本文將深入探討地球自轉的原因、速度、方向、測量方式及其對人類社會的重要影響，揭開這場宇宙舞蹈的神秘面紗。
地球自轉的原因是什麼？
地球一直在自轉，因此產生晝夜變化，這件事似乎理所當然，但你是否曾經思考過：「地球為什麼會轉動？而且轉了 46 億年，竟然還沒有停止？」自古今地球的歷史來看，這都是一個令人著迷的現象。要解答這個問題，我們需要從太陽系的誕生開始說起。
地球為何開始自轉？來自宇宙的動量遺產
地球的自轉，最根本的原因來自於角動量守恆。這是一條宇宙中普遍適用的物理量定律，簡單來說，只要沒有外力影響，任何旋轉的物體角動量都會保持它的轉動狀態。
1. 太陽系的誕生——混亂中的旋轉
約 46 億年前，一顆超新星爆炸後，產生了大量的氣體與塵埃，這些物質在引力作用下開始聚集，形成了一片旋轉中的星際雲團，即「太陽星雲」。初始條件猶如熱粥般混亂，但隨著時間推移，物質逐漸趨向有序。這片雲團內的物質受引力影響逐漸向中心塌縮，而當物質越集中，旋轉速度就越快，就像當花式溜冰選手收緊雙臂時會旋轉得更快一樣，這便是角動量守恆的作用。
在這個旋轉的星際雲團內，不同區域的物質開始聚集形成不同的天體，包括太陽、行星、小行星等。地球的前身—行星胚胎，在這個過程中獲得了旋轉的動量，開始自轉。
2. 碰撞與角動量交換
在太陽系誕生的早期，行星仍在形成，無數的小天體彼此碰撞、融合，每次碰撞都會影響彼此的角動量，就像大小陀螺碰撞一般。就像旋轉的陀螺相互撞擊後，有的變慢，有的變快一樣，地球的旋轉速度也經歷了多次變化。
最著名的一次碰撞事件是 「月球的誕生」，國外行星研究團隊的科學家認為，地球早期曾與一顆名為「忒伊亞」(Theia) 的火星大小天體發生猛烈撞擊，導致部分物質濺出並形成了月球。同時，這次撞擊也改變了地球的自轉速度和軸傾角，奠定了今日的地球自轉特徵，月食現象也在此過程中獲得新的解釋。
地球為何轉了 46 億年還不停？
既然地球的自轉來自於太陽系形成時的角動量，那為什麼它轉了數十億年還沒停下來呢？
1. 角動量守恆——沒有外力，地球不會自己停下來
地球本身並沒有什麼機制能讓自轉「自發」減慢或停止，因為角動量在沒有外力影響時是守恆的。這就像是一顆在太空中旋轉的陀螺，只要沒有外力來干擾，它會一直保持旋轉狀態。
2. 阻力有限——雖然在減速，但非常緩慢
雖然角動量守恆，但地球的自轉並非完全不變。其實，地球的自轉確實在逐漸變慢，主要是因為潮汐作用和地球內部的物質運動。此外，地震、冰川融化以及地球內部現象中地函對流方向的變化，都會影響地球自轉速率。
- 潮汐效應：月球的引力作用在地球的海洋上，形成潮汐，這種潮汐與地球自轉的方向略有摩擦，導致自轉速度緩慢減少。根據中研院地球科學研究所的資料，地球的自轉速度每100年會減慢約1.7毫秒。這意味著數億年後，一天的長度會比現在更長。
- 地球內部的動態變化：地核與地幔之間的物質流動，也會影響地球的自轉速率，雖然影響極其微小，但在長時間尺度下仍可能造成變化。
儘管如此，這些影響都非常微弱，因此地球依然保持著穩定的自轉，並不會在短時間內停止。
地球自轉是誰發現的？
地球自轉的概念經歷了漫長的發展歷程，從古代哲學家的猜想，到近代科學家的實驗證明，逐步確立了我們對地球自轉的理解。
古代的觀點
早在古希臘時代，畢達哥拉斯學派的菲洛勞斯（Philolaus，約公元前470–前385年）就提出了地球自轉的概念。然而，這一觀點在當時並未被廣泛接受。
