歲差，一種天文學(xué)現(xiàn)象。它是指地球自轉(zhuǎn)軸長期進(jìn)動(dòng)，引起春分點(diǎn)沿黃道西移，致使回歸年短于恒星年的現(xiàn)象。歲差是地球公轉(zhuǎn)和地軸運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的結(jié)果，這種結(jié)合決定了二分二至地球位置不是定點(diǎn)，而是在公轉(zhuǎn)軌道上不斷西移的動(dòng)點(diǎn)，從而導(dǎo)致地球公轉(zhuǎn)一周不等于太陽直射點(diǎn)緯度變化一周 [1] 。正是由于春分點(diǎn)的移動(dòng)，太陽直射點(diǎn)的回歸運(yùn)動(dòng)（回歸年）較之恒星年存在約20 分鐘的差別，歲差也因此得名 [2] 。
公元前150年前后，古希臘天文學(xué)家、西方古代天文學(xué)創(chuàng)始人喜帕恰斯就是通過比較他觀測到的星表和前人的星表中，發(fā)現(xiàn)了歲差。我國古代天文學(xué)家虞喜也在公元330年，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了歲差并加以精確的測定 [1] 。
歲差
外文名
axial precession
分 類
黃道歲差和赤道歲差
發(fā) 現(xiàn)
喜帕恰斯、虞喜
導(dǎo)致因素
引力作用
針對目標(biāo)
長期運(yùn)動(dòng)
目錄
簡介
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歲差是指地球自轉(zhuǎn)軸長期進(jìn)動(dòng)，引起春分點(diǎn)沿黃道西移，致使回歸年短于恒星年的現(xiàn)象。其原因是地球是一橢球體，赤道部分隆起；赤道面與黃道面不相重合。日月和其它行星對其赤道隆起部分施以附加引力，引起赤道面傾向的變化，即地軸進(jìn)動(dòng)。其結(jié)果，造成春分點(diǎn)沿黃道每年西移約50″2，約25700年移動(dòng)一周。它使回歸年略短于恒星年，中國古代稱之為“歲差”。只是由日月的作用引起春分點(diǎn)西移并不改變黃赤交角，稱為“日月歲差”；由其它行星作用則同時(shí)改變黃赤交角，稱為“行星歲差”。二者的合量稱為“總歲差” [3] 。
公元前150年前后，古希臘天文學(xué)家、西方古代天文學(xué)創(chuàng)始人喜帕恰斯就是通過比較他觀測到的星表和前人的星表中，發(fā)現(xiàn)了歲差。我國古代天文學(xué)家虞喜也在公元330年，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了歲差并加以精確的測定 [1] 。
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地球環(huán)繞太陽的運(yùn)動(dòng)被稱為地球公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的時(shí)間是一年。在地球公轉(zhuǎn)的過程中存在兩個(gè)明顯周期，分別為回歸年和恒星年。歲差，是指回歸年短于恒星年的一種現(xiàn)象 [1] 。
回歸年
回歸年是指太陽連續(xù)兩次通過春分點(diǎn)的時(shí)間間隔，即太陽中心自西向東沿黃道從春分點(diǎn)到春分點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，又稱為太陽年。1回歸年為365.2422日，即365天5小時(shí)48分46秒。這是根據(jù)121個(gè)回歸年的平均值計(jì)算出來的結(jié)果。每個(gè)回歸年的時(shí)間長短并不相等。天文學(xué)家根據(jù)太陽系的運(yùn)行規(guī)律編撰出“萬年歷”。我國的“二十四節(jié)氣”是根據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道來劃分的。視太陽從春分點(diǎn)，也就是黃經(jīng)零度出發(fā)，此刻太陽垂直照射赤道，每前進(jìn)15度為一個(gè)節(jié)氣；運(yùn)行一周又回到春分點(diǎn)，為一回歸年，24個(gè)節(jié)氣正好360度 [1] 。
恒星年
恒星年是地球公轉(zhuǎn)的真正周期，在一個(gè)恒星年期間，在太陽上看，地球中心從天空中的某一點(diǎn)出發(fā)，環(huán)繞太陽一周，然后又回到了此點(diǎn)；如果從地球上看，則是太陽中心從黃道（地球公轉(zhuǎn)軌道面截天球所得的圓）上的某一點(diǎn)（某一恒星）出發(fā)，運(yùn)行周天，然后又回到了同一點(diǎn)（同一恒星）。在一個(gè)恒星年期間，地球公轉(zhuǎn)360°所需時(shí)間約為365日6時(shí)9分10秒 [1] 。
