地球为什么自转

地球自转《地理》高中上册2004年人教版15页就讲“地球的自转”，这种讲法已是400年没变，从哥白尼到牛顿，又到21世纪，无人不知地球23小时56分4秒自转一周。可在如此简单的真理背后，没人告诉我们下一个为什么，即为什么地球会自转？为什么地球会偏着头转？而金星为什么要反转？天王星为什么要睡着转？冥王星为何要同自己的卫星查龙面对面地旋转？不弄清地球与其它行星的旋转动力来源，光年复一年地背诵地球自转的周期与转轴倾角有个屁用！你讲不清楚不要紧，可你得告诉学生，说你不知道地球自转的动力是怎么来的，你应该让学生有个深入思考的目标啊，怎么能长期回避这个科学问题呢？60 年代，我读中学时就问过当时的老师，他说你上了大学就知道了，文革时期大学停办了，我买了原华东师大地理系主任金祖孟教授的《地球概论》，也在回避这个问题。文革后第一次高考，我有幸到上海上大学，某星期天，我背了一书包手稿到金祖孟教授的家里当面向他请教，他先问我读过美国芒克的《地球自转》没有，我说读过3遍，但芒克把全球火车对地球自转的影响都算进来了，却遗漏了万古奔腾的洋流，他也回避了这个问题。金教授最后也没说出个所以然，使我相当失望。后来金教授坐了我国地理学界的第一把交椅，80-90年代的中学《地理》课本全由他作最后审定，可这几十间的《地理》课本依然不谈地球自转的动力来源。1997年，我到北大地球物理系找到王仁教授（科学院院士），他是搞“地球动力学的第一权威”，王老师说他只研究潮汐对地球自转的影响，整个地球自转的动力问题可能是个哲学问题。该系钱祥麟、王邵武、地质系董申堡（院士）也没有很准确的答案。倒是一批哲学家认为这个问题很简单，他们说康德早在200多年前就把这个问题解决了，所有行星自转的动力都来自原始星云中的牛顿惯性，其实，这批哲学家根本就没读牛顿的原著，康德算哪根葱？这位德国古典哲学的创始人基本是个科盲。 各位同学，下面是本人30多年的思考总结，发表在《地球大揭秘》第一章，能否有一定参考作用，请你们审定，你们才是历史与真理的最后审定者。 第一章地球自转的动力 著者认为： “地球在自转”不等于“地球自己转”，康德――拉普拉斯关于地球自转动 力来源于地球内部的“星云假说”误导了地球科学。地球无故不会转，它内部没有动力！现地球之所以24小时自转一周，是因为它在以每小时10万多公里的速度绕日公转，且途中遇到太阳风的侧面推力，使高空产生等离子西风环流，高空西风又推动地面西风和向东涌的洋流，进而推动地球自西向东旋转。 一、地球在自转≠地球自己转 今天人们所说的“地球自转”，只是在描述地球自身绕日运行的姿态，它相对于太阳的位置而言，每24小时旋转一周；相对于恒星的位置而言，每23小时56分旋转一周，这是现行时间标量的依据，是太阳日和恒星日日长的由来，也是地球出现朝、昼、暮、夜的原因。“地球自转”这一概念揭示的是“地球在自转”这一自然现象。 其实，古希腊的费罗劳斯、海西塔斯等人早已提出过地球自转的猜想，中国战国时代《尸子》一书中就已有“天左舒，地右辟”的论述，而对这一自然现象的证实和它被人们所接受，则是在1543年哥白尼日心说提出之后。 然而，地球为什么会自转 自转的原因是什么 自转的动力从哪里获得 为什么选择现在的方向、姿态、速度自转 这些都是现代科学至今没有解决的问题。它不是要求去重复说明“地球在自转”这种已被证实的自然现象，而是要求弄清地球自转现象背后的原因，要求弄清地球自转的动力来源及其制约因素。 “地球自己转”已经是在说明地球自转的原因，它要肯定的是：地球自转的动力在于“自己”，在于地球内部而不是外部，在于自身具有的内力而不是外力。