固體地球物理學(xué)概論第三章02

§3.2地球的自轉(zhuǎn)

地球自轉(zhuǎn)是一個(gè)天文問題，也是一個(gè)地球物理問題。在天文學(xué)中，地球作為一顆行星，研究它的自轉(zhuǎn)變化，對(duì)于研究天體的起源和演化以及測(cè)定天體方位，都有重要意義。在地球物理學(xué)中，地球作為整體的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與地球的局部運(yùn)動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)、海洋運(yùn)動(dòng)和大氣運(yùn)動(dòng)都有密切聯(lián)系。不僅如此，地球自轉(zhuǎn)與地球內(nèi)部的構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)也有一定聯(lián)系。其中地球自轉(zhuǎn)與地震激發(fā)、地磁場(chǎng)維持、大陸漂移等之間的關(guān)系，為當(dāng)前地學(xué)界十分關(guān)注的課題。一、地球自轉(zhuǎn)的證實(shí)－傅科擺隨著自然科學(xué)的發(fā)展，人類在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，終于從多方面證實(shí)了地球確實(shí)在不停地由西向東旋轉(zhuǎn)著。比如重力測(cè)量發(fā)現(xiàn)地面赤道處的重力加速度最小，而在兩極處最大；弧度測(cè)量發(fā)現(xiàn)地球不是正球體，而是扁球體;從高處下落的物體其墜落點(diǎn)總是會(huì)向東偏等。這些都是地球自轉(zhuǎn)中其旋轉(zhuǎn)慣性離心力的作用結(jié)果。既然地球在自轉(zhuǎn)著，那么“超然”于地球自轉(zhuǎn)的某種運(yùn)動(dòng)(包括垂直運(yùn)動(dòng)、水平運(yùn)動(dòng)、落動(dòng)等)，就會(huì)由于運(yùn)動(dòng)慣性而發(fā)生相對(duì)于地面的特殊運(yùn)動(dòng)。如果能制作出一種超然于地球自轉(zhuǎn)的儀器，并詳細(xì)觀測(cè)它的特殊運(yùn)動(dòng)，則有可能對(duì)地球自轉(zhuǎn)進(jìn)行定量的證明。人們首先想到做運(yùn)動(dòng)，就是擺動(dòng)。由于地球自轉(zhuǎn)，擺動(dòng)平面就會(huì)發(fā)生相對(duì)于地面的偏轉(zhuǎn)。研究這種偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且定量地計(jì)算偏轉(zhuǎn)速度的變化，則是地球自轉(zhuǎn)的最生動(dòng)的證明。傅科擺法國(guó)物理學(xué)家傅科(Focke)設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的擺，并于1851年在法國(guó)巴黎的一個(gè)圓頂大廈，成功地進(jìn)行了擺動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了地球向東旋轉(zhuǎn)。為了紀(jì)念這個(gè)擺及其試驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，把這種擺稱為傅科擺，如圖3·2·1。傅科擺的結(jié)構(gòu)同普通擺一樣，懸掛擺的架子固定在地面上，架子與擺之間通過可以在任意方向旋轉(zhuǎn)的旋鈕加以聯(lián)結(jié)，使懸點(diǎn)摩擦力減小到最少，即為可以自由擺的單擺。為增大擺動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，傅科采用了67m的長(zhǎng)繩。為增大擺的慣性，擺錘重達(dá)27kg。國(guó)內(nèi)外很多天文館都設(shè)置有傅科擺，走進(jìn)北京天文館正門，懸掛在大廳中央的就是一個(gè)傅科擺，該擺以每小時(shí)改變9·60的速度，沿順時(shí)針方向晝夜不停地轉(zhuǎn)動(dòng)著。這種偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象怎么理解呢?