回歸年是歷法年，顯著特點(diǎn)是回歸年的時(shí)間都是天文學(xué)家根據(jù)太陽系運(yùn)行規(guī)律提前計(jì)算出來的，而且回歸年的時(shí)間采用的是地球表面真太陽時(shí)體系。而恒星年采用的是鐘表時(shí)體系。真太陽時(shí)體系與鐘表時(shí)體系累計(jì)一年的時(shí)間差稱為歲差。簡單來說，歲差就是地球自轉(zhuǎn)軸的長期運(yùn)動(dòng)。在外力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間并不保持固定的方向，而是不斷發(fā)生變化。歲差是地球公轉(zhuǎn)和地軸運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的結(jié)果，這種結(jié)合決定了二分二至地球位置不是定點(diǎn)，而是在公轉(zhuǎn)軌道上不斷西移的動(dòng)點(diǎn)，從而導(dǎo)致地球公轉(zhuǎn)一周不等于太陽直射點(diǎn)緯度變化一周。歲差可以使同一顆恒星的位置隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化 [1] 。
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地球是一個(gè)橢圓球體，而非正球體，赤道部分較為突出，兩極則稍扁，太陽和月球?qū)Τ嗟劳怀霾糠值奈Υ?，使地軸繞黃極緩慢移動(dòng)，因而表分點(diǎn)沿黃道以每年50″24的速度西移，大概要26000年移動(dòng)一周，這即為歲差。公元前二世紀(jì)，古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯在編制一本包含1022顆恒星的星表時(shí)，把他測出的星位與150多年前阿里斯提留斯和提莫恰里斯測定的星位進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)恒星的黃經(jīng)有較顯著的改變，而黃緯的變化則不明顯。喜帕恰斯認(rèn)為，這是春分點(diǎn)沿黃道后退所造成的，并推算出春分點(diǎn)每100年西移1°。這是歲差現(xiàn)象的最早發(fā)現(xiàn) [1] 。
我國古代則以觀測冬至點(diǎn)的移動(dòng)來推求歲差。晉代以前，我國古代天文學(xué)家并沒有發(fā)現(xiàn)歲差現(xiàn)象，晉時(shí)虞喜研究了歷史上冬至點(diǎn)的觀測結(jié)果，比較自己的實(shí)地觀測，發(fā)現(xiàn)“堯時(shí)冬至日短星昴，今二千七百年乃東壁中，則知每歲漸差之所至”。也就是說唐堯時(shí)代冬至黃昏中天的星宿為昴宿，而2700年后的冬至黃昏中星卻是東壁，于是他得出結(jié)論，認(rèn)為冬至點(diǎn)每50年西移一度。這個(gè)結(jié)果雖然比當(dāng)前得到的赤道歲差（每77年差一度）相差頗大，但比希臘天文學(xué)家喜帕恰斯所得出的結(jié)論（每100年差1度）精確得多。虞喜就此大膽地提出了“歲自為歲，天自為天”的結(jié)論，把太陽在一回歸年內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與其在一恒星年中的運(yùn)動(dòng)區(qū)別開來，創(chuàng)立了歲差的概念（古人又稱為恒星東行，或節(jié)氣西退）。祖沖之于公元463年所制定的《大明歷》的最大貢獻(xiàn)是將歲差引入歷法計(jì)算。此前的一些天文學(xué)家認(rèn)為，太陽在黃道上每經(jīng)過一個(gè)回歸年的運(yùn)行，又回到上一年的起點(diǎn)上。虞喜和祖沖之發(fā)現(xiàn)了歲差的存在。虞喜提出的數(shù)據(jù)是每五十年后退一度，祖沖之認(rèn)為每四十五年十一個(gè)月后退一度。盡管這兩個(gè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)代觀測數(shù)據(jù)（七十一年八個(gè)月后退一度）尚有較大距離，但發(fā)現(xiàn)歲差并把它納入歷法計(jì)算之中，虞喜和祖沖之在世界則是首創(chuàng)。歲差的推算，便成了我國古代歷法史上的重要改革之一。祖沖之在制定大明歷時(shí)，還提出了三百九十一年一百四十四個(gè)閏月的新閏周，比十九年七閏的閏周更為精密。他還提出一個(gè)回歸年的長度為365.24281481，精確到小數(shù)點(diǎn)后八位數(shù) [4] 。元時(shí)郭守敬在《授時(shí)歷》中，采用的歲差數(shù)值是66年又八個(gè)月差一度，把歲差的精確度向前推進(jìn)了一大步 [5] 。
牛頓首次對歲差現(xiàn)象進(jìn)行了理論上的解釋。在繞太陽公轉(zhuǎn)的同時(shí)，地球自身繞地軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)。而受太陽和月球不平衡引力的共同影響，使得慣性作用下的地球自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生擺動(dòng)，這種擺動(dòng)表現(xiàn)為地軸繞著黃軸旋轉(zhuǎn)，在空間描繪出一個(gè)半徑約為23.5°（黃赤交角）圓錐面， 從而使天赤道與黃道的交點(diǎn)——春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)在黃道上向西移動(dòng)， 每76 年約移動(dòng)1°，整個(gè)循環(huán)周期約為25700年 [2] 。
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根據(jù)太陽系天體對地球長期作用所產(chǎn)生兩個(gè)不同表現(xiàn)，將歲差分為黃道歲差和赤道歲差。其中黃道歲差表示由于行星質(zhì)點(diǎn)引力對地球軌道面產(chǎn)生的攝動(dòng)，使得黃道面的空間取向發(fā)生變化，引起春分點(diǎn)沿赤道運(yùn)動(dòng)。另一方面，赤道歲差表示由于日月和行星對地球赤道突起部分的較差力矩而引起的赤道面（極軸） 的長期進(jìn)動(dòng) [6] 。