中世紀的見解
在公元499年，印度天文學家阿耶波多（Aryabhata）提出，地球是球形的，每天繞其軸線自轉，並認為恆星的視運動是由地球自轉引起的相對運動。
近代的實驗證明
1514年，哥白尼提出日心說，認為地球並非靜止不動，而是自行旋轉的。由於地球自西向東逆時針轉動，造成了人們從地面上觀察時，會看到太陽、月亮和星星從東方升起，西方落下。地球每轉動一圈即為一天，當某一地區面向太陽時，就是白晝；當轉至背向太陽時，則進入黑夜，這便形成了晝夜更替的現象。
哥白尼的日心說雖然讓宇宙模型變得更為簡潔，但在當時並未能說服大多數人。首先，宗教信仰使人們難以接受地球並非宇宙的中心；其次，他的理論在天文觀測上的預測精準度仍有所不足，因此未能立即獲得廣泛認同，但對研究地球自轉仍是了不起的貢獻。
真正直接證明地球自轉的是法國物理學家里昂·傅科（Léon Foucault）。1851年，他在巴黎萬神殿首次展示了著名的傅科擺實驗。傅科擺是一個大型的擺錘，能夠顯示地球自轉的效果。隨著時間的推移，擺錘的振盪平面會緩慢旋轉，這是由於地球在其下方自轉所致。
傅科擺實驗提供了直觀且有力的證據，證明了地球的自轉。
什麼可以證明地球自轉？
雖然我們在日常生活中感受不到地球的旋轉，但科學家通過多種方法證明了地球的自轉。以下是幾種關鍵的證據：
1. 傅科擺實驗
1851年，法國物理學家傅科（Jean Foucault）在巴黎先賢祠進行了一項著名的實驗。他懸掛了一個長達67公尺的巨大擺錘，觀察其擺動方向隨時間的變化。結果顯示，擺錘的擺動平面會隨著時間逐漸旋轉，這是由於地球在擺錘下方自轉所致。這個實驗直接證明了地球的自轉。
2. 科里奧利效應
地球自轉導致了科里奧利效應，即在地球表面運動的物體會偏離其原始路徑。在北半球，物體運動會向右偏；在南半球，則向左偏。這種效應在氣象學中尤為明顯，例如颱風和氣旋的旋轉方向正是由科里奧利效應引起的。
3. 天體觀測
透過長時間曝光攝影技術，觀測夜空中的恆星運動，可以發現星星在天空中形成圓弧形的軌跡，這是由於地球自轉所造成的視覺效果。
4. 地球形狀的扁平化
地球自轉使其在赤道附近略微鼓起，而在兩極稍扁，形成一個扁球體。這種形狀的變化是由於自轉引起的離心力作用所致。
5. 重力變化
由於地球自轉導致的離心力作用，赤道地區的重力加速度略低於兩極地區。這種重力差異也證明了地球的自轉。
地球自轉速度多快？
地球自轉是指地球繞自身軸心從西向東旋轉的運動。在赤道附近，地球表面的線速度約為每小時1,674公里。這意味著赤道上的一個地點在24小時內完成一整圈自轉，移動距離相當於地球的周長。
然而，地球自轉速度並非恆定不變。科學家觀察到，地球的自轉速度會受到多種因素影響，包括地核、海洋、大氣層的運動，以及月球等天體的引力作用。這些因素導致地球自轉速度出現微小的變化。
值得注意的是，2020年地球的自轉速度達到過去50年來的最高值。根據報導，2020年7月19日的自轉時間比標準的24小時短了1.4602毫秒，打破了2005年7月5日短少1.0516毫秒的紀錄。這意味著，地球在該日自轉得比平時更快。
這種自轉速度的變化可能與全球暖化導致的高海拔冰雪融化有關，但影響程度相對較小。科學家持續監測地球自轉速度的變化，以確保時間測量的精確性，並研究其對地球環境和人類活動的影響。
