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人们最早是利用地球自转作为计量时间的基准。自20世纪以来，由于天文观测技术的发展，人们发现地球自转是不均匀的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用，地球自转中的各种变化相继被发现。天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化等特性。
地球存在绕自转轴自西向东的自转，平均角速度为每小时转动15°。在地球赤道上，自转的线速度是每秒465米。天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。但地球自转并不“老实”。
通过对月球、太阳和行星的观测资料和对月食、日食资料的分析，以及通过对古珊瑚化石的研究，可以得出有史以来地球自转的情况。在6亿多年前，地球上一年大约有424天，表明那时地球自转速率比现在快得多。在4亿年前，一年有约400天，2.8亿年前为390天。
研究表明，每经过100年，地球自转长期减慢近2毫秒（1毫秒＝千分之一秒），它主要是由潮汐摩擦引起的。除潮汐摩擦原因外，地球半径的可能变化、地球内部地核和地幔的耦合、地球表面物质分布的改变等也会引起地球自转长期变化。
地球自转速度除上述长期减慢外，还存在着时快时慢的不规则变化和周期性变化。周期性变化主要包括年周期、月周期、半月周期以及近周日和半周日等。年周期变化，表现为春天地球自转变慢，秋天地球自转加快，主要由风的季节性变化引起。半年变化主要由太阳潮汐作用引起。月周期和半月周期变化是由月亮潮汐力引起的。地球自转周日和半周日变化主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。
除去光芒四射的太阳，天空中最引人瞩目的就是月亮。月圆月缺，云中出没，即规律又神秘。月亮是离我们最近、看得也最清楚的天体；月亮有明显的规律性形状变化（月相），人们利用月相的规律来编制历法。
制定“月”的基本原则是月亮绕地球公转的一个周期——月圆、月缺、月圆。“年”的制定是地球绕太阳公转的回归，叫“回归年”，体现的是季节的循环回归。这样的“回归年”叫阳历。而与之相伴的阴历实际上也可以说是一种回归，只不过是把月亮的十二次回归记为一年罢了。总之，说的都是一种时间的轮回。
阴历也称为“回历”，流行于伊斯兰教国家，韩国及一些东南亚国家也有采用；阳历也称公历，目前世界上大多数国家，主要是天主教国家采用。我国的农历是结合“二十四节气”的公历，兼顾了太阳和月亮的周期，称为“阴阳历”。世界上也有使用佛历和希伯来纪年之类的和宗教有关的历法，不过，多数只是在民间流行。
阳历也就是“格里历”。我国自民国元年起采用阳历，对应原来使用的农历，阳历又称“新历”。阳历以地球绕太阳转一圈的时间定为一年，共365天5小时48分46秒。平年只计365天这个整数，不计尾数。每年所余的5小时48分46秒，直至四年约满一天，这一天就加在第四年的2月里，这一年叫闰年，所以闰年的2月有29天。
“一三五七八十腊，三十一天都不差。”这两句歌谣是用来帮助人们记忆一年中每个月的天数的。7个“大月”共计217天，365减去217剩下148天，按照最早的罗马历法，大月31天、小月30天，就只能有4个“小月”是30天，这样就有了一个“小小月”——2月，每年只有28天，闰年时加一天是29天。
阴历以月亮圆缺一次的时间为一个月，共29天半。为了算起来方便，大月定为30天，小月29天，一年12个月中，大小月大体上交替排列。阴历一年有365天左右，没有平年闰年的差别。阴历不考虑地球绕太阳的运行，因而使得四季的变化在阴历上就没有固定的体现，不能反映季节，这是一个很大的缺点。为了克服这个缺点，后来人们定了一个新历法，就是所谓阴阳历。
阴阳历也称农历，是我国自殷商时代起到1912年中华民国成立，数千年中一直沿用的一套历法。其主要特点是以月相盈缺来确定一“月”的终始，并通过设置“闰月”来保证年的平均周期接近地球公转的一个回归年。农历的一个平年是12个月，354天或355天；闰年则是13个月，383天或384天。
目前已知有记载的最早的农历是春秋战国至秦朝时期的“古六历”。由于其定义一回归年为365又1/4天，因此又称四分历。古六历之后，中国农历曾发生过一次比较大的变化，也称为农历的转折点，这就是西汉时期颁行的著名的“太初历”。“太初历”是公元前104年（太初元年）汉武帝下令定改的一套历法，也是现存最早有完整文字记载的历法。“太初历”之于古六历最大的改动是加入了二十四节气以定农时，并确定了以“夏历”正月为岁首（这也是现在的农历有时被称为“夏历”的原因）。同时由于二十四节气的加入，又有了在“无中气”的月份置闰的规定，使得农历的月份与四季的配合更为合理。再往后各朝各代虽然均有在时行历法的基础上进行修订，但大多都是在“太初历”的基础上修修补补，再无太大的改动。
二十四节气（图2.11）是中国古代订立的一种用来指导农事的补充历法，是在春秋战国时期形成的。由于中国农历是一种阴阳历，即根据太阳也根据月亮的运行制定的，因此不能完全反映太阳运行周期。但中国又是一个农业社会，农业需要严格了解太阳运行情况，农事完全根据太阳进行，所以在历法中又加入了单独反映太阳运行周期的“二十四节气”，用作确定闰月的标准。
二十四节气反映太阳的运动。图2.11中呈“倒S”形连接起来的“黑点”，就是所在节气太阳的地平高度。夏至最高，冬至最低，春分和秋分平分天球，所以太阳是严格地东升西落。
图2.11 二十四节气
二十四节气是根据太阳在黄道（即地球绕太阳公转的轨道）上的位置来划分的。视太阳从春分点（黄经零度，此刻太阳垂直照射赤道）出发，每前进15度为一个节气；运行一周360度又回到春分点，为一回归年，分为24个节气。