כדור הארץ משלים סיבוב אחד סביב עצמו כל 24 שעות בערך כאשר המדידה מתבצעת ביחס לשמש, אך ביחס לכוכבים רחוקים יותר הוא משלים סיבוב אחד כל 23 שעות, 56 דקות ו-4 שניות. מהירות הסיבוב של כדור הארץ קטנה עם הזמן, וכתוצאה מכך היממה הייתה קצרה יותר בעבר. ההאטה נובעת מהשפעות הגאות והשפל של הירח על סיבוב כדור הארץ. שעונים אטומיים מראים שהיממה המודרנית ארוכה יותר בכ-1.7 מילישניות מאורך היממה לפני מאה שנים. בהתאם לכך, מבוצעות התאמות במדד UTC באמצעות שימוש בשניות מעוברות. לפי רישומים אסטרונומיים היסטוריים, מאז המאה ה-8 לפני הספירה אורכה של היממה גדל בכ-2.3 מילישניות בכל מאה. מדענים דיווחו כי בשנת 2020 כדור הארץ התחיל להסתובב מהר יותר, לאחר האטה עקבית בעשורים שלפני כן.
היסטוריה.
בתקופת יוון העתיקה, חלק מהאסכולות הפיתגוראיות האמינו בסיבוב כדור הארץ יותר מאשר בסיבוב של השמים בשעות היום. דומה כי הראשון מביניהם היא פילולאוס (385–470 לפנה"ס), אך גישתו הייתה סבוכה וכללה סיבוב יומי המנוגד לתנועת כדור הארץ, סביב "אש מרכזית".
תמונה קונבנציונלית יותר הוצעה על ידי היקטס, הרלדיקס ואקפנטוס במאה ה-4 לפנה"ס. הם הניחו כי כדור הארץ מסתובב אבל לא טענו כי הוא מסתובב מסביב לשמש. במאה ה-3 לפנה"ס, אריסטרכוס מסאמוס דן במקומה המרכזי של השמש.
אולם, במאה ה-4 לפנה"ס ביקר אריסטו את רעיונותיו של פילולאוס, בהיותם מבוססים על תאוריה ולא על תצפית. אריסטו מיסד את הרעיון שלפיו קיימת ספירה של כוכבי שבת המסתובבים סביב כדור הארץ. רעיון זה היה מקובל על דעת רוב המשכילים בדורות הבאים, בפרט על ידי תלמי (המאה ה-2), אשר חשב כי כדור הארץ היה נהרס בידי סופות לו הסתובב בעצמו.
בשנת 499, האסטרונום ההודי אריאבהטה כתב כי הארץ הכדורית מסתובבת סביב הציר היומי שלה, וכי תנועת הכוכבים היא תנועה יחסית הנגרמת על ידי סיבוב הארץ. הוא טען לאנלוגיה הבאה: "כשם שאדם בסירה המתקדמת לכיוון אחד רואה את העצמים הדוממים על הגדה כאילו הם נעים לכיוון ההפוך, כך אדם בלנקה רואה את כוכבי השבת כאילו הם מתקדמים מערבה".
במאה ה-10, כמה אסטרונומים מוסלמים הסכימו לרעיון שלפיו כדור הארץ סובב סביב צירו. לפי אל-בירוני, היה זה אבו סייד אל-סיג'זי (נפטר בסביבות שנת 1020) שהמציא אצטרולב שנקרא "א-זוראקי", והיה מבוסס על הרעיון שרווח בקרב כמה מבני דורו שלפיו "התנועה שאנו רואים היא בגלל תנועת כדור הארץ ולא בגלל זו של השמים". על החדשנות של תפיסתו זו ניתן ללמוד מציטוט מהמאה ה-13: "לפי הגאומטריקנים [או המהנדסים] ("מוהנדיסין" במקור), הארץ מצויה בתנועה מעגלית קבועה, ומה שנראה לנו כתנועה של השמים הוא למעשה תנועה של הארץ ולא של הכוכבים".
אי אילו חיבורים נכתבו על מנת לדון בהיתכנות תפיסה זו, כניסיונות להפריך או להביע ספקות בטיעוניו של תלמי כנגדה. במצפי הכוכבים במראגה ובסמרקנד, סיבוב כדור הארץ נידון בידי טוסי (נולד ב-1201) וקושג'י (נולד ב-1403). הטיעונים שבהם השתמשו, וההוכחות שהביאו, דומים לאלו שהובאו לימים על ידי קופרניקוס.
