地球是一个“完美”的球体吗？

天文科普
20年10月4日
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我是好人

地球是一个“完美”的球体吗？
随着对地球的了解逐步加深，我们有可能提出更多更具体的问题。比如说，科学家们早在 2500 年前就已经知道地球是个球体了，但它是不是一个“完美”的球体呢？
为什么它不该是呢？如果我们说地球是个球体是因为它的重力引力尽可能地将它上面所有的物体都向地心吸引，那么，它就应该是一个完完全全的球体。除此之外，太阳在天空中总是以一个完美的圆环状呈现在我们面前，月亮也一样。这就说明，这些天体都是些完美的球体。
首先推翻这一观点的证据是 17 世纪通过一架望远镜对木星和土星所观测到的结果中得来的。这两个天体看上去都近似接近椭圆状，而不是以球体的形式出现的，并且随着它们不停地转动，始终保持着这种状态。进一步说，这两个椭圆形天体的最长直径似乎就是它们的赤道，更确切地说，它们是两个球体，只不过是两个赤道隆起而两极扁平的球体。因此我们称这种天体为“扁球体”。
那么，为什么木星和土星是扁球体呢？
直到牛顿总结出了运动定律之后，人们终于在 1687 年时利用这个定律找到了这个问题的答案。当天体绕着自转轴进行自转时，它上面的每个粒子也都随着天体本身一起运动。一切物体的运动都有一种自然趋势，就是一旦它运动起来了，它就会在这个方向上沿直线永远保持运动下去。那么当行星转动时，它表面微微隆起的部分有一种仍然保持直线向前，而不随天体转动的趋势，我们称这种趋势为“离心力作用”（源于拉丁语，意思是“从中心飞出”）。人类已经对地球上的这种现象进行了细致的研究，结论是：物体自转速度越快，它就越向外隆起。
当行星自转时，它表面靠近轴的部分也在转动过程中绕小圈转动，由于这些部分的转动速度不快，因此也就向外隆起得不多。离自转轴越远的部分，表面自转的圈儿越大，但必须在同一时间内做运动。表面部分必然是运动速度越快，越向外隆起，而最终在赤道地区达到最大值。因此，每一个自转的行星都有一个“中央隆起”，而这个“中央隆起”就是它自身的赤道。
一个天体的赤道隆起的程度取决于它表面运动速度的快慢和阻止这个天体形成赤道隆起的重力引力的强弱。月亮、金星和水星都转动得很缓慢，因此在这些星体上的赤道隆起不值得一提。另一方面，太阳旋转得相当快，它赤道上的每一点都在以每小时 1.36 万公里的速度在运动，但它的引力又太强了，以至于它的赤道隆起程度也不值得一提。同地球相比，木星和土星就非常之大了，并且它们绕自转轴自转的速度也非常快。木星自转一圈的时间略少于 10 小时，而土星相比之下要小一些，因此它自转一圈儿的时间略多于 10 小时。木星赤道上面的一个点的运动速度是每小时 45765 公里，而土星赤道上的一点的运动速度是每小时 36850 公里。它们都比太阳赤道上一点的运动速度要快得多，而且木星和土星上的重力引力都比太阳要小得多，小到不足以与离心力作用抗衡，因而这两颗行星都有明显的赤道隆起。土星表面的运动速度比木星要慢一些，而且它的重力引力也比木星要略微小一些，因此它的赤道隆起相比之下要略微大一些。如果上述有关木星和土星的情况是真实的，那么对地球来说，难道情况就不是这样的吗？地球沿地轴自转的速度比月亮、水星或金星都要快得多。地球赤道上的一点是以每小时 1670 公里的速度运动，这个速率比起太阳、木星和土星的赤道上一点的运动速率要小得多，而地球的重力引力也相比之下要小得多。牛顿认为地球有一个足够大的赤道隆起可供测量。
验证这个理论的方法是在地球的各个不同位置上仔细量出距离和角度的数值，通过这些数值，我们可以求出地球的弯曲度是多少。如果地球完完全全是个圆球，它上面各个位置上的曲度就应该是相等的；如果它是一个椭圆形的球体，那么，越靠近赤道地区的曲度就比靠近地轴的曲度要大。1736 年，一支法国探险队在皮尔·路易斯·迪·茅波特路斯出发前往北极附近的拉普兰，测量那儿的地表曲度。同一时间，另一支法国探险队在查尔斯·迪·拉·康达明的率领下抱着同样的目的出发前往赤道附近的秘鲁。
牛顿的理论被证明是正确的。地球有赤道隆起，尽管隆起得不太多。地球赤道的直径是 12756 公里。换句话说，地球基本上可以算是一个“完美”的圆球，只不过不完全是而已。1959 年，美国将“先锋 1 号”人造卫星送入环绕地球运行的轨道上，以一种平稳的形式绕地球旋转。通过它可以计算出地球赤道南部隆起的程度比赤道北部隆起的程度要高出 7.6 米。这就充分证明了地球的形状是“梨子形”，也就是说地球的南半部比北半部要宽出一些，遗憾的是，要测出地球南北隆起的差异，只有在最细致的情况下才能测得出。事实上，地球整体上的隆起非常小，小到用肉眼根本看不出来，任何人从太空来观察地球，它呈现在人们面前的是一个近乎于“完美”的球体。