地球自轉速度是固定的嗎？地球會越轉越慢嗎？
地球自轉從未真正穩定過，它的速度時快時慢，並非恆定的 24 小時。
自轉時間的微妙變化
在精密時鐘發明之前，人類一直依賴地球自轉來計時。所謂的「一天」，指的是地球自轉一周回到相同的太陽位置。然而，當現代科技發展後，科學家使用原子鐘發明重新測量時間，發現地球自轉的時長每天都略有不同，並不完全符合 24 小時。
角動量守恆與影響因素
根據物理定律，角動量守恆應該讓地球自轉保持穩定。但地球並非一個絕對剛體，而是一個內部充滿流動性的天體，包括大氣環流、海洋洋流、地函對流等因素，都會影響地球的自轉速度。
舉例來說，當大氣向東移動加速，會透過摩擦力從地球的自轉中吸取角動量，使自轉減慢；相反地，如果大氣向東的流速減緩，則會將角動量回饋給地球，使自轉加快。這種相互影響的機制，使得地球自轉的速度不斷微調。
此外，地震、冰川融化、地球內部物質的流動等現象，也都可能改變地球的自轉模式。例如，一場強烈的地震可能會影響地球的質量分布，使得自轉速率略有變動。
閏秒的調整
當地球自轉的變化累積到一定程度，就會導致與原子鐘的時間出現偏差。為了確保全球時間的準確性，國際時間標準機構會在必要時加入「閏秒」，即在標準時間內額外增加 1 秒，以調整與地球自轉之間的誤差。
自 1972 年以來，已經有超過 20 次的閏秒調整。最近一次發生在 2017 年 1 月 1 日，當時全球時鐘在午夜前多加了一秒，確保時間與地球自轉保持一致。
地球變慢，月球遠離：時間的長河如何改變世界
隨著歲月流轉，地球的自轉速度正在逐漸放緩，而月球也在一點一點地遠離我們。這些變化或許微乎其微，每隔幾年才需調整一秒鐘，對日常生活毫無影響。然而，當我們將時間尺度放大至數百萬、數億年，這一現象便顯得格外顯著。
地球的日子變長了
地球並非一直保持著現在的24小時自轉週期。從古生物學的證據來看，大約四億年前，一天僅有22小時。更早的時代，新生地球的自轉可能只有幾小時便完成一圈！換句話說，若我們向未來推進，隨著地球逐漸減速，或許有朝一日，一天將延長至25小時。然而，要達成這一變化，估計還需約兩億年的時間。
月球：地球的剎車手
究竟是誰讓地球自轉減慢？罪魁禍首正是我們熟悉的月球。月球的引力擾動了地球上的海洋，產生潮汐現象。當海水往復運動時，與地球表面發生摩擦，就像給地球裝上了一層「剎車皮」，長期作用下使地球的自轉速度逐步降低。
那麼，減少的角動量去哪裡了？根據角動量守恆定律，角動量總和不變，這部分動量並未憑空消失，而是被月球「接收」，推動它的公轉角動量速度加快，月球公轉速度變快，同時讓其軌道逐漸遠離地球。科學家測量發現，月球每年正以約3.8公分的速度遠離我們。這意味著在數十億年前，月球曾經比現在更靠近地球，看起來更加龐大，每次漲潮甚至可能引發驚天巨浪。
未來：地球與月球的終極結局
若這種趨勢持續下去，未來地球的自轉將進一步放慢，直到某一天完全停止，最終變成「潮汐鎖定」狀態，永遠只以同一面朝向月球——就像現在的月球對地球一樣。屆時，地球的一側將始終面對月球，而另一側則永遠無緣見到它。值得注意的是，當那一天到來時，月亮可能早已遠離到只剩下一顆不起眼的小白點，不再是我們熟悉的那輪皎潔明月。
地球的變遷並非一蹴而就，而是隨著時間流逝緩慢進行。這些微小的變化，若從數億年的視角來審視，將帶來難以想像的影響。畢竟，宇宙的故事，總是寫在時間的長河之中。
