图3—6极移与进动的比较 极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化； 进动造成天极的移动，不涉及地极在地面上的位置的变化 南北两极在地面上的位置和南北天极在天球上的位置，都不是一成不变的。换言之，地轴在地球内部的位置和它在宇宙空间的位置，都是在变化着的。值得指出的是，上述的变化是两种不同的运动——极移和进动。它容易使人们造成混淆。如图3—6所示，南北两极在地面上的位置的变化，是整个地球相对于地轴的运动所造成的。在这一过程中，地轴被认为是不动的，因此，它不改变天轴在宇宙间的位置，从而不影响南北天极在天球上的位置。反之，南北天极在天球上的位置的变化，是地轴相对于宇宙空间的运动所造成的。在这一过程中，地球各部分同地轴的相对位置被认为是不变的，因此，它不改变南北两极在地面上的位置。 下面先说明前一种运动。 南北两极在地面上的移动，叫做极移。这种位移的幅度很小，一般不超过0″.5，或15米，但却是一种极其复杂的运动。它包含多种周期性因素：其中主要的一种是以14个月为周期；另一种是以1年为周期。此外，还有比较次要的长期变化和短期变化。 图3－7所表示的是1968—1974年的极移轨迹。从图中可以看出，极移的轨迹是连续不断的圆圈，大体上反映出一种周期性运动。圆圈的大小不一，这表明各种因素相互干扰；每一年的轨迹都不是完整的一个圆圈，因为它的主要周期超过一年。 极移的结果引起各地纬度和经度的微小变化。反过来，人们正是通过各地纬度和经度的变化的观测，来研究极移的状况。 图3－71968—1974年的极移轨迹 §302—2地轴进动 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25800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（图3－8）。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。 图3—8左：陀螺的进动（向东）；右：地球的进动（向西）。 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。如图3－9所示，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，合力矩很终会使地轴趋近黄轴，或使赤道面重合于黄道面。 图3—9力矩M1＞M2，合力矩使地轴趋近黄轴——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。 地轴进动有多方面的表现： 图3—10北极星随天北极移动而变迁——地轴进动表现为天极的周期性圆运动。在北半球看起来，北天极以 北黄极为中心，以23°26′为半径，由东向西作圆运动（图3—10），每年移动50.29″，历25800年完成一周。随之而来的是北极星的变迁。这是因为，北极星就是很靠近天北极的亮星，它必然随天北极的移动而轮番替换。公元前3000年，北极星曾是右枢（天龙座α），目前是勾陈一（小熊座α）。到公元13600年，织女星（天琴座α）将成为北极星，那时的北极星是众望所归的头等明星。25800年以后的情形，又恢复现在的样子。目前，南天没有南极星，因为南天极附近没有亮星。然到14000年后，老人星（船底座α）将成为明亮的南极星。 ——地轴进动表现为赤道面（和天赤道）的系统的变化。赤道面永远垂直于地轴，当然要随着地轴的进动而进动，从而使天赤道与黄道的交点（二分点）以同样的方向（向西）和速度（每年50.29″）在黄道上移动，约71年又7个月移动1°。这就是所谓“交点退行”（图3—11）。 图3—11二分二至点因地轴进动而在黄道上不断西移图中实线表示旧天赤道，虚线表示新天赤道， 以新旧天赤道的变化，表示二分二至点的西移——由于交点退行（西移），使以春分点为参考点度量的回归年，略短 于恒星年。这样，太阳巡行一周天，有别于季节上的一周岁，其差值约为20分。我国古时把地轴进动（或交点退行）的这种表现，称为岁差，意即岁岁微差。岁差的发现，是历法上的一大进步。 ——由于春分点的西移，在赤道坐标系中，恒星的赤经和赤纬都发生缓慢的持续变化；在黄道坐标系中，恒星的黄经发生持续变化，黄纬则不变，因为春分点是沿黄道移动的。 地轴进动是一种复杂的现象。为简单起见，这里只提到月球和太阳的作用所造成的岁差，叫日月岁差，而忽略了行星作用所造成的岁差（称行星岁
