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地球の自転、または地球のスピンとは、地球が自身の軸を中心に回転すること、および宇宙空間における自転軸の向きの変化を指します。地球は東向きに、順行運動で自転しています。北極星であるポラリスから見ると、地球は反時計回りに回転しています。
北極点（地理上の北極点、または地球上の北極点とも呼ばれる）は、北半球において地球の自転軸が地表と交わる地点である。この地点は、地球の磁北極とは異なる。南極点は、地球の自転軸が地表と交わるもう一方の地点であり、南極大陸にある。
地球は太陽に対して約24時間で1回転しますが、他の遠方の恒星に対しては23時間56分4秒で1回転します（下記参照）。地球の自転は時間とともにわずかに遅くなっており、そのため、過去には1日が短かったのです。これは、月が地球の自転に及ぼす潮汐効果によるものです。原子時計によると、現代の1日は1世紀前よりも約1.7ミリ秒長くなっており[ 1]、UTCが閏秒によって調整される頻度が徐々に増加しています。歴史的な天文学記録の分析によると、 1日の長さは紀元前8世紀以降、 1世紀あたり約2.3ミリ秒ずつ長くなっており、その傾向は鈍化しています[ 2 ] 。
科学者たちは、地球が2020年に回転速度を速め始めたと報告した。それまでの数十年間は、地球は1日あたり86,400秒よりも遅い回転速度で回転していた。2022年6月29日、地球の自転は24時間で1.59ミリ秒で完了し、新記録を樹立した。[ 3 ]この傾向を受けて、世界中の技術者たちは「負の閏秒」やその他の可能な時間計測方法について議論している。[ 4 ]
この速度の増加は、溶融した核、海洋、大気の複雑な運動、月などの天体の影響、そして地球の極の氷を溶かしている可能性のある気候変動など、さまざまな要因によるものと考えられています。氷の質量は、地球が赤道付近で膨らんだ扁平な回転楕円体の形をしている理由です。これらの質量が減少すると、極は重量の減少から反発し、地球はより球形になり、質量が重心に近づく効果があります。角運動量保存の法則によれば、質量が重心の周りに密集しているほど、回転速度が速くなります。[ 5 ]
地球の自転速度は赤道で約1,674.7 km/h (1,040.6 mph; 465.2 m/s; 1,526.2 ft/s)ですが、緯度とともに減少し、極ではゼロになります。これは、地球の円周が赤道で最大で、極を通るときに最小になるためです。任意の緯度での速度は、赤道での速度に緯度のコサインを掛けることで計算できます。赤道での速度は約1,674.7 km/h (1,040.6 mph)で、地球の赤道円周 (約40,075 km (24,901 mi) ) を恒星日の長さ (約23.93 時間) で割って計算されます。中緯度では速度は減少します。例えば、北緯45度では、速度は約1,184.2 km/h (735.8 mph) ( 1674.7 × cos (45°) ) です。極では、1回転で移動距離がないため、速度は実質的にゼロになります。
古代ギリシア人の中には、ピタゴラス学派の何人かが、天体の見かけ上の日周回転ではなく、地球の自転を信じていた。おそらく最初の人物はフィロラオス（紀元前470～385年）であろうが、彼の体系は複雑で、中心の火の周りを毎日回転する反地球などが含まれていた。[ 6 ]
より一般的な見解は、紀元前4世紀のヒケタス、ヘラクリデス、エクファントスによって支持された。彼らは地球が自転していると仮定したが、地球が太陽の周りを公転しているとは示唆しなかった。紀元前3世紀には、サモスのアリスタルコスが太陽が中心にあると提唱した。
しかし、紀元前4世紀のアリストテレスは、ピロラオスの考えは観察に基づくものではなく理論に基づいているとして批判した。彼は、地球の周りを回転する恒星の球体という考え方を確立した。 [ 7 ]これは、後世のほとんどの人々、特にクラウディオス・プトレマイオス（紀元2世紀）に受け入れられた。彼は、地球が回転すれば強風によって壊滅的な被害を受けると考えていた。[ 8 ]
