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地球自转

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深太空气候天文台（英语：Deep Space Climate Observatory）拍摄的地球自转影像，显示出自转轴的倾斜。
由黄道面看地球自转的模拟动画，显示地球以约23.5度的倾角自转
透过长时间曝光摄影技术拍摄的星迹，是实际上静止的星星随地球转动而产生的光迹，为地球自转的证据之一

地球自转（zhuàn）[1]是行星地球围绕其自身轴的旋转，以及空间中旋转轴方向的变化。地球由西向东旋转为顺行运动。从北方的极星北极星鸟瞰，地球自转是逆时针方向。

北极，也称为地理北极或陆地北极，是地球自转轴在北半球与其表面相交的点。这个点不同于地球的北磁极。位于南极洲的南极，是地球自转轴与其表面相交的另一个点。

地球相对于太阳每24小时自转一次，但相对于其它遥远的恒星每23小时56分4秒自转一次（见下文）。随著时间的推移，地球自转速度略有放缓；因此，在过去的一天比现在短。这是由于月球对地球自转的潮汐效应造成的。原子钟显示，现代的一天比一个世纪前长了约1.7毫秒[2]，藉著新增闰秒的速率将UTC缓慢地调整。对历史上的天文记录分析显示出一种减缓的趋势；自西元前8世纪以来，日长每世纪新增约2.3毫秒[3]。

科学家报告说，在2020年，地球开始以更快的速度旋转，而在过去几十年中，地球的自转速度一直低于每天86,400秒。2022年6月29日，地球自转比 24小时少了1.59 毫秒完成，创下了新纪录[4]。由于这一趋势，世界各地的工程师都在讨论“负闰秒”和其他可能的计时措施[5]。

这种速度的增加被认为是由于各种因素造成的，包括其熔融核心、海洋和大气的复杂运动、月球等天体的影响，以及可能的气候变化，这导致地球两极的冰融化。冰块解释了地球的形状是在赤道周围凸起的一个扁球体，当这些质量减小时，两极会因重量减轻而反弹，地球变得更加球形，这具有使质量更接近其重心的作用。角动量守恒决定了围绕其重心分布更紧密的质量旋转得更快[6]。

历史

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这张在尼泊尔的喜马拉雅山上长时间曝光摄影的照片，显示了地球自转时北半球夜空恒星的视路径。

在古代希腊人中，有几位毕达哥拉斯学派相信地球的自转，而不是天的昼夜自转。第一位也许是菲洛劳斯（西元前470-385年），尽管他的系统很复杂，包括每天围绕中心火旋转的一颗反地球[7]。 西元前四世纪，希塞塔（英语：Hicetas）、克里德斯·庞蒂库斯（英语：Heraclides Ponticus）和毕达哥拉斯的艾克范特（英语：Ecphantus the Pythagorean）支持了一种更传统的观点，他们认为地球自转，但并不认为地球绕太阳公转。西元前三世纪，萨摩斯的阿里斯塔克斯提出了太阳位于中心。

然而，亚里斯多德在西元前四世纪责备菲洛劳斯的思想是基于理论而非观察。他提出了一个围绕地球旋转，固定恒星球体的概念[8]。这被后来的大多数人所接受，尤其是托勒密（西元2世纪），他认为如果地球自转，就会被大风摧毁[9]。

西元499年，印度天文学家阿耶波多提出，球形地球每天绕其轴线旋转，恒星的视运动是由地球自转引起的相对运动。他提供了以下类比：“就像一个在船上朝一个方向行驶的人看到岸边静止的东西朝著相反的方向行进一样，就像在兰卡的人看到固定的恒星似乎在向西行进一样。”[10][11]。