差）；只考虑黄赤交角的存在，而没有考虑黄白交角的存在。因此，实际的地轴进动是更为复杂的。 §302—3地球自转的周期 笼统地说，地球自转的周期是1日。地球自转周期的度量，需要在地外的天空找一个超然于地球自转的参考点。按参考点的不同，天文上的日的长度有三种，它们是恒星日、太阳日和太阴日，分别以春分点、太阳和月球为参考点。通常所说的1日（一昼夜）是指太阳日。 天球周日运动是地球自转的反映。因此，地球自转周期可以从天体周日运动的周期来测定。恒星日是指同一恒星连续两次在同地中天的周期。同理，太阳日就是太阳连续两次在同地中天所需的时间；太阴日则是月球连续两次在同地中天所经历的时间。 以上三个周期中，只有恒星日是地球自转的真正周期，即地球自转360°所经历的时间，因为恒星通常被视为天球上的定点。应当指出，天文上用来定义恒星日的，不是具体的某个恒星，而是春分点。这是由于恒星日是同恒星时相联系的，而恒星时是以春分点作为量时天体的。恒星时就是春分点的时角。为了同这些情况相适应，用来定义恒星日的只能是春分点。如考虑到地轴进动或春分点西退，那么，恒星日与地球自转周期，也还存在细微的差别。 同恒星相比较，太阳和月球都不是天球上的定点。它们除了参与天球周日运动（向西）外，还有各自的巡天运动（向东），因而太阳日和太阴日都不是地球自转的真正周期。太阳和月球在天球上向东运行，意味着它们的赤经持续递增（赤经向东度量）。我们在讲述第二赤道坐标系时曾着重指出，天体中天时刻按其赤经次序而定。赤经增大，中天时刻就推迟到来，使连续两次中天的时间间隔增长。因此，太阳日和太阴日都要长于恒星日。 太阳日和太阴日之间的互不相同，是因为二者具有不同的速度。太阳周年运动是地球公转的反映，其速度是每太阳日约59′；月球的巡天运动是它本身绕转地球，其速度是每太阴日13°38′（或每太阳日13°10′）。在1个太阳日期间，地球自转不是真正的一周，而是360°59′；在1个大阴日期间，地球自转不是360°，而是373°38′。如果以恒星日的长度来分24小时（恒星小时），那么，太阳日的长度是24时04分，太阴日长度是24时54分。但在日常生活中，人们总是以24小时表示太阳日的长度，在这种情形下，恒星日长度为23时56分；太阴日长度则为24时50分。 图3—12是恒星日与太阳日的比较。地球在轨道上有三个不同位置：在第一个位置上，太阳和某恒星在A地同时中天，这是一个恒星日和一个太阳日的共同起点。在第二个位置上，地球完成自转一周，恒星再度在A地中天，一个恒星日终了，但正午尚未到来。到第三个位置时，太阳才第二次在A地中天，从而完成一个太阳日；那时，恒星早已越过中天。读这个图时必须注意，在太阳系范畴内，太阳是中心天体，它的光线是辐散的；恒星无比遥远，它的光线可看作平行的，图中所示的三颗星，指的是同一颗恒星。 恒星日与太阴日的差异，与此类同（图3—13）。 图3—12恒星日与太阳日比较在一个恒星日内，地球自转3600°，但在一个太阳日内，地球公转59′，自转360°59′。这59′的差值是地球公转造成的，使太阳日比恒星日约长4分。
§302—4真太阳日与平太阳日 太阳日是昼夜交替的周期，它的长度不仅取决于地球自转周期，而且也包含着地球公转的因素。地球自转可以被认为是均匀的，因而恒星日长度是不变的；但是，公转的影响是非均匀的，因而太阳日的长度略因季节而变化。 地球公转，在天球上表现为太阳周年运动，方向向东。因此，太阳赤经逐日递增，太阳日＞恒星日。如果太阳每日赤经变化是均匀的，那么，太阳日虽不同于恒星日，其本身长度也是均匀的。事实上，太阳每日赤经差因季节而变化，以致太阳日长度发生季节变化：每日赤经差愈大，太阳日便愈长；反之，则愈短。这种因季节而变化的太阳日，叫真太阳日（或视太阳日）。真太阳日的全年平均值，叫平太阳日（即平均太阳日）。作为时间单位的太阳日是平太阳日，它的长度是同每日59′的太阳赤经差（平均值）相联系的。 造成太阳每日赤经差的季节变化，有两方面原因： ——首要原因是由于黄赤交角。太阳周年运动的路线是黄道，因此，首先变化的是太阳的黄经。但直接影响真太阳日长短的，则是黄经差所引起的赤经差。这是因为，时间是以天体时角度量的，而时角与赤经是等量的。我们知道，第二赤道坐标系与黄道坐标系有共同的原点（春分点），但因基圈不同，因而黄经不同于赤经；同样的黄经差，有不同的赤经差，具体差异与黄赤交角大小有关。 在每年的春秋二分，平均每日59′的黄经差，造成大约59′－5′＝54′的赤经差，相应地时间减少21秒，这是全年的极小值。因为二分时，这一段黄道同天赤道的交角很大（23°26′），黄经差与赤经差的关系，犹如直角三角形中一个锐角的斜边与邻边之间的关系（图3—14）。反之，在每年的冬夏二至，平均每日59′的黄经差，造成大约59′＋5′＝64′的赤经差，相应地时间增加21秒，这是全年的极大值。因为二至时，这一段黄道同天赤道平行，黄经差与赤经差之间的关系，犹如等腰梯形的上底与下底之间的关系。 综上所述，即使太阳周年运动是均匀的，每日有不变的黄经差，由于黄赤交角的存在，它的赤经差也会有周年变化，并且造成真太阳日长度的周年变化。如果没有别的原因，那么，一年中很长的真太阳日约为24时0分21秒，发生在冬夏二至；很短的真太阳日约为23时59分39秒，发生在春秋二分。 图3—13恒星日与太阳日比较 在一个恒星日内，地球自转360°，但在一个太阴日内，月球公转31°38′，地球自转373°38′。这13°38′的差值是月球公转造成的，使太阴日比恒星日长约54分。 图3—14黄赤交角与视太阳日长度 每一节气的太阳黄经差都是15°。由于黄赤交角的存在，它们造成的赤经差 却不同；二分很小，视太阳日很短；二至很大，视太阳日很长。——其次的一个原因是地球的椭圆轨道。由于日地距离的变化，地球公 转的速度不等，造成太阳每日黄经差本身的周年变化。在近日点时（1月初），地球公转很快，造成每日约为59′＋2′＝61′的黄经差，相应地赤经差增大2′，真太阳日增长8秒，这是全年的极大值。反之，在远日点时（7月
