【地理实践】地理视角告诉你怎么找到北！！！

在测量过程中一般采用真北方向、磁北方向或坐标北向为标准方向。

真北方向既真子午线北向，又称正北方向，为过地球上一点指向地球地理北极的方向。由于北极星在天空中的位置变化极其微小，故而，在测量时，通常以指向北极星的方向为真北方向。真北方向可通过陀螺仪来测定。

磁北方向既磁子午线北向，为过地球上一点指向地球磁北极的方向，亦既磁针静止时，磁北针所指方向。

坐标北向系指我国采用的高斯平面直角坐标系纵轴X轴的正向。在施工测量中，也可采用施工坐标系的X轴正向作为坐标北向。

三北方向之间的关系

由于地球的磁北极与地理北极不一致，因此，在地球任意一点上的磁北方向与真北方向一般说来都不重合，两者所夹角度称磁偏角△。相对真北方向而言，磁北方向在真北方向东边△为正，反之为负。

同时由于各种因素对地磁场的影响，所以各地的磁偏角也是不同的。其变化范围常常有几分至几度不等，即使在同一天内的同一地方，也常常会有几分的变化。我国各地磁偏角除新疆、南疆的少数地区为东偏外，其它地区的磁偏角均为负值。在测量过程中，选用磁北方向作为标准方向就精度而言是不高的，只能作粗略依据，故一般只在地质勘探工程及测区不大、精度要求不高的工程测量中采用。

高斯平面直角坐标系的坐标北向与真北方向的夹角为子午线收敛角。相对真北方向而言，坐标北向在真北方向东边时子午线收敛角为正，在西边时为负。

另外，通常将磁北方向与坐标北向的夹角称磁坐偏角，磁北方向在坐标北向东边磁坐偏角G为正，反之为负。

三者之间的关系式为：

在同一幅地形图中，有时同时注有三北方向及其关系，以供实际需要选用。

三北方向及方位角关系如下图所示：

在测量过程中，地面上任一直线的方向是用方位角来表示的。方位角系指自选定的标准方向的北端起顺时针转向选定直线的水平夹角。其大小在0~360°之间。如选定的标准方向为磁北方向，则该方位角为磁方位角，用表示；标准方向为正北方向，即为真方位角，用A表示；标准方向为坐标北向，则为坐标方位角用表示。
三者之间的关系式为:

对同一直线而言，按直线方向的不同所计算的方位角就有正反方位角之分。如有某直线段AB，设A为起点，B为终点，则直线方向是A→B，我们就把称为正方位角，称为反方位角，两者相差180°。由于方位角总是正值，因此正反方位角可用公式表示为：

式中的值与，式中为减号，否则为加。以保证的值域在内。

北极星，指的是最靠近北天极的一颗星，现阶段所指是“勾陈一”。北极星位于地球地轴的北端，在北斗七星中的天璇与天枢连线的五倍延长线上。由于地球的自转，而北极星正好处在天球转动的轴上，所以相对不动。北极星距地球约434光年，直径约为5200万公里，质量略大于太阳质量的4倍，是夜空中能看到的亮度和位置较稳定的恒星（实际由北极星Aa、北极星B及北极星Ab三个天体组成）。

对于处于北半球的人来说，它的位置几乎不变，可以用来辨别方向。

但根据中科院上海天文台的科学家们对地球自转的研究，在未来，北极星的这一作用将被织女星替代。

科学家为什么要研究地球自转变化？

地球自转的变化对我们眼中的星空有什么影响呢？

● 地球自转一直在变化，而且变化相当复杂

从地球北半球看，北极星的位置几乎不变，这是因为它几乎正对着地球自转轴。

但地球自转一直是恒定的吗？

答案是否定的！

地球自转一直在变化，而且变化相当复杂，既有“岁差-章动”，还有“极移”和“日长变化”。

• 岁差-章动：自转轴的陀螺式转动和点头

在外力作用下，地球自转轴在空间并不保持固定的方向，而是不断发生变化。地轴的长期运动称为岁差，而其周期运动则称为章动。岁差和章动引起天极和春分点（见分至点）在天球上的运动，对恒星的位置有所影响。

