初中科學/3.3 地球的自轉

	這節課你將學到：
什麼是自轉？地球按什麼方向自轉？地球自轉一周需要多少時間？為什麼會有晝夜差異？為什麼會有晝夜變化？為什麼會有時差？地球上分為幾個時區？什麼是國際日期變更線？

不知你對生活中一個很普通的現象有沒有好奇過呢——為什麼地球上會有白天和黑夜的變化呢？（圖3-27、圖3-28）

原來，這是由於地球自轉（Rotation）的影響。那什麼叫地球自轉呢？地球自轉怎麼造就的晝夜變化呢？有人說「當中國是早晨的時候，美國正是傍晚」這是真的嗎？如果是真的，這又是怎麼回事呢？

地球的自轉與晝夜的更替

圖3-29：「地心說」體系。

圖3-30：「日心說」體系。

古人看到每日日出日落、晝夜更替，不明白其具體原因。就猜測：地球是居中不動的，而太陽繞著地球轉動，每天轉一圈。這其中有半圈是太陽升到「地上」，那時陽光普照萬物，是白天。當另外那半圈太陽落到「地下」的時候，大地上得不到陽光，那就是黑夜了。真的是這樣嗎？

這種學說就是「地心說」（圖3-29），它曾經被歐洲封建教會作為統治人民的思想武器——上帝造了人類，自然要把人類安置在宇宙的中心，所以地球是宇宙中心，至於日月等其他天體，都是給地球作陪襯的。可是，事實並非如此。

後來，越來越多的科學家發現，「地心說」與觀測的結果相差越來越大。於是，新的學說就慢慢形成了。波蘭天文學家哥白尼提出了「日心說」（圖3-30），認為是地球繞太陽轉。同時，地球本身還在自轉，正是地球的自轉造成了晝夜的更替。

圖3-31：地球自轉模擬動畫。

什麼是自轉？自轉簡單說就是一個物體繞著自己內部的一根無形的「軸」旋轉，這根軸叫自轉軸。對於地球來說，這根自轉軸就是指地軸。我們的地球就是繞著這根軸日夜不息地旋轉著（圖3-31），地球自轉一周需要24小時也就是1天，這被稱作一個「太陽日」或1「日」。地球自轉的方向是自西向東。（註：地球實際自轉一周的時間是23時56分4秒，其稱作1「恆星日」。但由於地球同時還在公轉，所以24小時才是晝夜更替的真正周期。此處暫不提恆星日。）

那為什麼會產生晝夜更替呢？我們知道，地球是一個既不發光又不透明的球體，因此在某一時刻，地球上總有一半向著太陽是白天，另一半背著太陽是黑夜。由於地球會自轉，所以向著太陽和背著太陽的面在不斷地變化。每24小時，地球剛好自轉一周，因此一晝一夜也就正是24小時。晝夜變化，也就是這樣的原因。

時差與時區

關於協調世界時、時區的有趣事實，你知道嗎？

協調世界時的縮寫UTC，是由英文Coordinated Universal Time和法文Temps Universel Cordonné而來。當時英法兩國都希望用自己語言的縮寫（CUT或TUC）來作為協調世界時的縮寫，最後妥協使用UTC。
協調世界時以前，國際通用的時間基準是格林尼治標準時（GMT）。
由於按照地球自轉確定的時間和按照原子鐘確定的時間有差異，有時會在協調世界時中加1秒或者減1秒，這稱為「正閏秒」和「負閏秒」。位於巴黎的國際地球自轉事務中央局負責決定何時加入閏秒。
南北極由於處於經線交匯點，一般採用的時間為協調世界時。而各國科考隊員則採用自己母國的時間。
中國地域遼闊，地理上橫跨5個時區，但都使用東八區作為標準時間，這導致了較大的時間偏差。例如[中國新疆的烏恰縣是最西段使用UTC+8的地區。當那裡的時鐘指向8:00時，如果按照太陽高度確定地方時，其實只有4:55分。
世界上最早進入新的一天的地方是吉里巴斯、萊恩群島（包括聖誕島）、托克勞、薩摩亞（夏令時）。這些地方採用的時間比協調世界時快十四小時。
你知道世界上還有比協調世界時快4小時51分的時區嗎？這個時區曾經用於印度孟買，直到1955年。