באירופה של ימי הביניים, תומאס אקווינס קיבל את השקפתו של אריסטו. כך גם ז'אן בורידן וניקול אוראם במאה ה-14, אם כי לא בהתלהבות יתרה. עם זאת, רק כאשר אימץ ניקולאוס קופרניקוס את המודל ההליוצנטרי ב-1543, החלה להתבסס ההבנה של סיבוב כדור הארץ. קופרניקוס הראה כי אם תנועת כדור הארץ היא חדה ומשמעותית, הרי שגם תנועת הכוכבים היא כזו במידה רבה. הוא הוקיר את תרומתם של הפיתגוראים והציג דוגמאות של תנועה יחסית. עבור קופרניקוס, היה זה הצעד הראשון בבנייתה של תבנית פשוטה שבה כוכבי לכת סובבים סביב שמש מרכזית.
טיכו ברהה, אשר השיג תצפיות מדויקות (שעליהן ביסס קפלר את חוקי התנועה הפלנטרית), השתמש בעבודתו של קופרניקוס כבסיס למערכת המניחה קיומו של כדור ארץ סטציונרי. בשנת 1600, ויליאם גילברט תמך בחוזקה ברעיון של סיבוב כדור הארץ במסגרת חיבורו על המגנטיות של כדור הארץ, ובכך השפיע על רבים מבני דורו. אלה שלא תמכו במוצהר או דחו את הרעיון של תנועת הארץ מסביב לשמש, כונו בשם "סמי-קופרניאנים". כמאה שנים לאחר קופרניקוס, ריצ'יולי הטיל ספק במודל הארץ המסתובבת לאור מחסור בתצפיות ניסיוניות של הטיות מזרחה עבור גופים נופלים. הטיות שכאלה יכונו לימים כוח קוריוליס. ואמנם, תרומותיהם של קפלר, גלילאו וניוטון סייעו לצבירת תמיכה בתאוריה של סיבוב כדור הארץ.
בחינות אמפיריות.
סיבוב כדור הארץ מצביע על כך שקו המשווה בולט בעוד שהקטבים הגאוגרפיים פחוסים. בחיבורו פרינקיפיה מתמטיקה חזה ניוטון שפחיסות זו תהיה ביחס של 1:230, כשהוא מסתמך על מדידות מטוטלת שבוצעו על ידי ריצ'ר ב-1673 כאישוש לשינוי בכבידה, אף כי מדידות ראשוניות של אורכי מרידיאן על ידי פיקאר וקאסיני בסוף המאה ה-17 הוכיחו בדיוק את ההפך. עם זאת, מדידות שביצעו מופרטואה והמשלחת הגאודזית הצרפתית בשנות ה-30 של המאה ה-18, הוכיחו כי כדור הארץ פחוס, ובכך אוששו תפיסותיהם של ניוטון וקופרניקוס.
אם נצמיד מערכת ייחוס מסתובבת ומאיצה לכדור הארץ, נראה כי גוף המבצע תנועה חופשית ינוע לאורך מסלול החורג מזה המצופה במקרה של מערכת יחוס מקובעת. הדבר מיוחס לאפקט קוריוליס, הגורם להסטה מזרחה של גופים נופלים ביחס לאנך הנפרש מתחת לנקודת תחילת התנועה שלהם. מאותה הסיבה, קליעים הנורים לכיוון דרום יסטו ימינה ביחס לכיוון שיגורם וקליעים הנורים לכיוון צפון יסטו שמאלה. אפקט קוריוליס נצפה לרוב בקנה מידה מטאורולוגי, שבו הוא אחראי על הכיוונים ההפוכים של סופות טורנדו בחצי הכדור הצפוני או הדרומי (נגד כיוון השעון ועם כיוון השעון, בהתאמה).
רוברט הוק ניסה אף הוא לאשש את הסטייה מזרחה של גוף הנופל מגובה של 8.2 מטרים, וכשל בכך. זאת בעקבות הצעתו של ניוטון משנת 1679. רק בסוף המאה ה-18 ובתחילת המאה ה-19 התקבלו תוצאות חד משמעיות במסגרת מדידות שערכו ג'ובאני בטיסטה גולילמיני בבולוניה, פרידריך בנצנברג בהמבורג ופרדיננד רייך בפרייבורג. השלושה השתמשו במגדלים גבוהים יותר שמהם הפילו את הגופים, ושחררו אותם בזהירות רבה יותר. כך למשל הם מדדו כי כדור שנפל מגובה 158.5 מטרים חרג בשיעור של 27.4 מילימטר מהאנך, בהשוואה לתוצאה מחושבת של 28.1 מילימטר - כלומר, בדיוק גבוה למדי.
