第六章极移

实际观测到的张德勒摆动就是欧拉所预 言的自由摆动。但因地球不是一个绝对刚体， 言的自由摆动。但因地球不是一个绝对刚体， 所以张德勒摆动的周期比欧拉 欧拉所预言的周期 所以张德勒摆动的周期比欧拉所预言的周期 约长40％。 ％。张德勒摆动的振幅大约在 约长 ％。张德勒摆动的振幅大约在 0.06″～0.25″之间缓慢变化，其周期的变化 之间缓慢变化， ～ 之间缓慢变化 范围约为410～440天。极移的另一种主要成 范围约为 ～ 天 分是周年受迫摆动，其振幅约为0.09″，相 分是周年受迫摆动，其振幅约为 ， 对来说比较稳定， 对来说比较稳定，主要由于大气和两极冰雪 的季节性变化所引起。 的季节性变化所引起。 将极移中的周期成分除去以后， 将极移中的周期成分除去以后，可以得 到长期极移。 到长期极移。长期极移的平均速度约为 0.003″／年，方向大致在西经 °左右。 方向大致在西经70°左右。 ／
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• 极移产生原因：地球内部物质不均匀性，不规 极移产生原因：地球内部物质不均匀性，
则椭球体造成。 则椭球体造成。
极移特征：南北两极在地面上的移动，极 移范围不超过±0.″4，15米 极移周期：包括14个月的周期，1年为周期 的受迫摆动（主要成分） 结果：各地经纬度变化，不造成天北极在 天球上的变化。
2、地极坐标的推算 、 （1）平均纬度和平均极 ）
地极坐标（ x , y ）由下式求解 ∆ ϕ = ϕ − ϕ 0 = x cos λ + y sin λ 式中 ϕ 为某一历元的纬度值
ϕ 0为平均纬度
（2）国际习用原点（CIO） ）国际习用原点（
国际天文学联合会和大地测量学协会在1960 国际天文学联合会和大地测量学协会在 建议，采用国际上5个纬度服务站 个纬度服务站， 建议，采用国际上 个纬度服务站，以1900-1905 年的平均纬度所确定的平均地极位置作为基准点， 年的平均纬度所确定的平均地极位置作为基准点， 平极的位置是相应上述期间地球自转轴的平均位 置，通常称为国际协议原点（Conventional 通常称为国际协议原点（ 国际协议原点 International Origin——CIO）。与之相应的地 ）。与之相应的地 ）。 球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。 球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。至今仍采 作为协议地极（ 用CIO作为协议地极（conventional Terrestrial 作为协议地极 Pole——CTP），以协议地极为基准点的地球坐 ），以协议地极为基准点的地球坐 ）， 标系称为协议地球坐标系 协议地球坐标系（ 标系称为协议地球坐标系（Conventional Terrestrial System——CTS），而与瞬时极相应 ），而与瞬时极相应 ）， 的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。 的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。
2、极移引起的经度变化 、
极移分量（x, y）引起地方恒星时的变化为： ∆S = ( x sin λ − y cos λ ) tan ϕ 极移分量（x, y）引起经度的变化为： ∆S = ( x sin λ − y cos λ ) tan ϕ
6.3、地极坐标及其解算
1、地极坐标 、 通过地面上的平极做一切平面， 通过地面上的平极做一切平面，在此 平面内以平极为原点， 平面内以平极为原点，将格林尼治子午线 的方向取为x轴 沿格林尼治以西90度的子 的方向取为 轴，沿格林尼治以西 度的子 午线取为y轴的正向 轴的正向。 午线取为 轴的正向。瞬时极在此坐标系中 的坐标(x,y)称为地极坐标。 称为地极坐标。 的坐标 称为地极坐标 地极坐标随时间而变化， 地极坐标随时间而变化，这种变化反 映了地极移动。 映了地极移动。
图四、 图四、 极移与岁差的比较 极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化； 极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化； 进动造成天极的移动， 进动造成天极的移动，不涉及地极在地面上的位置的变化
6.2、 6.2、极移与地理坐标的变化
