第一节 地球的自转
地球是无数天体中的一个普通天体。同宇宙间其它一切天体一样，地球处在不停的运动状态。
地球运动的形式有多种，其中，最重要最显著的运动，是地球的自转和公转。
一、地球自转的特性
地球自转，是地球自身的旋转。它不以其它天体的存在为条件，所以称为自转。
1.地轴和极移
一切物体的自身旋转，都是围绕通过其本身的轴线进行的。地球的自转，是地球围绕着地轴的旋转。地球自转实际上就是构成地球的各个质点相对于地轴的旋转位移，旋转位移的角速度相等，其轨迹是互相平行的圆，所有的圆心都位于地球的轴线上。
地轴通过地心，与赤道平面垂直相交，同地球表面相交于两点，叫做地球的两极。因此，地轴也就是通过地球两个极点的假想的一条直线。
朝向小熊星座α星的地球极点叫做北极，可用N表示。在北极看，小熊星座的α星与地轴延长线之间相距只有约1°，由于在天北极的位置没有明亮的星作标志，因此，习惯上人们就以这颗距地轴延长线最近的亮星，来代表天北极，并把它叫做北极星。
地球的另一个极点，位于与北极相反方向的地表，称为南极，可用S表示。
在北半球，人们通过观测北极星高度来确定地理纬度。在某地点进行精密的纬度观测时，会发现经过一段时间之后，纬度值有所增加（或减小）。而与该观测点经度相隔180°的地点，在同一时间内的纬度值则发生与之等量的减少（或增加），这意味着地极的位置发生了变化。大量观测实践都证实了这种现象，说明地极在地面上的位置并不是固定的。
地极在地表的移动，是地球本体相对于地轴运动而造成的，称为极移。它是一种包含着多种周期性因素的复杂运动，其轨迹是一条弯曲而不闭合的复杂曲线（图3-1）。
从图中可以看出，地极的移动幅度是在变化的，它移动的轨迹也是不规则的。极移的范围，一般在二百多平方米的面积之内。这对于整个地球来说，是极其微小的。因此，在一般情况下，地极的这种移动是很难觉察到的。
极移的结果，使地表各地的地理坐标发生变化，而最直观的，就是人们可以观测到天极的高度发生了变化。当然，由于地极在地表移动的范围很小，地理坐标的变化也很微小。
关于地球的极移情况，可以通过对地理纬度的观测进行研究。早在1899年国际上就已开始了有组织的极移观测研究工作。参加极移观测工作的各国，观测地点都设在N39°8′的纬度位置。我国的天津纬度站从1964年开始进行极移观测研究工作，这个观测站的地理纬度是N39°8′。
2.地球自转的方向
地球自转运动的方向，可以用钟表指针的转动方向来表示。从天北极方向看地球，地球的自转方向是逆时针的。如果从天南极方向来看，地球则是顺时针方向旋转的。人们把这样的旋转叫做自西向东旋转。
据此，也可以辨别其它天体的旋转方向：从天北极看，凡是逆时针方向的旋转，都叫做自西向东旋转；凡是按顺时针方向的旋转，都叫做自东向西旋转。天体自西向东旋转，称为顺向旋转；若天体是自东向西旋转的，则称之为逆向旋转。显然，地球绕地轴的自转运动，属于顺向自转。太阳系中的九大行星都在自转，而且大部分为顺向自转，只有金星和天王星的自转，属于逆向自转。
3.地球自转的周期
地球绕地轴的自转，是周期性的运动。人们生活在地球上，很难直接觉察地球的自转运动，也很难直接从地球本身去判定地球自转的周期性。地球自转及其周期，是从地表某点同地球以外其它天体的相对位置变化发现的。
在地球上看来，地球以外的绝大多数天体，似乎都在围绕着地球转动。实际上，这是地球自转的反映，是地球绕地轴自转而产生的一种相对视运动，称为天体周日视运动。天体在周日视运动过程中，每日两次经过各地子午圈，因而位于观测者的正南方或正北方。当天体经过午圈时，其高度最大，称为上中天；当天体经过子圈时，其高度最小，称为下中天。上中天和下中天，又合称中天。
地球自转周期是以其它天体为参照来度量的。如用太阳作参照，从它经过某地上中天位置，到下次经过该地上中天位置，好像绕地球转动了一周，实际上反映出地球绕地轴自转了一周。因此，太阳（或其它天体）连续两次上中天（或下中天）的时间，即为地球自转周期。
