地球の自転とその変動

○はじめに
　→ 地球自転は，測地学の大きな研究分野です．日本の測地学からの貢献も大きく，
　　また地球内部構造など，地球科学への大きな手がかりを与えてくれます．日食や
　　天体運動の計算にも，重要な意味を持っています．講師（中嶋）自身も過去にこの
　　研究に携わっていたということもあるので，この機会にまとめてご紹介したいと
　　思います．

○地球自転の変動にはどのようなものがあるか．
＊自転速度の変動と，自転軸の変動
　→ 地球の自転運動は，その回転速度成分と，回転軸方向の成分に分けられる．
＊自転速度の変動
　→ 速度の変動は，周期変動，不規則変動，永年変動，に分けられる．
＊自転軸方向の変動
　→ 自転軸方向の変動には，宇宙に対する変動（歳差・章動）と，地表に対する変動
　　（極運動）がある．→　図示

○地球自転変動の発見の歴史
＊自転変動の発見（数十年の不規則変動と永年変動）
　→ 地球の自転は非常に安定しており，またそれが時計として利用されていたので，
　　非常に精密・安定な時計ができるまでは自転変動はわからなかった．

　→ ブラウンの月運動理論における「大経験項」と「永年減速」の発見．
　　→ ニュートン力学による計算と，どうしても合わない部分として，経験的に導入．

　　10.71"sin[1.4°(t - 1850.0) + 170.7°]

　　-8.72" - 26.74"T - 11.22"T2

　→ Sir スペンサー・ジョーンズが，大経験項と同様な変動が，他の天体（金星，水星
　　など）にも見られることを発見．これが地球自転変動であることを指摘．(1939)
　　→ 月・惑星の運動の測定の際に，時刻系として地球自転による時刻を使用していた
　　　ので，地球自転の変動による時刻のずれが，天体運動のずれとして反映された．
　　→ 図示

　→ 永年変動（ T2の項）は，月の運動の永年減速であるが，永年
　　減速の理論（潮汐摩擦など）は確定てきではないので，この項から地球自転の永年
　　減速を見積ることは難しい．

　→ 地球自転よりも，月・惑星の運動（地球公転を含む）から時刻を決めたほうが，変動
　　の少ない時刻系が得られる．→「暦表時」(ET)
　　→ 月の運動が速度が速いので，月運動の観測から暦表時を作るのが一番．
　　　→ ただし，月の運動理論が完備していればという条件が必要．また，永年変動の
　　　　部分は，理論ではわからない．
　　　→ 月の運動の精密観測は，主に星食（または掩蔽，えんぺい）観測による．

　※ 暦表時の正式な定義は，ニューカムの太陽表（すなわち地球公転）で与えられる．
　　（1952) また「1秒の長さの定義」も，これによって決められた．

　※ 月の運動による時刻の決定のエピソード．
　　　→ 大航海時代，外洋で船の現在地の経度を決定するためには正確な「時計」が必要
　　　　であった．このために２億円に相当する懸賞金がかけられた．このとき，ハリソン
　　　　の機械時計（クロノメーター）とマイヤーの月運動時計が競い合い，それぞれが
　　　　賞金を獲得した． 


＊自転変動の発見（季節変動）
　→ 季節的な要因による周期変動は 0.03秒程度であるため，水晶時計（精度 0.01秒）
　　では確認が困難（水晶時計は，ほかにいろいろな環境依存性や，経年変化がある）．
　→ それでも 1936年ころには，多くの水晶時計に共通の誤差として，季節変動が指摘さ
　　れた．
　→ 最終的には「原子時計」によって確認．（「原子時」は1958年から実用に．）
　　→ 図示


＊歳差・章動の発見
　→ 歳差の発見は，ヒッパルコス（BC 2世紀）にさかのぼる．
　→ 章動の発見（？）


＊極運動の発見
　→ 極運動の原理　→ 図示
　　→ 宇宙の中で不変の「自転軸」に対し，地球楕円体の軸「形状軸」がズレている場合，
　　　地表と自転軸との交点が形状軸の周りを回る．
　→ オイラーによる理論研究（1750頃）→ 305日周期の極運動を予測（オイラー周期）．

　→ ポツダムとホノルルにおける緯度変化の同時観測で，緯度変化が極運動によるもの
　　であることを確認．キュストナー（独），チャンドラー（米），1890 - 91
　　→ チャンドラーは，この極運動の周期が 430日であることを確認．（チャンドラー
　　　周期）
　　→ ニューカムが，チャンドラー周期とオイラー周期の差は，地球の非剛体性による
　　　ものとして説明．

　→ 国際共同研究「国際緯度事業 (ILS)」が発足 (1899)．日本では岩手県水沢市
　　（現奥州市）に緯度観測所が設置された．

　→ 水沢緯度観測所は，長期間中央局として活躍し，所長の木村栄（ひさし）が，緯度
　　変化のZ項を発見．（1902）

　　　　Δφ = Xcosλ + Ysinλ + Z

　※ Z項をめぐるエピソード　（省略）

○自転軸変動の研究
＊歳差章動の理論と計算
　→ 剛体地球の歳差・章動理論　→ 木下宙（1970）
　→ 非剛体性を考慮した理論　→ ワール（　　）
　→ IAUの標準計算法（前回説明）

　※ 地球内部に起因し，Z項とも関係ある「自由コア章動」を標準計算にどのように取り入
　　かはまだ決まっていない．

＊極運動の研究
　→ 新技術（VLBIなど）による国際共同観測で得られた極運動　→ 図示
　　→ 大きさと経年変動
　→ チャンドラー周期の問題は，前述のニューカムの理論でほぼ解決．
　→ 永年移動は，大陸移動の問題．

　→ Z項の問題は，地球内部の流体核に起因する章動（自由コア章動）で説明可能．
　　→ 若生康二郎（1970）

＊自転軸変動と地球科学
　→ 上述のように，Z項などから地球内部に関する情報が得られると考えられるが，まだ
　　まだ理論的には困難が多い．→ 笹尾哲夫「SOS理論」（1980)
　→ 極運動の励起と減衰が地球科学（地震など）とどのように関連するかはまだ研究途上．
　※ 次にも述べるように，流体核は自転速度の不規則変動にも関連．

○自転速度変動の研究
＊いろいろな周期変動
　→ 図示
　→ これらは，大気の運動によってほぼ100％説明可能

＊数十年のスケールの不規則変動
　→ 図示
　→「うるう秒」との関連．→ 図示
　→ 原因は地球内部にあると考えられる．

＊永年減速
　→ 図示
　→ 理論：海洋潮汐の摩擦による減速（計算は難しい）
　→ 観測：古代日月食の記述から．→ 相馬さんの話へ．
　　　　　 サンゴの化石などから　→ 図示