1、极移引起纬度和方位角的变化 、
极移分量（x, y）与纬度变化∆ϕ的关系 ∆ϕ = x cos λ + y sin λ ∆A = x sin λ − y cos λ ) sec ϕ （ (6 − 1) ( 6 − 2) 极移分量（x, y）与方位角变化∆A的关系
6.6、国际极移服务
为了适应天文、大地测量、地球物理、 为了适应天文、大地测量、地球物理、 空间科学等方面的需要， 空间科学等方面的需要，用天文学的方法系 统地测定和提供地极坐标的工作。目前,国 统地测定和提供地极坐标的工作。目前 国 际上进行极移服务的机构有:国际纬度服务 际上进行极移服务的机构有 国际纬度服务 (ILS)、国际极移服务 、国际极移服务(IPMS)、国际时间局 、 (BIH)、达尔格伦地极监视服务 、达尔格伦地极监视服务(DPMS)、苏 、 联标准时刻(ЭВ)、中国极移服务等。 联标准时刻 、中国极移服务等。
4、地极坐标推算 、
将6 − 1式修正为∆ϕ = x cos λ + y sin λ + Z 这样，推算x, y, z的误差方程式为： ∆ϕi = x cos λi + y sin λi + Z 按最小二乘法，组成三个法方程： [cos λ ]x + [sin λ ]y + nZ = [∆ϕ ]
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（3）我国目Biblioteka Baidu所采用的地面极 ）
中国极移服务工作开始于1964年，主要是由天 年 中国极移服务工作开始于 津纬度站提供相对于历元平极的地极坐标。 津纬度站提供相对于历元平极的地极坐标。1971 年后继续综合天津纬度站、上海天文台、 年后继续综合天津纬度站、上海天文台、北京天 文台、测量与地球物理研究所武昌时辰站、 文台、测量与地球物理研究所武昌时辰站、陕西 天文台、 天文台、云南天文台的纬度观测资料计算地极坐 提供相对于历元平极的地极坐标。 标，提供相对于历元平极的地极坐标。1977年后 年后 年的瞬时极为地极坐标原点， ，取1968.0年的瞬时极为地极坐标原点，利用国 年的瞬时极为地极坐标原点 内外的测纬资料联合解算对于该原点的地极坐标 ，这就是极原点系统 (JYD)。它提供 。它提供1949.0年以 年以 来的每五天的地极坐标值，误差在1米左右 米左右。 来的每五天的地极坐标值，误差在 米左右。
6.1、 极移的基本概念 、
地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的 相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置 相对位置变化， 随时间而变化，这种现象称为极移。 随时间而变化，这种现象称为极移。 极移 1765年，欧拉最先从力学上预言了极移的存 年 在。1888年，德国的屈斯特纳从纬度变化的观测 年 中发现了极移。极移的振幅约为±0.4角秒，相当 中发现了极移。极移的振幅约为± 角秒， 角秒 于在地面上一个12× 平方米范围 平方米范围。 于在地面上一个 ×12平方米范围。 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极 某段时间内地极的平均位置称为平极 平极。 ，某段时间内地极的平均位置称为平极。地球极 点的变化，导致地面点的纬度发生变化。 点的变化，导致地面点的纬度发生变化。
图一 、极移与纬度变化的关系
图二、 图二、1964--1968极移曲线 极移曲线
图三、 图三、1900-1998年极移曲线 年极移曲线
从上一章我们知道地球自转轴在空间的运动 地球的极半径约比赤道半径短1／ 地球的极半径约比赤道半径短 ／300，同时地球 ， 自转的赤道面、 自转的赤道面、地球绕太阳公转的黄道面和月球 绕地球公转的白道面，这三者并不在一个平面内。 绕地球公转的白道面，这三者并不在一个平面内。 由于这些因素，在月球、 由于这些因素，在月球、太阳和行星的引力作用 使地球自转轴在空间产生了复杂的运动。 下，使地球自转轴在空间产生了复杂的运动。这 种运动通常称为岁差和章动。 种运动通常称为岁差和章动。岁差运动表现为地 球自转轴围绕黄道轴旋转， 球自转轴围绕黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆 锥面， 万年。 锥面，绕行一周约需 2.6万年。章动是叠加在岁 万年 差运动上的许多复杂的周期运动。 差运动上的许多复杂的周期运动。
1、国际纬度服务 、