公元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时，把他测出的星位与150多年前阿里斯提留斯和提莫恰里斯测定的星位进行比较，发现恒星的黄经有较显著的改变，而黄纬的变化则不明显。在这150年间，所有恒星的黄经都增加约1.°5。喜帕恰斯认为，这是春分点沿黄道后退所造成的，并推算出春分点每100年西移1°。

这是岁差现象的最早发现。

在我国古代，人们通过观测冬至点的移动来推求岁差。

晋代虞喜根据《尧典》记载了解到，在尧的时代，冬至黄昏，头顶会看到昴宿；而时隔2700余年，他自己的实测显示，冬至黄昏，头顶看到的星宿不是昴宿，而是相距50多度的东壁了。据此他推断出，冬至点每50年向西移动1度，并创立了岁差的概念。

中国古人还首度将岁差纳入历法计算。

牛顿第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分的吸引。在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴在空间绕黄极描绘出一个圆锥面，绕行一周约需26000年，圆锥面的半径约为23°.5。这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差。除太阳和月球的引力作用外，地球还受到太阳系内其它行星的引力作用，从而引起地球运动的轨道面，即黄道面位置的不断变化，由此使春分点沿赤道有一个小的位移，称为行星岁差。行星岁差使春分点每年沿赤道东进约0.13角秒。地球自转轴在空间绕黄极作岁差运动的同时，还伴随有许多短周期变化。英国天文学家布拉得雷在1748年分析了20年恒星位置的观测资料后，发现了章动现象。月球轨道面（白道面）位置的变化是引起章动的主要原因。天文学家已经分析得到章动周期共有263项之多，其中章动的主周期项，即18.6年章动项是振幅最大的项，它主要是由于白道的运动引起白道的升交点沿黄道向西运动，约18.6年绕行一周所致。因而，月球对地球的引力作用也有相同周期变化，在天球上它表现为天极在绕黄极作岁差运动的同时，还围绕其平均位置作周期为18.6年的运动。同样，太阳对地球的引力作用也具有周期性变化，并引起相应周期的章动。

• 极移：研究极移数据，让我们更好地了解地球

地球自转轴相对于地球本体的位置是变化的，这种运动称地极移动，简称极移。

1765年，L.欧拉在假定地球是刚体的前提下，最先从力学上预言极移的存在。一直到1888年德国的K.F.屈斯特纳才从纬度变化的观测中发现极移。1891年，美国天文学家张德勒进一步指出，极移包括两个主要的周期成分：一个是近于14个月的周期；另一个是周年周期。前者叫作张德勒周期,这种极移成分是非刚体地球的自由摆动（见张德勒摆动）。极移的周年成分主要是由大气作用引起的受迫摆动。二者合起来，极移的范围不超过±0.4″。

地极移动，简称为极移，是地球自转轴在地球本体内的运动。我们称地球的惯性轴与地球表面的交点为惯性极，称瞬时轴与地球表面的交点为瞬时极。惯性极始终沿对数螺线追踪瞬时极，作复杂的运动，这就是地级移动。1765年，欧拉最先从力学上预言了极移的存在。1888年，德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移。1891年，美国天文学家钱德勒指出，极移包括两个主要周期成分：一个是周年周期，另一个是近14个月的周期，称为钱德勒周期。前者主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫摆动，后者是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动。极移的振幅约为±0.4角秒，相当于在地面上一个12×12平方米范围。由于极移，使地面上各点的纬度、经度会发生变化。1899年成立了国际纬度服务，组织全球的光学天文望远镜专门从事纬度观测，测定极移。随着观测技术的发展，从二十世纪六十年代后期开始，国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全球定位系统测定极移，测定的精度有了数量级的提高。地级移动除有12个月和14个月的周期外，其年振幅还有长周期变化，主周期是6-7年，还有35年左右的周期。

• 日长变化：地球自转的变慢，让白天和黑夜都变得更长

近期，我国科研人员首次发现了日长变化中存在约8.6年周期的显著振幅增强信号，并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场快速变化的发生存在密切的对应关系。“科学家早已发现，每天的时长不是固定不变的。从一个较大的时间尺度上分析，日长正在逐渐变长。”近日，该研究参与者、中国科学院上海天文台、中国科学院行星科学重点实验室研究员黄乘利在接受科技日报记者采访时表示。

侏罗纪时期一天的时长大约只有23小时10—20分钟。由于月球和太阳对地球的潮汐作用消耗了地球的能量，地球自转越来越慢，日长因此变长，平均约每100年变长0.002秒。