為什麼感覺不到地球在轉？
我們之所以感覺不到地球的自轉，主要有以下幾個原因：
- 穩定且恆定的自轉速度：地球以穩定的速度自轉，赤道附近的自轉速度約為每小時1600公里。由於這種穩定性，我們的身體、周圍的物體以及地球的大氣層都以相同的速度同步運動，因此我們感受不到任何運動的變化。
- 缺乏明顯的參照物：在日常生活中，我們通常以周圍的環境作為參照物。然而，地球上的一切都與我們一起同步自轉，沒有相對運動。因此，我們無法通過觀察身邊的物體來感知地球的自轉。
- 慣性作用：根據牛頓第一運動定律（慣性定律），物體在沒有外力作用下會保持靜止或以恆定速度直線運動。由於地球的自轉是穩定且持續的，我們的身體已經適應了這種運動狀態，不會感受到任何加速度或減速度，因此感覺不到地球的自轉。
類似的情況可以在日常生活中體驗到。例如，當我們乘坐平穩行駛的汽車或飛機時，如果沒有外部參照物且車輛或飛機運行平穩，我們很難感受到自身的運動。
然而，地球的自轉對我們的生活有著深遠的影響。最明顯的是日夜交替，這是由地球自轉引起的。如果地球停止自轉，將導致一半的地球永遠處於白晝，另一半則永遠處於黑夜，對生態系統和氣候造成極大影響。
地球的旋律：不安分的自轉與變動的軸心
地球並非靜止不動的舞者，而是一位不斷變換舞步的旋轉者。它的自轉不僅逐漸變慢，自轉軸還時刻擺盪，猶如被甩出的陀螺或旋轉中的飛盤，展現出各種細微而週期性的變化。
歲差：自轉軸的優雅舞步
地球的自轉軸並非固定不變，而是會繞著一個圓錐形軌跡擺動，這一現象稱為「歲差」。這種變化主要是受到太陽與月球引力的影響，使得地軸以約 25,800 年為週期進行旋轉。歲差導致地球在天文上的基準點逐漸偏移，例如春分與秋分的位置每年都會稍微改變。長遠來看，這也讓北極星的位置變遷，未來數千年後，今天指引航行的北極星將不再是地球的極點標誌，而會轉向另一顆恆星，如織女星。
極移：漂泊不定的北極點
除了歲差，地球的自轉軸還會發生另一種奇特的擺動，即「極移」。自 1900 年以來，科學家已經觀測到地理北極點正在緩慢但持續地向美國東部方向漂移，至今已偏移十多公尺。這一變化與地球內部的質量重新分布有關，尤其受到冰河時期結束後的地殼回彈影響。
在冰河時期，大量的冰層壓迫地表，形成強大的壓力。然而，當冰層融化後，這些被壓縮的區域因反彈現象開始緩慢回彈，使地球的形狀發生微妙變化。這種變化進一步影響了地球的質量分布，導致自轉軸重新調整，以維持角動量守恆。這就像是一團黏土被捏成不同形狀後，當你嘗試旋轉它時，旋轉軸心也會發生變動。
地球的旋轉交響曲
從歲差的漫長變動，到極移的細微擺盪，地球的自轉並非單調的機械運動，而是一首豐富多變的交響樂。主旋律是自轉速度的緩慢減緩，而在這之中，地軸擺動、極點漂移等現象則是錯綜複雜的副旋律。這些現象不僅塑造了天文觀測的基準，也影響著我們所依賴的曆法與座標系統，讓人類不得不隨時調整步伐，跟上這顆行星的獨特節奏。
無論是科學家還是普通觀察者，地球的這場宇宙舞蹈都值得我們細細品味。它提醒我們，即使看似恆定的事物，也在時間長河中悄然變化，孕育著無窮的奧秘與驚奇。
地球自轉的測量方式和應用
地球自轉不僅是天文學上的奇妙現象，更與我們的日常生活息息相關。現代社會高度依賴的全球定位系統（GPS），其運作精準度就取決於對地球自轉的深入理解。
地球自轉與 GPS 的關聯
