地球自转

[拼音]：diqiu zizhuan

[外文]：rotation of the Earth

地球绕自转轴自西向东的转动。地球自转是地球的一种重要运动形式，自转的平均角速度为7.292×10-5弧度／秒，在地球赤道上的自转线速度为465米／秒。

作为一个科学研究的课题，关于地球自转的主要研究内容是：在地球内部和外部的各种因素作用下，地球自转的各种复杂的变化规律。按照运动形态分类，可以对地球自转的变化从3方面进行研究，即地球自转速度的变化，地球自转轴相对于地球本体的运动和地球自转轴在空间的运动。

自转速度的变化

地球自转是最早用来计量时间的基准，相应的时间单位就是通常的日，这种计量时间的系统称为世界时。20世纪初以来，天文学的一项重要发现是，确认地球自转速度是不均匀的，从而动摇了以地球自转来计量时间的传统观念，出现了历书时和原子时。到目前为止，人们发现地球自转速度有以下3种变化：

长期减慢

这种变化使日的长度在一个世纪内大约增长1～2毫秒，使以地球自转周期为基准所计量的时间，2000年来累计慢了2个多小时。地球自转的长期减慢，可以通过对月球、太阳和行星的观测资料以及古代日月食资料的分析加以确认。从对古珊瑚化石生长线的研究，可以得到地质时期地球自转的情况。例如，人们发现在泥盆纪中期，即37000万年以前，每年约有400日左右，这与天文论证的地球自转长期减慢的量级是一致的。引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。由于潮汐摩擦地球自转角动量逐渐减少，同时使月球远离地球，进而使月球绕地球公转的周期变长。这种潮汐摩擦作用主要发生在浅海地区。另外，海平面和冰川的变化、大气的影响以及地幔和地核之间的角动量交换，也可能会引起地球自转的长期变化，这些问题目前尚在进一步研究中。

周期性变化

地球自转速度季节性的周期变化是20世纪50年代根据对天文测时的分析发现的。除春天变慢和秋天变快的周年变化外，还有半年周期的变化。这些变化的振幅和位相，相对来说比较稳定。相应的物理机制也研究得比较成熟，看法比较一致。周年变化的振幅约为20～25毫秒，主要是由风的季节性变化引起的；半年变化的振幅约为9毫秒左右，主要是由太阳潮汐引起的。由于天文测时的精度的不断提高，在60年代末，从观测资料中求得了地球自转速度的一些微小的短周期变化，其周期主要是一个月和半个月，振幅的量级只有1毫秒左右，这主要是由月球潮汐引起的。

不规则变化

地球自转还存在着时快时慢的不规则变化。这种不规则变化同样可以在月球、太阳和行星的观测资料中以及天文测时的资料中得到反映。根据其变化的情况，大致可以分为3种类型：

（1）在几十年或更长的一段时间内，约有不到±5×10-10／年的相对变化；

（2）在几年到十年时间，约有不到±8×10-9／年的相对变化；

（3）在几个星期到几个月期间，约有不到±5×10-8／年的相对变化。前两种类型的变化相对来说比较平稳，而最后一种变化是相当激烈的。一般认为，比较平稳的变化类型可能是由于地幔和地核之间的角动量交换或海平面变化引起的，而比较激烈的变化类型可能是由于风的作用引起的。这些分析研究，目前还处于探索阶段。

地球自转轴对于地球本体的运动

地球自转轴相对于地球本体的位置是变化的，这种运动称为地极移动，简称极移。1765年欧拉(L.Euler)证明，如果没有外力的作用，刚体地球的自转轴将在地球本体内围绕形状轴作自由摆动，周期为305恒星日。这是存在极移的首次预言。一直到1888年人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在。1891年，美国的张德勒(S.C.Chandler)进一步指出，极移包括两种主要周期成分：一种是周期约14个月的自由摆动，又称为张德勒摆动；另一种是周期为12个月的受迫摆动。

实际观测到的张德勒摆动就是欧拉所预言的自由摆动。张德勒摆动的周期比欧拉所预言的周期约长40％，其原因在于地球并不是一个绝对刚体，这是地球弹性的一种反映。对张德勒摆动的研究可以为人们提供丰富的地球物理信息。根据对实测的张德勒摆动的分析可以得到：其振幅大约在 0.06″～0.25″ 之间缓慢变化；其周期也是变化的，变化范围约为410～440天，并且振幅变化和周期变化之间是统计相关的。

张德勒摆动的这些特征的物理本质，长期以来一直是悬而未决的问题。比较流行的一种看法是阻尼- 激发模型。周期的变化表示张德勒摆动是一种阻尼运动；振幅的可变而又不消失，表示张德勒摆动又不断地受到激发。目前，无论是阻尼的机制，还是激发的机制都没有一种成熟的理论。曾经从海洋、核幔耦合以及地幔的流变性等方面对阻尼进行过研究；从大气、核幔耦合以及地震等方面对激发进行过研究。除了阻尼- 激发模型的解释以外，另外一种看法是双频或多频模型。认为张德勒摆动具有两种很接近的周期，甚至具有更多种周期，而谱线的加宽和振幅的变化都是某种干涉现象造成的。但是，要从目前的地球物理知识来寻找这种双频或多频模型的物理本质将是相当困难的。