在10世纪，一些穆斯林天文学家接受了地球绕其轴线旋转的观点[12]。根据比鲁尼的说法，阿布·赛义德·西杰兹（英语：al-Sijzi）（西元1020年）发明了一种星盘，名为“al-zúraqī”，其基础是他的一些同时代人认为“我们看到的运动是由于地球的运动，而不是天空的运动[13][14]。”13世纪的一篇文献进一步证实了这一观点的普遍性，该文献指出：“根据几何学家[或工程师]（“muhandisīn”）的说法，地球处于持续的圆周运动中，而看起来是天空的运动实际上是由于地球的运动，而不是恒星的运动[13]。”论文是为了讨论它的可能性而写的，要么做为对托勒密反对它的论点的反驳，要么表示怀疑[15]。在马拉盖和乌勒贝格天文台（英语：Ulugh Beg Observatory），奈绥尔丁（生于1201年）和阿里·古什吉（英语：Ali Qushji）（生于1403年）研究地球自转；他们所使用的论据和证据与哥白尼所使用的相似[16]。 在中世纪的欧洲，托马斯·阿奎那（Thomas Aquinas）接受了亚里斯多德的观点[16]，14世纪的约翰·布里丹（John Buridan[17]）和妮可·奥雷斯梅（Nicole Oresme[18]）也不情愿地接受了亚里斯多德。 在中世纪的欧洲，多玛斯·阿奎那接受了亚里斯多德的观点[17]，于是14世纪的尚·布里丹[18]和尼科尔·奥雷姆 [19]，也不情愿地接受了亚里斯多德。直到1543年尼古拉斯·哥白尼采用了日心说的世界体系，当代人才开始建立对地球自转的理解。哥白尼指出，如果地球的运动是剧烈的，那么恒星的运动一定更剧烈。他承认毕达哥拉斯的贡献，并列举了相对运动的例子。对哥白尼来说，这是建立更简单的行星绕太阳运行模式的第一步[20]。

第谷·布拉厄提出了精确的观测结果，克卜勒基于他的行星运动定律，他将哥白尼的工作做为假设地球静止的第谷系统（英语：Tychonic system）的基础。1600年，威廉·吉尔伯特在其关于地球磁性的论文中强烈支持地球自转[21]，从而影响了他同时代的许多人[22]:208。像吉尔伯特这样公开支持或没有拒绝地球绕太阳运动的人被称为“半哥白尼人”[22]:221。哥白尼之后一个世纪，里乔利对地球自转的模型提出了质疑，因为当时下落物体缺乏可观察到的向东偏转[23]；这种偏转后来被称为科里奥利效应。然而，克卜勒、伽利略和牛顿的贡献为地球自转提供了理论支持。

实证检验

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赤道隆起和地理极被压扁意味著地球自转。 在他的“基本原理”中，牛顿预测这种平坦化将达到230分之一，并指出让·里歇尔（英语：Jean Richer）在1673年进行的钟摆量测是重力变化的确证[24]，但17世纪末让皮卡尔（英语：Jean Picard）和卡西尼对子午线弧（英语：Meridian arc）（子午线长度）的初始量测提出了相反的观点。 然而，在1730年代，皮埃尔·莫佩尔蒂和法国赤道大地测量任务（英语：French Geodesic Mission to the Equator）的量测建立了地球图（英语：Figure of the Earth），从而奠定了牛顿和哥白尼的地位[25]。

在地球旋转的参考系中，一个自由运动的物体遵循的路径明显的与它在固定参考系中遵循的路径不同。由于科氏力，落下的物体从其释放点下方的垂直线向东稍微偏转向，北半球从射击方向向右转向（在南部向左转向）。科里奥利效应主要在气象尺度上观察到，它是南北半球气旋旋转方向相反的原因（分别为逆时针和顺时针）。

1679年，胡克根据牛顿的建议，试图验证从8.2米高度坠落的物体向东偏移的预测，但没有成功，但后来，在18世纪末和19世纪初，波隆那的乔瓦尼·巴蒂斯塔·古列尔米尼（英语：Giovanni Battista Guglielmini）、汉堡的约翰·弗里德里希·本森伯格（英语：Johann Benzenberg）和弗赖贝格的费迪南德·赖希（英语：Ferdinand Reich）使用了更高的塔和小心释放的重物，获得了确切的结果[n 1]。一个从158.5米的高度落下的球，与28.1毫米的计算值相比，偏离垂直方向27.4毫米。

最著名的地球自转测试是物理学家里昂·傅科于1851年首次建造的傅科摆，它由一个铅填充的黄铜球体组成，悬挂在巴黎万神殿的顶部67米。由于地球在摆动的钟摆下旋转，钟摆的振荡平面以取决于纬度的速率旋转。在巴黎的纬度，预测和观测到的偏移约为每小时11度顺时针。现在世界各地的许多博物馆中都有傅科摆的设置。