הבחינה המפורסמת ביותר של סיבוב כדור הארץ היא בניסוי מטוטלת פוקו, שיזם לראשונה הפיזיקאי לאון פוקו ב-1851. מערכת הניסוי הורכבה מכדור פליז ממולא בעופרת שנתלה מהגג של הפנתאון של פריז. לנוכח סיבוב כדור הארץ מתחת למטוטלת המתנודדת, מישור התנודות של המטוטלת משתנה בעצמו בקצב שתלוי בתורו בקו הרוחב שבו הניסוי מתרחש. כך למשל, בקו הרוחב של פריז נחזה ונצפה כי שיעור ההסטה עומד על 11 מעלות (עם סיבוב השעון) לשעה. מטוטלות פוקו שכאלה מוצבות גם במוזיאונים ברחבי העולם.
מחזורי סיבוב.
יממה שמשית.
יממה שמשית נמדדת על פי זמן הסיבוב העצמי של כדור הארץ ביחס לשמש, כלומר הזמן שעובר בין שתי צהירות רצופות של השמש. מדידית הזמן תלויה במסלול התנועה של כדור הארץ ולכן מושפעת משינויים באקסצנטריות המסלול ובנטייתו. שני הפרמטרים הללו משתנים בתקופות זמן של אלפי שנים, וכתוצאה מכך קיים גם שינוי שנתי ביממה השמשית.
בדרך כלל, יממה שמשית ארוכה יותר מהיממה השמשית הממוצעת בשתי תקופות בשנה, וקצרה יותר בשתי התקופות הנותרות. היממה השמשית נוטה להיות ארוכה יותר כאשר השמש נמצאת בפריהליון, ונעה לאורך מישור המילקה בזווית גדולה מהרגיל. בתקופה הזו היממה השמשית מתארכת בכ-10 שניות. לעומת זאת, כאשר השמש נמצאת באפהליון, היממה השמשית מתקצרת בכ-10 שניות. נקודות ההיפוך הן נקודות הזמן שבהן היממה היא הארוכה ביותר, כאשר השמש נעה בזווית גדולה מהרגיל ביחס לקו המשווה השמימי. לעומת זאת, בזמן נקודת השוויון, היממה השמשית קצרה בכ-20 שניות.
שילוב של כמה מן הגורמים המצוינים מעלה גורם לכך שבתקופות שונות של השנה אורך היממה השמשית משתנה. ב-22 בדצמבר, השילוב של מיקום השמש בפריהליון עם נקודת ההיפוך גורם להתארכות היממה בכ-30 שניות במצטבר. בנקודת ההיפוך השנייה - בסביבות 19 ביוני, השמש נמצאת באפהליון, ולכן האפקט מתבטל חלקית והיממה ארוכה ב-13 שניות בלבד. ההשפעה של נקודות השוויון באה לידי ביטוי ב-26 במרץ וב-16 בספטמבר, כאשר היממה השמשית מתקצרת בכ-20 שניות.
יממה שמשית ממוצעת.
יממה שמשית ממוצעת מוגדרת לפי האורך הממוצע של היממה השמשית האמיתית במהלך שנה שלמה, והיא שווה ל-86400 שניות שמש. כל שניית שמש ארוכה במקצת משניית SI, מכיוון שבעקבות תופעות גאות ושפל יממת השמש הממוצעת הנוכחית ארוכה יותר מאורכה של יממת שמש במהלך המאה ה-19 - שבה נקבע גודלן של יחידות המידה הסטנדרטיות. בשנת 1972 הוצע השימוש בשניות מעוברות לקביעת אורכה של יממה שמשית, ומאז אורכה של היממה השמשית ארוך בכ-2 מילישניות מ-86400 שניות SI.
בשנת 1895 בחר את אורך השנייה השמשית הממוצעת בין 1750 ל-1892 להיות יחידת הזמן שבה השתמש בטבלאות השמש שלו. הטבלאות הללו שימשו לחישוב האפמרידים בעולם בין השנים 1900 ו-1983, ולכן השנייה הזו נודעה גם בשם "שניית האפמריס". בשנת 1967 שניית ה-SI השתוותה לשניית האפמריס.
יממה כוכבית ויממה צדדית.