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[地球物理]地球的进动与章动

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添加时间:2018年01月09日

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转自中国地球物理学会微信公众号“上天入地”

关于地球自转轴之倾角的产生,或者说地球之进动的产生,其基本原理及细节在任何一本《理论力学》的教科书里都应该会有一定篇幅比较详细的介绍。事实上,地球进动的产生完全是地球自转本身的一个副产品,而不是有人说的是喜马拉雅的副产品,当然从严格精确的意义上来讲,喜马拉雅的产生确实会在高阶小量的尺度上影响到地球的自转速率、进而也一定程度上影响到地球的进动与章动。

这里建议买一个陀螺回家,在自己家的院子里玩一段时间,从观察陀螺的进动与章动入手,大概也可以进一步悟出点关于地球进动与章动的相关道理来。你看那个陀螺的运动,导致其自转轴绕某一中心旋转,这种现象称为进动,也叫做旋进。除了自转和进动外,在陀螺变慢时会看到陀螺的对称轴还会在铅锤面内上下摆动,这就是章动。引起这种变化的原因是地球相对于月球和太阳的位置有周期性的变化,使得地球自转轴的空间指向除长期的缓慢移动外,还叠加上各种周期的幅度较小的振动,这称为章动。

联想到女航天员王亚平在天宫一号上的太空授课,这里顺便给出一道与旋转陀螺相关的思考题:为什么王亚平在太空中旋转陀螺时,那个陀螺的旋转轴所指方向几乎是不变的,而当我们在地表同样是玩陀螺,则会观察到陀螺旋转轴本身的旋转式进动?

回归正题,关于地球的进动与章动简介如下:

地球自转是地球的一种重要运动形式,其平均角速度为7.292×10-5弧度每秒;一般而言,地球的自转是均匀的,目前的精密天文观测表明,地球自转存在着数种不同形式的变化。

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由于太阳与月亮的引力作用,地球的自转轴在地球绕太阳与地球的公共质心转动时,并不总是保持在空间的同一方向上。其自转轴绕着地球的公转轴(黄轴)旋转,亦称进动。这种进动以大约25700年的周期在空间描绘出一个圆锥面,该锥面的顶角等于黄赤交角23.5°,也使春分点沿黄道反向每 25700年旋转一周,即每年西移约50.3″(日月岁差);同时,由于其它太阳系行星的引力作用,地球的公转轨道面也在不断地改变位置,从而使得黄赤交角发生改变,还使春分点沿赤道每年东移约0.13″(行星岁差);此外,根据广义相对论理论,地球的自转轴会在空间产生相对论性进动(测地岁差),大约为每100年逆时针方向移动1.98″。

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由于迴转效应,地球的自转轴相对于公转轴会产生一种点头式的周期运动,叫做章动。太阳引起的地球章动周期约为半年,振幅约为50.3″;而月球引起的地球章动,情况则要复杂许多,在太阳的吸引作用下,白道面与黄道面的交线以角速度360°/18.6年西移,从而产生一种振幅为9.21″及周期为18.6年的周期性运动,构成地球章动的主要成分。

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这里再说一些题外的话:对于地球轨道参数的变化,20世纪30年代,由塞尔维亚数学家米兰科维奇创立了一个著名的理论解释--天文冰期理论。米兰科维奇认为冰期的形成与地球运动轨道三要素(地球轨道偏心率、地轴倾斜度、岁差)的周期性变化相关联。换句话说,即地球围绕太阳旋转时,公转轨道形状、地轴与公转轨道的黄道面间交角和公转时地球自转的角速度都会有变化,这几个方面的自然波动使得地球接受太阳的辐射有变化,影响了气候和冰期的形成。其原因是:

首先,地球绕太阳公转的轨道是椭圆形而不是圆形的轨迹,使地球在离太阳近的时候,得到的辐射就多,远离时就少。如今地球在1月份离太阳最近,称此位置为近日点,7月离太阳最远,称为远日点。而地球围绕太阳运动的轨道每10万年,就会从略微的椭圆形变成近乎圆形。公转轨道的这一周期变化是由于太阳、月亮及其它行星对地球的万有引力造成的。

其次,在地球公转时,地轴是倾斜的,也就是赤道面与地球公转轨道面存在交角,因此各地受到太阳的照射情况就会不一样,有时太阳直射,有时太阳斜射,这样在一年中也就出现了冷热不同的四季变化。假如地球不是倾斜着“身体”进行公转,太阳光就只对赤道直射,地球上就不会出现四季了。地轴倾斜度的周期变化,会导致回归线和极圈的纬度发生变化,从而改变地球上的季节。地轴倾斜度增大时,高纬度夏季接受太阳辐射增加,冬季减少,气温年较差增大。地轴倾斜度减少时,高纬度冬暖夏凉,气温年较差减少,夏季温度低更有利于冰川发展。地轴的倾角,每经过4.1万年与垂直方向之间的角度从21.8°变化到24.4°,如今的地轴斜角为23.5°。

此外,如果你有玩过陀螺的话,可能会注意到当陀螺的转动速度减慢时,它的自转轴会作缓慢的摆动,在空间中画出圆形的轨迹。而由于太阳和月亮对地球的引力,使得地球在公转时,自转轴就像一个顺时针自转的陀螺摆动,当然这种运动十分缓慢,大约用2.6万年的时间地球的自转轴才会化过一周。现在设想一下,地球从春分的时刻出发,绕太阳转了一周,当地球在轨道上回到原先位置时,自转轴的方向已经变化了,即是说,地球并不是处于最开始的那个春分点。春分点的位置,将影响季节的起止时间,也会使近日点和远日点的时间发生变化。地球在春分点的位置沿着地球公转轨道向西缓慢地移动,大约每2.6万年,春分点的位置在地球公转轨道上移动一周,称为岁差。春分节气的时间,每隔70年就要推迟一天。现在北半球夏季远日,冬季近日,夏季比冬季长8天。大约1万年后,就会变成冬季远日,夏季近日,冬季反而会比夏季长8天。就是说,不太冷而且短促的冬季,将会变成寒冷而漫长的冬季。

地球轨道参数变化与超长期气候变化有关,这一理论也被认为是对地球最近的气候变迁模式--10万年的冰期之间有1万年的间冰期--最近乎合理的解释。

本文转自魏东平科学网博客。本公众号略有删节。
原文链接地址:
http://blog.sciencenet.cn/blog-206819-701884.html

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