歲差
歲差,又稱進動,指的是某一天體的自轉軸在其他天體引力的作用下,相對于空間中的慣性坐標系所發生的緩慢且連續的變化。具體而言,對于地球而言,主要是太陽、月亮以及其他行星的引力作用,導致地球自轉軸的方向和位置發生微小但持續的改變。
歷史發現 編輯本段
西方發現:公元前129年,古希臘天文學家、西方古代天文學的創始人喜帕恰斯,通過比較他觀測到的星表與前人的星表,首次發現了歲差現象。公元前273年,古希臘天文學家提摩卡里斯測得室女座星的黃經值為172°,而喜帕恰斯在129年測得該星的黃經值是174°,由此他斷定,此星在144年內相對于春分點移動了2°,而且移動的方向是逆行的。這顆星在1950年測得的黃經值是203°08′,即在2222年內移動了31°,每年平均50.2”。喜帕恰斯稱黃經增加的這一現象為歲差,并解釋為恒星天球圍繞對于恒星是固定的黃極有一種順向轉動。
東方發現:4世紀時,中國晉代天文學家虞喜在分析古星圖和星空時,也發現了星星位置的偏移,進而發現了歲差現象。他定出冬至點每50年后退1°。《宋史·律歷志》記載:“虞喜云:‘堯時冬至日短星昴,今二千七百余年,乃東壁中,則知每歲漸差之所至。’”歲差這個名詞也由此而來。
分類成因 編輯本段
歲差主要包括赤道歲差、行星歲差、黃道歲差和總歲差四種類型,其成因均與天體間的引力作用密切相關。
赤道歲差:太陽和月亮對地球的引力作用,使地球自轉軸在空間繞北黃極順行旋轉,平均北天極也以同樣方向繞北黃極旋轉。這種現象被稱為赤道歲差。它使得春分點在固定黃道面上向西移動,速率達50.39"/年。
行星歲差:除日月對地球的引力外,還有其他行星對地球的引力作用。盡管這種引力很小,不足以改變地軸在空間的方向,但它能使地球繞日公轉不嚴格遵守開普勒定律,導致黃道面移動。這種由于行星引力的攝動作用而使黃道面產生的變化被稱為行星歲差。在行星歲差的影響下,黃赤交角緩慢地變小,每百年變小約47′′。
黃道歲差:由于行星的萬有引力,導致地月系質心繞日公轉平面(黃道面)發生變化,從而導致春分點在天球赤道上每年向東運動約0.1′′的現象稱為黃道歲差。黃道歲差使得春分點以12.5"/世紀的速率在固定的黃道面上西退,伴隨著黃赤交角以46.8"/世紀的速率減小。
總歲差:由日月歲差和行星歲差共同形成。其中日月歲差自東向西,速度為每年50′′.42,而行星歲差自西向東,速度為每年0′′.13。二者合起來叫總歲差。
現代解說 編輯本段
現在所采用的解說是后來哥白尼提出的:地軸的方向在空間不固定,但它與黃道所成的交角不變,其運動的軌跡是一圓錐,因而北天極在恒星天球上所行經的路線是一個黃緯為(90°-ε)的小圓。春分點以每年50.26〃的速度在黃道上西移,約26000年移動一周,這也就是北天極繞黃極運行的周期。
影響意義 編輯本段
對時間的影響:歲差本身不能改變半球接收的年入射輻射量,但會改變接收的時間。當某半球的夏季處于近日點時,這個半球就會經歷一個短熱的夏季和一個長而冷的遠日點冬季。一個世紀內季節可向前推進1.4天。近幾個世紀,歲差已經導致了北半球春季變冷、夏季和冬季開始時間的延遲。
對氣候的影響:歲差對地球氣候有重要影響。目前,地球處于近日點的時間是每年的1月,處于遠日點的時間則是每年的6月,這對地球的溫度有調節作用。但1萬年以后的地球可能會在6月份時到達近日點,而在1月份時到達遠日點。屆時,南北半球四季的溫度變化將走向極端,北半球越是冬天越冷,而南半球越是夏天就越熱。
對歷法的影響:普通意義上的一年是指地球兩次經過春分點的時間間隔,稱為回歸年,包括365.2422個平太陽日(即365天5小時48分46秒)。太陽日是指地球自轉一周所需要的時間。由于歲差的影響,回歸年較恒星年短,其長度為365.24219日,或365日5時48分46秒,比恒星年短20分23.5秒。季節變化的周期與人類所有活動的關系極為密切,所以歷法上太陽歷是以回歸年為依據的。
關聯名詞 編輯本段
回歸年:地球連續兩次通過赤道平面與黃道平面的同一交點(春分點或秋分點)的時間稱為一個回歸年。由于春分點與秋分點每年向西移動50′′,因此回歸年較恒星年短。
恒星年:地球繞太陽一周實際所需的時間間隔,也就是從地球上觀測,以太陽和某一恒星在同一位置上為起點,當觀測到太陽再回到這個位置時所需的時間。一個恒星年等于365.25636日,或365日6時9分10秒,大于回歸年的長度。
章動:由于月球、太陽和各大行星與地球間的相對位置存在周期性的變化,因此作用在地球赤道隆起部分的力矩也在發生變化,導致地月系質心繞日公轉的軌道面存在周期性的攝動。因此,在歲差的基礎上還存在各種大小和周期各不相同的微小的周期性變化——章動。其中最主要的一項是幅度為9.2′′(交角章動),周期為18.6年的周期項。這是由于月球繞地球的公轉軌道面(白道平面)與地球赤道平面之間的交角會以18.6年的周期在18°17'至28°35′之間來回變化而引起的。
極移:地球自轉軸與地面的交點稱為地極。由于地球表面的物質運動(如洋流、海潮等)以及地球內部的物質運動(如地幔的運動)會使極點(嚴格地說應該是天球歷書極)的位置產生變化,這種現象稱為極移。極移與歲差的主要區別在于:極移是在不受外力作用下,自轉軸在地球內部作自由擺動,瞬時極繞著平均地極運動,運動軌跡是條彎曲的非閉合曲線,其主要周期為近14個月的錢德勒周期。它不改變天極和天赤道在恒星間的位置,對于天體的赤道坐標和黃道坐標沒有影響,只能使地理坐標產生微小的變化。而歲差和章動則是在外力作用下自轉軸在空間的受迫運動,天極圍繞著黃極作圓周運動,周期約為25800年,天極的運動使得天極、天赤道和春分點在恒星間的位置都不固定。
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