由物理學(xué)知道單擺的擺動(dòng)平面在不受外力作用時(shí)，其擺動(dòng)的空間方向始終不會(huì)發(fā)生變化的。然而，人們所看到的是，擺動(dòng)平面相對(duì)于地球表面發(fā)生了按順時(shí)針方向緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是:擺下面的地球在沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)造成的。在北極做這樣的實(shí)驗(yàn)，擺動(dòng)1小時(shí)，擺動(dòng)面偏轉(zhuǎn)150，這就是地球自轉(zhuǎn)速度。顯然，經(jīng)過24小時(shí)后，擺動(dòng)面又回到原來的擺動(dòng)方向上。在南極可獲得類似結(jié)果，只是擺動(dòng)面是向著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的。在赤道上做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，擺動(dòng)平面沒有偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诘厍虺嗟栏浇牡孛骐S地球自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，如同傳送帶一樣自西向東作近似平行于擺動(dòng)面的移動(dòng)，如圖3·2·2(c)所示!而極地附近的地面運(yùn)動(dòng)，好像轉(zhuǎn)盤繞極點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以擺動(dòng)面的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)效果最明顯，如圖3·2.2（a，b)所示。在地球兩極和赤道之間的廣闊地帶上，擺動(dòng)平面的偏轉(zhuǎn)速度ω與當(dāng)?shù)鼐暥圈沼嘘P(guān)。傅科擺的偏轉(zhuǎn)規(guī)律為:ω＝150sinφ式中φ取正(北緯)，偏轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向φ取負(fù)(南緯)，則偏轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。兩極和赤道的情況，是該公式的兩個(gè)特例。根據(jù)這個(gè)公式，在北京(北緯39057’)，每小時(shí)偏轉(zhuǎn)9.60，在傅科擺的原始試驗(yàn)地巴黎(北緯48050’)，每小時(shí)偏轉(zhuǎn)11.30。

總而言之，有許多方法都證明了地球自轉(zhuǎn)的客觀存在，其中最有力的傅科擺試驗(yàn)，具體地證明了地球自轉(zhuǎn)的方向、周期和角速度。二、地球自轉(zhuǎn)的特征

1、地軸取向穩(wěn)定

地球的自轉(zhuǎn)是整個(gè)地球的一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)軸叫做地軸。地軸與地球表面相交兩點(diǎn)，分別叫地球北極和地球南極，合稱地球兩極。地軸的無限延長(zhǎng)叫天軸。天軸就是天球周日運(yùn)動(dòng)的軸線，它同天球面相交兩點(diǎn)，即天北極和天南極，合稱天球兩極。注意，地極與天極的位置是由地軸決定的，而不是相反。

地軸在地球內(nèi)部的位置以及天軸在宇宙空間中的位置，我們稱之為地軸的取向。應(yīng)當(dāng)指出:地軸的取向具有高度的穩(wěn)定性，而地極和天極的位置卻不是一成不變的。地極在地面上的運(yùn)動(dòng)稱為極移。它是整個(gè)地球相對(duì)干地軸的運(yùn)動(dòng)所造成的，;一般不過10一20m的范圍)天極在天球上的移動(dòng)，年變化不超過5'，是由地軸進(jìn)動(dòng)引起的。

2、自轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定

地球自轉(zhuǎn)速度相當(dāng)穩(wěn)定，因此長(zhǎng)久以來都作為時(shí)間和紀(jì)年的標(biāo)準(zhǔn)。地球自轉(zhuǎn)一周，定為一天。但由于采用的參考點(diǎn)不同，“一天”的含義也略有不同，即-有太陽日和恒星日之分。所謂太陽日是以太陽為參考點(diǎn)，地球上同一子午面連續(xù)兩次通過該點(diǎn)的時(shí)間。所謂恒星日是以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，地球上同一子午面連續(xù)兩次通過該點(diǎn)的時(shí)間。由于地球不但自轉(zhuǎn)，而且繞日公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓，所以在一年之中每天的太陽日不是等長(zhǎng)的。取一年的太陽日平均值，就得到一個(gè)平均太陽日即日常生活中所用·的日。一個(gè)平均太陽日有86400平均太陽秒。一個(gè)平均太陽日比一個(gè)恒星日要長(zhǎng)3′55.909″。世界時(shí)正是基于地球自轉(zhuǎn)速度的高度穩(wěn)定性，在平均太陽日的基礎(chǔ)上建立起來的。以英國(guó)的格林尼治的地方時(shí)為起點(diǎn)，把東、西經(jīng)度各7·50。的范圍作為零時(shí)區(qū)。然后，從零時(shí)區(qū)的邊界分別向東向西每隔150。為一個(gè)時(shí)區(qū)。全球共建立24個(gè)時(shí)區(qū)。

