行星除了繞日公轉,還有本身的自轉,以地球爲例,所觀察到的所有天文現象,都是由於地球的自轉和公轉引起的,由於地球自轉所觀察到的現象叫做“週日視運動”,地球自轉看起來就像是整個天球都在轉,天球的旋轉中心在北天極,就是北極星附近,北天極實際上就是地球北極在天球上的投影,由於相對運動,所以看起來天空中所有的恆星都是圍繞着這個北天極在旋轉的。

由於公轉所觀察到的現象叫做“週年視運動”,最直接的影響就是一年四季的變化,具體現象就是黃道的發現,古人發現太陽在恆星天上的這個位置,每天都會出現一些細微的差距,大約就365天左右纔會回到原來的位置,這就是一年。

古人對“年”時間概念的定義:

第一種(恆星週期),就是通過太陽在恆星天上行走一圈的週期。

第二種(立竿見影),夏天正午的太陽昇得最高,冬天正午的太陽相對比較低,高低就是仰角,正午12點抬頭看太陽的角度就是仰角。

古人在地上豎直立一支竹竿,太陽越高,竹竿的影子越短,太陽越低,竹竿的影子就越長,古人就把正午時分竹竿影子最短的這一天,也就是太陽最高的一天,叫做“夏至”,就是夏天來了。影子最長的那一天,就叫做“冬至”。古人就是把連續兩次太陽到達最高的時候或者最低的時候,這個週期也叫做“一年”,因爲這個週期恰好也是365天左右

(恆星週期)與(立竿見影)存在時間差

第一種(恆星週期)定義的年,通過太陽在恆星天上的位置變化來定義的年,本質是地球的公轉,地球這個地球每公轉一點,在地球上所看到的太陽在恆星天上的投影,它的位置就會變化一點,地球不停地公轉,看起來就像是太陽在恆星天上移動,當地球公轉一圈的時候,這個週期叫做“一恆星年”,大概是365.25636天。

而第二種(立竿見影)定義的年,本質是地球在水平方向上繞日公轉,因爲運動是相對的,假設太陽圍繞地球轉一圈,這就是一個“迴歸年”,這個軌道叫做“黃道”,這個軌道所在的平面就是“黃道面”,傾斜的面叫做“赤道面”,通過太陽高度定義的年,實際上就是由於地球的自轉軸不是正好垂直於“黃道面”的,而是有一個傾斜的角度(66︒33')的,所以地球的赤道面和黃道面,實際上是存在一個夾角的,這叫就是“黃赤交角”,角度是23︒27'。

正因爲存在這個交角,纔會存在四季的變化,這是四季形成的最根本的原因,當太陽直射北迴歸線,就意味着北半球接收到的太陽輻射就會更多,因爲大氣對於太陽輻射的折射和散射就會變少了,所以此時的北半球就是夏天。南半球就是冬天,恰好直射北迴歸線這一天,這就是北半球的夏至日,看到的太陽就最高。當太陽直射南迴歸線時,這就是冬至日,所以看到的太陽就最低。

通過這個立竿見影來制定的一年,也就是太陽連續兩次直射北迴歸線或者是直射南迴歸線的這個週期,這種週期定義的一年叫做“一回歸年”,大概是365.2422,相比“一恆星年”(365.25636天),恆星年和迴歸年每年相差了大概1224秒,就是迴歸年比恆星年短了20分鐘24秒,這個現象在天文學上叫做“歲差”,一年差20分鐘左右,不要小看這麼微弱的差別,但是在很早之前,人們就已經發現這個歲差的存在了。

我國的古人也很早就發現了這個現象,並且我古人很聰明的,恆星年就叫做“年”,而回歸年就叫做“歲”,最早就是通過立一根杆子叫做“圭表”,每年影子最長的時候“冬至日”對吧,到下一次的“冬至日”,叫做“一歲”,一歲嚴格來說就是經歷了一回歸年。

“圭表”

未解之謎·“恆星年”和“迴歸年”相差1224秒

根據上述“迴歸年”太陽圍繞地球旋轉,水平的面是“黃道面”,傾斜的面是“赤道面”黃道與赤道相交於兩點,分別就是春分、秋分,所謂的“迴歸年”其實就是指太陽再次回到黃道上定點的時間,比如從春分點開始計算,到下一次春分爲時間就是一個迴歸年。

同樣是一圈的週期,爲什麼卻短了1224秒?

唯一的原因就是這個春分點提前了,意思是太陽還沒有圍繞到一圈,就已經到了春分點了,因爲春分點它向前移動了,這就是形成“歲差”的直接原因。

春分點爲什麼會向前移動呢?

其實不只是春分點,如把春分點定爲0度,秋分點定爲180度,這時所有的點都向前移了一點,所以古人把歲差叫做“分點歲差”,這個分點和太陽的運動剛好是相反的,把春分點和秋分點連成一條線,這條線它也是在輕微地轉動的,這說明了地球的赤道面在旋轉,或者說地球的赤道面的法線在旋轉,也就是地軸在旋轉。

紅柱是地軸(地軸也會轉動)

舉例說明:

地球地軸的旋轉就像一個陀螺一樣。

地軸旋轉的週期,也就是說地軸旋轉一圈的週期是是25786年,這就是歲差的週期。地軸的轉動在物理上叫做“進動”,所以造成歲差的根本原因就是因爲這個地軸的進動。

“進動”與“章動”

  • 進動

因爲自轉軸和對稱軸它存在一個夾角,所以存在扭矩,如果地球是豎直轉動的,它就不會這個出現進動現象,但是旋轉軸稍稍的傾斜一點,地球整體就會出現進動現象。其實不僅是自轉軸的進動,地球的公轉軌道也存在進動,叫做“近日點進動”,地球環繞太陽旋轉的橢圓軌道,會整體有一點點移動。

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