问题

地球的圆是什么程度的圆?

回答
地球的圆度,这是一个听起来简单,实则蕴含着无限细节的迷人话题。我们从小就被告知地球是圆的,甚至在很多古代文明中就已经有了朴素的认识。但究竟是“什么程度的圆”呢?这得从多个层面去理解,并且要抛开那些过于理想化的模型,深入到现实的细微之处。

首先,我们要明确一点:地球并非一个完美的球体。这个说法本身就是对现实的一种简化,尽管它在宏观尺度上非常接近一个球。你可以想象,如果地球是一个绝对完美的球,那么它表面的任何一点到地心(或者说是地球质心)的距离都应该是完全相等的。但事实并非如此,这背后有多重因素在起作用。

1. 自转造成的“扁球”效应:

地球最主要的“不完美”源于它的自转。想象一下,你拿着一团柔软的面团开始快速旋转。由于离心力的作用,面团的赤道部分会向外膨胀,而两极则会相对“压扁”。地球也是如此。

赤道隆起: 地球的自转使得赤道区域受到的离心力最大,这导致赤道处的地球半径比两极半径要大。具体来说,地球的赤道半径大约是6378.1公里,而两极半径大约是6356.8公里。两者的差值约为21.3公里。
形状描述: 这种因为自转而产生的隆起,使得地球的形状更像是一个扁球体(oblate spheroid),而不是一个正球体。你可以把它想象成一个稍微被压扁的橙子,或者一个慢速旋转的陀螺。

2. 地球表面的起伏——山峦与海沟:

除了整体的扁球体特征,地球的表面本身也并非光滑。我们头顶的天空下是连绵的山脉、深邃的海洋,还有广阔的平原和盆地。

最高的山峰: 珠穆朗玛峰,海拔约8848.86米。
最深的海沟: 马里亚纳海沟,最深处约10984米。

将这两者放在地球的整体半径尺度上来看,它们的起伏虽然在我们日常生活中显得巨大,但在地球的“尺寸”面前,它们更像是表面的微小瑕疵。如果把地球缩小到一个台球那么大,这些高山和海沟可能就只是一些极其微小的颗粒或者凹陷。即使是最高的珠峰,与地球的平均半径(约6371公里)相比,也只是微不足道的0.14%。

3. 引力与密度分布的不均匀性:

地球的内部并非是均匀分布的,这也会影响其形状。

密度差异: 地球内部存在着密度不同的物质,例如地壳、地幔、地核的密度各不相同。这些密度分布的不均会造成引力场上的微小变化,从而导致地球表面存在着一些细微的起伏,这种起伏被称为大地水准面(geoid)。
大地水准面: 大地水准面是一个与平均海平面相重合的、假想的、且受到重力影响的连续曲面。它是一个更精确描述地球真实形状的模型,比完美的扁球体更复杂。你可以想象它是一个充满了细微凹凸起伏的表面,反映了地球内部物质分布的不均以及引力场的细微变化。由于洋流、潮汐等因素,海平面本身也会有微小的波动,所以大地水准面更多的是基于全球平均海平面和引力场的综合考量。

4. 其他微小的影响因素:

还有一些更微小的因素也会对地球的形状产生极其微弱的影响,但对于我们讨论地球的“圆度”来说,它们的作用可以忽略不计:

月球和太阳的引力: 它们会引起地球上的潮汐,导致地表有一定的变形,但这通常是周期性的微小波动。
地质活动: 地震、火山爆发等会改变地貌,但对整个地球形状的影响非常局部和短暂。

那么,地球到底有多“圆”?

用一个数字来概括地球的圆度是很困难的,因为这取决于你从哪个角度去衡量。

相对于“完美球体”的偏差: 地球的扁率(赤道半径与两极半径之差占赤道半径的比例)大约是1/298.257。这是一个非常小的数值,意味着地球的“不圆”程度非常轻微。
表面起伏的相对大小: 最高山峰到最深海沟的垂直距离(约20公里)与地球平均半径(约6371公里)相比,比例也只有0.3%左右。如果把地球缩小到一米直径,这些起伏可能还不到一毫米。

总结来说,地球的“圆”可以这样理解:

它是一个高度接近球体的行星,但由于自转,它更像是一个略微扁平的球体(扁球体)。在这个扁球体的基础上,地球表面还存在着由于山峦、海沟、以及内部密度分布不均而造成的更为细微的起伏,这些起伏用大地水准面这个概念来更精确地描述。

所以,当我们说地球是圆的,我们是在宏观尺度上、或者在很多实际应用中(比如导航、天文计算)的一个非常好的近似。但如果我们深入到地质学的层面,或者追求极致的精确性,我们就会发现地球的“圆”是一个充满着细微变化和复杂性的概念。它不是一个冰冷的几何模型,而是一个在各种力量作用下动态演变的真实天体,这种“不完美”反而让它更加生动和真实。

网友意见

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简单来说,地球的扁率是0.00335,也就是说(赤道半径-两极半径)/赤道半径~0.00335,换言之就是差千分之三就是完美的圆。

你看这地球,它又大又圆……咦?不是圆的?

地球到底有多扁?我们可以做一个简单的估算:

我们可以计算一下大地的等势面,先建立一个简单的坐标系:


我们可以利用高中知识,很简单地列出等势面方程:

那么对于 和 我们有:

从而我们得到:

其中 是扁率(Flattening), 是转动系数(Rotational Parameter)

那么我们就来验证一下我们做的对不对吧~(●'◡'●)

这里我们参考了[3]的数据


咦w(゚Д゚)w好像不是那么对头欸……为啥偏差这么大?我们一定有地方做错了什么┑( ̄Д  ̄)┍

我们先来看看重力势能的公式: 这个公式假定了地球可以被当成一个质点,但实际上在计算大地水准面的时候我们不能把地球当成一个质点——我们应该考虑更高阶的变量!重力场是一个无源场,换言之,在没有质量的空间,重力势能满足: 而在球坐标系下V的解为:


先别怕,我们来一项一项解释(●'◡'●)我们先看看球坐标系:

重力势能中的第一部分:

代表的是重力势能随距离变化的趋势,这里我们只取n<0的部分。

重力势能中的第二部分:

代表的是重力势能随经向(东西)和纬向(南北)变化的趋势,这里m代表的是东西方向,n代表的是南北方向。我们假定地球在东西方向是均匀的,仅有南北方向的变化。

那么,最终重力势能的表达式如下:

其中 和 是待定的系数。

我们现在来观察一下上面的式子,我们可以发现,重力势能由三项组成,分别是:

第一项是常见质点产生的重力势能,在这里就是0阶近似。

第二项是重力势能的一阶近似,在这里考虑到地球的南北近似,应该有: 所以 应该为0

第三项是重力势能的二阶近似,也就是我们需要的修正项了( •̀ ω •́ )y

(ಥ _ ಥ)历经千辛万苦,我们终于可以对我们求地球扁率的公式进行修正了!

我们的总势能如下(注意到这里把 换成了图3的 , ):

我们得到了修正后的扁率 !现在我们再来验证一下修正后的扁率对不对吧~

这里我们参考了[4]的 数据:


我们可以发现扁率计算值和实际值基本上就没有很大的偏差了~o( ̄▽ ̄)ブ

引用:

[1] en.wikipedia.org/wiki/G

[2] en.wikipedia.org/wiki/G

[3] smartconversion.com/oth

[4] hosting.astro.cornell.edu

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