但是，地球自轉(zhuǎn)并不是絕對(duì)均勻的，其變化非常微小，大約每百年增長(zhǎng)1ms。這種微小變化，在30年前是不可能發(fā)現(xiàn)的。那時(shí)的天文鐘只能夠準(zhǔn)到10－2

S。直到石英鐘和原子鐘問世，地球自轉(zhuǎn)的不均勻性逐漸表現(xiàn)出來。以后相繼建立經(jīng)過改革的世界時(shí)UT系統(tǒng):UT0為原始世界時(shí)UT1為經(jīng)過極移訂正的世界時(shí)UT2為經(jīng)過季節(jié)變化訂正的世界時(shí)這些改革是有效的，但并沒擺脫世界時(shí)與地球自轉(zhuǎn)的聯(lián)系。3、地球自轉(zhuǎn)的非均勻變化

由于地球自身的演化，形成其內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)和表面的大陸的劃分。并且，由于地球內(nèi)部的地慢對(duì)流和地核運(yùn)動(dòng)，使得地球自轉(zhuǎn)軸與形狀軸不重合。再加上日月星辰的引力作用，使得地球的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)雜化，不僅旋轉(zhuǎn)速度變化，取向也有變化，呈現(xiàn)出不同的周期成分。芒克(Munk)和麥克唐納(MacDonald)把這些周期分量的分布稱為“地球自轉(zhuǎn)周期譜”，圖3·2·4給出地球自轉(zhuǎn)周期譜，還給出觀測(cè)來源和可能的地球成因。從下圖可以看出，地球自轉(zhuǎn)不均勻性的時(shí)間尺度(即周期)大致有：

(1)一年以下的周期變化，是由固體潮引起的。

(2)周年變化，其軸向變化主要由于氣團(tuán)的季節(jié)移動(dòng)，其速度變化是由風(fēng)引起的。

(3)14個(gè)月的周期變化，又稱錢德勒晃動(dòng)，這種變化起因于來歷不明的隨機(jī)沖擊，并為某些尚不清楚的非完全彈性或其他原因所阻尼。(4)10年尺度的周期變化，有較寬的譜，這種明顯的不規(guī)則變化可能是起因于地幔與流體地核的運(yùn)動(dòng)及海面的變化。(5)世紀(jì)尺度的起伏，又稱紐康(Necome)經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)，可能起因于地球轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(慣性矩)的變化。(6)近千年尺度的變化，主要起因于潮汐摩擦，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化以及海平面的變化(7)

地質(zhì)時(shí)間尺度的變化，古地磁與其他間接證據(jù)指出，極移是近數(shù)億年來大規(guī)模動(dòng)的標(biāo)志，這可能與大陸的水平運(yùn)動(dòng)及地慢對(duì)流運(yùn)動(dòng)有關(guān)。上述周期成分的變化僅是相對(duì)的。傅承義教授將地球自轉(zhuǎn)的不均勻性變化歸納成三類:（1）地球自轉(zhuǎn)速度的變化!（2）地球自轉(zhuǎn)軸在空間的變化!（3）地球自轉(zhuǎn)軸在地球上的變化。(1)轉(zhuǎn)速變化，包括長(zhǎng)期、短期和無規(guī)則變化。最主要是長(zhǎng)期減速變化，其日長(zhǎng)的相對(duì)變化率α約為－5xl0－10a。(2)轉(zhuǎn)軸在空間的變化，包括進(jìn)動(dòng)和受迫章動(dòng)。最主要是周期為25700a的進(jìn)動(dòng)（通常稱為歲差），還有周期為18.6a、振幅為9“的受迫章動(dòng)。(3)