除了自转速率越来越慢，科学家们还发现自转速率存在周期性的变化。日长变化具有从一天到数十年、甚至更长期的变化频谱，分别对应于不同的天文和地球物理机制。

根据近一百年的天文观测资料，发现极移包含各种复杂的运动。除了上述周年周期和钱德勒周期外，还存在长期极移，周月、半月和一天左右的各种短周期极移。其中长期极移表现为地极向着西经约70°～80°方向以每年3.3～3.5毫角秒的速度运动。它主要是由于地球上北美、格陵兰和北欧等地区冰盖的融化引起的冰期后地壳反弹，导致地球转动惯量变化所致。其它各种周期的极移主要与日月的潮汐作用以及与大气和海洋的作用有关。在外力的作用下，地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，而是不断发生变化。其中地轴的长期运动称为岁差，而周期运动称为章动。岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的变化。公元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时，首次发现了岁差现象。中国晋代天文学家虞喜，根据对冬至日恒星的中天观测，独立地发现了岁差。据《宋史·律历志》记载："虞喜云：'尧时冬至日短星昴，今二千七百余年，乃东壁中，则知每岁渐差之所至"。岁差这个名词即由此而来。

● 自转轴指向参数

除地震学以外，研究地球深内部的重要手段

上述提到的岁差-章动、极移和日长变化，在物理上用自转轴指向参数（Earth Orientation Parameters; EOP）表示。它们都反映了地球的整体运动及其随时间变化的重要信息。

地球内部结构的艺术家想象图

如上图，从外到内，地球内部的圈层包括地壳、地幔、流体外核和固体内核。它们具有怎样的物理结构，运动状态如何？它们相互之间正在发生哪些动力学耦合作用？液核中的磁场是如何产生、维持、变化的？这些神秘而重要的科学信息对理解我们所处的地球并进而推广到对其它类地行星的研究等都至关重要。谭老师地理工作室综合整理

令人遗憾的是，所有这些信息我们都不能从地表或空间直接观测得到。但幸运的是，上述这些问题都可以通过对EOP变化的精细特征入手进行间接“观测”和研究。

● 首次发现日长变化中的一个新信号

近日，中国科学院上海天文台动力学研究中心地球自转变化课题组、中国科学院行星科学重点实验室在EOP参数之日长变化研究方向取得了新进展，首次发现了日长变化中存在显著的约8.6年周期的振幅增强信号，并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场的快速变化的发生存在密切的对应关系。

关于日长变化的精细时变特征和相关的物理原因，目前该领域还所知甚少，但这部分的研究对于进一步了解地核的年际运动特征以及解决地磁场快速变化的起源问题具有重要意义。地磁场的快速变化被称作地磁急变（“jerk”）。

虽然NMWT方法具有很高的频率分辨能力,能区分日长亚十年变化中不同的频率成分，然而该方法具有显著的边缘效应问题。所谓NMWT边缘效应，可以用观测时间序列的跨度与边缘效应的区间长度之间的比较来衡量。比值越小，小波边缘效应对提取信号振幅（信号的强弱）的影响越大。

（图片来源于网络）

上图，利用该研究所提出的方法(NMWT+BEPME)提取的日长亚十年振荡结果（红线）与原始信号（黑线）的比较：两曲线总体上非常吻合，表明日长亚十年变化特征可以很好地使用6年和8.6年两种频率信号的叠加解释。

电流和新产生的磁场形成的电磁力又会反过来影响着外核中导电流体的运动，从而形成一个可抛除初始磁场、能够自维持的“地球发电机”（上图）。当然，由于地球磁场在形态和演化上很复杂，而且地球内部的物理参数非常极端，要精确重构地球磁场的产生和演化，还需要更多深入的细致研究。

如上图所示，1995年和2017年发生的地磁急变与该信号的极值时刻吻合地很好，据此，他们预测在最近的1到2年内很可能会有一次新的地磁急变事件发生，预测事件发生的时间如图8中黑色箭头所标示。

从认识地球自转变化的表现，到以日长变化为例，了解科学家们发现新信号、解释新信号和提出预测的过程，这便是研究地球自转最想实现的目标。

变化不断，研究不止。宇宙的奥秘太多太多，只有坚持不懈地去探索，才能感受更加真实的宇宙。