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[圖示]地軸的錐形進動
人們習(xí)慣上常以陀螺的進動進行類比，但是兩者的進動是有很大區(qū)別的。地軸的進動（地軸的長期運動）稱為歲差，而其周期運動則稱為章動。歲差和章動引起天極和春分點在天球上的運動，對恒星的位置有所影響。公元前二世紀古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯是歲差現(xiàn)象的最早發(fā)現(xiàn)者。
公元四世紀，中國晉代天文學(xué)家虞喜根據(jù)對冬至日恒星的中天觀測，獨立地發(fā)現(xiàn)歲差并定出冬至點每50年后退一度。太陽在黃道上，從冬至點開始，經(jīng)過一個回歸年的運行不能夠回到原來的冬至點，也就是說冬至點每年都要向后(即向西)移動。地球春分點或冬至點的逐漸西移，造成了回歸年小于恒星年。
如何理解春分點沿黃道的逐年西移？當?shù)厍驀@太陽公轉(zhuǎn)一周時（一個恒星年），假若沒有地軸的傾斜進動，那么太陽直射的光還應(yīng)當照射到上一年的春分點上。但是由于地軸在繞日逆時針公轉(zhuǎn)的同時，還繞黃極軸非常緩慢地順時針方向傾斜轉(zhuǎn)動，傾斜角即是黃赤交角，這樣也就帶動地球赤道面繞黃極軸逐年發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，當?shù)厍蚶@日公轉(zhuǎn)一周時，太陽直射的光照射不到上一年春分點的位置，而是春分點西邊的位置，春分點在黃道上每年約向西移動50''.29 ，也就是說地球環(huán)繞太陽一周時，地球已經(jīng)轉(zhuǎn)過了上一年春分點的位置，以致于回歸年小于恒星年20分20秒，造成了春分點的逐年西移即春分點沿黃道順時針方向移動，同樣地夏至點、秋分點和冬至點也是逐年沿黃道順時針方向向西移動。由于地球進動造成了黃赤交點不固定，使兩分點沿黃道緩慢的向西移動，每五十年西移一度（現(xiàn)代值71.62年/度）。現(xiàn)今，北極星是小熊座α星，12000年后，北極星將是天琴座α星（織女）。但是，由于春分點逐年西移的量非常微小，在年份相隔不長的時間里幾乎是看不出什么變化，地軸的指向和地球的赤道面方向基本保持不變。若從進動的方向上來看，地軸進動的方向與地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的方向相反。從地球往天上看是天北極在畫逆時針的圈，若在天上看地球北極，則北極在畫順時針的圈。這也說明地球產(chǎn)生的是一種圓錐形傾斜進動。[參閱資料：地軸始終指向北極星嗎？地球在自轉(zhuǎn)的同時，又繞日公轉(zhuǎn)，且地軸與公轉(zhuǎn)軌道面斜交成66.5°的夾角，地軸的傾斜方向保持不變，始終指向北極星附近。這種說法只有目前在較短時間內(nèi)才是正確的，從長時間看，小熊座α星，中名是勾陳一星并不永遠是北極星?，F(xiàn)階段的北極星距天北極有51′的角距。公元1000年時，這顆星離天北極約6°，開始登上北極星的寶座；1940年后，以每年約15″的速度向天北極靠攏，大約在公元2095年，這顆星距天北極的角距達到最小，約26′30″。此后又將遠離天北極。因此，在最近一段時間內(nèi)，小熊座α星成為指示天北極的標志，故叫它北極星。當小熊座α星離天北極較遠時，其北極星的資格自然取消。如公元2750年前后，地軸指向天龍座的α星，同樣公元4000、7000、10000和14000年時，仙王座γ、仙王座α、天鵝座α和天琴座α將先后成為指示天北極的標志。待到公元27800年，小熊座α星將再次成為北極星?？梢?，地球自轉(zhuǎn)軸的方向并非永遠不變。]
為什么地球還沒有環(huán)繞太陽一周時，地球就已經(jīng)提前轉(zhuǎn)動到了春分點的位置呢？地球為什么會產(chǎn)生順時針方向的圓錐形傾斜進動呢？
這有三種可能的原因：第一種可能的原因是，地球的傾斜進動使得地球的四季點沿黃道順時針方向逐年西移，并造成地球的回歸年小于恒星年，而冬至點和夏至點分別是離地球距離最近的點和最遠的點，也是地球繞日橢圓形運行軌道長軸方向上的兩個點，地球繞日橢圓軌道長軸上的兩個點的逐年順時針方向移動反映出地球的橢圓軌道也是逐年順時針方向移動的，這說明地球的橢圓形軌道在逐年不斷地產(chǎn)生順時針方向的進動。而水星的進動則是逆時針方向的，恰好與地球的順時針進動方向相反。水星的逆時針方向的向前進動是由于受到太陽逆時針方向的旋轉(zhuǎn)場和太陽風的推動作用，因此地球的順時針方向的后退移動則正說明是受到了逆時針方向的太陽旋轉(zhuǎn)場和太陽風的阻礙作用，以至于地球的回歸年小于恒星年。進一步的分析會發(fā)現(xiàn)，假如只是存在地球橢形軌道的后退進動，那么地球在繞日逆時針公轉(zhuǎn)的過程中地軸總是表現(xiàn)為一種相互平行的指向，而不是呈現(xiàn)圓錐形進動。雖然地軸順時針方向的平行后退進動，加上黃赤交角的存在也能夠使地球產(chǎn)生春分點或冬至點的逐年西移，但是卻不能解釋地軸一年四季總是指向北極星的現(xiàn)象，不能解釋地軸的圓錐形進動。