天体绕地球的视运动，一日内完成一周，于是“日”便成为度量地球自转周期的基本时间单位。但是，这只是一种很笼统的说法。作为表示地球自转周期的日，由于选择的参照天体不同，它所代表的时间长短是不相同的。天文上用作度量地球自转周期的参照天体，通常有恒星、太阳和月球。因而，表示地球自转周期的日，也就相应的有恒星日、太阳日和太阴日。这三种日虽然都是地球自转的周期，但是，它们所代表的实际时间长度，互相都有一定的差异。
恒星日是以某遥远的恒星（或春分点）作参照，该参照点自东向西连续两次通过某地上（或下）中天的时间间隔。恒星日的长度是23小时56分。
太阳日是以太阳为参照，太阳圆面中心由东向西连续两次通过某地上（或下）中天的时间间隔。太阳日的长度是24小时。
太阴日是以月球作为参照，月球圆面中心自东向西连续两次通过某地上（或下）中天的时间间隔。太阴日的长度为24小时50分。
上面所用时、分、秒，都是以太阳日长度为基础确定的计时单位。用这样统一的计时尺度，分别度量恒星日、太阳日、太阴日，所得到的结果不同，表明这三种日实际所包含的时间长度是有差异的。
恒星（或春分点）与地球距离十分遥远，我们可以认为它在天球上的位置是固定不变的。从遥远的恒星（或春分点）作为度量地球自转周期的参照点，该参照点在某观测地点连续两次上中天的时间内，它完成了绕地球一周的视运动，地球也就正好绕地轴旋转了完整的一周（即360°）（图3-3中的位置A2）。
太阳虽然也属恒星天体，但是，对于地球来说，它是不同于其他任何恒星的极其特殊的天体。这是因为，不仅太阳与地球的距离比其他恒星近得多，而且它又是太阳系的中心天体，地球自转的同时，还绕着太阳公转。在地球上看来，太阳在天球上的位置，不像其它恒星那样固定不变，而是以每日59′的速度，自西向东移动。以太阳作为度量地球自转周期的参照，太阳圆面中心连续两次在某观测地点上中天的时间内，地球实际自转的角度为360°59′。这就是说，当地球完成一周（360°）的自转后，还需要再自转59′，才算是一个太阳日。可见，太阳日时间长度长于恒星日（图3-3中的位置A2′）。
月球在天球上的位置，也是不固定的。月球是离地球最近的天体，它绕着地球公转，同时又与地球一起绕太阳公转。月球在天球上的位置变化，不同于太阳在天球上的位置变化。在地球上看来，月球在天球上以每日13°12′的速度，自西向东移动。因此，月球作为度量地球自转周期的参照，当地球自转360°以后，还必须再自转相当大一段距离，才算是一个太阴日。可见，月球圆面中心在某观测地点连续两次上中天的时间内，它所完成的视运动已超过一周（360°）（图3-4的A′位置）。
上述情况表明，恒星日、太阳日和太阴日，虽然都是用来度量地球自转周期的，然而，只有恒星日才是地球自转的真正周期。
太阳与地球有着极密切的关系。太阳的周日运动，直接影响着地球上的一切生命活动。自古以来，人们都是根据太阳的周日运动，来安排作息的。太阳日对于地球上人类的生活和生产活动，有非常实际的应用价值。尽管它并不能表示地球自转的真正周期，却依然成为广泛应用的最基本的计时单位。
把以太阳为参照的、地球自转360°59′所经历的时间分为24等份，每份称为1小时，一个太阳日则等于24小时。以此为标准去度量恒星日和太阴日，其结果分别为23小时56分和24小时50分。
4.地球自转的速度
地球自转运动具有两种速度，即角速度和线速度。
在单位时间内，地球绕地轴旋转过的角度，叫做地球自转角速度。一个旋转刚体的各个质点，不管它们的旋转半径有怎样的差异，在旋转过程中都保持相同的角速度。可见，角速度的大小与旋转半径是无关的。在地球表面，除了南、北两个极点之外，全球的自转角速度都是相等的。
地球每日（24小时）自转一周（360°），这就是它的自转角速
度。如果用较小级的计量单位来表示，则地球自转角速度为每小时15°，或每分钟15′，或每秒钟15″。这里所说的日，严格来说是指恒星日，而不是太阳日。时、分、秒也是这样。因为，只有在一个恒星日里，地球才真正自转一周（360°）。但是，人们平常所用的日，又都是指的太阳日，时、分、秒也是如此。所以，平常对地球自转角速度的表述，只是一种比较笼统的说法。