西暦499年、インドの天文学者アーリヤバタは、球状の地球が毎日自転しており、星の見かけ上の動きは地球の自転によって引き起こされる相対運動であると提唱した。彼は次のような類推を示した。「一方の方向に進む船に乗っている人が、岸辺の静止しているものが反対方向に動いているように見えるのと同様に、ランカにいる人には恒星が西に向かって動いているように見える。」[ 9 ] [ 10 ]
10 世紀には、一部のイスラム教徒の天文学者が地球が自転していることを認めていました。[ 11 ]アル・ビールーニーによれば、アル・シジィ(1020 年頃)は、同時代の何人かが信じていた「我々が見る動きは、空の動きではなく地球の動きによるものである」という考えに基づいて、アル・ズーラキーと呼ばれるアストロラーベを発明しました。 [ 12 ] [ 13 ]この見解の普及は、13 世紀の次の記述によってさらに裏付けられています。「幾何学者 (または技術者) (ムハンディシン) によれば、地球は絶えず円運動をしており、天体の動きに見えるものは、実際には星の動きではなく地球の動きによるものである。」[ 12 ]その可能性について議論する論文が書かれ、プトレマイオスの反論に対する反駁として、あるいは疑念を表明していました。[ 14 ]マラガとサマルカンドの天文台では、トゥースィー（1201年生まれ）とクシュジー（1403年生まれ）が地球の自転について議論した。彼らが用いた論拠と証拠は、コペルニクスが用いたものと類似している。[ 15 ]
中世ヨーロッパでは、トマス・アクィナスがアリストテレスの見解を受け入れ[ 16 ] 、 14世紀にはジョン・ブリダン[ 17 ]とニコール・オレーム[ 18 ]も渋々ながらそれを受け入れた。1543年にニコラウス・コペルニクスが地動説を採用するまで、地球の自転に関する現代的な理解は確立されなかった。コペルニクスは、地球の運動が激しいのであれば、星の運動はもっと激しいに違いないと指摘した。彼はピタゴラス派の貢献を認め、相対運動の例を挙げた。コペルニクスにとって、これは惑星が中心の太陽の周りを回るというより単純なパターンを確立する第一歩であった[ 19 ] 。
ケプラーが惑星運動の法則の基礎とした正確な観測を行ったティコ・ブラーエは、コペルニクスの研究を、地球が静止していると仮定する体系の基礎として用いた。1600年、ウィリアム・ギルバートは地球の磁気に関する論文[ 20 ]で地球の自転を強く支持し、同時代の多くの人々に影響を与えた[ 21 ]： 208ギルバートのように、地球の太陽の周りの運動を公然と支持も否定もしなかった人々は「半コペルニクス主義者」と呼ばれた[ 21 ]： 221コペルニクスの1世紀後、リッチョーリは、落下する物体に当時観測可能な東向きの偏向がないことを理由に、地球の自転モデルに異議を唱えた[ 22 ] 。このような偏向は後にコリオリ効果と呼ばれるようになった。しかし、ケプラー、ガリレオ、ニュートンの貢献により、地球の自転理論への支持が集まった。
地球の自転は、赤道が膨らみ、地理上の極が扁平になることを意味する。ニュートンは『プリンキピア』の中で、この扁平化は230分の1になると予測し、 1673年にリシェが行った振り子の測定を重力の変化の裏付けとして指摘したが、[ 23 ] 17世紀末にピカールとカッシーニが行った子午線の長さの初期測定では、これとは逆の結果が示された。しかし、 1730年代にモーペルテュイとフランス測地調査団が行った測定により、地球の扁平性が確立され、ニュートンとコペルニクスの両方の立場が確認された。[ 24 ]
地球の自転座標系では、自由運動する物体は、固定座標系でたどる軌道とは異なる見かけ上の軌道を描きます。コリオリ効果により、落下する物体は、発射地点の真下の鉛直線からわずかに東に逸れ、発射体は北半球では発射方向から右に（南半球では左に）逸れます。コリオリ効果は主に気象規模で観測され、北半球と南半球でサイクロンの回転方向が逆になる原因となっています（それぞれ反時計回りと時計回り）。