轉(zhuǎn)軸在地球上的變化。包括長(zhǎng)期極移和晃動(dòng)，主要是極移，在70年內(nèi)地球兩極大約遷移0·2"，還有錢德勒晃動(dòng)，振幅約0·l5”?！?.3地球自轉(zhuǎn)速度的變化一、表示方法和研究方法日長(zhǎng)：按照一般物理學(xué)習(xí)慣，表示自轉(zhuǎn)的速度，通常分為角速度和線速度。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的地球來說，地球自轉(zhuǎn)的角速度是150/h，每4min轉(zhuǎn)動(dòng)1度，每4s轉(zhuǎn)動(dòng)1‘(角分)。若取赤道半徑為6378160m，則赤道上的線速度為464m/s(見圖3·3.1)由圖3·3·1可知，上述表示方法并不方便。通常采用另一個(gè)表示方法－日長(zhǎng)。日長(zhǎng)，即一日之長(zhǎng)，等于地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，通常用LOD表示(它是length

ofday的縮寫)或簡(jiǎn)化為L(zhǎng)。日長(zhǎng)相對(duì)變化量：設(shè)日長(zhǎng)為L(zhǎng)，其變化為dL，則表示日長(zhǎng)相對(duì)變化量dσ為：

dσ＝－dL／L式中之所以取負(fù)號(hào)，是考慮日長(zhǎng)變化的特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)就是，在地球自轉(zhuǎn)速度的長(zhǎng)期變化中，最主要是減速，即日長(zhǎng)在增加，因而dL為正。有時(shí)，我們也用日長(zhǎng)的相對(duì)變化率αr，其定義為

αr＝dσ／dt這里αr的量綱，通常取[1／年]，表示成1／a。二、地球自轉(zhuǎn)速度的現(xiàn)代測(cè)量結(jié)果由于石英鐘和原子鐘的問世，大大提高了時(shí)間測(cè)量精度，然后再配以高精度的測(cè)量?jī)x(如照相天頂儀、激光測(cè)距儀、超長(zhǎng)干涉儀等)，人們才能對(duì)地球轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)的變化，進(jìn)行系統(tǒng)研究。這里僅給出北京天文臺(tái)測(cè)量室發(fā)布的1983年上半年的自轉(zhuǎn)角速度ω和相對(duì)變化率Δω／ω0的結(jié)果，見表3·3·1，以此表明現(xiàn)在的測(cè)量精度，表中BIH79表示國(guó)際時(shí)間局1979系統(tǒng)。

如果把逐年逐月的角速度值換算成日長(zhǎng)變化量，并且點(diǎn)在以時(shí)間為橫軸的坐標(biāo)上，可看出日長(zhǎng)不僅有季節(jié)變化、年變化，而且存在更長(zhǎng)時(shí)間的變化。圖3·3·4是1955一1970年的地球自轉(zhuǎn)速度變化。

