地轴进动,是指地轴绕
黄轴的圆锥形运动。南北
天极在天球上的移动,反映了
地轴在
宇宙空间的运动。“
进动”一词,原是物理学的术语,是指转动物体的
转动轴环绕另一根轴的圆锥形运动。
简介
南北天极在天球上的移动,反映了
地轴在
宇宙空间的运动,
模板化叫地轴进动。“
进动”一词,原是物理学的术语,是指转动物体的
转动轴环绕另一根轴的圆锥形运动。地轴进动是指地轴绕黄轴的圆锥形运动。我国
古代天文学文献中,有一个词义截然相反的名称,叫
交点退行。二者指的是同一事物。地轴进动的具体情况,可以归纳为如下几条:
——圆锥形运动的圆锥轴线,垂直于地球轨道平面,指向
黄极。
——进动的方向向西,同
地球自转(和公转)方向相反。“退行”就是这个意思。
——进动的速度是每年50.29〃,周期为25 800年。
玩具陀螺是这种运动的一个生动实例。陀螺旋转时有保持轴线方向不变的特性。如果我们把旋转着的陀螺轻轻地推一下,使陀螺的自转轴倾斜,这时,重力产生的力矩,有使陀螺倒向地面的作用。但由于陀螺在旋转,它并不倒向地面,而是在重力作用下产生进动:它的
旋转轴会绕铅直线缓慢地摇晃,并在空间画出一个
圆锥面,进动方向与
自转方向相同。随着陀螺旋转速度减慢,到一定时候,重力的作用才使陀螺倒地。
地轴进动的原理与陀螺的进动相同。它的发生同地球的形状、黄赤交角和地球自转有关:
——地球是一个明显的
扁球体,它的赤道部分由于自转的惯心
离心力的作用,形成环形隆起。月球和太阳对赤道隆起产生附加的引力。
——由于黄赤交角(以及
黄白交角)的存在,使月球和太阳经常在
赤道平面以外对赤道隆起施加引力。月球对两部分赤道隆起施加引力,以地心为中心,分别产生力矩M1(向月部分)和M2(背月部分)。力矩M1的作用,是把赤道面“拉”回到
黄道面,或使地轴垂直于黄道面;力矩M2的作用,则使地轴倒向黄道面。但因距离的不同,向月一侧的引力,要大于背月一侧的引力,因而 M1>M2,合力矩 M1-M2为正。如果没有其它方面原因,合力矩最终会使地轴趋近黄轴,或使赤道面重合于黄道面。
——由于地球的自转,合力矩的作用使地球产生了进动。与陀螺的进动相比,地球所受的合力矩与陀螺所受重力矩的方向相反。因此,二者进动的方向相反:
陀螺进动方向与其旋转方向相同;而地轴进动方向与地球自转方向相反,即向西。按物理学术语,转动物体受到垂直于其自转轴的外力矩作用时,其自转轴便向外力矩的
正方向靠拢。按
右手螺旋法则,这个方向垂直于纸面向外。
原理
地轴进动的原理与陀螺的进动类似。它的发生同
地球形状、
黄赤交角和
地球自转有关。地球具有
椭球体的形状,即两极稍扁,赤道略鼓
月球和太阳对在
赤道面鼓的部分施加引力,同时地球又在自转,这样便产生了岁差。
假如把地球分为三部分,中间的圆球部分
质量中心在地球中心O,而C1和C2是赤道上多余物质的质量中心,为了讨论简化,假定月球位于黄道上,显然,月球对较近部分C1的吸引力P1比对较远部分C2的吸引力P2要大些,P1将产生一个以O为中心的力矩M1,它使地轴和黄轴相重合;P2也产生一个力矩M2,它使地轴
倒向黄道面。
但是因为P1大于P2,并且OC1=OC2,所以M1大于M2,如果地球没有自转运动,则这个合力矩就使地轴和黄轴重合,然而,地球是具有自转运动的,那么,这个合力矩就使地轴朝着垂直于合力矩的方向移动,如图1,地轴产生
顺时针的移动。这种现象可以从一个侧身旋转的陀螺观察到,它在
地心引力的作用下产生合力矩,使其轴线围绕着垂直于地面的直线画出一个
圆锥体的表面,地轴的这种运动,称为地轴的
进动。 不仅月球对地球的作用力矩使地轴发生进动,同样,太阳对地球的作用力矩也会使地轴发生进动。但是,因为月球离地球比太阳离地球近得多,所以在地轴进动上,月球的引力作用要比太阳大得多。理论上,其他行星也都应对地球有作用力矩,但是,因为它们离地球较远,质量又较小,以致使它们的作用力矩在实际上对地轴的进动不起任何作用。因此,可以得出结论:地轴的进动首先是月球,其次是太阳对地球
赤道隆起部分产生的力矩造成的,没有地球的自转运动,地轴进动也是
不可能发生的。因此,地轴进动又是地球自转的证据之一。
地轴进动的周期
地轴的延长线指向
天极,由于地轴的进动,天极和
