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如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

2019-09-16  老阿更

有没有一种可行的方法,在没有任何其他信息来源的情况下,可以准确地算出你到底在世界的什么地方?

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

你在地球的什么位置?我们通常用两个坐标来描述我们在地球上的位置:纬度和经度。

我们怎样确定自己所处的纬度

纬度是你现在所处的位置与赤道之间的距离(无论是北纬还是南纬),以度数表示,如果你这时稍微懂点天文学,并且有一些简单基本的测量工具,你所处的纬度其实很容易就能算出来。

我们首先要做的就是找到北或南天极,南北天极取决于你这时所在的半球。

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

尽管地球绕着太阳每年的公转距离为9.4亿公里,但在绕地轴公转的过程中,在地球的任何一个纬度上,南北天极的位置总是相同的。因为我们地轴总是指向同一个位置,虽然每隔26000年地轴会进动一圈,但总体来说还是相当稳定的。

这时你应该耐心等待一个晴朗的夜晚,如果你处在南半球,你应该会看到以下景象:

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

沿着银河系的暗带,有真南十字星座以及两个非常明亮的指示星(半人马座阿尔法星和贝塔星)。银河系的外围还有两个微弱但突出的星云,大麦哲伦云和小麦哲伦云,它们是距离银河系十万光年以外的小卫星星系。

如果你能在天空中找到这些物体,你就可以准确的判断出南天极的位置。

  • 沿着南十字星座的长轴画一条假想的线,也画一条垂直于两个指示星的线。两条线的交点大约就是南天极的位置。
  • 更简单的方法:南天极的位置也与两个麦哲伦星云形成等边三角形

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

在辨认南十字的时候,还要分辨它是真的还是假的,因为假十字和真十字差不多的高度,有个假南十字总是比真南十字先升起(在南十字的西边),这个假南十字并没有指示南天极的功能,比真南十字大一些,主要亮星是以船底座与船帆座各自的2颗星组成:船底座ι、船底座ε、船帆座δ和船帆座κ。

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

如果你在有幸处在了北半球,事情就更简单了。我们小时候都能准确的指出北斗七星,那个漂亮的勺子!

这时你只要顺着北斗七星“勺子”里的最后两颗星的方向一直往相同的方向看,你很容易就能看到北极星。

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

如下图所示:无论你在地球上处在什么位置,你的夜空都将围绕着北极星旋转,周期略小于24小时。

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

你看到的北极星在地平线以上的任何角度都等于你的纬度。所以如果你在北半球,北极星在地平线以上40度,你的纬度就是北纬40度。如果你发现北极星在你头顶正上方(在地平线以上90度),而且你感觉还有点冷!那么恭喜你,你脚下正踩着地轴,你处在北极的中央!

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

我们如何知道自己所处的经度

这就是纬度的确定方法。但经度是个很大的问题,比较麻烦。与纬度不同,本初子午线是人为规定的,不像纬度是以赤道为起点的!所以想真正知道你现在处在东经多少度或着西经多少度,我们必须先知道0经度在哪!不然我们只能测出两地在经度上相差多少度!所以我们主要讲的科学方法,不要在意故事情节!

你想测量经度,我们必须先识别出经度为零的地方,利用你所知的天文学知识来计算出太阳在不同纬度的日出和日落的时间,然后随身携带一个计时器,去流浪吧!我们先说说这个计时器怎么来!

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

17世纪,克里斯·惠更斯(christiaan Huygens)发现,在地球上任何一个给定的位置上一个理想的钟摆(由无质量的弦与一个定点相连的重物),其摆动周期只由两个因素决定:某个地方的重力加速度和钟摆的长度,保持准确计时最简单的方法就是使用摆钟。

依据这个知识你就可以简单的构建一个周期为2秒的钟摆,在这个钟摆上,从一边到另一边的每一次摆动都花费恰好一秒钟的时间。下图:

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

这时你有一个时钟,你知道自己的纬度,你也知道在这个维度上太阳应该几点出来几点下山,你就可以算出你所处位置的经度了!

国际规定,位于伦敦的格林尼治天文台原址的那一条经线定为0°经线,然后各地经度依次向左右延伸。每隔15°各地时间相差一个小时,所以你边走边测,虽然很麻烦但还是可以测出来的!

除此之外,钟摆会出现两个问题。

  • 首先,当你移动到地球上不同的纬度和高度时,重力加速度会发生变化!

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

由于自转地球在赤道处膨胀,而在两极被压缩,使得重力引起的加速度在高纬度地区略大,在赤道附近略低。此外,更高的海拔意味着你离地心更远,所以重力在海平面上会略高,在高海拔地区会略低。

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

今天我们都知道高度和维度带来的重力变化问题,但自1670年代,让·里歇尔(jean Richer)就已经知道并解释了这种效应。所以我们可以根据纬度和高度的变化,稍微延长或缩短钟摆的摆长,以保证摆动周期不变。还记得我们家里那台古老的摆钟吗,有时它会走的不准,妈妈就会拧钟摆下面的螺丝,来调节钟摆的摆场,让它走快一点或走慢一点!

  • 下面这个问题是一个比较有趣的问题,解决的办法也很精妙!

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

当温度升高或降低时,钟摆就会热胀冷缩!无法想到的是,热胀冷缩的微小距离,也会对钟摆周期产生影响。

如果摆臂变短,周期也会变短,如果摆臂变长,周期也会变长。由于温度一直在变化,所以使用一个单摆时钟,在几个月的时间里,可能会导致经度计算出几千公里的误差。

那么,如何克服材料在温度变化中膨胀/收缩带来的困扰呢?如何保持钟摆的长度不变?

答案不是由牛顿或伽利略发现的,而是由一位名不见经传的平民约翰·哈里森发现的,既简单又巧妙的设计概念。

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

在钟摆的摆臂上使用两种不同的金属!因为不同的材料在相同的温度下有不同的膨胀量,所以我们可以采用常见的铁,热膨胀系数很小,而锌的热膨胀系数要高得多,为了方便理解,我们假设锌的膨胀量是铁的三倍。

先建造两个平行的铁棒,沿着钟摆向下延伸四分之三,两个锌棒向上延伸原来长度的一半,还有一个铁棒,是原来长度的四分之三,上图B。

如果温度变化会发生什么?随着温度下降,铁和锌都会收缩,锌的收缩量是原来的三倍,而铁的总收缩量是原来的三倍!由于锌提供负向距离,而铁提供正向距离,它们实际上相互抵消了!如果温度升高,铁和锌都会膨胀,铁使钟摆变长,而锌使钟摆变短,其在数量又一次相互抵消!换句话说,温度可以任意变化,但钟摆的总长度不变!

如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?

总结:

怎么说呢,根据上文我们可以很准确、方便、快速的知道自己的维度!但是经度确实有点不理想,也不会有人那么去做,等测出经度了,估计至少横跨了三四个时区!所以主要说的是科学方法。

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