测定纬度变化、研究极移并提供地极坐标的 测定纬度变化、研究极移并提供地极坐标的 极移 国际组织,简称 简称ILS。它包括国际纬度服务中央局 国际组织 简称 。 和几个国际纬度站。 和几个国际纬度站。 ILS成立于 成立于1895年，1899年开始工作 。它的 年 年开始工作 成立于 优点是：参加的台站都位于北纬39° ， 优点是：参加的台站都位于北纬 °08，配备同 样的仪器,采用相同的观测方法 观测相同的恒星, 采用相同的观测方法,观测相同的恒星 样的仪器 采用相同的观测方法 观测相同的恒星 从而消除了各台站的公共非极变化的影响。 从而消除了各台站的公共非极变化的影响。它提 供了研究极移的宝贵资料。它的缺点是：台站少， 供了研究极移的宝贵资料。它的缺点是：台站少， 非极变化影响太大，处理方法前后不统一， 非极变化影响太大，处理方法前后不统一，发表 结果太慢，精度不高。 结果太慢，精度不高。成立以来的工作结果发表 国际纬度服务成果》各卷里， 在《国际纬度服务成果》各卷里，其中包括各个 时期ILS所定的地极坐标，误差在 米以上。 所定的地极坐标， 米以上。 时期 所定的地极坐标 误差在1米以上
[cos λ ]x + [sin λ cos λ ]y + [cos λ ]Z = [∆ϕ cos λ ] [sin λ cos λ ]x + [sin λ ]y + [sin λ ]Z = [∆ϕ sin λ ]
解算上述法方程即可求得x,y,Z 解算上述法方程即可求得
6.4、极移的成分 、
地球自转轴对于地球本体的运动 地球自转轴 在地球本体上的位置是经常在变动的， 在地球本体上的位置是经常在变动的，这种变动 称为地极移动，简称极移。 欧拉证明， 称为地极移动，简称极移。1765年L.欧拉证明， 年 欧拉证明 如果没有外力的作用， 如果没有外力的作用，刚体地球的自转轴将围绕 周期为305恒星日 1888年 恒星日。 形状轴作自由摆动 ，周期为305恒星日。1888年 人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在。 人们才从纬度变化的观测中证实了极移的存在。 张德勒进一步指出， 1891年美国的S.C.张德勒进一步指出，极移包括 年美国的 张德勒进一步指出 两种主要周期成分：一种是周期约14个月的自由 两种主要周期成分：一种是周期约 个月的自由 摆动，又称张德勒摆动；另一种是周期为12个月 摆动，又称张德勒摆动；另一种是周期为 个月 的受迫摆动。 的受迫摆动。
6.5、测定极移的技术
由于极移，使地面上各点的纬度、 由于极移，使地面上各点的纬度、经度会发 生变化。1899年成立了国际纬度服务，组织全球 生变化。 年成立了国际纬度服务， 年成立了国际纬度服务 的光学天文望远镜专门从事纬度观测，测定极移。 的光学天文望远镜专门从事纬度观测，测定极移。 随着观测技术的发展， 随着观测技术的发展，从二十世纪六十年代后期 开始，国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、 开始，国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、 激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全 激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、 球定位系统测定极移， 球定位系统测定极移，测定的精度有了数量级的 提高。 提高。
ILS各个纬度站使用物镜为 各个纬度站使用物镜为110毫米的 各个纬度站使用物镜为 毫米的 天顶仪，按统一的观测纲要连续地测定纬度。 天顶仪，按统一的观测纲要连续地测定纬度。 由中央局汇总资料，统一计算处理， 由中央局汇总资料，统一计算处理，求出地 极坐标值，然后发表。因为观测相同的恒星， 极坐标值，然后发表。因为观测相同的恒星， 有关恒星位置的误差对各站的纬度的影响是 相同的， 相同的，所以对地极坐标的观测结果不会产 生影响，这是ILS的一个主要优点 ILS的工 的一个主要优点。 生影响，这是ILS的一个主要优点。ILS的工 作有连续八十年的历史，为大地测量、天文、 作有连续八十年的历史，为大地测量、天文、 地球物理等学科提供了宝贵的资料。 地球物理等学科提供了宝贵的资料。1899年 年 以来的详细的工作结果发表在《 以来的详细的工作结果发表在《国际纬度服 务成果》 卷上。 务成果》第1～11卷上。1962年以后的详细 ～ 卷上 年以后的详细 的工作结果发表在IPMS年报上。 年报上。 的工作结果发表在 年报上