天赤道在恒星间的位置不停地发生改变,天赤道与黄道的交点──
二分点将不停地按
顺时针方向沿着黄道向西移动,中心是黄北极,天北极以23°26′为半径按顺时针方向围绕黄北极转动。假定黄道在恒星间的位置不改变,当天北极在P1的位置时,天赤道和黄道交于g1和W1两点,g1有标出;当它在P2位置时,相交于g2和W2两点,g2也已标出。就是说,由于天北极的移动,
春分点从g1移到g2,
秋分点从W1移到W2,弧g1g2的数值为50″.42,称为
日月岁差。
行星的引力作用对地轴进动不起任何作用,但是,它们对地球的公转运动有
摄动的影响,使地球
轨道平面即黄道面的位置有所改变,这也会使春分点的位置发生移动,这叫
行星岁差,它的数值仅有0″.13,而且移动方向是向东的。在日月岁差50″.42中减去行星岁差0″.13剩下的50″.29是春分点每年向西移动的数值,称为周年
总岁差。
春分点和秋分点每年沿黄道西移50″.29,大约71年多一点向西移动一度,或者需要经过约25 800年在黄道上移动一周,这个周期就是地轴进动的周期。
公元330年前后,晋朝
虞喜发现岁差,测定
冬至点每50年西移1°,它的发现虽然晚于希腊天文学家
喜帕恰斯于公元前125年的发现,但却比他估计春分点每100年西移1°要精确。隋朝
刘焯确定岁差为75年西移1°,更接近于实际数值,而当时西方仍有用喜帕恰斯的数值。
上面的讨论是假定月球在黄道平面上的简化情况,事实上,月球在
白道上运行,
黄白交角平均为5°9′,也就是说,月球经常位于黄道的上面或者下面,这就使得岁差现象变得复杂,由于这个原因,天北极在绕着黄北极转动时,不断在其平均位置的上下做周期性的微小摆动,
振幅约9″,这种微小摆动叫
章动,周期18.6年。
主要影响
地轴进动的后果
地轴进动首先造成天极的周期性圆运动。例如在
北半球看起来,天北极以黄北极为圆心,以23°26′为半径,自东向西作圆运动,它每年移动50″.29,25 800年完成一周。
地轴进动还造成
北极星的变迁,这是因为北极星就是天北极附近的亮星,它必然因为天北极的移动而有更替的现象,北极星在公元前3000年曾经是
天龙座a,目前是
小熊座a,到公元14 000年将是
天琴座a(
织女星),可以预计,天龙座a将在公元22 800年再度成为北极星,公元27 800年时的小熊a同天北极的关系将同目前一样。今天,天南极附近没有明亮的恒星,但是到公元16 000年时,
船底座a(
老人星)则将成为明亮的
南极星。
地轴的进动还造成地球赤道平面和天赤道的
空间位置的系统性变化,这是因为地球赤道平面永远垂直于地轴,当然随着地轴进动而进动,周期同样是25800年。地轴进动还表现为二分点和
二至点在黄道上每年50″.29的速度向西移动,历经25 800年完成一周。这是因为二分点是黄道同天赤道的交点,二至点是黄道上距天赤道最远的两点,它们都随着天赤道的平面移动而移动。
地轴进动使得地球上的季节变化周期──回归年,稍短于太阳沿黄道运行一周的时间──恒星年,这是因为回归年的度量是以春分点为
参考点岁差因为春分点是第二赤道坐标和
黄道坐标系的原点,由于它向西移动,对于
赤道坐标系恒星的赤经和赤纬,都经常在改变着;对于黄道坐标系,只有恒星的黄经每年增加50″.29而
黄纬则不变。
区别方式
极移和岁差都是
地球自转轴的运动,但是,它们的
运动形式,运动周期和运动结果都根本不同,不能互相混淆。
极移是在不受
外力作用下,
自转轴在地球体内的自由摆动,
瞬时极P围绕着平均极Po运动,
运动轨迹很复杂,是一条弯曲的非闭合曲线,主要周期是近14个月的
张德勒周期。瞬时极P的运动实质上是一种
视运动,是地球本体相对于自转轴运动造成的,因此,极移不改变天极和天赤道在恒星间的位置,对天体的
赤道坐标和
黄道坐标没有影响,只能使
地理坐标产生微小的变化。
岁差是在外力矩作用下,自转轴的空间的受迫运动,天极围绕着
黄极,以23°26′为半径作
圆周运动,周期约为25 800年。天极的运动是真实的运动,使得天极、天赤道和春分点在恒星间的位置都不固定,结果造成回归年的长度短于恒星年,天体的赤经、
赤纬和
黄经都要受到影响,但却不能改变
地理经度和
地理纬度数值。