如何用天文物理知识判断自己所处的经纬度?
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?
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。
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:
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。
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!
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!
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:
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!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。
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!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。
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!
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。
经纬度+地图+照片,直观展示世界七大洲地理中心在哪里
一座城市、一个国家或一块大陆的地理中心在哪里?这是一个充满不确定性的问题,因为没有令人完全满意的方法来确定地理中心的位置。
事实上,人们对于寻找大陆地理中心一直保持着浓厚的兴趣,无论这是否实用,但他们就是想知道。
中国西部乌鲁木齐市包家槽子村(东经87°19′52″,北纬43°40′37″),亚洲大陆地理中心亚洲大陆面积最大,人口最多,也是人类文明发源地,如今更是人类经济发展最为活跃的大陆之一,地理中心在哪里最引人关注。关于这块古老大陆的“中心”,不同的人有着不同的认识。
美国科学家曾经断定“亚洲大陆地理中心”在新疆北部,并于1992年由中国科学院新疆地理研究所测定具体位置。测算时,先根据相关权威地图确定亚洲大陆的边界,然后把彭纳(ponne)投影的亚洲地图扫描成电子图像,并将图面分解成1728×1728个像元,经过电脑计算和转换后得出具体坐标。测算结果显示“亚洲大陆地理中心”在在乌鲁木齐市的乌鲁木齐县永丰乡包家槽子村,具体坐标为坐标为东经87°19′52″,北纬43°40′37″。
测定之初,只树立了一块木质的标志桩,后来当地修建了“亚洲大陆地理中心标志塔”和广场,发展成景区。
此外,俄罗斯认为亚洲的中心在图瓦共和国的克孜勒,也修建了标志塔,不过知名度不如乌鲁木齐。
立陶宛首都维尔纽斯城北(东经25°19′,北纬54°54′),欧洲大陆地理中心立陶宛首都维尔纽斯城附近的一个地点被认为是欧洲的中心。1989年,法国国家地理研究院在重新确定欧洲大陆地理边界后,测算认定“欧洲的地理中心”的位置是北纬54°54′,东经25°19′,即立陶宛首都维尔纽斯城北26公里处。
立陶宛独立后,非常看重“欧洲的地理中心”的认证,希望以此作为亲近欧洲的信号,在1992年成立了欧洲地理中心保护区,并在2004年5月1日立陶宛加入欧盟之际修建了一座“欧洲的地理中心”纪念碑。
不过,欧洲也有多个国家宣称“欧洲的地理中心”在自己境内,如波兰在1775年就认证波兰东北部小镇苏霍沃拉为欧洲的地理中心,奥地利则把939米高的提伦山峰作为欧洲的地理中心,德国近年也宣称欧洲的地理中心在巴伐利亚小镇弗洛森贝格……
喀麦隆东南部洛贝凯国家公园内(东经16°3'47\",北纬2°22'41\"),非洲大陆地理中心中非共和国一直被称为非洲的心脏,其国歌也这样写着“哦,非洲的中心,班图人的摇篮”,不过“非洲的地理中心”却可能在邻国喀麦隆东南部洛贝凯国家公园内。