ロバート・フックは、1679年にニュートンの提案を受けて、高さ8.2メートルから落とした物体が東にずれるという予測を検証しようと試みたが、成功しなかった。しかし、18世紀後半から19世紀初頭にかけて、ボローニャのジョヴァンニ・バッティスタ・グリエルミニ、ハンブルクのヨハン・フリードリヒ・ベンツェンベルク、フライベルクのフェルディナント・ライヒが、より高い塔と慎重に放たれた重りを用いて、決定的な結果を得た。[ n 1 ]高さ158.5メートルから落としたボールは、計算値の28.1ミリメートルに対し、垂直方向から27.4ミリメートルずれた。
地球の自転を検証する最も有名な実験は、物理学者レオン・フーコーが1851年に初めて製作したフーコー振り子です。これは、鉛を詰めた真鍮製の球体をパリのパンテオンの頂上から67メートル下に吊り下げたものでした。振り子が揺れる下を地球が自転するため、振り子の振動面は緯度に応じて回転するように見えます。パリの緯度では、予測値と観測値のずれは、時計回りに1時間あたり約11度でした。現在、フーコー振り子は世界中の博物館で展示されています。
太陽に対する地球の自転周期（太陽正午から太陽正午まで）は、真の太陽日または見かけの太陽日です。[ 26 ]これは地球の軌道運動に依存するため、地球の軌道の離心率と傾斜の変化の影響を受けます。どちらも数千年かけて変化するため、真の太陽日の年間変動も変化します。一般的に、1年のうち2つの期間は平均太陽日よりも長く、別の2つの期間は短くなります。[ n 2 ]真の太陽日は、太陽が黄道に沿って通常よりも大きな角度で移動するように見える近日点付近で長くなる傾向があり、その移動に約10秒余計にかかります。逆に、遠日点付近では約10秒短くなります。太陽の黄道に沿った見かけの動きを天の赤道に投影すると、太陽が通常よりも大きな角度で移動するため、至点付近では約20秒長くなります。逆に、春分と秋分の近くでは、赤道への投影は約20 秒短くなります。現在、近日点と夏至の影響が合わさって、12 月 22 日付近の真の太陽日を平均太陽秒 30秒長くしますが、夏至の影響は、 6 月 19 日付近の遠日点の影響によって部分的に相殺され、13 秒長くなるだけです。春分と秋分の影響により、3 月 26 日と9 月 16 日付近では、それぞれ18 秒と21 秒短くなります。[ 27 ] [ 28 ]
1 年を通しての真の太陽日の平均は平均太陽日であり、これは 86,400 平均太陽秒を含みます。現在、地球の平均太陽日は潮汐摩擦により 19 世紀よりもわずかに長くなっているため、これらの各秒はSI秒よりもわずかに長くなっています。1972 年に閏秒が導入されて以来、平均太陽日の平均長は 86,400 SI 秒よりも約 0 ～ 2 ms 長くなっています。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]核とマントルの結合によるランダムな変動の振幅は約 5 ms です。[ 32 ] [ 33 ] 1750 年と 1892 年の平均太陽秒は、1895 年にサイモン ニューカムによって彼の太陽表の独立した時間の単位として選ばれました。これらの表は1900年から1983年までの世界の天体暦を計算するために使用されたため、この秒は天体暦秒として知られるようになりました。1967年にSI秒は天体暦秒と等しくされました。[ 34 ]
国際天球基準座標系に対する地球の自転周期は、国際地球回転基準システムサービス（IERS）によって恒星日と呼ばれ、平均太陽時（UT1）の86 164.098 903 691秒（23時間56分4.098 903 691秒、平均太陽日0.997 269 663 237 16）である。[ 35 ] [ n 3 ]歳差運動する平均春分点に対する地球の自転周期は恒星日と呼ばれ、平均太陽時（UT1）の86 164.090 530 832 88秒（23時間56分4.090 530 832 88秒、平均太陽日0.997 269 566 329 08 ）である。[ 35 ]したがって、恒星日は恒星日より約8.4 ミリ秒短い。[ 37 ]