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天極繞黃極運(yùn)動(dòng)。使天極不能固定在某一個(gè)恒星位置，而在天球上沿一個(gè)小圓繞黃極作緩慢移動(dòng)，小圓的半徑是黃赤交角23.5°，約26000年移動(dòng)一周 [7] 。
恒星的赤經(jīng)赤緯和黃經(jīng)有微小變化。這種變化不是恒星自身的運(yùn)動(dòng)，而是由于赤道坐標(biāo)系的基本大圓赤道和基本點(diǎn)春分點(diǎn)的歲差運(yùn)動(dòng)造成的。星圖或星表中的恒星位置數(shù)據(jù)都要標(biāo)記相應(yīng)的年代就是這個(gè)原因。所標(biāo)記的年代稱為歷元，一般每50年更換一次。除上述兩點(diǎn)以外，前面介紹過的春分點(diǎn)西移和回歸年縮短都是同一機(jī)制引起的，有時(shí)統(tǒng)稱為歲差引起的后果。當(dāng)代春分點(diǎn)的位置已從古希臘時(shí)代的白羊星座移到了當(dāng)前的雙魚星座靠近寶瓶星座的地方，這也是歲差引起的后果[7] 。
根據(jù)米蘭科維奇（Milankovitch）理論，歲差所會(huì)引起地球軌道及其自轉(zhuǎn)軸在空間中的指向隨時(shí)間發(fā)生緩慢的周期性變化，這種變化導(dǎo)致地表日照輻射量的改變，從而引起地球氣候的周期性變化 [2] [6] 。
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章動(dòng)是指在物理學(xué)中指物體的自轉(zhuǎn)軸繞另一軸線（稱“進(jìn)動(dòng)軸”）旋轉(zhuǎn)時(shí)，自轉(zhuǎn)軸發(fā)生的擺動(dòng)現(xiàn)象。也是在天文學(xué)中指地球自轉(zhuǎn)軸繞黃道軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，地球自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的擺動(dòng)現(xiàn)象。太陽和月球有時(shí)在赤道面之南，有時(shí)又在赤道之北，因而對地球的引力方向也不斷改變。由于日、月等天體特別是月球?qū)Φ厍虺嗟劳怀霾糠值奈饔?，在地軸繞黃極的運(yùn)動(dòng)為26000年的長期進(jìn)動(dòng)（即“歲差”）中，還存在許多周期不同、振幅各異的微小變幅，其中在它的平均位置上附加了一種短周期的擺動(dòng)，即周期小于或等于月球交點(diǎn)周期18.61年，振幅為9.211″（稱為“章動(dòng)常數(shù)”）的擺動(dòng)，稱為章動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)形態(tài)表現(xiàn)為沿地球進(jìn)動(dòng)圓形軌道作波浪式的曲線運(yùn)為。章動(dòng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為黃經(jīng)章動(dòng)和交角章動(dòng)，按周期可分為太陽章動(dòng)、月球章動(dòng)和每月章動(dòng) [8] 。
極移是極地遷移的簡稱。指旋轉(zhuǎn)的地極和磁極隨時(shí)間變化在地面的移動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)方式有兩種：第一種是周期性的運(yùn)動(dòng)，北極呈反時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，南極順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。極移周期又有兩種：①周期約為12月，振幅約為0.1″，沿著一長軸約4m的橢圓運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)與地球上的洋流、大氣環(huán)流等大規(guī)模季節(jié)性變化有關(guān)；②周期為14個(gè)月，振幅約為0.2″，沿著半徑約7m的圓周運(yùn)動(dòng)，又稱張德勒運(yùn)動(dòng)，其周期稱張德勒周期，這種運(yùn)動(dòng)與地球內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。第二種是長期性漂移。其中又分兩種：①長期漂移。據(jù)國際緯度站1900年以來的觀測資料，得出地極存在著大小約為0.003″/a、方向沿著西經(jīng)81.5°的線性漂移。極移的最大幅度不超過0.4″，在24m2的范圍內(nèi)移動(dòng)。由于極移，地球各地的緯度、經(jīng)度和離心力發(fā)生顫動(dòng)式變化，并影響到地殼運(yùn)動(dòng)。由于地球內(nèi)部的不穩(wěn)定性，極移軌跡不是平滑的螺旋曲線，常有突然轉(zhuǎn)折。②緩慢的長期極移——基本上是沿一徑圈向一相對比較固定的方向移動(dòng)，其移動(dòng)速率約為10cm/a [9] 。
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