地球公转和自转的原理
通过对月球、太阳和行星的观测数据，对古代月食和日食的分析，对古代珊瑚化石的研究，可以得到地质时期地球的自转。6亿多年前，地球上一年大约有424天，说明当时的地球自转速度比现在快得多。4亿年前，一年大约有400天，而2.8亿年前是390天。研究表明，每过一百年，地球自转变慢近2毫秒(1毫秒=千分之一秒)，这主要是潮汐摩擦造成的。此外，由于潮汐摩擦，地球自转的角动量变小，导致月球以每年3 ~ 4厘米的速度远离地球，使月球绕地球公转的周期变长。除了潮汐摩擦，地球半径可能的变化、地球内部地核与地幔的耦合以及地球表面物质分布的变化也会引起地球自转的长期变化。
除了上述的长期减速，地球自转速度也有无规律的变化，这也可以通过天文观测数据的分析来证实。其中，以近十年甚至几十年为周期的所谓“十年尺度”变化和以2-7年为周期的所谓“年际变化”研究得较多。十年尺度变化的幅度可以达到3毫秒左右，这种变化的真实机制还不清楚，最可能的原因是地核和地幔之间的耦合。年际变化范围为0.2 ~ 0.3毫秒，相当于十年尺度变化范围的十分之一。这种年际变化与厄尔尼诺事件期间赤道东太平洋海水温度的异常变化相当一致，可能与全球大气环流有关。然而，这种一致性的真正原因目前正在进一步探索阶段。此外，地球自转的不规则变化还包括几天到几个月的周期性变化，这种变化的幅度约为1毫秒。
地球自转的周期性变化主要有年周期、月周期、半月周期和近周日、半周日周期。年周期变化，也称为季节变化，发现于20世纪30年代。说明地球自转春季变慢，秋季加快，有半年的周期变化。年变化幅度为20～25 ms，主要由风的季节变化引起。半年变化的幅度为8～9毫秒，主要是由太阳潮汐作用引起的。此外，月周期和半月周期的振幅约为1毫秒，这是由月球的引潮力引起的。地球自转的周日和半日潮变化是最近十年才被发现和证实的，振幅只有0.1毫秒左右，主要是由月球的周日和半日潮引起的。
地球革命
1543年，波兰著名天文学家哥白尼在其著作《天体运行论》中首次提出了地球自转和公转的概念。地球公转轨道为椭圆形，公转轨道半长直径为149597870 km，轨道偏心率为0.0167，平均公转轨道速度为每秒29.79 km。公转轨道面(黄道面)与地球赤道面的夹角为23° 27′，称为黄道角。地球的自转产生了地球上的日变化，地球的公转和黄赤交角的存在造成了四季的交替。
从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄道和赤道在天球上有两个交点，相距180。其中，太阳沿黄道由南向北穿过天球赤道的点称为春分点，另一个距离春分点180的点称为秋分点。对于生活在北半球的人来说，当太阳分别经过春分和秋分时，就意味着已经是春天或秋天了。太阳通过春分点到达最北端的点称为夏季至日，相差180的另一点称为冬季至日。每年6月22日左右和2月22日左右，太阳经过夏季至日和冬季至日。同样，对于生活在北半球的人来说，当太阳靠近夏季至日和冬季至日时，就进入了天文意义上的夏冬季节。以上情况对于生活在南半球的人来说正好相反。
极地运动
极移，简称极移，是地球自转轴在地球本身的运动。1765年，欧拉第一次用力学方法预言了极移的存在。1888年，Kuestner从纬度变化的观测中发现了极移。美国天文学家张德乐在1891中指出，极移由两个主要的周期分量组成:一个是年周期，另一个是近14个月的周期，称为张德乐周期。前者主要是由于大气的周年运动引起的地球的强迫摆动，后者是由于地球的非刚体引起的地球的自由摆动。极移的幅度约为0.4角秒，相当于地面上12×12平方米的范围。
由于极移，地面上每一点的经纬度都会发生变化。1899年，国际纬度服务机构成立，组织世界各地的光学天文望远镜，专门从事纬度观测和极移测定。随着观测技术的发展，从20世纪60年代后期开始，国际上开始了卫星多普勒观测、激光测月、激光卫星测量、甚长基线干涉测量、全球定位系统(GPS)等，测量精度提高了几个数量级。
根据近百年的天文观测数据，发现极移包含了各种复杂的运动。除了上述周年周期和钱德勒周期，长期极移还有各种短周期极移，周月，半个月，一天左右。其中，长期极移表现为地球极点以每年3.3 ~ 3.5毫角秒的速度向西经约70 ~ 80°方向运动。主要是北美、格陵兰岛、北欧冰盖融化导致的冰期后地壳反弹，导致地球转动惯量的变化。其他周期性极移主要与太阳和月亮的潮汐作用以及大气和海洋的作用有关。
岁差和章动
在外力的作用下，地球自转轴在空间的方向并不保持固定的方向，而是不断变化的。其中，地轴的长期运动称为岁差，而周期性运动称为章动。岁差和章动引起天极和春分点相对于恒星位置的变化。公元前二世纪，古希腊天文学家希帕克斯在编制包含1022颗恒星的星表时，首次发现了岁差现象。中国晋代天文学家于根据对冬至上恒星凌日的观测，独立发现了岁差现象。据《宋史》记载，“于:‘尧有短星于冬，而今二千七百余年前，在东墙，一年不如一年，可知何处矣’”。这就是岁差这个术语的由来。
牛顿第一个指出岁差的原因是太阳和月亮对地球赤道隆起的吸引力。在太阳和月亮的引力作用下，地球自转轴在太空中围绕黄极描绘出一个圆锥面，大约需要26000年，圆锥面的半径大约为23。这种由太阳和月亮引起的地轴的长期运动称为日月岁差。除了太阳和月亮的引力，地球还受到太阳系其他行星的引力，这就造成了地球运动的轨道平面即黄道平面的位置不断变化，从而使春分点沿着赤道有一个小的位移，这就是所谓的行星岁差。行星年龄差使春分每年沿赤道向东推进约0.13弧秒。
而地球自转轴在太空中围绕黄极做岁差运动的同时，伴随着许多短周期的变化。英国天文学家布拉德利在分析了1748年20年的星位观测数据后，发现了章动现象。月球轨道平面(白平面)位置的变化是章动的主要原因。目前天文学家分析出章动周期多达263个，其中主章动周期即18.6章动项是振幅最大的一个，主要是白道运动导致白道上升交点沿黄道向西移动，转一圈大约需要18.6年。因此，月球对地球的引力作用也有同样的周期性变化。在天球上，表明天极绕黄极岁差运动，也绕其平均位置运动，周期为18.6年。同样，太阳对地球的引力作用也是周期性变化的，引起相应周期的章动。