地球，我们赖以生存的家园，并非宇宙中静止不变的孤岛。它时刻处于复杂而精确的运动之中。这些运动是天体物理规律作用的结果，直接影响着地球上的时间、气候和生命活动。理解地球的运动，是认识我们所处环境的基础。
自转：地球自身的旋转
自转是什么？
地球的自转是指地球绕着一条通过其地理南极和地理北极的假想轴线进行的旋转运动。这条轴线被称为地轴或自转轴。
自转如何进行，方向是怎样的？
地球的自转方向是从西向东。如果我们从北极上空俯瞰地球，会看到它以逆时针方向旋转。正是这种自西向东的自转，导致了天空中日月星辰的视运动看起来是从东方升起、西方落下。
自转轴在哪里？
自转轴穿过地球的质心，并延伸至南、北两极点。理论上，地理北极点位于北纬90度，地理南极点位于南纬90度。然而，由于多种因素的影响，地球的极点在地壳上的位置会有微小的移动，这被称为“极移”。
自转一周需要多少时间？
地球自转有两种主要的周期定义：
- 恒星日 (Sidereal Day)： 地球相对于遥远的恒星自转一周所需的时间。这反映了地球完成一次完整的360度自转。一个恒星日约为 23小时56分4秒。
- 太阳日 (Solar Day)： 地球相对于太阳自转一周所需的时间，即两次正午之间或两次日出之间的时间间隔。这是一个平均值。一个平均太阳日是 24小时。我们日常生活和历法使用的“日”就是基于太阳日。恒星日比太阳日短，是因为地球在自转的同时还在绕太阳公转，公转使得每天太阳相对于恒星的位置会向东移动约1度。
自转的速度是多少？
地球自转的角速度（旋转角度的变化率）除了极微小的波动外，是相对恒定的，大约每小时旋转15度。
线速度（地球表面某一点随自转移动的速度）则取决于该点所在的纬度：
- 在赤道上（纬度0度），线速度最大，约为 1670 千米/小时。
- 随着纬度升高，线速度逐渐减小。
- 在地理两极点，线速度理论上为零。
地球为什么会自转？
地球的自转是太阳系形成过程的遗留产物。在原始太阳星云坍缩形成太阳和行星时，星云本身就带有一定的角动量（旋转的总量）。在引力作用下，物质聚集形成行星，这个过程遵守角动量守恒定律，导致形成的地球继承了部分的角动量并开始旋转。后期的巨大撞击（如形成月球的撞击）也可能对地球的自转速度和轴向产生了影响。
自转的主要影响是什么？
地球自转最显著的影响是昼夜交替。地球向着太阳的一面是白天，背离太阳的一面是夜晚。这种持续的明暗变化为地球上的生物提供了基本的时间节律。此外，自转还会产生科里奥利力，影响大气和洋流的运动方向。
公转：地球绕太阳运行
公转是什么？
地球的公转是指地球围绕太阳进行的周期性轨道运动。地球被太阳强大的引力束缚在其周围，沿特定轨道运行。
公转如何进行，方向是怎样的？
地球沿一个近似椭圆形的轨道绕太阳运行。如果从太阳系北极方向俯瞰，地球的公转方向是逆时针的（与自转方向相同）。
公转轨道在哪里？
地球的公转轨道基本位于一个被称为“黄道面”的平面内。所有行星的轨道都接近于这个平面，反映了它们共同形成于扁平的原始太阳星云的结构。
公转一周需要多少时间？
地球公转也有几种周期定义：
- 恒星年 (Sidereal Year)： 地球相对于遥远的恒星绕太阳公转一周所需的时间。这反映了地球完成一次完整的轨道周期。一个恒星年约为 365天6小时9分10秒 (约 365.256 天)。
- 回归年 (Tropical Year)： 地球连续两次经过春分点所需的时间。这是决定地球季节变化周期的时间。一个回归年约为 365天5小时48分46秒 (约 365.242 天)。公历中的一年就是基于回归年设计的，通过设置闰年（每四年一个闰日，世纪年需能被400整除才闰）来使其平均长度接近回归年，以保证历法与季节的对应。
公转的速度是多少？
地球的公转速度不是恒定的。根据开普勒第二定律（面积速度守恒），地球在轨道上离太阳越近，速度越快；离太阳越远，速度越慢。
- 在近日点（轨道上离太阳最近的点，目前大约在每年1月初），地球速度最快，约 30.3 千米/秒 (109000 千米/小时)。
