地球運動

通過對月球、太陽和行星的觀測資料和對古代月食、日食資料的分析，以及通過對古珊瑚化石的研究，可以得到地質時期地球自轉的情況。在6億多年前，地球上一年大約有424天，表明那時地球自轉速率比現在快得多。在4億年前，一年有約400天，2.8億年前為390天。研究表明，每經過一百年，地球自轉長期減慢近2毫秒（1毫秒＝千分之一秒），它主要是由潮汐摩擦引起的。此外，由於潮汐摩擦，使地球自轉角動量變小，從而引起月球以每年3～4厘米的速度遠離地球，使月球繞地球公轉的周期變長。除潮汐摩擦原因外，地球半徑的可能變化、地球內部地核和地幔的耦合、地球表面物質分佈的改變等也會引起地球自轉長期變化。

地球自轉速度除上述長期減慢外，還存在著時快時慢的不規則變化，這種不規則變化同樣可以在天文觀測資料的分析中得到證實，其中從周期為近十年乃至數十年不等的所謂"十年尺度"的變化和周期為2～7年的所謂"年際變化"，得到了較多的研究。十年尺度變化的幅度可以達到約±3毫秒，引起這種變化的真正機制目前尚不清楚，其中最有可能的原因是核幔間的耦合作用。年際變化的幅度為0.2～0.3毫秒，相當於十年尺度變化幅度的十分之一。這種年際變化與厄爾尼諾事件期間的赤道東太平洋海水溫度的異常變化具有相當的一致性，這可能與全球性大氣環流有關。然而引起這種一致性的真正原因目前正處於進一步的探索階段。此外，地球自轉的不規則變化還包括幾天到數月周期的變化，這種變化的幅度約為±1毫秒。

地球自轉的周期性變化主要包括周年周期的變化，月周期、半月周期變化以及近周日和半周日周期的變化。周年周期變化，也稱為季節性變化，是二十世紀三十年代發現的，它表現為春天地球自轉變慢，秋天地球自轉加快，其中還帶有半年周期的變化。周年變化的振幅為20～25毫秒，主要由風的季節性變化引起。半年變化的振幅為8～9毫秒，主要由太陽潮汐作用引起的。此外，月周期和半月周期變化的振幅約為±1毫秒，是由月亮潮汐力引起的。地球自轉具有周日和半周日變化是在最近的十年中才被發現並得到證實的，振幅只有約0.1毫秒，主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。

1543年著名波蘭天文學家哥白尼在《天體運行論》一書中首先完整地提出了地球自轉和公轉的概念。地球公轉的軌道是橢圓的，公轉軌道半長徑為149597870公里，軌道的偏心率為0.0167，公轉的平均軌道速度為每秒29.79公里；公轉的軌道面（黃道面）與地球赤道面的交角為23°27'，稱為黃赤交角。地球自轉產生了地球上的晝夜變化，地球公轉及黃赤交角的存在造成了四季的交替。

從地球上看，太陽沿黃道逆時針運動，黃道和赤道在天球上存在相距180°的兩個交點，其中太陽沿黃道從天赤道以南向北通過天赤道的那一點，稱為春分點，與春分點相隔180°的另一點，稱為秋分點，太陽分別在每年的春分（3月21日前後）和秋分（9月23日前後）通過春分點和秋分點。對居住的北半球的人來說，當太陽分別經過春分點和秋分點時，就意味著已是春季或是秋季時節。太陽通過春分點到達最北的那一點稱為夏至點，與之相差180°的另一點稱為冬至點，太陽分別於每年的6月22日前後和12月22日前後通過夏至點和冬至點。同樣，對居住在北半球的人，當太陽在夏至點和冬至點附近，從天文學意義上，已進入夏季和冬季時節。上述情況，對於居住在南半球的人，則正好相反。

地極移動，簡稱為極移，是地球自轉軸在地球本體內的運動。1765年，歐拉最先從力學上預言了極移的存在。1888年，德國的屈斯特納從緯度變化的觀測中發現了極移。1891年，美國天文學家張德勒指出，極移包括兩個主要周期成分：一個是周年周期，另一個是近14個月的周期，稱為張德勒周期。前者主要是由於大氣的周年運動引起地球的受迫擺動，後者是由於地球的非剛體引起的地球自由擺動。極移的振幅約為±0.4角秒，相當於在地面上一個12×12平方米範圍。

由於極移，使地面上各點的緯度、經度會發生變化。1899年成立了國際緯度服務，組織全球的光學天文望遠鏡專門從事緯度觀測，測定極移。隨著觀測技術的發展，從二十世紀六十年代後期開始，國際上相繼開始了人造衛星多普勒觀測、激光測月、激光測人衛、甚長基線干涉測量、全球定位系統測定極移，測定的精度有了數量級的提高。

根據近一百年的天文觀測資料，發現極移包含各種複雜的運動。除了上述周年周期和張德勒周期外，還存在長期極移，周月、半月和一天左右的各種短周期極移。其中長期極移表現為地極向著西徑約70°～80°方向以每年3.3～3.5毫角秒的速度運動。它主要是由於地球上北美、格棱蘭和北歐等地區冰蓋的融化引起的冰期后地殼反彈，導致地球轉動慣量變化所致。其它各種周期的極移主要與日月的潮汐作用以及與大氣和海洋的作用有關。

在外力的作用下，地球的自轉軸在空間的指向並不保持固定的方向，而是不斷發生變化。其中地軸的長期運動稱為歲差，而周期運動稱為章動。歲差和章動引起天極和春分點位置相對恆星的變化。公元前二世紀，古希臘天文學家喜帕恰斯在編製一本包含1022顆恆星的星表時，首次發現了歲差現象。中國晉代天文學家虞喜，根據對冬至日恆星的中天觀測，獨立地發現了歲差。據《宋史·律曆志》記載："虞喜云：'堯時冬至日短星昴，今二千七百餘年，乃東壁中，則知每歲漸差之所至'"。歲差這個名詞即由此而來。

牛頓第一個指出產生歲差的原因是太陽和月球對地球赤道隆起部分的吸引。在太陽和月球的引力作用下，地球自轉軸在空間繞黃極描繪出一個圓錐面，繞行一周約需26000年，圓錐面的半徑約為23°.5。這種由太陽和月球引起的地軸的長期運動稱為日月歲差。除太陽和月球的引力作用外，地球還受到太陽系內其它行星的引力作用，從而引起地球運動的軌道面，即黃道面位置的不斷變化，由此使春分點沿赤道有一個小的位移，稱為行星歲差。行星歲差使春分點每年沿赤道東進約0.13角秒。

地球自轉軸在空間繞黃極作歲差運動的同時，還伴隨有許多短周期變化。英國天文學家布拉得雷在1748年分析了20年恆星位置的觀測資料后，發現了章動現象。月球軌道面（白道面）位置的變化是引起章動的主要原因。目前天文學家已經分析得到章動周期共有263項之多，其中章動的主周期項，即18.6年章動項是振幅最大的項，它主要是由於白道的運動引起白道的升交點沿黃道向西運動，約18.6年繞行一周所致。因而，月球對地球的引力作用也有相同周期變化，在天球上它表現為天極在繞黃極作歲差運動的同時，還圍繞其平均位置作周期為18.6年的運動。同樣，太陽對地球的引力作用也具有周期性變化，並引起相應周期的章動。