否定“地球自己转”并不是否定“地球在自转”这一现象，而是否定地球内部有推动自己旋转的动力，如同水磨旋转的动力并不在于磨体内部一样。故“地球在自转”不等于“地球自己转”，它们是两个不同的概念，若把两者等同起来，便是一种“误等”。 二、“误等”误导了分支科学 几个世纪以来，人们似乎习惯于把“地球在自转”的现象归结为是地球自身的行为，并未更多地意识到这两个概念的不同，也没仔细质疑过“地球自己转”的动力来源。一代代人大胆地在“地球自己转”这一基础上，开垦着一块块分支科学的园地，其中地质力学、大气动力学等，把地球自转所产生的角动量、惯性、科里奥利效应等，引为自身的力源；天体物理学用“地球自己转”的原理，去解释其它行星、天体的运动；哲学家们据此概括出“事物运动的动力都存在于事物内部”这样的普遍规律；还有的分支学科运用这一原理“圆满地”解释过其它自然现象。在这样的气氛下，谁若撬“地球自己转”这块基石，难免会触动一系列分支学科发生连锁地震，科学界必群起而攻之。 问题是，由“误等”误导的这些科学分支已经走到非常困难的境地。如气象学一直以为，风就是由于“地球自己转”而产生纬向环流的，而金星243天才自转一周，它却有比地球更大的纬向风，又作何解释 地质力学认为，山脉是地壳跟不上“地球自己转”的转速而向西滑动堆挤而成的，那么金星自己几乎不转，它地表上两条巨大的山系和大峡谷是怎么来的 另外抱给你一个地球，把它放在太空同样的轨道上，它会自转吗 到底地球自己转还是不转的问题，已经尖锐地提到现代科学的面前，无法回避。 三、虚构的“星云说” 科学并没有做错题，结论与事实不符的原因在于被康德――拉普拉斯星云说所误导。自哥白尼证实地球在自转这一现象后，人们就开始探索地球自转的动因。300年前的牛顿力学便精确地描述了地球的自转及其进动，但牛顿并未从物理学上论及地球自转的动力来源，而是简单地把它归因为上帝的“第一推动”。 1755年，康德在《宇宙发展史――根据牛顿定理试论整个宇宙的结构及其力学起源》一书中，虚构出一种“原始星云”，地球在这种星云的引力收缩中诞生，于是保留着收缩时所产生的旋转惯性，从此永恒地按牛顿惯性定律旋转，“地球自己转”的动力是地球形成时与生俱来的，地球自转的原因在于地球物质自身的引力，力源在地球内部，地核的旋转角速度应大于地壳。 随着拉普拉斯把这套虚构的假说数学化，康德―拉普拉斯星云说诞生，“地球自己转”被公认为是“地球在自转”现象的原因，并成为战胜上帝推动说的有力武器。 当然，琼斯―捷费利斯的碰撞潮汐说、施米特的俘获说、本纳季的新灾变说等，在地球旋转惯性的最初来源问题上提出过不同看法和推导，但在地球自转的力源问题上与康德并无两样，即地球内部一直保留着某种原始的旋转惯性。这些假说的推论过程有一个共同特点，即第一大前提都是虚构的，没有观测和实验的证据。 科学不能建立在无法实验验证的假说基础之上，康德――拉普拉斯星云假说是不可靠的，不能作为科学立论的基础?銮遥?档滤?茉斓脑?夹窃聘?揪筒淮嬖凇H绻?0亿年前有 原始星云，50亿光年远处就不会有星光 传来，因为星云是不发光的。现既然有星光传来，说 明那里没有星云。同理，50亿年后，那里的人类看到咱们太阳的星光时，也说我们这里曾是 原始星云，你信吗? 四、地球无故不会转 还是抱给你一个地球，把它放在同样的轨道上，它会不会转呢 也许你认为，若不预先给它一个旋转惯量，它就不会转。那你可错了，又在重复宇航时代初期的思路。 60年代，原苏联与美国曾向太空发射探测太阳辐射的人造卫星，让镜头固定地对准太阳并绕太阳公转，可出人意料的是，卫星在太空胡翻乱滚，镜头东摇西晃，根本无法给太阳拍照。