恒星日と恒星日はどちらも平均太陽日より約3分56秒短い。これは、地球が太陽の周りを公転する際に、天体基準系に対して1回転余分に回転するためである（つまり、1年間に366.24回転）。平均太陽日（SI秒）は、1623～2005年[ 38 ]および1962～2005年[ 39 ]の期間についてIERSから入手可能である。
最近（1999年～2010年）、86,400 SI秒を超える平均太陽日の年間平均長さは0.25ミリ秒から1ミリ秒の間で変動しており、上記の平均太陽時で示された恒星日と恒星日の両方にこれを加えてSI秒での長さを求める必要があります（「日の長さの変動」を参照）。
慣性空間における地球の自転角速度は、(7.292 115 0 ± 0.000 000 1) × 10 ^ −5 ラジアン/ SI 秒です。[ 35 ] [ n 4 ] ( 180 ° / πラジアン) × ( 86,400秒/日)を掛けると360.985 6 °/日となり、地球は太陽日ごとに恒星に対して 360 度以上自転していることがわかります。地球が自転軸を中心に 1 回自転しながらほぼ円形の軌道に沿って移動するには、平均太陽に対しては 1 回 (360°) しか自転しないにもかかわらず、平均太陽が再び頭上を通過する前に、地球は恒星に対してわずかに 1 回より多く自転する必要があります。[ n 5 ] rad/s の値を地球の赤道半径6,378,137 m ( WGS84楕円体) で乗算すると (両方に必要な 2π ラジアンの係数が相殺される)、赤道速度は毎秒 465.10 メートル (1,674.4 km/h)になります。[ 40 ]一部の情報源では、地球の赤道速度はわずかに低く、1,669.8 km/hであるとされています。[ 41 ]これは、地球の赤道円周を24 時間で割ることによって得られます。ただし、太陽日の使用は誤りです。恒星日でなければならないため、対応する時間単位は恒星時でなければなりません。これは、1平均太陽日における恒星日の数である1.002 737 909 350 795 [ 35 ]を掛けることで確認でき、上記の平均太陽時間における赤道速度1,674.4 km/hが得られます。
地球上の地点における地球の自転の接線速度は、赤道での速度に緯度のコサインを掛けることで近似できます。[ 42 ]例えば、ケネディ宇宙センターは北緯28.59度に位置しており、速度はcos(28.59°) × 1,674.4 km/h = 1,470.2 km/hとなります。緯度は宇宙港 の配置に関する考慮事項です。
カヤンベ火山の頂上は地球の表面で自転軸から最も遠い地点であるため、地球の自転に伴って最も速く回転します。[ 43 ]
地球平面説の支持者は、地球が実際に回転する球体であれば、赤道での接線速度によって物体が宇宙空間に投げ出されると主張することがある[ 44 ] 。しかし、重力は回転による遠心力の約290倍強い。これは、ニュートンの万有引力の法則と遠心力の式を比較することでわかる。1kgの物体は、地球に引き寄せられる重力が約9.8Nであるのに対し、赤道での遠心力は約0.034Nである。
地球の自転軸は恒星（慣性空間）に対して移動します。この運動の成分は歳差運動と章動です。また、地球の地殻に対しても移動します。これは極運動と呼ばれます。
歳差運動とは、地球の自転軸の回転であり、主に太陽、月、その他の天体の重力による外部トルクによって引き起こされる。極運動は主に自由核章動とチャンドラー揺動によって生じる。
数百万年の間に、地球の自転は月の重力相互作用による潮汐加速によって著しく減速されました。そのため、角運動量は月へゆっくりと伝達され、その速度は地球の自転速度に比例します。、 どこは月の公転半径です。この過程によって、月の1日の長さは徐々に長くなり、現在の値に達しました。その結果、月は地球と潮汐固定されるようになりました。
