地球自转：变化特点-天文学教程上册

在地球内部和外界的各种因素作用下，地球自转发生复杂变化，主要表现在三方面：自转速率或日长的变化；自转轴在地球本体内的变动或极移；自转轴在空间的进动导致岁差和章动。虽然地球自转变化的相对量很小，但长期累积效应是显著的，现代科学技术需要地球自转变化的精确资料。

5.4.2.1　地球自转速率的变化

20世纪初以来，天文学的一个重大发现是确认地球自转速率不均匀，从而动摇了以地球自转作为时间计量基准的概念。地球自转速率有以下三种变化。

1）长期减慢

由月球、太阳和行星的观测资料及古代日月食资料的分析，人们确认地球自转长期减慢。这使日长在每世纪平均增长1～2 ms，2000年来累积慢2个多小时。从古珊瑚化石生长线研究得出，3.7亿年前，每年约有400日，这基本与天文得出的地球自转减慢结果符合。

地球自转长期减慢的主要原因是潮汐摩擦。月球和太阳的引潮力使海水涨落而形成潮汐。由于地球自转角速度比月球轨道运动快，随地球自转的水隆起超前于月球运动，受月球引力扭矩而如“刹车”的制动作用（称为潮汐摩擦）（见图5-24）。理论模型计算结果基本上可以解释地球自转的长期减慢，当然还存在有待深入研究的问题，包括理论模型的精度不够高，是否存在非潮汐作用（太阳辐射、地球磁场变化）影响地球自转的问题。

图5-24　潮汐摩擦

地球自转减慢意味着地球自转角动量减少，这部分角动量转移为月球绕地球转动的轨道角动量，导致月球远离地球；逆推过去，则月球离地球要近得多。

类似地，地球和太阳对月球也有引起潮作用，月球的潮汐摩擦长期作用结果导致月球的自转周期变为与绕地球轨道运动周期相同（同步自转）。

2）周期性变化

20世纪50年代人们发现地球自转有周年变化，春天变慢，秋天变快，变幅为20～25 ms，主要是由风的季节性变化引起的。半年周期变化的变幅约9 ms，主要由太阳的引潮作用所致；1个月和半个月的周期变化，变幅约1 ms，主要由月球的引潮作用所致。(www.xing528.com)

3）不规则变化

在月球、行星、太阳等观测中，发现地球自转还存在时快时慢的不规则变化，大致分三种：几十年或更长时间内有约每年不到±5×10-10的相对变化；在几到十年期间有约每年不到±8×10-9的相对变化：在几星期到几个月期间有约每年不到±5×10-8的相对变化。前两种变化较平稳，可能由地核与地幔之间交换角动量或海平面变化所致。最后一种变化相当剧烈，可能由风作用所致。

5.4.2.2　地球自转轴在本体的运动——极移

地球的瞬时自转轴在地球本体内的运动称为极移（polar wandering）。1765年，近代数学先驱L.欧拉（Leonhard Euler）从理论上预言，如果没有外力作用，刚体地球的自转轴在本体内绕形状轴自由摆动，周期为305恒星日。直到1888年，极移的存在才从纬度变化的观测中被证实。1891年。美国天文学家S.C.张德勒（Seth Carlo Chandler）指出，极移包括两个主要周期成分：周期约14个月的非刚体地球自由摆动（又称张德勒摆动）；周年的受迫摆动由大气作用所致。张德勒摆动的幅度在0.06″～0.25″范围内缓慢变化，周期变化于410～440日范围，受迫摆动幅度约0.09″。此外，还有月球和太阳引力所致的幅度为0.02″的周日受迫摆动，地球核-幔耦合所致的幅度为0.02″的近周日自由摆动，以及长期极移。

5.4.2.3　地球自转轴在空间的运动——岁差和章动

由于地球的形状和密度分布不是完全球对称的，太阳、月球以及行星对突出部分有附加引力作用，导致地球像陀螺一样发生自转轴在空间的复杂运动。

地球自转轴在空间运动的最主要表现是绕垂直于黄道的轴线做圆锥旋动，即地轴进动。锥角是黄赤交角的两倍（见图5-25左，图2-30），进动方向与地球自转方向相反，西旋50.37″／a，周期为25800年。于是北天极绕黄极打圈，北天极指向星空的位置发生变动（见图5-25右），公元前3000年的北极星是天龙座α，现在是小熊座α（附近），公元7000年是仙王座α，13000年是织女星。

图5-25　地轴的进动（左）与北天极指向星空的位置变动（右）

地轴进动的一种重要结果是黄道与赤道交点——春分点和秋分点沿黄道西移，以致太阳周年视运动通过春分点的时刻比回到恒星间同一位置的时刻早些，即回归年短于恒星年，这一现象称为岁差。

由于月球、太阳和行星不在黄道面上以及日地、地月距离的变化，还引起黄道面的小变动，导致天极和春分点的更复杂运动。天极相对于黄极的很多短周期微小变化称为章动，主要章动的周期为18.6年、幅度为9.211″／a。