三、地球自轉(zhuǎn)與地球物理現(xiàn)象的聯(lián)系地球自轉(zhuǎn)與地震的關(guān)系

地球自轉(zhuǎn)與地震的關(guān)系一直受到專家們的關(guān)注。地球自轉(zhuǎn)速率變化可能是全球地震活動(dòng)的一種主要的動(dòng)力來源，不少研究涉及地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)的相關(guān)性研究，這些研究幾乎得到了相近的結(jié)果，認(rèn)為地震自轉(zhuǎn)與全球強(qiáng)震的發(fā)生具有統(tǒng)計(jì)上的相關(guān)關(guān)系，只是不同地區(qū)存在差異，有的地區(qū)與地球自轉(zhuǎn)減慢有關(guān)，有的地區(qū)則與地球自轉(zhuǎn)加速有關(guān)。至于對(duì)地球自轉(zhuǎn)與地震相關(guān)性的解釋則卞要認(rèn)為是地球自轉(zhuǎn)所引起的附加力對(duì)地震的觸發(fā)作用。舉幾個(gè)文獻(xiàn)的例子：1.陳學(xué)忠,地球自轉(zhuǎn)與汶川地震的成因，四川地震，2009,N.4通過對(duì)2008年5月12日四川汶川8級(jí)地震與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系的分析，提出了一個(gè)新的地震成因觀點(diǎn)，認(rèn)為地震的根本原因在于地球自轉(zhuǎn)速率的變化。地球巖石圈由大小不同、質(zhì)量不同的塊體組成。比如，大洋塊體薄、質(zhì)量輕，大陸塊體厚、質(zhì)量重。地球自轉(zhuǎn)速率變化時(shí)，就會(huì)造成這些塊體運(yùn)動(dòng)的差異性。這種差異運(yùn)動(dòng)可能使塊體之間發(fā)生“追尾”撞擊或摩擦，從而引起地震。地震能量來自于塊體間撞擊或摩擦?xí)r損失的動(dòng)能。2.薄萬舉，王廣余,地球自轉(zhuǎn)、斷層形變與地震活動(dòng)關(guān)系研究,大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2006,V.26,N.2對(duì)地球自轉(zhuǎn)、斷層形變和地震活動(dòng)三者各自的活動(dòng)性規(guī)律進(jìn)行了比較，對(duì)三者之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，得出了幾點(diǎn)新的認(rèn)識(shí):1)地球自轉(zhuǎn)速度變化與地殼形變相關(guān)，近30年來存在準(zhǔn)10年周期的變化，但相關(guān)成分在總的形變信息中比重很小，呈弱相關(guān);2)地球自轉(zhuǎn)速度變慢、日長(zhǎng)變長(zhǎng)、華北地震活躍，據(jù)此認(rèn)為日前華北處于非強(qiáng)震活動(dòng)期;3)強(qiáng)震中短期前兆在形變資料中有較好的顯示，但在地球自轉(zhuǎn)資料中不會(huì)出現(xiàn)特定地震的中短期前兆異常;4)地球自轉(zhuǎn)速度變化與地殼形變可能是同源關(guān)系，而不是從屬關(guān)系，有互補(bǔ)性;5)華北最近的兩個(gè)地震活動(dòng)高潮期與地球自轉(zhuǎn)變化的10年以上周期相關(guān)，認(rèn)為地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)變化有關(guān)系，但不同的區(qū)域會(huì)有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同樣是地球自轉(zhuǎn)速度變慢，因不同區(qū)域地殼與地幔的耦合關(guān)系不一樣，速度變化對(duì)不同區(qū)域地殼活動(dòng)的影響也不同。3.鄭大偉,虞南華,地球自轉(zhuǎn)及其和地球物理現(xiàn)象的聯(lián)系,地球物理學(xué)進(jìn)展,1996,V.11,N.2

該文回顧了上世紀(jì)末十年來的研究進(jìn)展，分各個(gè)時(shí)間尺度討論了日長(zhǎng)變化及其地球物理激發(fā)原因，并評(píng)估未來十年內(nèi)地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能的研究方向及課題.4.周永宏,鄭大偉,虞南華,廖新浩,地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與大氣、海洋活動(dòng),2000,科學(xué)通報(bào)，V.45,N.24.地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(自轉(zhuǎn)速率變化和地極運(yùn)動(dòng))表征著地球的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及固體地球與大氣和海洋各種時(shí)空尺度上的相互作用過程，它們?cè)诰S持總角動(dòng)量守恒的條件下，構(gòu)成了復(fù)雜的地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng).近代空間大地測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展大大促進(jìn)了地球自轉(zhuǎn)與大氣和海洋活動(dòng)相互作用的研究.該文著重綜述地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與大氣和海洋活動(dòng)以及熱帶海氣相互作用方面的研究進(jìn)展，并展望未來理論研究的課題和方向.