时期

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主条目：日 § 介绍
在ESO的拉西拉天文台的头顶上可以看到，弧形的星圈围绕著南天极[26]。

真太阳日

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主条目：太阳日
像地球这样在顺行轨道上的行星，“恒星日”比太阳日短。在时间1，太阳和某颗遥远的恒星都在头顶上。在时间2，这颗行星已经旋转了360度，远处的恒星再次在头顶上，但太阳不是（1 → 2=一个恒星日）。直到稍晚的时间3，太阳才再次出现在头顶上（1 → 3＝一个太阳日）。

地球相对于太阳的自转周期（太阳正午至太阳正午）是其“真太阳日”或“视太阳日”[27]。它取决于地球的轨道运动，因此受到地球轨道离心率和倾斜度变化的影响。两者都会在数千年内发生变化，因此真太阳日的年变化也会发生变化。一般来说，它在一年中的两个时期比平均太阳日长，在另外两个时期则较短[n 2]。当太阳明显沿著黄道以比平时更大的角度移动时，真太阳日在近日点附近往往更长，需要大约 10秒的时间。相反的，在远日点处，太阳日短大约{10秒。当太阳沿黄道的视运动投影到天赤道上时，在至点附近的时间大约长20秒，导致太阳移动的角度比平时更大。现时，近日点和至点效应结合在一起，使12月22日附近的真太阳日延长了30平均太阳秒，但至点效应被6月19日附近的远日点效应部分抵消，因为它只长了13秒。分点的影响使其在3月26日和9月16日附近分别缩短了18秒和21秒[28][29]。

平太阳日

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主条目：太阳日 § 平太阳日

一年中真太阳日的平均值是“平太阳日”，其中包含86,400个平太阳秒。现时，这些秒中的每一秒都比SI秒略长，这是由于潮汐摩擦，使地球的平太阳日现在比19世纪略长。自1972年引入闰秒以来，平均太阳日的平均长度比86,400国际标准秒长约0至2毫秒[30][31][32]。由于核幔耦合引起的随机波动具有大约5ms的振幅[33][34]，1895年，西蒙·纽康在他的太阳表中选择了1750年至1892年之间的平均太阳秒作为独立的时间单位。这些表用于计算1900年至1983年间世界的星历表，因此这一秒被称为历书秒。在1967年，SI秒等于历书秒[35]。 视太阳时是地球自转的量度，它与平太阳时之间的差值被称为均时差。

恒星的一天和恒星日

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地球相对于国际天球参考系的自转周期，被国际地球自转服务（IERS）称为太阳日，是平均太阳时（UT1）的86164.098903691秒(23h56m4.098903691s， 0.99726966323716 mean solar days)[36][n 3]。地球相对于进动平春分点春分点 (天体座标)（英语：Equinox (celestial coordinates)）的自转周期，命名为“恒星日”，是 86164.09053083288 秒平太阳时 (UT1) (23h 56m 4.09053083288s，0.99726956632908 mean solar days)[36]。因此，恒星日比恒星的一天短约8.4ms[38]。 恒星日和恒星的一天都比平太阳日短约3分56秒。这是地球绕太阳运行时，相对于天体参考系额外旋转1圈的结果（因此为366.24圈/年）。IERS提供了1623–2005[39]和1962–2005[40]期间的平太阳日（单位：SI秒）。

最近（1999-2000年），超过86,400 国际单位秒平太阳日的年平均长度在0.25 ms和1ms间变化，必须将其添加到上述平太阳时中给出的恒星日和恒星的一天日数中，才能获得其国际单位秒长度（见日长波动）。

角速度

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纬度与切向速度的关系图。 虚线显示了甘迺迪太空中心的例子。点线表示典型的客机巡航速度。
参见：恒星时 § 地球自转角