卫星内部没有康德式引力收缩，也没预先给定一个旋转惯量，卫星为何无故而转呢 一次次失败使科学家们对传统的太空观念产生了怀疑，太空除引力、磁力之外，必还有第三种力，不然，太空中的物体，包括地球，无故自己不会转。 五、太空第三种力 70年代，太空探测发现太阳在刮“风”！即太阳表面的等离子体微粒流在向四面八方猛吹，在地球轨道附近实测平均风速约为450公里／秒，有时达到770公里／秒。微粒流中绝大多数是氢原子核，其次是氦核及少量其它元素的原子核。 这些带电粒子流在地球轨道空间呼啸而过，对阻拦它们前进的一切障碍都会给予一定冲力，它把太空探测器吹得左旋右转，把彗星的气体和尘埃从彗头吹出，形成几千万公里长的彗发，把地球磁层吹变形，迎风面被挤压在约8万公里半径之内，而避风面却延长到200多万公里之遥。 地球磁层实际就是地球磁场俘获的等离子微粒圈层，由于它的屏蔽作用，高速撞来的太阳风质子流便停止在它的外沿，形成所谓“激波”。太阳风中每个氢原子核撞击地球等离子圈层的力可由牛顿第二运动定律求得。 F＝ma 一个氢原子核的质量m为1 .67×10 －27 公斤，a为它的加速度，a＝（v－v 0）／t，如这个氢原子核撞向地球等离子层后，其速度v在1秒钟内从460公里／秒变为0，那么a就为460000米／秒 2，由此而知这个氢原子核作用于地球等离子圈层的力为7 68×10 －22 牛顿。 地球等离子圈层（磁层）半径约31万公里，其最大截面面积约3×10 21 厘米 2，已知地球轨道附近太阳风的密度约每厘米 3含5个氢原子核，那么每1秒钟内撞向地球等离子圈层的氢原子核数将为6 .9×10 29 个，由此可求出太阳风每秒钟作用于地球等离子圈层的总推力为5. 3亿牛顿。这个力相当于使5 3亿吨的物体每秒钟获得1毫米的加速度，而整个地球等离子大气的质量不超过6000吨，故向日面的等离子大气完全在太阳风力的支配之中。因等离子体浮在地球大气之上，大气是等离子体的载体，太阳风对等离子圈层的这个压力必然向下传递，使大气圈层也产生相应的形变。 据气象学对地球大气的测定，地球大气总重量约5300万亿吨，而背日面大气通常比向日面大气厚1／10。也就是说，背日面大气比向日面大气重530万亿吨?悸歉呖盏拇笃?浅O”。?旨俣ㄋ?拇笃?芏戎幌嗟钡涂沾笃?陌偻蚍种?唬?幢橙彰娴拇笃?槐认蛉彰娴拇笃?兀?.3亿吨。如果太空没有一个外力，大气应该平衡地分布在地球质心的两侧，那么这5. 3亿吨的外力是从哪里来的呢 显然是太阳风力，是太阳风通过带电粒子压迫地球等离子层，而间接作用于地球大气的结果。 太阳风是太空中的第三种力，像一只看不见的巨掌推顶着地球，当然，由于地球的质量太大，它无法把地球推出轨道，但它恒久地作用于地球的一侧，必然影响地球在太空的行走姿态，地球自转必然与太阳风力有关。 六 5 .3亿吨的无形负荷 如果地球静止在太空，那么太阳风的风力再大，其压力F 1、F 2（如图1――――本机无法贴图）都平衡地作用在地球质心的两侧，它能把地球沿X轴方向向右推出，但无法把地球推转。 事实上，地球并没有停止在太空，而是以每小时10万公里的高速绕着太阳公转，对于一个运动着的天体来说，情况就不同了，太阳风的压力偏在Y轴的左侧，这就必然产生一个力矩。从理论上说，一个飘浮在太空的物体是没有摩擦阻力的，只要有哪怕仅1公斤的力矩，也能扳动一个巨大天体的转柄，因为1公斤的外力就已经打破了天体围绕质心的平衡。 〖TPK1，＋63mm。85mm，BP＃〗 〖TS（〗〖JZ〗〖HT5”H〗图〓1〖HT〗〖TS）〗 由于太阳风粒子流的质点运动方向与地球公转轨道的角度接近90°，而且恒久地作用在向日面一侧，故可设太阳风的合力作用在C点，且压力为5 3亿吨，而C点的物质随O点沿Y轴高速前进时，这个横向压力就成为C点纵向前进时的摩擦阻力，相当于左半球被一个气体刹车瓦包住或外加了一个5 3亿吨的无形负荷。