地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不僅表征地球整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也反映了固體地球與大氣、海洋、地慢和地核在各種空間和時(shí)間尺度上的耦合過程.地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要分為兩部分:一是地球自轉(zhuǎn)速率的變化，直接反映的觀測(cè)量是日長(zhǎng)變化;二是地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球表面或歷元平極的運(yùn)動(dòng)，即地極運(yùn)動(dòng)，或簡(jiǎn)稱為極移.

隨著天文、氣象和海洋觀測(cè)技術(shù)和理論的發(fā)展，地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與大氣和海洋活動(dòng)的研究已發(fā)展成為國(guó)際上新興的交叉學(xué)科課題.1995年，IUGG/IAG專門設(shè)立了大氣和海洋與地球自轉(zhuǎn)相互作用的專題研究組((SSG-5.173).1998年，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)機(jī)構(gòu)((IERS)在慶祝成立10周年之際，決定組建全球地球物理流體中心((GGFC)，它下轄有大氣、海洋、陸地水、潮汐、地核、地慢和地心共7個(gè)分中心，每個(gè)分中心將定期公布其最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型研究成果，以支持和推動(dòng)國(guó)際上固體地球與大氣和海洋等各圈層相互作用的研究領(lǐng)域的發(fā)展.

將地球自轉(zhuǎn)與大氣和海洋結(jié)合起來的研究，不僅促進(jìn)地球自轉(zhuǎn)物理機(jī)制的探索，而且也為大氣和海洋動(dòng)力學(xué)提供新的外部約束，推動(dòng)天文與大氣和海洋研究領(lǐng)域的相互交叉.已經(jīng)進(jìn)行過的美國(guó)固體地球與自然災(zāi)害計(jì)劃(SENH)和我國(guó)主持的亞太地區(qū)空間地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃(APSG)均將這方面工作列為研究的重點(diǎn)之一。該文重點(diǎn)研究了1地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與大氣活動(dòng)2地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與海洋活動(dòng)3地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與熱帶海、氣相互作用

§3.4地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)地球旋轉(zhuǎn)軸在空間的位置，是由天極在天球上的位置來表示的。因此，天極在天球的運(yùn)動(dòng)，反映地球旋轉(zhuǎn)軸在宇宙空間的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)就是地軸的進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)，地球旋軸向的變化取決于外力矩

(日、月等對(duì)地球的力矩)和地球自身物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)

(如風(fēng)、地震、核幔動(dòng)量交換等)的作用。一、地球自轉(zhuǎn)軸在空間的運(yùn)動(dòng)－歲差1、地軸的進(jìn)動(dòng)與歲差“進(jìn)動(dòng)”是物理學(xué)中的術(shù)語，用來表示轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸環(huán)繞另一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。比如:當(dāng)飛轉(zhuǎn)的陀螺傾斜時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸就環(huán)著與地面垂直的軸線畫圓錐面。這是因?yàn)榈厍蛞τ惺顾鼉A倒的趨勢(shì)，而陀螺本身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性又使它維持不倒，陀螺軸便在引力的作用下發(fā)生緩慢的晃動(dòng)，這就是陀螺的進(jìn)動(dòng)。地球類似一個(gè)旋轉(zhuǎn)的大陀螺。但它所受的“引力”主要來自月亮和太陽。如果地球是一個(gè)正球體，吸引力就集中在球心。但地球是一個(gè)赤道部分突出橢球體，由于月亮和太陽基本不在赤道面內(nèi)，即赤道面、黃道面及月球的軌道面(白道面)不重合。日、月的引力就對(duì)地球產(chǎn)生一個(gè)力矩，使地球赤道面與軌道面重合，即有使地軸垂直于軌道面的趨勢(shì)。然而，地球的自轉(zhuǎn)慣性使它們不會(huì)重合，地球像傾斜的陀螺一樣，其旋轉(zhuǎn)軸環(huán)著黃道軸作緩慢的畫圓錐面的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，保持黃赤交角不變，人們稱之為地軸的進(jìn)動(dòng)。地軸的進(jìn)動(dòng)，相當(dāng)于天極繞黃極(太陽自軸)作周期性的圓錐形運(yùn)動(dòng)，其圓錐軸線垂直于地球軌道平面，指向黃極；圓錐的半徑是23027’08“

