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在固體潮汐的作用下,地殼每年的角速度慢於地幔的角速度50.260角秒,導致四季周期短於地球公轉周期,於是按回歸年的時間觀測,地球自轉軸每年在空間並不保持固定位置,而是不斷發生退行。地軸的退行運動稱為歲差。

歲差一年有365天,然而地殼卻自轉363圈359度59角分9角秒740毫角秒,導致歲差。
 分科過細導致人們喪失真正認識自然規律的能力。歲差看似天文現象,其實是地球基礎科學的重要組成部分。 歲乃年也,歲差就是年差,是恆星年與回歸年的時間差。 我們知道地球公轉形成四季,可是四季周期卻不等於地球公轉周期,天文學界把地球公轉周期命名為恆星年,四季周期命名為回歸年。通俗地說,就是地球公轉運動的兩種計時差。眾所周知,地球圍繞太陽公轉形成年的概念。以白天「日晷」觀測四季的周期是回歸年,夜間觀測的地球公轉周期是恆星年。地球差異旋轉與地球較差自轉導致了「歲差」。    太陽光直射赤道的時刻,地球在公轉軌道上的點稱為「春分點」到下一年度陽光又直射地球赤道的時刻的時間叫做「回歸年」也稱「太陽年」。地球真正圍繞太陽公轉一周(360°)所需時間叫做「恆星年」。回歸年比恆星年短約20分24秒,為地球運動時受其他天體引力作用下的固體潮汐而導致地球差異旋轉所致。  由於歲差使得在春分點(節氣點)時間所觀測的地軸隨著時間的推移,地軸延長線在北天極在恆星間不斷退行。歲差使同一顆恆星的位置,隨著時間的變化而發生變化。古希臘天文學家、西方古代天文學創始人喜帕恰斯就是從比較他觀測的星表和前人的星表中,發現了歲差。中國古代天文學家虞喜也在公元330年,獨立發現了歲差並加以精確的測定。

在太陽,月亮和其它行星的引力作用下,地球自轉軸在空間並不總是保持在同一方向上,而是不斷發生變化。其長期變化使地球自轉軸饒著地球公轉軌道面(即黃道面)的垂直軸(黃軸)旋轉,以大約26000年的周期在空間描繪出一個圓錐面,平均半頂角約23度半,即所謂黃赤交角。這種天文現象就叫歲差。

在日、月的引力作用下,地球自轉軸的空間指向並不固定,呈現為繞一條通過地心並與黃道面垂直的軸線緩慢而連續地運動,大約25800年順時針向(從北半球看)旋轉一周 , 描繪出一個圓錐面 。此圓錐面的頂角等於黃赤交角 23.5°。 於是天極在天球上繞黃極描繪出一個半徑為 23.°5 的小圓 , 也使春分點沿黃道以與太陽周年視運動相反的方向每 25800年旋轉一周 ,每年西移約 50.3″。 這種由太陽和月球引起的地軸的長期進動(或稱旋進)稱為日月歲差。德國天文學家貝塞耳首次算出日月歲差為5,035'.05(曆元1755.0),今值為5,029'.0966(曆元2000.0)。

在行星的引力作用下,地球公轉軌道平面不斷地改變位置,這不僅使黃赤交角改變,還使春分點沿赤道產生一個微小的位移,其方向與日月歲差相反,這一效應稱為行星歲差。行星歲差使春分點沿赤道每年東移約0.13″。日月歲差和行星歲差的綜合作用使天體的坐標如赤經、赤緯等發生變化,一年內的變化量稱為周年歲差。此外,根據廣義相對論,旋轉物體的自轉軸會在空間產生相對論性進動,稱為測地歲差。地球的測地歲差為1.98″/世紀,方向為逆時針向。 

1 歲差 -發現

歲差歲差現象的數學原理

最早發現歲差現象的是公元前二世紀著名的古希臘天文學家依巴谷(Hipparchus)。他把他自己用渾天儀測得的一批恆星的位置與150年前另外兩位天文學家阿里斯提留斯和提摩哈里斯測得的結果相比較,發現幾乎每顆恆星的黃經(在黃道座標系統中的經度值)都增加了大約1.5度,而黃緯卻幾無改變。他正確地指出這是由於春分點沿黃道退行造成的。

公元330年前後,中國晉朝的天文學家虞喜也通過冬至日恆星中天的觀測,獨立地發現冬至點也在沿黃道退行,並有一段精彩的闡述:(戴《宋史·耶律志》)「堯時冬至日短星昂,今二千七百餘年,乃東壁中,則知每歲漸差之所至」中文歲差一詞的由來即在於此。不管是春分點也罷,冬至點也罷,它們沿黃道的退行都是地軸繞黃軸旋轉的表象,囿於當時的科學水平,依巴谷和虞喜雖都發現了歲差現象,但都不能對其物理成因作出解釋。

2 歲差 -成因

歲差關於歲差現象的解釋

直到十六世紀,牛頓以天體力學為基礎,通過嚴格地計算,才從理論上論證了歲差現象是由於日、月及行星的引力作用於地球的必然結果。牛頓認為歲差是太陽和月亮對地球隆起部分的吸引所致。牛頓在《自然哲學之數學原理》中未能給出其證明;牛頓以來的科學家也沒有證明上述作用力定會產生歲差。因此,牛頓歲差成因只是科學上的一種猜測。

日、月的引力並不引起黃道和黃赤交角的改變,只能改變赤道面,因此,固定在赤道面上的春分點就沿著黃道滑動(退行),速度每年為50″.371,叫做周年日月歲差。天極因此以大約26000年的周期沿順時針方向繞黃極畫出一個小圓,與此同時,它造成了恆星在天上的位置(天文學中以赤經,赤緯表述)有規律地改變其數值(不是相對位置)。這就是天文學家和天文愛好者在用現代化天文望遠鏡尋找某一顆恆星的時候,必須將其位置從星表曆元按照一定的公式改正到觀測的曆元的理由。

其它行星的引力造成黃道面(即地月系重心繞日旋轉的軌道面)本身發生了錯動,這就使黃極在天上的位置也是改變的,有時接近天極,有時又遠離天極,其位移軌跡是一條非常複雜的縲線。換個角度站在黃極的角度來考慮問題,這種改變使得天極繞黃極的軌跡下再是一個規規矩矩的小圓,而是一個接近圓形的怪異曲線。也就是說,天極不僅圍繞黃極旋轉,而且不斷地改變它們的距離,而這個距離實際上就是黃赤交角。因此,行星歲差直接導致黃赤交角的改變,是回歸線漂移的元兇之一。

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