同水面滚动 的气球一样，球皮与水面的接触点就是滚动摩 擦点，相当于C点。 一旦C点附近出现一个摩擦阻力，就会使左半球作减速运动，无阻力的右半球仍在惯性作 用下按原速沿Y轴运动。假如右半球的惯性力集中在A点、方向与Y轴相 同、力F刚好为5.3亿牛顿，力臂r取地球赤道半径的一半，即取3189公里，A点力矩M便由下式可得： M＝r×F ＝3189000米×5 .3亿牛顿 ＝1 .7×10 15 米?牛顿 这个力矩M使A点总是快于地球公转前进的平均速度，导致地球绕地轴O点作逆时针圆周运动，即从北极看，自西向东旋转。 七、旋转的等离子风轮 数数夏夜的流星，也许有人会问，哪来这么多石块向地球大气层坠落呢 其实，地球所行走的空间除有无数石块、冰块、沙粒、尘埃之外，还有大量游离的等离子气团飘浮在太空。人在马路上疾行，会感到有风拂面，这个迎面风是由于人向前行走产生的，且叫它“行走风”。地球在太空高速“行走”，太空中的游离气团也会迎面而来，产生地球的行走风，地球行走风与Y轴平行，但方向相反，同太阳风相互垂直，共同作用于地球，见图2。 〖TPK2，＋69mm。90mm，BP＃〗 〖TS（〗〖JZ〗〖HT5”H〗图〓2〖HT〗〖TS）〗 行走风对地球最外层的等离子气体圈层形成一定压力，把D区的大气向B区压、导致OD一面的 气层薄，OB一边的气层厚，即OB＞OD。 太阳风对地球最外气层形成更大的压力， 把C区的大气向E区压，导致OC一面的气层比OE一面的薄，即OE＞OC。 比较这两股风力对地球等离子风轮的影响，太阳风的风速是450公里／秒，而行走风的风速才29 .8公里／秒，行走风比太阳风的风速小十几倍。另外，行走风只是偶然地、局部地、一阵阵地碰向地球的外层大气，而太阳风则是恒久地、全面地、连续地作用于地球，故太阳风是推动地球风轮的主力。 由于太阳风的压力更大，它对地球气轮的运动起决定作用。因CD区的大气受力面积要比CB区小，故太阳风作用于CB区的压力要比CD区大。地球质心两边的力臂长短不一，OB＞OD，两侧受力失衡，故地球气轮出现逆时针旋转的趋势。 由于靠近B点的等离子离地心远，地心引力小，故更易被太阳风吹向A区，而一旦CB区的大气向BA区挤压，A区大气就会在重力作用下向AE段运动，OBAE一区的大气压力就大于ODE区，大气向D区移动，DC段的大气又向CB段填充，整个地球气轮开始旋转，成为地球的等离子风轮。 八、风轮裹着地球转 即使太阳风有5 .3亿吨的压力，也还不到地球质量的万亿分之一，直接用该力来说明地球这个巨大刚体的旋转，显然是无稽之谈。前面把太阳风力作为扭动地球转柄的外力矩，只是一种设定。事实上，太阳风力不可能直接作用于地球刚体，它通过风轮和水轮间接地把力传递给地球，最终导致地球自转。 随着等离子层高度的降低，等离子体比重增大，大气密度增高，到50～500公里高度内，基本上全是高空稀薄大气层了。这一稀薄大气层是等离子层的载体，等离子西风风轮的旋转，必然粘滞它作同向环流。实测证明，50公里以上的稀薄大气层，全部由西向东作纬向环流。它已是计算导弹弹道的一个重要因子，即“高空西风因子”，它的平均风速约900米／秒，但由于大气非常稀薄，它的风是急而无力的。 50公里以下的低空大气是高空稀薄大气的载体，高空西风因子又粘滞低空大气作全球性西风环流，这样便启动了整个地球的风轮。风力由外圈向内圈传递，形成包围整个地球的西风系统，地球悬浮在旋转着的风轮中，风轮裹着地球同它一起自西向东旋转，如图3所示。 地球表面70％是海洋，海洋是地球的水圈，是大气的主要载体，大气西风环流必然会吹动粘滞洋面作同向环流。