极移的另一个主要成分是周年受迫摆动，其振幅约为 0.09″，相对来说这种运动比较稳定。主要是由于大气负载、地下水分布、冰雪层等季节性变化引起转动惯量主轴方向的变化，从而改变了自转轴的方向。

由液态外核和地幔之间惯性耦合，可以计算出自转轴还存在一种周期近于1日的微小的近周日自由摆动，其振幅约为 0.02″。由于这种振幅的量值与观测的噪声水平差不多，因此目前还难于检测。另外，在太阳和月球引力作用下，自转轴还存在一种周日受迫摆动，振幅约为0.02″。

根据到目前为止所积累的八十几年的极移资料，用适当的数学方法和除掉张德勒摆动和周年摆动等周期分量以后，求得了长期极移的统计结果。这些结果指出，长期极移的平均速度约为0.003秒/年，方向大致在西经70°左右。此外，还存在有二十几年的长周期运动的分量。对于这些结果的真实性还有争议，就其物理机制的探讨更是粗略，可能是地球内部或表面物质分布的变化和不平衡，引起整个地球相对自转轴有一种长期扭动。根据古气候、古生物、古地磁等方面的研究，发现自转极和地磁极以及各个大陆在漫长的地质年代里有过大规模移动，表明长期极移是可能存在的。

地球自转轴在空间的运动

地球的极半径约比赤道半径短1/300，同时地球自转的赤道面、地球绕太阳公转的黄道面和月球绕地球公转的白道面，这三者并不在一个平面上。由于这些因素，在月球、太阳和行星的引力作用下，使地球自转轴在空间产生了复杂的运动。这种运动通常称为岁差和章动。

岁差运动表现为地球自转轴围绕黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需26000年。同时黄道面和赤道面的交角（简称黄赤交角，约为23.5°）每一世纪大约减小 47″。章动就是叠加在岁差运动上的许多振幅不超过 10″的复杂的周期运动，其中主项是周期为18.6年的椭圆运动，椭圆长半径约为 9″多，此外尚有许多振幅在1″以下的各种短周期项。

根据刚体动力学的理论，可以建立起在外力作用下自转轴在空间的运动方程，并解算出岁差和章动。以刚体地球为基础的章动理论值和实测值之间存在着某些差异，导致人们对液核地球模型进行研究。1979年美国瓦尔(J.Wahr)建立了液核地球的章动理论，经由国际天文学联合会(IAU)研究，定名为IAU1980章动模型，决定从1984年起正式在全世界采用。

地球自转参数的测定

地球自转参数通常是指地球自转速度和极移。这些参数决定着地面观测站在空间的精确位置以及地球坐标系在空间的指向。这是地面精密测绘和跟踪人造天体所需要的参数。同时，这些参数和地球的内部结构、物质运动、物理特征、各种结构层次（大气层、水层、地壳、地幔和地核等）之间的相互作用都息息相关。在某种意义上，地球自转参数可以看作是地球的脉搏，它提供了丰富的地球物理信息。

对地球自转参数进行系统的测定已有八十几年的历史。目前共有两个国际机构收集全世界的各种观测资料，进行统一处理，分别及时地向全世界提供系统的地球自转参数，以满足各方面的需要。这两个机构是设在法国巴黎的国际时间局（缩写 BIH）和日本水泽的国际极移服务（缩写IPMS）。目前所提供的地球自转参数的精度，按角度测量的精度来表示，已达到± 0.01″的量级。

目前测定地球自转参数所用的技术可分为两大类：经典技术和新技术。经典技术主要是目前广泛使用的传统的光学天体测量仪器，如照相天顶筒、等高仪、中星仪、天顶仪等，这些仪器一般都配置在天文台。为了测量地球自转参数还需要配备有高精度的原子钟或石英钟及相应的时间对比的设备。新技术是指20世纪60年代后期以来，应用空间、激光、射电技术，所出现的人造卫星多普勒观测、人造卫星激光测距、月球激光测距、甚长基线射电干涉仪等新技术。这些新技术经过研制、试验、改进，目前已逐步进入组网联测阶段。预计今后用新技术测角可达到 0.001″级，测距可达厘米级的测量精度。目前正处于经典技术和新技术相互比较，新旧技术交替的过渡时期。

鉴于地球自转参数在现代科学中的重要性，进入20世纪80年代以来，由国际大地测量学和地球物理学联合会(IUGG)和国际天文学联合会 (IAU)共同组织一系列监测地球自转的全球合作计划，动用全世界各种经典技术和新技术对地球自转进行监测和分析研究。

参考书目

The Rotation of the Earth

Transactions， American Geophysical Union