因為地球在自轉，所以地球上不同地方的晝夜情況就會不同。不同的晝夜情況也就造就了時間的差異。

比如，當北京（或台北、香港、澳門）是正午12時的時候，倫敦還是這天的凌晨4時，而紐約卻還是前一天的夜裡11時，可東京卻已經是下午1時了！這是因為，世界上各個地方都將自己地方太陽升上正空的時間定為正午12時，可不同地方太陽升上正空的時間是不同的，因此各地的時間也會不同。這就是時差。

圖3-32：世界時區分布圖。

為了避免時差帶來的不便，人們在地球上劃定了不同的時區（Time zone）。（圖3-32）

人們挑出地球上度數能被15整除的全部經線（總共24條），規定這些經線東西各延伸7.5°就為一個時區，那麼整個地球一共就被劃成了24個時區，每個時區占15°。以0°經線所在的時區為「零時區」，向東為「東一區」、「東二區」……直到「東十一區」；向西為「西一區」、「西二區」……直到「西十一區」，此外還有一個「東西十二區」。每個時區內的所有地方，統一使用中央經線上的時間。

這每個時區的時間差別是1小時，也就是說只變小時，分秒不變。舉例子：倫敦位於零時區，那麼當倫敦是某日上午9:33:22的時候，位於東八區的北京就應該是同日17:33:22（比倫敦快8小時）。相反位於西五區的紐約的時間就會是當日的凌晨4:33:22（比倫敦慢5小時）。因此，我們在國際交往中，應該說清楚所使用的是哪個時區的時間，否則就會出差錯。

當然，上面是理論劃分的時區。各國還會根據自己的實際情況劃分時區。例如中國雖然地理上橫跨五個時區，但是整個中國（含港澳台）為了方便，都使用東八區的時間作為標準（參考：中國時區）。東八區的時間也就是120°E經線上的時間，在陸台港澳四地分別被稱為「北京時間」、「國家標準時間」、「香港標準時間」、「澳門標準時間」。此外還有些國家實行非整數時區，例如印度所使用的時間比零時區時間快五小時半。

有些國家為了讓在白晝時間比較長的夏季能夠延長工作時間、提高工作效率，實施夏令時（Daylight saving time）。也就是夏季時將鐘錶撥快1小時，冬季則照常。

國際日期變更線

圖3-33：國際日期變更線。

大家還記得凡爾納的《八十天環遊地球》嗎？在主人公回國時，他自認為已經過了81天，可沒想到的是實際只過了80天。你知道這是怎麼回事嗎？

假設某一時刻是協調世界時4日正午12時，那麼此時在東西十二區的東半部分就是4日深夜24時，在東西十二區的西半部分就是4日凌晨0時。這兩個地方僅一線之隔，但日期卻整整相隔1天！為了方便，我們在180°經線附近劃定一條國際日期變更線（International Date Line）（圖3-33），這條線的東西時間相差一天——由東向西越過此線，日期需加一天；由西向東越過此線，日期需減一天；如：在4月8日15:45向東航行跨過此線，時間應變為4月7日15:45。

需要注意的是，由於180°經線穿過陸地，而在陸地上變換日期非常不方便，於是國際日期變更線並非完全依照180°經線，而是拐了幾個彎，繞過陸地，基本只通過海洋。

課後自主學習

與你的同學合作完成：
1. 找到一個時區圖。請的同學隨意說一個城市和其目前所處的時間（含日期，如：2日上午8:30），並提另一個城市，你說出這個城市當時的時間。
2. 也可以先約定諸如「當北京時間8日20:00時」，同學任說一個時間點，你舉出處在這一時間點的城市。
中國（含港澳台）地域遼闊，橫跨5個地理時區，但統一使用東八區標準時。有人建議應該按照地理時區將全國時區細分。對此，你的意見是？