事实上，地球上的洋流全是由风力所支配的，如环南极西风漂流，便在常年西风吹动下永不停歇地自西向东涌流。如果地球上没 有陆 地，那么，海水就会在西风系统驱赶下作全球性纬向环流。 海水向东涌流，当然会粘滞海底、推涌海岸向东旋转。地球最大水域中的太平洋西风洋流便每时每刻都在把科迪勒拉山系向东推涌，这条全球最长的海岸山系便成为地球的最大转柄。太阳风就这样通过风轮、水轮抓住了地球这个刚体的转柄，地球就这样被一级一级地推动着自西向东旋转。 〖TPK3，＋64mm。82mm，BP＃〗 〖TS（〗〖JZ〗〖HT5”H〗图〓3〖HT〗〖TS）〗 九、地球转速公式 当地球被启动、加速、旋转起来之后，若速度得不到控制，它必然会像超速飞轮那样崩裂，而现在地球的转速是怎样被控制的呢 地球自转的力源既然来自“两风”，而行走风的风力取决于地球公转速度，那么太阳风力和地球绕日公转的速度就决定着地球自转的速度，也就是说，地球自转的速度V与太阳风力F和公转速度U的积成正比。 V＝F×U 如果V＞F?U，那就必须减速，如果V<F?U，就必须加速，这样才能维持自转速度与“两风”力矩的平衡。而“两风”并不直接把力传给地球，它们对地球自转速度的控制，仍然是通过西风和洋流来执行的。 〖TPK4，＋70mm。58mm，BP＃〗 〖TS（〗〖JZ〗〖HT5”H〗图〓4〖HT〗〖TS）〗 图4说明，南、北中纬地区的西风及西流大于地转线速度，西风和西流把地球往东推，欲给地球加速。而赤道区的西风和西流流速小于地转线速度，成为“负西风”。这如同顺风行驶的汽车，车速超过风速后，顺风便转化为逆风一样。现赤道地面的东风带就是“负西风”转化而来的，太平洋、大西洋的赤道东风洋流也是由“负西流”转化而来的，赤道东风和赤道东风洋流把地球向西推涌，欲使地球减速。 如果人为地给地球加速，那就会遇到赤道东风和赤道东风洋流的更大阻力。如果使地球转 慢，那又会遇到南北两条西风带及其西风洋流的更大推力。地球就在这南北两道推 力和一条赤道拉力中寻求平衡，使自转的速度保持在“两推一拉”的合力之中。地球的转速在风轮和水轮的直接控制之下，它不能随意选择或改变自己的转速。 十、“风吹地转说” 太阳风推动地球自转的立论，完全建立在已观测的证据基础之上，它能完满地解释大气、海洋、地质等学科所面临的疑难，真实地反映地球运动的状态。？然而，冥王星不转，天王星睡着转，金星反转，水星慢转，这些行星自转现象如何解释呢？地球又为什么会公转？公转速度又如何控制？……这些问题不解决，地球自转的动因仍然无法落锤。可庆幸的是，70年代以来卓有成效的行星探测，已经为解决这些问题积累了大量观测数据，这些资料会促使人们去重新评判当代行星起源的假说。下篇将对这些问题逐一提述，它将消除我们对“太阳风造成地球旋转”原理的任何怀疑。 现把这一原理归纳如下：地球自转的动力来源于外部，是太阳风和行走风的合力启动了地球的风轮和水轮，地球在风轮和水轮直接驱动下自西向东旋转。地球自己不能转，也不能不转，怎样转，转快转慢，都取决于外部各圈层的矢量和合力，这就是“地球在自转”现象的真正原因。为与“地球自 己转”的理论相区别，我把它简要地称为“风吹地转说”。 有读友会产生这样的想法，太空中吹出的肥皂泡在周围气流作用下，照样会自转，这么简单的原理还能称为“地球大揭秘”? 我非常理解这样的读者，因为著者也曾有过类似的想法，全世界那么多大科学家，连这点道理都没曾想过?而事实是令人遗憾的，他们没有提出这样的问题，他们没有确切地告诉我们地球自转的动力来源。无论你参加过多少次国际、国内关于地球动力学学术会议，除了能听到类似康德的老调外，就是美国人芒克(《地球自转》作者)的算式