GPS 的核心功能是透過多顆衛星的訊號，計算地面接收器的確切位置。當接收器獲取來自至少四顆衛星的座標與訊號發送時間後，便能根據訊號傳遞的時間差計算出與每顆衛星的距離，進而確定自己的地理位置。
然而，問題在於地球並非靜止不動，而是以極快的速度自轉。因此，當地面接收器持續移動時，若未考慮地球自轉的影響，定位誤差將逐漸累積，使導航數據不再可靠。因此，GPS 系統必須即時修正地球自轉對訊號傳遞的影響，以維持精確度。
地球自轉研究的應用
除了 GPS 之外，精準掌握地球自轉對於許多高科技應用也至關重要。例如，科學家在追蹤太空探測器或運行人造衛星時，地面控制站需要精確計算航行軌跡，這要求對地球自轉的影響進行修正，才能確保通訊與導航精準無誤。此外，地球自轉的細微變化還可用來分析全球氣候變遷，幫助研究人員評估人類活動對氣候的影響。
測量地球自轉的方法
過去，天文學家主要依賴恆星作為固定參考點來測量地球自轉，但精確度有限。如今，科學家運用多種高精度技術來監測地球自轉，例如：
- 衛星雷射測距（SLR）：利用地面站發射雷射束到人造衛星，根據反射回來的時間計算距離，進一步監測地球運動的細微變化。
- 長基線干涉測量（VLBI）：透過全球多個射電望遠鏡同步觀測遙遠的類星體，分析訊號時間差，以極高精度測定地球自轉速率。
- 全球定位系統（GPS）測量：透過遍布全球的 GPS 接收站，測量與衛星的距離變化，監測地球自轉的細微變動。
綜合這些方法，科學家能夠極為精確地監測地球自轉的變化，確保包括導航、太空探索及氣候研究等領域的科學應用得以順利進行。
全球暖化與地球自轉之間有影響嗎？
全球暖化與地球自轉之間並沒有直接的因果關係，但地球的長期氣候變遷確實受到天文因素的影響。要理解當前的全球暖化，必須區分自然氣候變遷週期與人為影響的區別。
自然氣候變遷與冰河期週期
地球氣候歷史上經歷過多次冰河期與間冰期的循環，這些變遷主要受到「米蘭科維奇循環」（Milankovitch Cycles）影響，這是一組由天文因素驅動的週期性變化，決定了地球接受太陽輻射的方式：
- 地球公轉軌道離心率（約 10 萬年週期）
地球繞太陽的軌道在接近圓形與橢圓形之間擺盪。當軌道較橢圓時，地球距離太陽的變化較大，使冬夏溫差更明顯，可能促使冰河期的形成。 - 地軸傾角變化（約 4 萬年週期）
地球自轉軸的傾角會在 22.1 度到 24.5 度之間變化，影響季節的強弱。較大傾角會讓夏天更熱、冬天更冷，而較小傾角則讓氣候變得較為溫和。 - 歲差與近日點變化（約 2 萬年週期）
地球自轉軸像陀螺一樣旋轉（歲差運動），並且公轉軌道的近日點也在移動。當北半球的冬季發生在地球遠離太陽的時候，可能會加劇冰河期的形成。
這些因素導致了數十萬年尺度的氣候變遷，並非現今全球暖化的主因。
全球暖化與人為影響
近代氣候變遷的特徵與上述長週期變化不同。自工業革命以來，大氣中的溫室氣體（如二氧化碳、甲烷）的濃度急劇上升，導致地球能量平衡改變，造成溫度上升。這種變化並非萬年級別的天文現象能夠解釋，而是幾十年內快速發生的現象。
- 溫室氣體排放
人類燃燒化石燃料、大規模砍伐森林與農業活動，使大氣中的二氧化碳濃度達到過去 80 萬年未曾出現的高水平，加劇了溫室效應。 - 氣溫迅速上升
過去 150 年內，地球平均氣溫已升高超過 1°C，這個變化速度遠超任何自然氣候週期。 - 極端氣候增加