この緩やかな自転減速は、潮汐リズムやストロマトライトの観測から得られた日長の推定値によって経験的に証明されています。これらの測定値のまとめ[ 45 ]によると、日長は6億年前の約21時間[ 46 ]から現在の24時間まで着実に増加していることが分かりました。高潮時に形成される微細な薄層を数えることで、木の年輪を数えるのと同様に、潮汐頻度（したがって日長）を推定できますが、これらの推定値は年数が経つにつれて信頼性が低くなることがあります。[ 47 ]
現在の潮汐減速率は異常に高く、地球の自転速度は過去にはもっとゆっくりと減少していたに違いない。経験的データ[ 45 ]は、約6億年前に自転減速が急激に増加したことを暫定的に示している。いくつかのモデルは、地球は先カンブリア時代の大部分を通して21時間の一定の1日の長さを維持していたことを示唆している。[ 46 ]この1日の長さは、熱駆動大気潮汐の半日周期共鳴周期に対応する。この1日の長さでは、減速する月のトルクは、大気潮汐からの加速トルクによって相殺され、正味のトルクがなくなり、一定の自転周期になった可能性がある。この安定化効果は、地球全体の気温の急激な変化によって破られた可能性がある。最近の計算シミュレーションはこの仮説を支持し、マリノアン氷河期またはスターティアン氷河期が約6億年前にこの安定した構成を破ったことを示唆している。シミュレーション結果は、既存の古自転データと非常によく一致している。[ 48 ]
2004年のインド洋地震など、最近のいくつかの大規模な出来事は、地球の慣性モーメントを減少させることで、1日の長さを3マイクロ秒短縮させています。[ 49 ] 最後の氷河期以来続いている氷河後隆起も、地球の質量の分布を変化させており、それによって地球の慣性モーメントに影響を与え、角運動量保存の法則によって地球の自転周期にも影響を与えています。[ 50 ]
一日の長さは、人工構造物によっても影響を受けることがあります。例えば、NASAの科学者たちは、三峡ダムに貯められた水が質量の移動によって地球の一日の長さを0.06マイクロ秒長くしたと計算しました。[ 51 ]
地球の自転の主要な監視は、全地球測位システム、衛星レーザー測距、およびその他の衛星測地技術と連携した超長基線干渉法によって行われます。これにより、世界時、歳差運動、章動の決定のための絶対基準が提供されます。[ 52 ] UT1と章動 を含む地球の自転の絶対値は、超長基線干渉法や月レーザー測距などの宇宙測地観測を使用して決定できますが、日長超過と章動率として表されるそれらの導関数は、GPS、GLONASS、Galileo [ 53 ]や測地衛星への衛星レーザー測距[ 54 ]などの衛星観測から導出できます。
紀元前 8 世紀からバビロニアや中国の天文学者による日食や月食の観測記録があり、中世イスラム世界[ 55 ]やその他の地域からも記録が残されています。日の長さは日食の場所と時刻を計算する上で重要なパラメータであるため、これらの観測は過去 27 世紀の地球の自転の変化を決定するために使用できます。1 世紀あたりミリ秒単位の日の長さの変化は、日食の観測では数時間と数千キロメートルの変化として現れます。古代のデータは日が短くなっていることと一致しており、これは地球が過去を通じてより速く自転していたことを意味します。[ 56 ] [ 57 ]
地球の自転は、約25～30年ごとに一時的に1日あたり数ミリ秒遅くなり、通常は約5年間続きます。2017年は、地球の自転が遅くなった4年連続の年でした。この変動の原因はまだ解明されていません。[ 58 ]
地球の自転は、太陽系を形成するために合体した塵、岩石、ガスの雲の原始的な角運動量の名残である。この原始的な雲は、ビッグバンで生成された水素とヘリウム、および超新星爆発によって放出されたより重い元素で構成されていた。この星間塵は不均質であるため、重力による集積の際の非対称性が、最終的に形成される惑星の角運動量につながった。[ 59 ]
しかし、月の起源に関する巨大衝突仮説が正しければ、この原始的な自転速度は45億年前のテイア 衝突によってリセットされたことになる。衝突前の地球の自転速度と傾きに関わらず、衝突後には1日が約5時間長くなったことになる。[ 60 ]その後、潮汐効果によってこの速度は現代の値まで減速したことになる。