地球在惯性空间中旋转的角速度是(7.2921150 ± 0.0000001)×10^−5 弧度每SI秒[36][n 4]。乘以（180°/π弧度）×（86400秒/天）360.9856 °/天，表明地球在一个太阳日内相对于固定恒星旋转超过360度。当地球绕其轴线旋转一次时，地球沿著其近乎圆形的轨道运动，要求地球相对于固定恒星旋转一次以上，然后平太阳才能再次从头顶掠过，即使它相对于平均太阳只旋转一次（360°）。[n 5]。将以rad/s为单位的值乘以地球赤道半径6378137m（WGS84椭球体）（两者都需要消除2π弧度因数），得出赤道速度465.10米每秒（1,674.4千米每小时）[41]。一些资料来源指出，地球的赤道速度略低，或1669.8公里/小时[42]。这是通过将地球赤道周长除以24小时得到的。然而，使用太阳日是不正确的；它必须是恒星日，因此相应的时间单位必须是恒星时。这可以通过乘以一个平太阳日中的恒星日数来证实，1.002 737 909 350 795[36]，这就得到了前述给出的以平太阳时为单位的1674.4km/h的赤道速度。

地球自转在地球上某一点的切向速度可以通过赤道处的速度乘以纬度的馀弦来近似[43]。例如，甘迺迪太空中心位于北纬28.59°，其速度为：cos(28.59°)×1674.4 km/h=1470.2 km/h。纬度是布局太空港的一个考虑因素。

而珠穆朗玛峰是地球上最高的海拔（绿色），莫纳克亚山从其底部最高（橙色），卡扬贝火山离地轴最远（粉红色），钦博拉索离地心最远（蓝色）。不缩放

卡扬贝火山的顶峰是地球表面离其轴线最远的点；因此，它的自转速度与地球自转速度一样快[44]。

变化

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地球的轴向倾斜约为23.4°。 它以41,000年的周期在22.1°到24.5°之间振荡，目前正在下降。

在旋转轴上

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主条目：转轴倾角 § 地球

地球自转轴相对于固定恒星运动（惯性参考系）；这个运动的分量是进动和章动。它也相对于地壳运动；这被称为极移。

岁差是地球自转轴的旋转，主要由太阳、月球和其它天体引力的外部扭矩引起。极地运动主要是由于自由核心章动和钱德勒摆动。

转速

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主条目：日长波动和世界时改正数

潮汐相互作用

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数百万年来，地球的自转因与月球的引力相互作用而显著减慢。因此，角动量以与成正比的速率缓慢地转移到月球上，其中是月球的轨道半径。这个过程逐渐将一天的长度增加到现在的值，并导致月球与地球“潮汐锁定”。

这种逐渐的旋转减速通过对“潮汐节律石”和“叠层石”的观测获得的日长估计值来经验地记录下来；这些测量结果的汇编[45] 发现一天的长度从6亿年前的21小时稳定增加[46]到当前24小时的值。 通过计算在较高潮汐时形成的微观层，可以估计潮汐频率（以及一日的长度），就像计算树木年轮一样，然而这些估计在年代越久远时，可能越来越不可靠[47]。

谐振稳定

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地球日长历史的模拟，描绘了整个前寒武纪时期的共振稳定事件[48]。

目前的潮汐减速率异常高，这意味著地球的自转速度在过去一定下降得更慢。 经验数据[45]初步显示大约6亿年前旋转减速急剧增加。 一些模型表明，地球在前寒武纪的大部分时间里都保持著21小时的恒定日长[46]。这个日长对应于热驱动的大气潮的半昼夜共振周期；在这一天的长度上，月球减速扭矩可能会被大气潮汐的加速扭矩抵消，导致没有净扭矩和恒定的旋转周期。这种稳定效应可能被全球气温的突然变化所打破。最近的计算模拟支持了这一假设，并提出了马里诺冰期（英语：Marinoan glaciation）或斯图尔特冰期在大约6亿年前打破了这种稳定的配置；模拟结果与现有的古自轮数据非常吻合[48]。

全球活动

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日长与基于SI的日的偏差

最近的一些大规模事件，如2004年印度洋大地震，通过减少地球的惯性矩，使一天的长度缩短了3微秒[49]。后冰期回弹（英语：Post-glacial rebound），自上一个冰河时代以来，地球质量的分布也正在改变，从而影响地球的惯性矩，并通过角动量守恒影响地球的自转周期[50]。

