地球の自転

地球の自転（ちきゅうのじてん、Earth's rotation）とは、地球が自身の地軸の周りを回転すること（自転）である。回転方向は東向きであり、地軸の北方向を正とすると右手回りである。北極星からは反時計回りに見える。

地球の自転は、国際地球回転・基準系事業(IERS)によって監視されている。

地球の自転の観測には1950年代以来、原子時計が使われている^[1]。

自転周期

地球の赤道傾斜角と自転軸および軌道面との関係

地球のように順行する惑星では、恒星日は太陽日よりも短くなる。

国際地球回転・基準系事業 (IERS)によって定められている、恒星に対する地球の自転周期は、86 164.098 903 691秒（23時間56分4.098 903 691秒）である^[2]^[3]。平均春分点の移動、即ち歳差運動に対する自転周期は恒星時と呼ばれ、86 164.090 530 832 88秒（23時間56分4.090 530 832 88秒）である^[2]。後者は前者よりも8.4ミリ秒程度短い^[4]。

LOD

実際に観測される精密な１日の長さを「LOD」という。Length of Day の略語である。LODは24 時間 ×　3600 秒 = 86 400秒とは微妙に異なっており、潮汐力による加速によって、19世紀と比べてわずかに長くなっている。1750年から1892年の平均太陽秒が1895年にサイモン・ニューカムによってTables of the Sun（英語版）としてまとめられた。この表は1900年から1983年まで天体暦を計算するのに用いられ、暦表時として知られた。国際単位系の秒は1967年の暦表時をもとにしている^[5] 。

2020年の学術誌には、約7000万年前、LODは約23時間半だったという研究結果が発表されている。アメリカ航空宇宙局によると、地球の自転速度は1820年代以来、減速が記録されていたが、アメリカ海軍天文台のデニス・マッカーシー（en:Dennis McCarthy (scientist)）元所長は、2020年前後より加速し始めていると述べている。これまでは地球の自転速度が減速していたため、1972年以来、27秒のうるう秒が挿入されてきたが、自転速度が速くなる傾向が続くことで、今後はうるう秒を差し引く必要が生じる可能性がある^[1]。

LODは、1962年1月1日以降の毎日について、IERSで入手できる。ただし通常はLOD（例えば、86 400.002 1578秒など）そのものではなく、LODと86 400秒との差（例えば、0.002 1578秒 = 2.1578 ms）を「LOD」の表記で示すことが多い^[6]^[7]^[8]。

地球の自転は、潮汐力と呼ばれる月との間の重力相互作用によって、100万年以上にわたって徐々に遅くなってきた（LODは長くなってきた）。しかし短期的（10年間～50年間程度）に見ると常に遅くなっているわけではない。例えば1970年代のLODは、86 400.003秒程度、すなわち86 400秒に比べて3ミリ秒程度長かったが、近年（1999年から2020年）のLODは、86 400秒より1ミリ秒長い程度（6月～8月には86 400秒よりも短くなる期間さえある。）である^[9]^[10]。これが1970年代から80年代には毎年のように挿入されていた閏秒が1999年以降は平均して4年に1度程度しか挿入されていない理由である。

1962年から2021年までの1日の長さ (LOD) の変動（緑線が一日の長さから86 400秒を差し引いたものの365日移動平均）

LODの変動のうち最も大きな影響を及ぼすのは、潮汐（潮汐摩擦）であり、0.6-0.8ミリ秒程度の変動を引き起こす^[8]。これ以外に大きな影響を及ぼす物は季節変動である。

マグニチュード9前後の巨大地震もLODに若干の影響を及ぼす。2004年のスマトラ島沖地震では、自転速度が速くなり、１日の長さ（LOD）が6.8マイクロ秒短くなった。2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震でもLODが1.8マイクロ秒短くなった^[11]。ただし、この巨大地震の影響は潮汐の影響の1/100以下の微少なものに過ぎない。他に地球温暖化による極地の氷河が解け、水が移動することによる変化によっても１日当たり１ミリ秒ほど遅くなる影響を及ぼす。^[12]

慣性空間における地球の自転の角速度は、1秒当たり7.292 1159×10^-5ラジアンである^[2]。（180°/πラジアン）×（86 400秒）を計算すると360.9856°/平均太陽日が得られ、地球は1太陽日当たり、恒星に対して360°以上回転していることを示している。地球の軌道はほぼ円であり、軸の周りを1回転して太陽が再び頭上に現れるまでの間に、恒星に対しては若干多く回転する^{[n 1]}。地球の半径6 378 137 m（GRS80による値）をかけると、赤道上でのスピードは1674.4 km/hと求められる^[13]。赤道上での地球の自転速度は徐々に遅くなっており、1669.8 km/hになっているという説もある^[14]。これは地球の赤道上の円周の長さを24時間で割ることで求めることができる。しかし、1つの円周だけを無意識に使うことは1つの慣性空間だけを回ることを意味する。1平均太陽日の恒星日をかけると1.002 737 909 350 795という値になり^[2]、1平均太陽時当たりの赤道上での速度は上述の1674.4 km/hとなる。

地球の自転の永続的な観測には、超長基線電波干渉法、GPS、衛星レーザ測距やその他の人工衛星の技術を組み合わせて使う必要がある。これにより世界時や歳差、章動の決定のための絶対参照とすることができる^[15]^[16]。

2022年6月29日には、地球で原子時計が発明されて以来、最も短いLODが観測され、通常の1日24時間より1.59ミリ秒短かかった^[1]。

歳差

地球の地軸は、慣性空間に対しての方向を維持するため、ジャイロスコープの軸のように傾いている。太陽、月、惑星等から地球に働く外力によって、定まった方向から外れようとする。地軸の向きの周期的な大きな変化は歳差と呼ばれ、一方小さな変化は章動や極運動と呼ばれる。

物理的な効果

地球の自転の速度は、地球の形（扁球）、気候、海洋の深さや海流、地殻変動の力等に対して、長い間に様々な効果を与える^[17]。

自転の起源

原始惑星系円盤の想像図

理論的には、地球は太陽系の形成と同時に形成したとされている。塵、岩、ガス等からできた回転する巨大な分子雲から、徐々に太陽系が形成された。この雲はビッグバンに由来する水素とヘリウム、および超新星爆発で生成した重元素から構成されていた。ある理論によると、およそ46億年前に近傍の恒星が超新星爆発を起こし、衝撃波が太陽系に達して角速度が与えられた。回転する分子雲は押し潰され、ガスや塵の一部は重力によって凝集し始め、徐々に惑星を形成していった。最初の角速度が保存される必要があることから、集まった質量はより速く回転し始めた^[18]。現在の地球の自転速度は、この初期の回転と、潮汐摩擦やジャイアント・インパクト説等のその他の要因の結果である。