地轴进动 地轴进动 地轴进动-简介,地轴进动-地轴进动或岁差的成因

南北天极在天球上的移动,反映了地轴在宇宙空间的运动,叫地轴进动。轴象陀螺似的作锥式运动,即是地轴进动,周期为26000年。地轴进动的结果,使地轴所指方向发生变动,从而出现天极的移动和北极星更替现象。

地轴_地轴进动 -简介

地轴进动 地轴进动 地轴进动-简介,地轴进动-地轴进动或岁差的成因

南北天极在天球上的移动,反映了地轴在宇宙空间的运动,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。

――圆锥的半径为23°26′,就是黄赤交角。

――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。

地轴_地轴进动 -地轴进动或岁差的成因

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,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_地轴进动 -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1806年。

地轴_地轴进动 -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,目前是小能座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25 800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的,而春分点因地轴进动而持续西移。正是由于地轴进动的这种表现,我国天文学历来把它叫做"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。

地轴_地轴进动 -极移和岁差的区别

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。

总之,变是绝对的,不变是相对的,"变"达到一定的程度,我们定义的地理坐标或天球坐标体系就要变换,若"变"只在限定的范围内,我们可以当成不变,我们定义的坐标体系还是可以适用的。

  

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