一天的长度也会受到人造结构的影响。例如，NASA科学家计算出，由于质量的变化，三峡大坝中储存的水使地球一天的长度增加了0.06微秒[51]。

《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）2024年刊登的最新研究显示，在1993至2010年间，人类一共抽取2兆1500亿吨的地下水，用于民生、农业与灌溉，又通过水流、蒸发或降雨流入大海，不但造成海平面上升，也致使地表水资源重新分配，由于地球不是完美的球体，每年会像陀螺一样以几公尺的幅度摇晃，造成地下水的分布变化，导致地球向东倾斜约80公分。此研究的主要作者首尔大学（Seoul National University）地球物理学教授徐基元（Ki-Weon Seo，音译） 表示，地球自转轴与地面的交点称为地理极点，而地球自转轴的确切位置随著地球摆动而发生变化的现象称为极移，一旦地球转轴倾角变成90度，南北半球将呈现最两极的变化，一个半球会在6个月内笼罩在黑暗之中，另一半球则会在6个月内持续面对炽热的阳光；他也提醒，尽管抽取地下水不会影响四季变化，但久下来可能会改变全球气候，而且地下水的储量是有限的，一旦耗尽就很难补充，恐引发全球范围的灾难性后果[52]。

测量

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参见：世界时 § 测量

地球自转的监测主要是通过甚长基线干涉测量与全球定位系统、卫星雷射测距（英语：Satellite laser ranging）和其他卫星大地测量（英语：Satellite geodesy）技术协调的。这为确定 世界时、进动和章动提供了绝对参考[53]。 地球自转的绝对值，包括UT1和章动，可以使用空间大地测量来确定，例如甚长基线干涉测量和月球雷射测距，而它们的导数，表示为日长超额和章动率，可以从卫星观测中得出，例如GPS，GLONASS，伽利略[54]，以及大地测量卫星的卫星雷射测距[55]。

古代观察

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开始于西元前8世纪，有记录的日食和月食的观测结果，来自巴比伦和中国天文学家以及中世纪伊斯兰世界[56]，和其它地方。因为一天的长度是计算日食地点和时间的关键参数，因此这些观测结果可用于确定过去27个世纪地球自转的变化。 在日食观测中，每世纪毫秒的日长变化表现为小时和数千公里的变化。古代数据与较短的一天一致，这意味著地球在过去转得更快[57][58]。

周期性变异

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大约每 25-30 年，地球的自转每天会暂时减慢几毫秒，通常持续约五年。 2017年是地球自转连续第四年放缓。这种变异性的原因尚未确定[59]。

起源

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艺术家对原行星盘的渲染。

地球最初的自转是尘埃、岩石和气体云的原始角动量的遗迹，它们合并形成太阳系。这个原始云由大爆炸产生的氢和氦以及超新星产生的较重的化学元素喷发组成。由于这些星际尘埃是异质的，引力吸积过程中的任何不对称性都会导致行星最终的角动量[60]。

然而，如果月球起源的巨大撞击假说是正确的，那么这个原始自转速率将在45亿年前被特亚影响。无论地球在撞击前的自转速度和倾斜度如何，它都会在撞击后经历一天大约五个小时的日长[61]。潮汐效应会使这一速度减慢到其现代的值。

相关条目

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注解

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  1. ^ SeeFallexperimente zum Nachweis der Erdrotation（德语：Fallexperimente zum Nachweis der Erdrotation） (German Wikipedia article).
  2. ^ 当地球离心率超过0.047，并且近日点位于适当的分点或至点时，只有一个有一个峰值的周期会平衡另一个有两个峰值的时期[28]。
  3. ^ Aoki, the ultimate source of these figures, uses the term "seconds of UT1" instead of "seconds of mean solar time".[37]
  4. ^ 通过遵循“有用常数”中对E的引用，可以确定SI秒适用于该值。“天文学、大地测量学和地球动力学的共同相关性参数” （页面存档备份，存于互联网档案馆）规定单位为国际单位制，与该值无关的情况除外。
  5. ^ 。在天文学中，与几何学不同的是，360°意味著在某个周期性时间尺度上返回同一点，在地轴上旋转时为一个平太阳日或一个恒星日，或者一个恒星年或一个平均回归年，甚至一个平均[[|儒略年]]，其中恰好包含绕太阳旋转的365.25天。

参考资料

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外部链接

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