，即等于黃道面與赤道面夾角)，進(jìn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反;

進(jìn)動(dòng)的速度每年自東向西，移動(dòng)50"，進(jìn)動(dòng)周期是25700a。如圖3，4·1所示。

黃道面與赤道面交線指向春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)軸旋進(jìn)時(shí)，春分和秋分點(diǎn)也相應(yīng)做自東向西每年50“的移動(dòng)，所以地球每?jī)纱谓?jīng)過春分點(diǎn)時(shí)，實(shí)際上并沒繞完一周（3600），即出現(xiàn)回歸年總是小于恒星年。兩者的差，謂之歲差。2、地軸的章動(dòng)

太陽和月球有時(shí)在赤道面之南，有時(shí)在赤道之北，因此引力的方向也不斷改變。太陽每年通過赤道面兩次，月球則每月通過兩次。這就在地軸的長(zhǎng)期旋進(jìn)中，在它的平均位置上附加了一種短周期的擺動(dòng)叫做章動(dòng)。即相當(dāng)于天極圍繞著黃極做一步一點(diǎn)頭式的轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算估計(jì)，太陽引起的章動(dòng)周期約為半年，振幅為0·01";同時(shí)，月亮引起的章動(dòng)周期約為半月，振幅為0·00l"

，在日月聯(lián)合影響下，如果白道道面的交線以角速度為2π/18.6a向西移動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)所引起的章動(dòng)周期約為18.6a，其振動(dòng)幅度可9.206”。兩種運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起，進(jìn)動(dòng)著的地軸里外擺動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)軌跡變成了像帶上一個(gè)波浪形荷花邊的錐面。如圖3.4.2所示。進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)是一種強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)動(dòng)地球在日月引力作用下，發(fā)生受迫運(yùn)動(dòng)，使其自轉(zhuǎn)軸在空間位置發(fā)生變化。應(yīng)該指出，發(fā)生這種變化，除了地球自轉(zhuǎn)和日月引力這兩個(gè)條件外，還有兩個(gè)重要條件:一是地球是個(gè)扁球體，在赤道處突起)；二是赤道面、黃道面、白道面不重合，成一定夾角。人們知道，黃道面與赤道面的夾角(黃赤交角)是23027‘08“，黃道面與白道面軸夾角(黃白交角)是5008’43”，如果地球不轉(zhuǎn)動(dòng)，日月對(duì)凸腹地球施加的引力力矩，將使這些軌道面趨于一致。但是，地球像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺，由于轉(zhuǎn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得這些面保持原來的夾角，卻發(fā)生進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)。在這兩種運(yùn)動(dòng)中，進(jìn)動(dòng)比章動(dòng)要明顯，而且發(fā)現(xiàn)的要早得多。