- 在远日点（轨道上离太阳最远的点，目前大约在每年7月初），地球速度最慢，约 29.3 千米/秒 (105000 千米/小时)。
地球的平均公转速度约为 29.8 千米/秒 (107000 千米/小时)。
地球为什么会公转？
地球之所以能稳定地绕太阳公转，是由于太阳强大的引力与地球自身运动惯性的完美平衡。太阳巨大的质量产生强大的引力，持续地将地球拉向太阳中心。同时，地球具有垂直于引力方向的速度。正是引力不断改变地球速度的方向，使其沿着曲线轨道运动，而不是直线飞离。这种引力和惯性的持续相互作用，使得地球被“锁定”在绕太阳的轨道上。
公转的主要影响是什么？
地球公转与后述的自转轴倾斜相结合，是导致地球上产生季节变化的根本原因。当地球在轨道上运行时，由于自转轴始终指向同一个方向（指向北极星附近），太阳直射点会在地球表面南北回归线之间周期性地移动。这导致不同纬度地区在一年中接受到的太阳辐射能量、日照时间和太阳入射角发生变化，从而形成了春、夏、秋、冬四季。
公转也是我们定义“年”这个时间单位的基础。
自转轴的倾斜：季节的幕后推手
地球自转轴倾斜多少度？
地球的自转轴并非垂直于其公转轨道面（黄道面），而是存在一个稳定的倾角。目前，这个倾角大约为 23.5度。确切的数值会受到章动等因素的影响而有微小波动。这个倾角有时也称为地球的“黄赤交角”或“ obliquity”。
地球自转轴为什么是倾斜的？
关于地球自转轴倾斜的原因，主流的科学理论认为这可能是地球形成早期遭受了巨大撞击的结果。在地球吸积形成的过程中，尤其是形成月球的那次规模巨大的碰撞（大碰撞假说），不仅改变了地球的质量和结构，也可能赋予了地球一个较大的角动量分量，导致其自转轴偏离了垂直于轨道面的方向。
轴向倾斜的重要性是什么？
地球自转轴的约23.5度倾斜角是导致地球上出现显著季节变化的最重要因素。
如果地球自转轴垂直于轨道面，那么太阳直射点将永远停留在赤道，全球各地的日照时间和太阳入射角将全年变化不大（仅受公转轨道椭圆度的微小影响），地球大部分地区将没有明显的四季之分，而只有恒定的气候带。
正是因为轴向倾斜，当地球在公转轨道上运行时，北半球有时会偏向太阳（北半球夏季），接受更多阳光，白昼变长，太阳高度角变大；而南半球则偏离太阳，接受阳光减少，白昼变短，太阳高度角变小（南半球冬季），反之亦然。这种周期性的太阳辐射差异，造就了地球多样的季节景观。
地球的其他运动
除了主要的自转和公转，地球还存在其他多种更为复杂和微小的运动：
岁差 (Precession)
岁差是指地球自转轴在空间中的指向，会像一个顶部旋转时缓慢摇摆的陀螺一样，围绕垂直于黄道面的方向缓慢地画一个圆锥。这个圆锥运动的周期非常漫长，大约是 25800年。
岁差导致了两个主要现象：一是地球的自转轴指向的天空位置（天极）会随时间移动，例如目前是小熊座的北极星位于北天极附近，但它并非永久的北极星；二是地球轨道上的春分点和秋分点会在黄道上缓慢地向西移动，导致每年春分点提前到达，因此被称为“岁差”。
章动 (Nutation)
章动是叠加在岁差运动之上的、周期较短的、自转轴指向的微小摆动。它主要由月球和太阳引力对地球赤道隆起部分的周期性扰动引起。章动的主周期约 18.6年（与月球轨道面相对于黄道面的交点绕行周期有关），但也存在许多其他更小的周期分量。
章动使得地球自转轴在岁差形成的圆锥轨迹上移动时，并不是平滑的，而是呈现出波浪状或锯齿状的路径。
极移 (Polar Motion)
极移是指地球的地理极点（自转轴与地球表面的交点）相对于地壳的位置发生的不规则、非周期性的微小移动。这种移动幅度很小，通常在几十米范围内。
极移的原因很复杂，包括地球内部质量分布的变化（如地幔对流、地核运动）、地壳构造活动、大气的季节性质量分布变化、洋流以及全球水体（冰雪融化、地下水变化）的重新分布等。极移会导致地理坐标系的微小变化，对精确的大地测量和导航有影响。
随太阳系在银河系中的运动
作为太阳系的一员，地球还随着太阳一起围绕着银河系中心运动。太阳系以惊人的速度——约 220 千米/秒——在银河系中穿行。绕银河系中心公转一周大约需要 2.3亿年。