由於全球暖化，颶風、熱浪、乾旱與極端降水事件的頻率與強度皆在上升。
地球自轉如何影響風的模式？
地球自轉對風的模式有著深遠的影響，這主要體現在科里奧利效應上。當地球自西向東自轉時，這種旋轉運動導致了地表移動的空氣流受到偏轉，形成特定的風系統。
科里奧利效應對風的影響：
科里奧利效應是由地球自轉引起的虛擬力，影響了運動物體的路徑。在北半球，這種效應使得運動中的物體（包括風）向右偏轉；而在南半球，則向左偏轉。這種偏轉對大規模的大氣環流有著關鍵作用，導致了全球風帶的形成。
全球風帶的形成：
地球自轉和科里奧利效應共同作用，形成了以下主要的風帶：
- 信風帶（貿易風）： 位於赤道以北和以南的低緯度地區。由於科里奧利效應，北半球的信風從東北方向吹向赤道，南半球的信風則從東南方向吹向赤道。
- 西風帶： 位於中緯度地區。在這些區域，風從西方吹向東方，北半球的西風帶風向偏向東北，南半球則偏向東南。
- 極地東風帶： 位於高緯度地區，風從東方吹向西方，這是由於極地高壓區的冷空氣向外流動，並受到科里奧利效應的影響。
地球自轉對局部風系的影響：
除了影響全球風帶，地球自轉還對局部風系統，如海陸風、山谷風等，有著重要影響。這些風系統的形成主要由於地形和地表特性的差異，但地球自轉引起的科里奧利效應會對其風向和風速產生修正作用。
關於地球自轉的常見問題
地球不停由什麼方向自轉？地球是西向東轉嗎？
地球由西向東自轉，這意味著從北極上方（面向北極星）觀察，地球是逆時針方向旋轉。
地球自轉一圈要多久？
地球自轉一圈（相對於太陽）需要24小時，這稱為一個太陽日。然而，地球相對於遙遠的恆星自轉一圈的時間略短，約為23小時56分4秒，稱為一個恆星日。
地球轉一圈是一年嗎？
地球自轉一圈的時間是一日，而非一年。一年是地球繞太陽公轉一圈所需的時間，約為365.25天。
為什麼感覺不到地球自轉？
我們感覺不到地球自轉，因為地球自轉速度穩定且平滑，且我們與地球一起同步運動，沒有相對運動的感覺。此外，地球的自轉速度相對於我們的日常活動而言非常緩慢，因此我們無法直接感受到。
地球自轉有哪些影響？
地球自轉帶來多種影響，包括：
- 形成晝夜交替，影響生物的作息和生態系統。
- 導致科里奧利效應，影響大氣和海洋環流，進而影響天氣和氣候模式。
- 使地球呈現赤道略微隆起的扁球體形狀，因為自轉引起的離心力使赤道附近的物質向外擴張。
- 影響地球的磁場，雖然地球磁場主要由地核的液態鐵流動產生，但自轉也對其有一定影響。
這些影響對地球的環境和生命都有深遠的作用。
總結
地球自轉不僅塑造了我們的日常生活，還影響著氣候、海洋與天文觀測。儘管潮汐效應與地球內部變動會使地球自轉逐漸減慢，但這一過程極其緩慢，需要數億年的時間才能顯著影響一天的長度。人類透過精密測量與科學研究，持續監測地球自轉的變化，以確保時間校正與導航系統的準確性。從古代天文學家提出自轉概念，到現代科技應用地球自轉於氣象預測與衛星定位，地球自轉始終是科學探索的重要課題。它不僅是一個物理現象，更是一個影響全球運作的關鍵機制，展現出宇宙運動的奧妙與科學的精確性。
資料來源
- 一天 24 小時不夠用？再等等，地球自轉越來越慢…… – PanSci 泛科學 (編輯黃曉君採訪中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰)
- 地球自轉 – 維基百科，自由的百科全書