坐地日行八萬里？——地球的運動到底有多快

探索 09-06

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作者：Elizabeth Howell

翻譯：王克義

校對：馬明陽

開學了，我們也來上課吧！別皺眉頭，今天只用到大概小學三年級的知識。毛澤東的詩句「坐地日行八萬里，巡天遙看一千河」大家都知道吧……什麼？沒聽過！？請教一下令尊吧，他一定背得滾瓜爛熟。「巡天遙看」的事我們在牧夫天文沒少做，「坐地日行」是多少呢？現在就細細道來。家有學童嗎？我們一起來回歸基礎吧。

Credit: NASA Goddard via YouTube

一段由來自DSCOVR（深空氣候觀測）衛星的EPIC相機的3000幅圖片組成的新延時視頻顯示了地球一年的旋轉，這是在一百多萬千米之外所見的情景。

作為一個地球人，我們很容易相信自己是靜止的。無論如何，我們並不會感到周圍有任何移動。但當你仰望天空，就會看到我們在運動的證據了。

一些最早的天文學家提出，我們居住在一個以地球為中心的宇宙中，也就是說地球位於一切的中心。他們說太陽圍繞我們轉動，由此產生了日出日落，月亮和其他行星的運動也是如此。但是總有一些事情眼見著與此不符。有時，一顆行星會在繼續向前運動之前逆行一陣子。

我們現在知道這種叫做逆行的運動是地球在其軌道上「追上」其他行星時發生的。比如，火星的軌道比地球離太陽遠。在地球和火星各自軌道的某一點，我們追上這顆紅色行星並超越它。超過它的時候，火星在天空中會反向運動。然後，在我們超越之後，它又恢復了正向運動。（想了解更多的逆行？來戳這篇鏈接：又雙叒叕水逆了？）

日心太陽系的另一個證據來自對視差（或從彼此間某一方面來說的恆星視位置的改變）的觀察。視差的一個簡單例子是，在你面前伸直手臂、抬起食指，閉上右眼，只用左眼看食指。然後再閉上左眼，只用右眼看食指。手指的視位置改變了對不對？這是因為你的雙眼在從稍有不同的角度看手指。

視差（圖片來自網路）

在地球上觀看恆星時，也發生了同樣的事情。地球繞太陽一周要大約365天。如果我們在夏天看一顆恆星（距離我們相對較近），在冬天再觀看它一次，因為我們在軌道上不同的點，恆星在天空中的視位置便因此而改變了。我們從不同的觀察點看到這顆恆星，通過一些簡單的計算，還可以利用視差得知恆星的距離。

我們的自轉有多快？

地球持續不斷的自轉，但速度取決於你所在的緯度。比如說，地球的赤道周長（地表最大的圓周長度）約為40070千米（NASA數據），這就是偉人詩句中「坐地日行八萬（華）里」的由來。一天是24小時，用周長除以一天的時長，得到赤道上的自轉線速度為大約1670千米/小時。

但在其他緯度，你不會運動得這麼快。如果我們從赤道向高緯度方向走半程，到達45度的緯度（無論南北），可以用緯度的餘弦來計算速度。如果你不知道如何計算餘弦函數，手機的科學計算器就能解決它。45度的餘弦是0.707，所以45度處的自轉線速度大約是0.707X1670=1180km/h。當你向北或南走得更遠時，這一速度減少更多。到達北極或南極點時，你的自轉線速度變得非常慢，用一整天時間在原地完成自轉（角速度依然是每晝夜360度）。

太空機構都喜歡利用地球的自轉。比如，如果他們要送宇航員到國際空間站，靠近赤道的地點就更合適。這就是為什麼前往國際空間站的貨運任務啥的總是從佛羅里達發射。童鞋們可以再想想為什麼我國的新航天發射場選址在海南文昌（要是曾母暗沙具備條件，估計就是那兒了）。這樣安排，而且順著地球自轉方向發射，火箭的速度會得到推進，為飛向太空助一臂之力。