图3—15椭圆轨道（公转速度）与视太阳日长度 （a）一月初，地球近近日点，太阳每日赤经差达极大值（61′），视太阳日很长。 （b）四月初，太阳每日赤经差为全年平均值（59′），视太阳日＝平太阳日。 （C）七月初，地球近远日点，太阳每口赤经差达极小值（57′），视太阳日很短。 初），地球公转很慢，造成每日约为59′＿2′＝57′的黄经差，相应地赤经差减少2′，真太阳日减少8秒，这是全年的极小值。因此，即使不存在黄赤交角，不同的黄经差也造成每日赤经差的周年变化，从而造成真太阳日长度的周年变化。如果椭圆轨道是真太阳日长度周年变化的唯一原因，那么，一年中很长的真太阳日约为24时0分8秒，发生在每年的1月初；很短的真太阳日约长23时59分52秒，发生在每年的7月初（图3—15）。 图3－16视太阳日长度的周年变化 点线表示视太阳日长度因黄赤交角而发生的变化，冬夏二至为极大值，春秋二分为极小值。虚线表示视太阳日长度因日地距离而发生的变化，1月初（近日点）为极大值，7月初（远日点）为极小值。实线表示二者的叠加，主极大发生在冬至后，次极大发生在夏至前；主极小在秋分前，次极小在春分后。这是因为，地球过近日点时间在冬至后不久；过远日点时间在夏至后不久。 事实上，黄赤交角和椭圆轨道这两个因素是同时起作用并相互干扰的。前者使真太阳日长度发生±21秒的变化；后者使真太阳日长度发生±8秒的变化。二者之中，前者是主要的，因此，真太阳日长度的变化，大体上是二至很长,二分很短；后者只是使冬至的真太阳日略长于夏至，而秋分的真太阳日比春分更短些。 如图3—16所示，由于两个因素的叠加，全年很长的真太阳日是24时0分29秒，发生于冬至后（12月23日）；很短的真太阳日是23时59分39秒，发生于秋分前（9月17日）。兹将一年中真太阳日长度的平均值（即平太阳日）和极值出现的日期及其差值列表如下： 日期 真太阳日 差值 日期 真太阳日 差值 2月12日24时0分0秒 0秒 7月26日 24时0分0秒0秒 3 26 23 59 42 18 9 17 23 59 39 21 5 14 24 0 0 0 11 3 24 0 0 0 6 20 24 0 13 13 12 23 24 0 29 29
§302—5地球自转的速度 地球自转的速度分角速度和线速度。 地球各部分都有相同的自转角速度。根据地球自转的周期，地球自转的角速度平均为每小时15°，或每分15′，每秒15″。严格地说，这里的时、分和秒，皆指恒星时。如果采用平太阳时，那么，地球自转的角速度应为15°2′6″/h，或15′2″.4/min和15″.04/s。 地球自转的线速度因纬度和高度而不同。
在同一高度，例如海平面，地球自转的线速度随纬度增大而减小。赤道上，自转速度很大，因为赤道是纬线中唯一的大圆。已知地球的赤道半径（R）为6，378.140km，可知赤道海平面上自转速度为： v0 = 2pR = 2´314.´6,378140,m =465m/s T 86,164s
式中T为地球自转的恒星周期，l恒星日＝86，164平太阳秒。这个速度已远远超过声音传播的速度。 与赤道上的自转速度相比，其它纬度的自转速度的大小，唯一决定于纬线的半径ｒ，而ｒ=Rcos?，因此，任意纬度?的自转速度为
Vj=V0cosj=465m/s×cosj 由上式可知，在南北纬60°地方，地球自转的速度减为赤道的一半；至南北两极减小为零。 在同一纬度，地球自转的速度随高度增加而增大。例如，在赤道上，高度每增加100米，自转速度便增加26m/s。 地球自转速度是在变化着的，可分长期变化，季节变化和不规则变化。 地球自转速度长期变化的主要原因，是月球和太阳对地球的潮汐作用。潮汐摩擦对地球自转起着“刹车”那样的作用（参见§506—2），使它的速度不断减慢；与此同时，l年的日数随之减少。根据对珊瑚化石的日纹的研究，距今3亿7千万年前（泥盆纪中期），l年约有400日。地球自转速度的季节变化又分周年变化和半周年变化。前者主要是季风的变化引起的，其振幅为20—25毫秒（ms）；后者是大气潮汐引起的，其振幅为9ms。不规则变化的原因，则是由于地球内部和外部的物质移动和能量交换所致。
电话：
微信：
标签：