我們都知道,地球繞太陽公轉經過四個季節,冬至夏至之間六個月的日照長度增加,夏至至冬至之間的日照長度減小。我們還經歷了24小時的循環,這是地球的每日自轉,而28天的循環是月球圍繞地球的自轉。這些是無限期重複的循環。但是,在這些循環中及其周圍隱藏著許多微妙之處,大多數人不知道。
事實上太陽不一定是中午最高的。全年中,太陽到達天空最高點(真正的正午)的時間變化會有所不同。發生這種情況有兩個原因:地球的軌道是橢圓形,而不是圓形,並且地球相對於太陽傾斜。由於地球以(幾乎)恆定的速度自轉,但在一年中的某些時候公轉的速度比其他公轉快,所以有時地球的自轉要麼在圓形軌道的前面,要麼在其各自的軌道後面。可以通過想像地球赤道周圍彼此靠近的點來最好地想到由於地球傾斜所引起的變化。如果將點的圓傾斜23.44度(地球傾斜的當前值),則會看到除赤道和熱帶上的點之外的所有點都改變了它們的經度。
大多數人認為,在北半球,太陽最早落在12月的冬至,而最近一次落在6月的冬至。這實際上是不正確的。其實夏至冬至的日光長度是最長或最短的。但是,真正正午時間的變化會拉動日出和日落時間。到了冬至,真正的正午正以每天30秒的速度在後面。由於在至上點的日光長度沒有變化,因此日落也以每天30秒的速度變慢,日出也是如此。由於冬至的日落時間越來越晚,所以最早的日落已經發生。由於該日期的日出時間也越來越晚,所以最新的日出時間尚未到來。也可能發生了最新的日落髮生在夏至之後的很短時間,而最早的日出發生在了夏至之前的很短時間。但是,這種差異並不像冬至時那樣大,因為在該冬至時,由於偏心率引起的正午變化要比由於傾角而引起的正午變化有所減弱(由於傾角而引起的正午變化在兩種情況下均為正值)所以變化率仍為正。
大多數人都知道地球繞橢圓軌道而不是圓形繞太陽旋轉,但是地球的軌道偏心率值大約等於1/60。周期性地繞太陽運行的行星始終具有0到1之間的偏心率,包括0但不包括1。偏心率0表示該軌道是一個以太陽為中心且行星以恆速運行的理想圓。然而,由於存在連續的可能的離心率值,因此這種軌道極不可能發生。偏心率是通過將太陽與橢圓中心之間的距離除以橢圓的半長軸長度來測量的。偏心率越接近1,軌道就變得越來越長和越來越細。距太陽最近的行星總是繞著最快的軌道運行,而距太陽最遠的行星總是繞著最慢的軌道運行。當偏心率大於或等於1時,行星將繞太陽旋轉一次,然後飛回太空,再也不會被看到。
地球會經歷周期性的擺動,已知擺動和章動擺動。這主要是由於外部引力拉動了地球赤道隆起。太陽和月亮拉動地球的凸起,使地球擺動。但是,對於偶然的天文觀測,這些影響可以忽略不計。地球的傾角和經度為18.6年,是月球繞其結轉所花費的時間,而較小的六個月零兩個星期的擺動是由於地球圍繞太陽和月球的軌道而產生的分別繞地球公轉。
我想伽利略時代的天主教徒也許只相信地球是平坦的就可以了。碰巧地球幾乎是球形的,但在兩極卻稍微變平了。地球的赤道半徑為6378.14公裡,但其極地半徑為6356.75公裡。因此,地質學家不得不提出不同版本的緯度。地心緯度將觀看者的緯度衡量為相對於赤道和地球中心的角度。地理緯度衡量觀看者的緯度,即相對於赤道的角度和直接在其腳下延伸的直線。所以地理緯度是繪製地圖和識別坐標的標準。就在前段時間有報導說,美國一位61歲的老大爺——邁克·休斯(Mike Hughes),一名「地平說」的擁護者,在經歷了一系列的失敗之後,於3月24日順利地將自製火箭以523公裡每小時的速度送上了1875英尺(571.5 米)的高空。不料火箭升空時卻發生了意外,伴隨的降落傘突然拋出飄走,之後箭繼續往上衝,並失去動力,邁克·休斯(Mike Hughes)在沒有降落傘的情況下,連同火箭從高處墜毀到沙漠,經當地警方證實已死亡。
地球的軸像陀螺一樣緩慢旋轉。而且,形成地球軌道的橢圓形非常緩慢地旋轉,使地球多年來圍繞太陽追蹤的形狀形成了雛形。由於兩種進動,天文學家已經確定了三種類型的年份:恆星年(365.256天),這是相對於遙遠恆星的軌道;非歷年(365.259天),這是地球花費的時間長度。從最近的點(近日點)移動到距太陽最遠的點(日點)並再次返回,而在熱帶年份(365.242天)從一個春分到下一個春分的持續時間。
天文學家米盧汀·米蘭科維奇(Milutin Milankovitch)在20世紀初發現,地球的傾角,偏心率和歲差不是恆定的。在大約41,000年的時間裡,地球完成了一個循環,從傾斜24.2-24.5度下降到22.1-22.6度,然後又返回。目前,地球的軸向傾斜度正在減小,並且我們正處在下降的一半途中,最低傾斜度為22.6度,這將在12,000年左右達到。地球的離心率經歷了一個更加不穩定的周期,長達100,000年。地球的偏心率約為0.005至0.05。如第8項所述,目前為1/60或0.0166,但目前正在降低。在28,000年左右,它將觸底至0.006左右。他推測這些循環會導致冰河時代。
由於潮汐和雜散空間粒子引起的摩擦,地球的自轉速度逐漸減慢。估計表明,每個世紀,地球自轉大約需要五分之一秒。在地球形成初期,一天的時間大約是13或14個小時,而不是今天的24個小時。地球自轉緩慢是我們每隔幾年增加一秒的原因。但是,我們的24小時制不再有效的時間在未來還有很長的路要走,沒有多少人猜測到那時我們將做什麼。一些報告建議我們可以在每天結束時增加一個額外的持續時間,也許最終給我們25小時的工作日,或者更改小時長度的持續時間以將較長的天分成24個相等的部分。
每年,月球都從繞地球的軌道移出約4釐米(1.6英寸)。這是由於月亮帶到地球的潮汐。月球在地球上的引力使地殼扭曲了幾釐米。由於月球的旋轉速度比月球軌道快得多,因此凸起將月球拉向前方並將其拉出軌道。
咱們都知道,春分標記著各自季節的開始,而不是中間的季節。這是因為地球需要時間來加熱或冷卻。因此,季節落後於各自的日光長度。這種影響被稱為季節性滯後,並根據觀察者的地理位置而變化。到達任一極點的距離越遠,滯後趨勢就越小。在許多北半球國家,滯後時間通常約為一個月,使1月21日前後的天氣最冷,而7月21日前後的天氣最暖。比如,八九月底,可能還穿著半袖,吃著西瓜解暑。北方的城市四五月底還穿著秋褲。由此可見季節性的滯後對我們生活也有一定的影響。