二、地球自轉(zhuǎn)軸在地面的運(yùn)動(dòng)－極移前面討論的都是在外力矩作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)地球所發(fā)生的受迫運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在我們討論的是在沒有外力矩作用下，由于地球自身的原因(如風(fēng)、地震、慢核動(dòng)量交換等)產(chǎn)生的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。地球自轉(zhuǎn)軸的變化是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化、自轉(zhuǎn)速度的變化或角動(dòng)量在地球內(nèi)部重新分布的結(jié)果。因此，這種自由轉(zhuǎn)動(dòng)是極其復(fù)雜的，它包含著多種周期成分。其中最常見的自由轉(zhuǎn)動(dòng)有周年變化、14個(gè)月變化和長(zhǎng)期變化。其特點(diǎn)是，地球轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)于形狀軸發(fā)生相對(duì)位置的變動(dòng)。所謂地球的形狀軸就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的主軸，它在地球上位置是決定于地球的形狀和質(zhì)量的分布。地球的自轉(zhuǎn)軸與形狀軸并不重合，但很接近，最大的偏離也不到0·3”。這種自由轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，就像是一個(gè)人坐在船上，當(dāng)你把隨身攜帶的東西，從一處移至另一處時(shí)，船不由得晃動(dòng)起來。其晃動(dòng)周期由船體的大小和形狀決定。故此，地球的這種自由轉(zhuǎn)動(dòng)，常稱為晃動(dòng)。這種晃動(dòng)引起地極在地面上的運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果是使地表各點(diǎn)的緯度發(fā)生變化。因此，人們是通過觀測(cè)各地緯度的變化來研究極移的狀況。1、極移、地極坐標(biāo)和極移曲線地球自轉(zhuǎn)軸與地面的交點(diǎn)叫地極。因?yàn)樽赞D(zhuǎn)軸相對(duì)于形狀軸在運(yùn)動(dòng)，所以地極的位置也在不斷變化。為了研究這種變化，通常取1900一1905年的地極平均位置作為參考點(diǎn)(國(guó)際極點(diǎn)CIO)。地極點(diǎn)相對(duì)于國(guó)際極點(diǎn)CIO的位移叫做極移。地極坐標(biāo):

某緯度觀測(cè)點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)O點(diǎn)的地理位置為（φS，λS），它對(duì)地極P的地理位置為(φ，λ）,則在該點(diǎn)測(cè)得的緯度變化為：同時(shí)，還可以寫出極點(diǎn)P相對(duì)于參考點(diǎn)O點(diǎn)的位置（x，y）。為了精確測(cè)定地球極點(diǎn)的位置變化，世界各國(guó)在北緯400附近設(shè)立了緯度觀測(cè)站，其中包括我國(guó)天津附近的緯度站。圖3.4-5是1964一1968年的實(shí)測(cè)極移情況，其極移范圍僅14m左右。圖3·4·5上標(biāo)出了參考點(diǎn)CIO和x、y軸的方向。圖中的極移曲線呈螺旋形，大約14個(gè)月旋轉(zhuǎn)一周。這種極移曲線的幅度也是改變的，在1964－1968年間，極移幅度逐漸減小，但從更長(zhǎng)的時(shí)間范圍看，極移曲線則是一種存在系統(tǒng)偏移、幅度不斷變化的回線。對(duì)極移曲線，用頻譜分析方法分解出它的不同周期成分，其優(yōu)勢(shì)成分是周年變化和14個(gè)月變化，后者就是著名的錢德勒晃動(dòng)。2錢德勒晃動(dòng)地球是個(gè)扁球體，形狀軸和自轉(zhuǎn)軸并不重合。歐勒(Euler)曾假設(shè)地球是個(gè)剛體并取外星體(太陽、月亮)作用于地球的力矩為0，按剛體力學(xué)的定律，推導(dǎo)并計(jì)算出了地球自轉(zhuǎn)軸繞形狀軸旋進(jìn)(晃動(dòng))的周期

τ0＝305.51恒星日

≈10個(gè)月。這個(gè)運(yùn)動(dòng)叫做歐勒自由運(yùn)動(dòng)(晃動(dòng))，這個(gè)周期叫做歐勒周期。然而，歐勒所得10個(gè)月周期的晃動(dòng)，并沒有在實(shí)際觀測(cè)中得到驗(yàn)證。直到錢德勒發(fā)現(xiàn)14個(gè)月的周瑚成分后，人們才認(rèn)識(shí)到，歐勒所得到的10個(gè)月的周期成分不是真實(shí)地球的晃動(dòng)，而是理想化的剛體地球的晃動(dòng)。

真實(shí)的地球不是剛體，而應(yīng)視為變形體。當(dāng)?shù)厍蜣D(zhuǎn)軸在地球中的位置變動(dòng)時(shí)，會(huì)使地球變形，造成形狀軸向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的靠近，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小，從而使晃動(dòng)周期加大。