為協調世界時的縮寫,最後妥協使用UTC。
  • 協調世界時以前,國際通用的時間基準是格林尼治標準時(GMT)
  • 由於按照地球自轉確定的時間和按照原子鐘確定的時間有差異,有時會在協調世界時中加1秒或者減1秒,這稱為「正閏秒」和「負閏秒」。位於巴黎的國際地球自轉事務中央局負責決定何時加入閏秒
  • 南北極由於處於經線交匯點,一般採用的時間為協調世界時。而各國科考隊員則採用自己母國的時間。
  • 中國地域遼闊,地理上橫跨5個時區,但都使用東八區作為標準時間,這導致了較大的時間偏差。例如[中國新疆的烏恰縣是最西段使用UTC+8的地區。當那裏的時鐘指向8:00時,如果按照太陽高度確定地方時,其實只有4:55分。
  • 世界上最早進入新的一天的地方是基里巴斯萊恩群島(包括聖誕島)、托克勞薩摩亞(夏令時)。這些地方採用的時間比協調世界時快十四小時。
  • 你知道世界上還有比協調世界時快4小時51分的時區嗎?這個時區曾經用於印度孟買,直到1955年。

因為地球在自轉,所以地球上不同地方的晝夜情況就會不同。不同的晝夜情況也就造就了時間的差異。

比如,當北京(或台北、香港、澳門)是正午12時的時候,倫敦還是這天的凌晨4時,而紐約卻還是前一天的夜裏11時,可東京卻已經是下午1時了!這是因為,世界上各個地方都將自己地方太陽升上正空的時間定為正午12時,可不同地方太陽升上正空的時間是不同的,因此各地的時間也會不同。這就是時差

圖3-32:世界時區分佈圖。

為了避免時差帶來的不便,人們在地球上劃定了不同的時區(Time zone)。(圖3-32)

人們挑出地球上度數能被15整除的全部經線(總共24條),規定這些經線東西各延伸7.5°就為一個時區,那麼整個地球一共就被劃成了24個時區,每個時區佔15°。以0°經線所在的時區為「零時區」,向東為「東一區」、「東二區」……直到「東十一區」;向西為「西一區」、「西二區」……直到「西十一區」,此外還有一個「東西十二區」。每個時區內的所有地方,統一使用中央經線上的時間。

這每個時區的時間差別是1小時,也就是說只變小時,分秒不變。舉例子:倫敦位於零時區,那麼當倫敦是某日上午9:33:22的時候,位於東八區的北京就應該是同日17:33:22(比倫敦快8小時)。相反位於西五區的紐約的時間就會是當日的凌晨4:33:22(比倫敦慢5小時)。因此,我們在國際交往中,應該說清楚所使用的是哪個時區的時間,否則就會出差錯。

當然,上面是理論劃分的時區。各國還會根據自己的實際情況劃分時區。例如中國雖然地理上橫跨五個時區,但是整個中國(含港澳台)為了方便,都使用東八區的時間作為標準(參考:中國時區)。東八區的時間也就是120°E經線上的時間,在陸台港澳四地分別被稱為「北京時間」、「國家標準時間」、「香港標準時間」、「澳門標準時間」。此外還有些國家實行非整數時區,例如印度所使用的時間比零時區時間快五小時半。

有些國家為了讓在白晝時間比較長的夏季能夠延長工作時間、提高工作效率,實施夏令時(Daylight saving time)。也就是夏季時將鐘錶撥快1小時,冬季則照常。

國際日期變更線

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圖3-33:國際日期變更線。

大家還記得凡爾納的《八十天環遊地球》嗎?在主人公回國時,他自認為已經過了81天,可沒想到的是實際只過了80天。你知道這是怎麼回事嗎?

假設某一時刻是協調世界時4日正午12時,那麼此時在東西十二區的東半部分就是4日深夜24時,在東西十二區的西半部分就是4日凌晨0時。這兩個地方僅一線之隔,但日期卻整整相隔1天!為了方便,我們在180°經線附近劃定一條國際日期變更線(International Date Line)(圖3-33),這條線的東西時間相差一天——由東向西越過此線,日期需加一天;由西向東越過此線,日期需減一天;如:在4月8日15:45向東航行跨過此線,時間應變為4月7日15:45。

需要注意的是,由於180°經線穿過陸地,而在陸地上變換日期非常不方便,於是國際日期變更線並非完全依照180°經線,而是拐了幾個彎,繞過陸地,基本只通過海洋。

課後自主學習

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  1. 與你的同學合作完成:
    1. 找到一個時區圖。請的同學隨意說一個城市和其目前所處的時間(含日期,如:2日上午8:30),並提另一個城市,你說出這個城市當時的時間。
    2. 也可以先約定諸如「當北京時間8日20:00時」,同學任說一個時間點,你舉出處在這一時間點的城市。
  2. 中國(含港澳台)地域遼闊,橫跨5個地理時區,但統一使用東八區標準時。有人建議應該按照地理時區將全國時區細分。對此,你的意見是?