地球自转的线速度 是用长度和时间单位来表示的，系指地球上某点在单位时间内绕地轴所转过的线距离。例如，赤道上的某个地点，在一个恒星日内绕地轴旋转了一周（360°），因而赤道的周长，便是该地点在一个恒星日内转过的线距离。用太阳日的秒长度，去度量恒星日，则一个恒星日为86164秒（用T表示）。地球的赤道半径（R0）长为6378160米。这样，就可以求得赤道上的旋转线速度（V0），即：
这里所求得的V0数值，只是地球赤道上地面各点绕地轴旋转的线速度，而不能代表地球所有地点的旋转线速度。整个地球有同一的自转角速度，却没有同一的自转线速度。这是因为旋转刚体的线速度与旋转半径的长度有密切关系；旋转半径越长，线速度越大；旋转半径越短，线速度越小（图3－5）。
在地球上，各个地点因其所处的纬度不同或高度不同，它们的旋转半径是不一样长的。就海平面高度来讲，赤道上的旋转半径在全球是最长的。从赤道向两极，随着纬度的增高，旋转半径越来越短。因此，地球上任何纬度的自转线速度，都小于赤道上的自转线速度。
如要把地球近似的看成一个正球体，那么，位于某纬度（
）的地点，其绕地轴旋转的线速度（V）为：
可见，地面任一纬度的地球自转线速度，与该纬度的余弦成正比。
60°的余弦值为1/2。因此，在南、北纬60°的地方，地球自转的线速度相当于赤道处的一半，即：
同样可以求得南、北纬30°处地球自转的线速度为 402米/秒。地球南、北两极的纬度都是90°，其余弦值等于零，所以极点的旋转线速度也等于零。随着地球的自转，地球的各个质点都在以地轴上的某点为圆心，作圆周运动。一切运动都有线速度。除两个极点外，地球表面的所有地点都有自转线速度。而南、北两个极点既没有角速度，也没有线速度。
地表是起伏不平的。严格来说，同一纬度不同高度的地点，具有不同的旋转半径，地球自转过程中，它们的线速度也有所不同。如果用h表示任一地点的海拔高度，那么，任意纬度、任意高度的地球自转线速度则为：
由于地表起伏带来的旋转半径差异，远远不如纬度变化带来的旋转半径差异那么大。所以，在同一纬度不同高度的各地点，地球自转线速度的差别并不显著。特别在纬度较低的情况下，更是如此。例如，在赤道附近，即使是陆地上最高的地点与同纬度海平面相比，线速度相差最多也只有每秒几十厘米。
以上所讲的地球自转速度，都是指地球自转的平均速度，即把地球看成是匀速自转情况下的转动速度。实际上，地球自转的速度并不均匀。在很早以前，人们就曾对地球自转速度的均匀性产生过怀疑。直到本世纪20年代末石英钟问世以后，这个问题才得到了澄清。石英钟是非常精确的计时工具，其误差每日只有万分之一秒。用石英钟测定地球自转周期的结果证明，地球自转速度确实是不均匀的。
地球自转速度的不均匀，主要表现为长期变慢、周期性变化和不规则的变化。
地球自转速度，从长期看是逐渐变慢的，变慢的幅度大约是每一百年内，一日增长1～2毫秒。这种微小的变化，在短期内是很难察觉的，只有用石英钟或更精密的计时工具才能测出。然而，经过数十亿年的积累，地球自转速度的变慢，就会明显地表现出来。古生物学家通过对珊瑚化石上日纹的分析发现，在四亿年以前，地球上一年的日数为400日；三亿年前，一年为395日；到六千五百万年前，一年变为376日；而现在的一年只有365日多。
在漫长的历史中，地球上每年的日数（相当于地球自转的周数）逐渐减少，说明每日的长度在逐渐增加，因而也就证明了地球自转速度的长期变慢。地球自转的长期变慢，主要是月球等天体在地球上产生的潮汐引力影响造成的。
地球自转速度的周期性变化，主要表现为年周期变化、半年周期变化、月以及半月周期变化。这些周期性变化的幅度，一般只有1～25毫秒。这些周期性的自转速度变化，主要是大规模的气团移动、太阳和月球的潮汐作用等影响所造成的。
地球自转速度还有不规则的变化，表现为地球的自转有时快点，有时慢点，而这种变化没有一定的周期性规律。地球自转速度的不规则变化，主要是由于地球内部物质运动等原因造成的。