同时，太阳系并不完全位于银河系的平面内，它还在银河系平面上下摆动，周期约为几千万年。
这些更大的宇宙运动虽然直接影响较小，但表明地球的运动是一个嵌套在更大尺度宇宙运动中的多层次过程。
如何观测与测量地球的运动
我们如何测量地球的运动？
精确测量地球的各种运动对于天文学、大地测量学、导航、时间服务以及地球科学研究至关重要。主要的测量手段包括：
- 经典天文测量： 通过长期观测恒星、太阳、月球和行星在天空中的位置变化，利用天体测量技术来确定地球的自转周期、公转轨道参数以及岁差、章动等运动。例如，使用中星仪精确测量恒星经过当地子午线的时间来监测地球自转速度。
- 卫星测地技术：
- 全球卫星导航系统 (GNSS)，如GPS、GLONASS、Galileo、北斗： 这些系统通过测量地面接收机到多颗卫星的距离来确定精确位置和时间。其工作原理本身就依赖于对地球精确的自转和公转状态的了解。反过来，分析分布在全球的GNSS地面站数据，可以非常精确地监测地球的自转速度变化和极移。
- 卫星激光测距 (SLR) 和月球激光测距 (LLR)： 通过向地球轨道上的专用卫星或月球表面的反射器发射激光脉冲并测量往返时间，可以获得精确的距离变化信息，用于监测地球自转速度的微小变化以及地球形状和引力场的变化。
- 甚长基线干涉测量 (VLBI)： 这是一种使用分布在地球不同大陆的射电望远镜阵列同时观测同一遥远宇宙射电源（如类星体）的技术。通过分析来自不同望远镜信号到达时间差的微小差异，VLBI能够极其精确地测量地球的自转方向和速度（地球定向参数）以及监测地壳板块运动。
- 惯性导航系统 (INS)： 虽然主要是为飞机、船舶等载体提供自身运动信息，但高性能的INS系统（使用陀螺仪和加速度计）也能感受到地球的自转，它们的输出需要根据地球自转进行补偿，间接反映了地球自转的影响。
这些技术结合使用，构成了国际地球自转服务组织 (IERS) 等机构监测和提供地球定向参数的基础数据来源。
地球运动的稳定性是如何维持的？
地球的运动如何维持稳定？
地球运动的整体稳定性是宇宙中引力定律和物理守恒原理共同作用的结果：
- 引力平衡： 地球绕太阳的公转主要由太阳强大的引力维持。这种引力与地球向前运动的惯性相平衡，使得地球既不会坠入太阳，也不会逃逸到宇宙空间，而是稳定地维持在目前的轨道上。这是牛顿万有引力定律的体现。
- 角动量守恒： 在没有外部力矩（导致旋转速度或方向变化的力量）作用的情况下，系统的总角动量是守恒的。地球形成后，其巨大的自转角动量使其旋转状态非常稳定。虽然存在潮汐摩擦（月球和太阳引力引起的）等微弱的力矩，会导致地球自转速度极其缓慢地减慢，但从人类时间尺度来看，地球自转是高度稳定的。
- 太阳系的多体动力学： 太阳系内其他行星的引力会对地球的公转轨道产生微小的摄动（扰动），使其轨道形状、倾角等发生微小且周期性的变化。然而，在几十亿年的时间尺度上，整个太阳系的轨道动力学是相对稳定的，特别是木星等大质量行星的存在有助于维持内行星轨道的稳定性。
- 地球自身的结构： 地球内部液态外核的运动产生的地磁场，以及地球整体的刚性和弹性，也有助于抵抗和吸收一些可能导致极移或自转轴微小摆动的内部和外部扰动。
尽管如此，地球的运动并非完全不变。除了前述的岁差、章动、极移等固有运动，地球自转速度还会受到多种因素的微小影响，如冰川融化导致质量重新分布、地震引起的地壳瞬时形变、大尺度的大气和海洋环流季节性变化、以及最重要的潮汐摩擦效应（长期看来会使地球自转减慢，月球轨道升高）。这些微小变化需要通过闰秒等方式在我们的时间标准中进行调整。
总结
地球的运动是一个多层次、多周期的复杂系统。核心的自转和公转定义了我们的日、夜和年，并与轴向倾斜一起塑造了季节。在此基础上，岁差、章动和极移等微小运动进一步精细地描述了地球在空间中的动态行为。这些运动由宇宙的基本物理规律——引力、惯性和角动量守恒——所支配，并被现代天文学和测地技术以前所未有的精度进行测量和监测。了解这些运动的细节，不仅是对地球物理特性的深入认识，也是理解宇宙运作机制的重要一环。