地球繞太陽公轉有多快？

地球的自轉當然不是我們在太空中唯一的運動形式。根據康奈爾大學的數據，我們繞太陽公轉的速度大約是10.7萬千米/小時，這可以通過基本的幾何學計算出來。

首先，我們必須算出地球運行了多遠。地球用約365天繞日一周。軌道是個橢圓，但為了簡化計算，我們近似看作正圓。這樣，地球的軌道就是圓的周長。根據國際天文學聯合會的數據，日地距離（也叫天文單位）是1.4959787億千米。這就是半徑（r）。圓的周長等於2 x π x r。所以在一年中，地球走過了大約9.4億千米的路程。

由於速度等於路程除以所用時間，地球的速度可用9.4億千米除以365.25天算得，其結果再除以24小時，得到每小時的千米數。這樣，地球每小時約運行107226千米，速度約為260萬千米每天，這就成了「坐地日行五百萬里」啦。

太陽和星系也在運動

太陽在銀河系中有自己的軌道。太陽距離銀河系中心約有2.5萬光年，而銀河系的直徑至少有10萬光年。斯坦福大學認為我們處在中心以外的大約半程處。太陽和太陽系大概在以每秒200千米的速度飛奔，也就是平均速度高達72萬千米/小時。這又成「坐地日行三千五百萬里」了！即使以這樣的高速，太陽系也要大約2.3億年才能環繞銀河系一周。

不知道大家是否還記得太陽這個「浪味仙」一樣的運動呢~

銀河系在太空中也與其他星系有相對運動。大約40億年內，銀河系將會與它最近的鄰居仙女座大星系發生碰撞。兩者將以大約每秒112千米的速度沖向對方。

因此，宇宙中的萬物都是在運動的。坐地日行多少里，取決於你選的參照系。

如果地球停轉會怎樣？

你絕不會馬上被拋入太空，因為相對於地球的自轉運動來說，它的引力是如此強大。（自轉運動產生向心加速度。）在向心加速度最強的地點（赤道），它也只有地球引力的大約千分之三。換句話說，你根本感覺不到它，儘管你在赤道稱體重會比在兩極輕那麼一丟丟。

NASA稱地球在未來幾十億年內停止自轉的可能性「幾乎為零」。但是理論上說，如果地球真的突然停轉，會產生可怕的結果。大氣層會以原來地球旋轉的速度繼續運動。NASA補充說，這意味著一切都會被從地面上一掃而光，包括人、建築物、樹木、表層土壤和岩石。

如果過程平緩些咋樣呢？NASA說，這就更像是過去幾十億年來的劇本了，因為太陽和月亮都在給地球自轉拖後腿。給人類和動植物適應這種變化的時間是足夠的。根據物理法則，地球減緩自轉的極限是每365天轉一圈。這種情況稱為「太陽同步」，也叫「潮汐鎖定」，會使我們行星的一面永遠朝向太陽，另一面則是永久的黑夜。有個現成的例子，月球已經處於「地球同步」的旋轉狀態，月亮總是以同一面朝向我們，而另一半永遠羞澀地躲藏著。

但是再回來看一下無自轉的劇本：NASA說，如果地球完全停轉，還會有一些其他的怪異結果。其一是磁場幾乎會消失，因為它產生的部分原因就是自轉。我們將失去多彩的極光，環繞地球的范艾倫輻射帶很可能也會消失。（范艾倫輻射帶是在地球附近的近層宇宙空間中包圍著地球的高能粒子輻射帶，主要由地磁場中捕獲的高達幾兆電子伏的電子以及高達幾百兆電子伏的質子組成。——譯者注）然後地球就只能在狂暴的太陽面前裸奔了。太陽隨時都在向地球拋射日冕物質（帶電粒子），它會擊中地表，使一切遭受輻射。NASA說，那將帶來嚴重的生物危害。