第二種可能的原因是，地球受到太陽旋流場的旋流作用。地球是在太陽旋轉(zhuǎn)場里面繞日逆時針方向公轉(zhuǎn)，同時地球本身還在自轉(zhuǎn)，地球的面向太陽一側(cè)和背向太陽一側(cè)處于太陽旋流場的不同位置，地球內(nèi)側(cè)受到太陽旋流場的作用大些，而外側(cè)受到太陽旋流場的作用小些，由于太陽旋流場是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的，因此逆時針自轉(zhuǎn)地球的內(nèi)側(cè)部分受到旋流場的阻礙作用大于外側(cè)部分受到旋流場的推動作用，這將使地球的自轉(zhuǎn)逐漸變慢，而且必然在地球逆時針自轉(zhuǎn)逐漸減慢的過程中，發(fā)生春分點或冬至點等節(jié)氣點出現(xiàn)提前的現(xiàn)象，這種情況雖然能夠使春分點或冬至點的西移，但是這樣的春分點或冬至點與太陽的距離卻不是處于固定的距離上，冬至點和夏至點也將不必然是地球距離太陽最近的點和最遠的點。
而第三種可能的原因是，假如地球在太陽旋渦場中產(chǎn)生順時針的向后滾動，也能夠使地球春分點產(chǎn)生逐年西移和產(chǎn)生圓錐形進動，這正是本文所要重點討論的內(nèi)容。因為地球在太陽場里面是呈現(xiàn)順時針方向的圓錐形傾斜進動，地球的圓錐形傾斜進動說明了太陽場總是不間斷地提供給地球一個指向黃極軸方向的支撐力，而太陽的旋渦場恰好能夠滿足這種錐形進動的條件，所以地球的錐形進動與太陽場的旋渦構(gòu)形直接相關(guān)。
春分點或冬至點逐年后移說明地球在繞日逆時針公轉(zhuǎn)的同時地軸還產(chǎn)生一個與公轉(zhuǎn)反向的順時針方向運動（從黃北極來看地軸進動是順時針運轉(zhuǎn)的），這也同時導(dǎo)致地軸北極星指向的更替。牛頓是第一個指出產(chǎn)生歲差的原因是太陽和月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸩糠值奈?。他指出，因為地球與其軌道平面(黃道面)成一傾斜角，所以作用在地球赤道鼓出部分的太陽引力，一定要引起地球的自轉(zhuǎn)軸繞著垂直于黃道面的直線緩慢地轉(zhuǎn)動，在太陽和月球的引力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸繞著黃道面的垂直軸旋轉(zhuǎn)，在空間繪出一個圓錐面，繞行一周約需25800年。在天球上天極繞黃極描繪出一個半徑約為23°26＇(黃赤交角)的小圓，即春分點每25800年旋轉(zhuǎn)一周。這種由太陽和月球引起的地軸的長期運動稱為日月歲差。德國天文學(xué)家貝塞耳首次算出日月歲差為5,035".05(歷元1755.0)，今值為5,029".0966(歷元2000.0)。
傳統(tǒng)上人們是按照牛頓對于歲差的解釋來分析地軸進動的。傳統(tǒng)的解釋是，地軸的進動是因為地球赤道部分的隆起和月球、太陽對地球赤道隆起部分的引力作用，所以導(dǎo)致赤道面和黃道面互相重合的趨勢，地軸才會象陀螺那樣傾斜進動，周期為25800年。地軸進動的結(jié)果，使地軸所指方向發(fā)生變動，從而出現(xiàn)天極的移動和北極星更替現(xiàn)象。[參閱資料：歲差：春分點在黃道上長期西移的現(xiàn)象。地球是橢球體，赤道與黃道斜交，太陽、月球都在黃道面附近，它們對地球赤道帶突出部分的附加引力，有將地球赤道面拉向與黃道面重合的趨勢。在自轉(zhuǎn)很快的地球的抵抗下，產(chǎn)生地軸繞黃道軸作圓錐運動。春分點沿黃道每年西移50.2564角秒（1976年國際天文學(xué)會通過對于標準歷元2000年的新值為50.290966）。造成回歸年比恒星年短20分24秒。春分點約需25800年內(nèi)繞行一周，稱為一個““宇宙年”。]
這里引用兩例網(wǎng)上資料關(guān)于地軸進動的分析作以說明。
例一：
地軸的進動類似于陀螺的旋轉(zhuǎn)軸環(huán)繞鉛垂線的擺動。當急轉(zhuǎn)的陀螺傾斜時，旋轉(zhuǎn)軸就繞著與地面垂直的軸線，畫圓錐面，陀螺軸發(fā)生緩慢的晃動。這是因為地球引力有使它傾倒的趨勢，而陀螺本身旋轉(zhuǎn)運動的慣性作用，又使它維持不倒，于是便在引力作用下發(fā)生緩慢的晃動。這就是陀螺的進動。
地球的自轉(zhuǎn)，就好像是一個不停地旋轉(zhuǎn)著的龐大無比的大“陀螺”，由于慣性作用，地球始終在不停地自轉(zhuǎn)著。地球自身的形狀類似于一個橢球體，赤道部分是凸出的，即有一個赤道隆起帶。同時，由于黃赤交角的存在，太陽中心與地球中心的連線，不是經(jīng)常通過赤道隆起帶的。所以，太陽對地球的吸引力，尤其是對于赤道隆起帶的吸引力，是不平衡的。另外，月球繞地球公轉(zhuǎn)的軌道平面，與黃道面和天赤道面都不重合，與黃道面呈5°9′的夾角，也就是說，地球中心與月球中心的連線，也不是經(jīng)常通過赤道隆起帶。所以，月球?qū)Φ厍虻奈Γ绕涫菍Τ嗟缆∑饚У奈?，也是不平衡的。如圖所示，據(jù)萬有引力定律,F1＞F2。
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