關於歲差、章動

2021-01-15 上下求索的Anchor

本科老師在課堂上給出的定義:

在日月和其它天體引力對地球隆起部分的作用下,地球在繞太陽運行時,自轉軸不再保持不變,從而使春分點在黃道上慢慢產生西移,此現象在天文學中稱為歲差。在歲差的影響下,地球自轉軸在空間繞北黃極順時針旋轉,因而使北天極以同樣的方式繞北黃極順時針旋轉。


古人對於年的定義有兩種:

第一種,地球公轉一圈,叫一恆星年,周期是365.25636天;第二種,太陽連續兩次直射北回歸線(或者直射南回歸線)的周期,叫做一回歸年,大概是365.2422天。恆星年和回歸年每年相差大概20.4分鐘,也就是說回歸年比恆星年短20分鐘24秒,這個現象在天文學中叫做歲差。(在古代,恆星年叫做「年」,而回歸年叫做「歲」)。


那麼為什麼會存在歲差?

黃道面和赤道面相交於兩點,分別是春分點和秋分點。假設太陽圍繞地球轉,從春分點開始跑,所謂回歸年就是太陽再次回到春分點點的時間。假設存在一個上帝視角,把地球和太陽放在一個絕對空間,地球從某一個位置開始圍繞太陽旋轉,到下一次再轉到這個位置的時候,這就是一恆星年。

 

同樣是一圈,為什麼會短了20分鐘?

唯一的可能就是這個終點提前了,還是假設太陽圍繞地球轉,太陽跑跑跑,還沒跑到一圈呢,就到春分點了,因為春分點向前移動了,這就是形成歲差的直接原因。可是春分點為什麼會向前移動呢,其實不只是春分點,如果把春分點定為0度,把秋分點定為180度。會發現所有的點都依次向前移了一點,這就相當於跑四百米,但是終點提前了。如果把春分點和秋分點連成一條線,會發現這條線也在輕微的旋轉,說明地球的赤道面在旋轉,或者說地球赤道面的法線在旋轉,也就是地軸在旋轉。這個地軸的轉動在物理上叫做進動,所以造成歲差的根本原因就是因為地軸的進動。

圖1:進動示意圖

為什麼會出現進動呢,因為地球自轉軸和對稱軸存在夾角,所以存在扭矩,假如說一個陀螺豎直的轉就不會出現進動,但是旋轉軸稍微傾斜一點,就會發現陀螺整體會出現進動現象。


由於月球、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,地月系質心繞日公轉的軌道面也存在周期性的攝動,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。(摘自《GPS測量與數據處理》,李徵航 黃勁松 編著)

圖2:章動示意圖

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    歲差"這個名詞通常只針對長期運動,其他在地軸準線上的變動 -章動和極移- 規模要小了許多。地球的歲差被稱為分點歲差,這是因為 分點沿著黃道相對於背景的恆星向西移動,與太陽在黃道上的運動相反。日月歲差是太陽和月球對地球赤道隆起的引力作用造成的,引發地軸相對於慣性空間的轉動。
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