地球在空间的运动

10.3.1 自转轴在空间的运动

地球是一个扁球体，在赤道处突起。同时，赤道面、黄道面、白道面不重合，成一定夹角。黄道面与赤道面的夹角（黄赤交角）是23°27′08″，黄道面与白道面的夹角（黄白交角）是5°08′43″。如果地球不转动，日月对腹部凸起的地球施加的引力力矩，将使这些轨道面趋于一致。但是，地球像一个旋转的陀螺，由于转动体的回转效应，使得这些面保持原来的夹角，故出现进动和章动现象。

进动就是天极（地球自转轴在天球上的交点）绕黄极（太阳自转轴）的转动；章动就是天极相对于黄极作点头式运动。这两种运动结合在一起，地球自转轴围绕着黄极，一步一点头式的转动，其轨迹像波浪形的荷花瓣边缘（图10-4）。

在这两种运动中，进动比章动要明显，而且发现要早得多。进动周期为25788年，进动方向与地球自转方向相反，即自东向西，且每年自东向西移动50″。因为黄道面与赤道面在天球上的交点为春分点和秋分点，随着地轴进动，这两点也应自东向西做每年50″的移动。这种二分点西移现象，古代很早就发现了。由于二分点的持续西移，回归年总是小于恒星年，两者有差，谓之“岁差”。

（1）进动估计。对于日地关系，为1.85″/恒星年；同时，对于月地关系，为3.9″/恒星年。当日月联合与地球作用时，若忽略黄白交角（5°08′43″）影响，为7.94″/恒星年；若考虑黄白交角影响，则相应的数值会有增加，若进一步考虑其他星体的影响，可得50.25647″/恒星年，相应周期T为25788恒星年。

（2）章动估计。太阳引起的章动周期为半年，振幅为0.01″；同时，月亮引起的章动周期为半月，振幅为0.001″。在日月联合影响下，如白道面与黄道面的交线以角速度为2π/18.6年向西移动，这种运动所引起的章动周期为18.6年，其幅度可达9.206″，它远远大于太阳和月亮分别引起的章动幅度。

图10-4 地球进动与章动示意图

10.3.2 地球的晃动

当一个坐在船上的人把随身携带的东西从一处移至另一处时，船会晃动起来。其晃动周期由船体的大小和形状决定。对地球而言，由于自身的原因，如风、地震、幔核动量交换等，产生地球转动轴相对于形状轴发生相对位置变动的自由运动。地球的这种自由运动，常称为晃动。

地球自转轴与地面的交点叫地极。因为转动轴相对于形状轴在运动，所以地极的位置也在不断变化。为了研究这种变化，通常取1900—1905年的地极平均位置，作为参考点（国际极点CIO）O。某纬度观测点对O点的地理位置为（φs，λs），它对地极P的地理位置（φ，λ），因此在该点测得的纬度变化为

Δφ=φ-φs

同时，还可以写出极点P相对于参考点O的位置（x，y）。坐标是这样规定的：过O点引两条切线，彼此垂直，一条经过格林尼治子午面，并取该方向为正（Ox轴）；另一条经过西经90°的子午面，并取该方向为正（Oy轴）。这时，极点位置坐标（x，y）与测点的地理位置（φs，λs）和测得的纬度变化Δφ，有如下关系：

xcosλs+ysinλs=Δφs-zφ（10-1）

式中，zφ是纬度校正项。上式表明，对应于同一极点变化（x，y），在不同纬度观测台上所引起的纬度变化Δφs不同。反之，可以通过遍布全球的纬度站（λs，φs），由测量纬度变化，通过最小二乘法，可以确定极点的位置（x，y）。

为了精确测定地球极点的位置变化，世界各国在北纬40°附近设立了纬度观测站，其中包括我国天津附近的纬度站。

地北极（地轴与北半球表面的交点）在地面上的移动，称为极移。极移的范围很小，一般为10～20m的范围。以1964—1968年的实际情况而论，这个范围仅为14m左右（图10-5）。在图10-5上，标出参考点CIO和x、y轴方向。从该图可以看出，它呈螺旋形曲线，大约14个月旋转一周。由图可见，极移曲线是一种存在系统偏移、幅度不断变化的回线。在1964—1968年间，它的极移幅度逐渐减小。但从更长的时间范围看，从1900年以来，最大曾达到0.1″，相对于地面上移动了21m。在这段时间内，整个曲线相对于参考点向西偏移，达0.3″，相对于地面移动9m。

对于极移曲线，可以用频谱分析方法，分解出它的不同周期成分。其优势成分是周年变化和14个月变化，后者就是著名的钱德勒晃动。周年变化在极移曲线中，还是相当稳定的。显然，它是由大气的流动，降雪量的变化，地下水分布变化。海水的移动等带有季节性的因素引起的。

图10-5 1964—1968年的极移曲线