地球扁率 第一步：地球形状的基本描述 地球并非一个完美的球体。它是一个在赤道处略微鼓起、在两极处略微压扁的近似球体。这种形状被称为“椭球体”或“扁球体”。您可以想象一个橘子，或者一个被从两极方向轻轻压了一下的皮球。地球的这种非球形特征，就是“地球扁率”这一概念描述的核心。 第二步：扁率的精确定义 地球扁率是一个数值，它量化了地球赤道半径与极半径之间的差异程度。其数学定义通常有两种常用形式： 几何扁率（f） ：这是最常用的一种定义。它等于（赤道半径 a - 极半径 b）与赤道半径 a 的比值。即 f = (a - b) / a 。 极扁率 ：有时也指（a - b）与 b 的比值，但不如几何扁率常用。 根据最新的大地测量数据（如WGS-84坐标系），地球的赤道半径 a 约为 6378.137 公里，极半径 b 约为 6356.752 公里。代入公式计算，地球的几何扁率 f 大约为 1/298.257 ，或者说约等于 0.0033528 。这意味着从赤道到两极，半径缩短了大约21公里（6378 - 6357）。 第三步：扁率成因——自转离心力 地球扁率并非偶然，其根本成因是地球的 自转 。地球绕其自转轴（连接南北极的轴线）旋转。地球表面及内部的所有物质，只要不在两极或自转轴上，都会受到一个背离自转轴的惯性力—— 离心力 。 在赤道上，物体随地球自转的线速度最大，受到的离心力也最强，方向垂直指向地外。 随着纬度增加，自转半径减小，线速度和离心力也逐渐减弱。 在两极点，自转半径为零，离心力为零。 这种从赤道向两极递减的离心力，就像一个持续的、向外拉的力，长期作用在地球这个具有塑性的天体上。它使得赤道地区的物质有向外“甩出”的趋势，导致赤道半径变长，两极半径相对缩短。地球在形成初期是一个炽热的、可塑性很强的熔融体，正是在这种旋转离心力的长期作用下，逐渐塑造成了今天的扁球体形状。 第四步：扁率的观测与测量证据 地球扁率可以通过多种科学手段观测和证明： 重力测量 ：由于地球扁率，地球表面的重力加速度并非处处相等。在赤道，离心力最大且方向与引力相反，同时赤道点到地心的距离也略长，所以重力加速度最小（约9.780 m/s²）。在两极，没有离心力影响且到地心距离最短，重力加速度最大（约9.832 m/s²）。这种重力随纬度的系统性变化是扁率的有力证据。 弧度测量 ：历史上，通过精确测量不同纬度处子午线（经线）上一段弧长对应的纬度差，可以推算出地球的曲率半径。发现不同纬度处的曲率半径不同，从而证明地球不是正球体。18世纪，法国科学院组织的秘鲁和拉普兰测量远征，就是为了验证这一理论。 空间大地测量 ：现代通过人造卫星轨道摄动分析可以最精确地测定地球扁率。卫星的轨道会受到地球非球形引力场的复杂扰动，通过分析这些扰动，可以反演出地球的精确形状和扁率值。 航海与制图 ：精确的地图绘制和全球定位系统（GPS）都必须将地球扁率作为基本参数纳入计算模型，否则会产生显著误差。 第五步：扁率的天文学与地球物理学意义 地球扁率不仅仅是一个形状描述，它在地球科学和天文学中具有深远影响： 引力场 ：地球的引力场并非简单的点源引力场，其数学表达式中必须包含扁率项（J2项）。这个J2项是描述地球引力场非球形部分的最重要参数。 卫星轨道 ：地球扁率引起的引力场不均匀性是导致卫星轨道产生长期变化（如轨道面的 进动 、拱点线的 进动 ）的主要原因之一。这对卫星轨道设计和维持至关重要。 岁差和章动 ：太阳和月球对地球赤道隆起部分的引力作用，是导致地球自转轴在空间中长期缓慢旋转（ 岁差 ）和发生周期性微小摆动（ 章动 ）的根本原因。没有扁率，就没有这些天文现象。 地球内部结构推断 ：扁率的大小与地球内部的物质密度分布有关。将观测到的扁率与根据自转速度理论计算出的“流体静力平衡扁率”进行比较，可以推知地球内部（如地核、地幔）的刚性和密度分布信息。 行星比较 ：地球扁率的概念可推广到其他行星。行星的扁率大小反映了其自转速度、内部刚性和形成历史。例如，快速自转的木星和土星，其扁率（约1/15）远大于地球；而缓慢自转的金星，扁率几乎为零，接近正球体。 总结来说， 地球扁率 是一个将地球形状、自转动力学、引力场、卫星运动乃至内部结构紧密联系在一起的、基础且核心的地球物理参数。它从牛顿时代就开始被深入研究，至今仍是现代大地测量学、天文学和地球动力学不可或缺的基本概念。