我們尋找外星文明、宜居星球最重要的一點就是适宜的溫度。地球存在生命的原因之一就是我們處于太陽系的宜居帶中,然而大家常常忽略了一點,除了距離,地球自轉也對溫度的調節起到了極大的作用,沒有自轉、自轉太快或太慢都無法誕生生命。
地球同時也圍着太陽轉,太陽就像一盞“燈”,正對太陽為光明,背對為黑暗。自轉給地球帶來了晝夜交替,如果沒有自轉,我們會經曆持續長達半年的白晝與持續長達半年的夜晚,這不單單是一睡就半年的問題。
打火機點着火,手迅速穿過,感受到些許溫度,如果速度更快,連溫暖都感覺不到。如果緩慢通過就會有一陣烤肉的香味撲鼻而來。地球就像架在燒烤架子上的肉,太陽就像篝火,必須不斷的旋轉,讓肉的各處受熱均勻,才不會烤糊。
- 如果沒有自轉,連續半年光照會使地表溫度達到100度以上,背面的海水會結冰,蛋白質即使出現也隻會失活,生命将無法誕生。
- 如果地球自轉太慢,同樣會出現上面溫差大,溫度過高與過低的問題,不轉與慢轉區别就是開大火爆炒,還是小火慢炖。
- 如果地球自轉太快,溫差會變小,地質活動會加劇,地震火山頻繁,台風會增多,四季變化快,同樣是煉獄。
因此日地距離要适中,自轉速度也要适中,24小時為周期的晝夜交替就讓我們很舒服。那麼24小時是怎麼來的,僅僅是因為地球自轉嗎?如果你與台燈保持靜止,你原地打轉,不是前面亮就是後背亮,然而地球與太陽并不像你和台燈一樣相對靜止。
太陽日如果地球和太陽相對靜止,地球在軌道X位置不動,原地轉動,當地球上的A點再次對準左側的太陽,地球将完成一圈自轉。
在實際情況中,地球會從軌道上X處移動到軌道Y處進行公轉,當地球僅僅隻是完成一圈自轉,A點再對準左側時會發現太陽已經不在正左方位,而是左下方。地球還需要轉動一個角度,A點才能與太陽“對視”,這個過程中地球總共轉動了360°59′′,我們把這個以24小時為周期的日夜更替叫做太陽日。
太陽日的周期我們有很多種辦法得到,例如在地面上立根棍,它的影子會發生角度與長短的變化,當影子處于最短的時候就是當地的正午,用我們總說的話就是:太陽最高的地方。這也是A
點正對太陽的時候,但并不代表時間是中午12點,隻能說是地方時的12點。
我們總說北京時間,然而北京的正午(影子最短)也并非北京時間的12點。地球根據經線分為24個時區,北京為東經116.4°處于東八區中(東經112.5°到東經127.5°),東八的中心線為東經120°,我們手表與東經120°的地方時同步。常州市較為接近東經120°,所以北京時間也近乎于常州的地方時,而非北京的地方時。
早在戰國之前,古人發明日晷來計時就是基于這個原理,不過日晷所顯示的時間為地方時,例如新疆的日晷和北京的日晷肯定不同步。不過,我國區域内都是統一使用北京時間(東經120°地方時),而新疆處于東六區,地方時與東八區相差兩個小時,也就是說東部地區天亮了,新疆需要兩個小時以後才會亮,而下午放學後,東部的小朋友放學回家可以會動畫城、大風車,而新疆的小朋友到家看到的是“地球”伴随着噔噔~噔噔的畫面。
圖:新疆晚上9點的天空
恒星日地球真正自轉一圈(360°)所用的時間為23小時56分04秒,稱為恒星日。地球與太陽存在相對位移,因此我們不能把太陽作為參照物進行測量。
如果在封閉室内空間中,四面全是白牆,你轉上幾圈之後停下來,肯定分不清東西,如果在零重力的封閉空間中,可能連南北都找不到了。
茫茫宇宙各向同性,天體都在自顧自的移動,地球懸浮于其中同樣很難辨别準确的方向,因此我們需要一個參照物來設定初始的方向。
宇宙中并不存在絕對靜止的天體,也很難找到和地球相對靜止的恒星或行星。不過我們可以找一顆足夠遠的恒星,雖然地球相對遠星也在動,但地球自轉一圈之後,原本相對于太陽需要補轉59分的β角度會随着恒星距離的增大而減小,當對标的恒星距離足夠大,需要補轉的角度α就會小到忽略不計,那麼我們就可以得到地球自轉的真周期。
總結(1)地球自轉帶來了日夜更替,适中的自轉速度使地球的溫差不會出現大幅度的變化,達到誕生生命的條件。
(2)地球公轉,與太陽存在相對的位移,導緻地球自轉一圈之後無法達到完整的晝夜交替,需要再補轉59分來彌補相對位移之後出現的角度偏差,因此24小時内地球自轉的角度為360°59′′,接近于361°,這樣的周期稱為太陽日,我們根據不同的時區對地球上不同地方的時間進行劃分。
(3)當我們以足夠遠的恒星為參照物,地球與恒星的相對位移可以忽略不計,如同宇宙中距離遙遠的兩個質點,我們就可以依此測算出地球真正自轉一圈的周期為23小時56分04秒,我們稱地球自轉一圈的周期為恒星日。
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