有人使用网上认定后的数据和算法,对非洲所有62个地点进行分析,估算了地理中点,距离中心和平均纬度/经度,经过对经纬度等数据的计算,发现非洲的地理中心坐标是北纬2°22'41\",东经16°3'47\",位于喀麦隆东南部洛贝凯(Lobeke)国家公园内,距离喀麦隆与中非的边界不到6公里。而洛贝凯国家公园成立于1999年10月,占地2178平方公里,是位于喀麦隆东南部刚果河盆地的一个国家公园,邻近中非和刚果(布)。
因为没有权威的机构公布过“非洲地理中心”在哪里,所以上面关于“非洲地理中心”在喀麦隆这个结果,也有不少网站和杂志采纳。
美国北达科他州拉格比(西经100°10', 北纬48°10'),北美洲大陆地理中心北美洲的地理中心是用一个简单而又粗糙的方法确定的。
1928年,一名美国地质调查局的数学家通过平衡一张按照北美大陆轮廓剪下的纸板和一枚手上的顶针来确定了北美的中心,即纸板在顶针的能保持平衡不动的位置,在地图上对应的就是美国北达科他州小镇拉格比以西9.65公里处的一个地点。1931年,拉格比建了一座4.6米高的石碑,作为“北美洲大陆地理中心”的标志,并在后来围绕石碑修建了一系列的公路景点。在当地官方网站上,该处地点的坐标是西经100°10', 北纬48°10'。
美国地质调查局实际上从来没有定义过地理中心,也没有打算过测量位置,自然也不承认这一不靠谱的结果,但依然阻挡不了以此为噱头吸引游客。
美国布法罗大学的一名地质学家提出了一个定义空间实体中心的新方法,并在2016年末用这种方法找到了北美中心,位置就在距离拉格比西南230多公里外的一个名为森特的小镇中,而这个小镇的英文名就是“Center”。
巴西库亚巴城东北45公里处( 西经55° 45′ 0″,南纬15° 27′ 39″),南美洲大陆地理中心不管巴西人承不承认,库亚巴城中象征南美中心的大理石方尖碑所在的位置并不是真正的南美洲地理中心,而库亚巴城东北45公里外的市镇沙帕达-杜斯吉马朗伊斯附近才是南美中心。
20世纪初期,后来成为巴西元帅的甘吉多·宏东在一次科学调查中发现库亚巴刚好坐落在太平洋和大西洋之间距离一半的位置,并命人在那里放了一块石碑,至于怎么计算出来的没人知道。到了1975年,库亚巴修建了一座高耸的大理石方尖碑,作为南美中心的标志,后来更是把方尖碑印在城市旗帜上。
到了20世纪90年代,借助卫星测绘和精确数据,南美洲地理中心的位置被计算出来,准确坐标是西经55° 45′ 0″,南纬15° 27′ 39″,距离库亚巴城的南美中心标志约45公里。
澳大利亚北领地南部芬克镇以西约22公里处(东经134°21'17\",南纬25°36'36\"),大洋洲大陆地理中心大洋洲的澳大利亚独占了大陆,其他国家都是岛国,而且分布零散,所以大洋洲大陆地理中心应该就是澳洲大陆地理中心。
1988年,澳大利亚皇家地理学会确定了澳大利亚的地理中心,并在计算出来的地点上竖立了一座纪念碑,具体坐标为东经134°21'17\",南纬25°36'36\",位于澳大利亚北领地南部一个名为芬克(FinKe)的小镇以西约22公里处。而早在20世纪30年代,澳大利亚地质学家塞西尔·马迪根就通过悬挂找重心的方法,在用薄金属板制成的澳大利亚地图上确定了一个相对准确的澳洲中心位置,与现代计算出的位置仅差11公里。
澳大利亚北领地南部的爱丽斯泉镇到麦克唐奈尔山脉一带(包括芬克)区域是澳洲中心地带,不管用什么方法计算,澳洲的中心几乎都在这一带地区。
南极点(南纬90°),南极洲大陆地理中心南极洲又称第七大陆,是地球上最后一个被发现、唯一没有人长期居住的大陆。
南极横断山脉将南极大陆分成东西两部分,西南极其实是个群岛,面积只有东南极的一半,所有的岛屿都被大陆冰盖所覆盖。东南极才是大陆,地理中心就是南极点。
1957年,美国在南极点设立了阿蒙森—斯科特站,以纪念阿蒙森和斯科特这两位杰出的南极探险家。由于南极的冰盖一直在缓慢移动,所以每年科考站都要重新测定南极点位置并竖立新的南极点标志。
时至今日,地理中心在哪里总能吸引公众的注意,以至于不同地区和国家都在争夺这一称谓,记者们也乐于进行报道,附带的收益相当高。
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