进动的影响

进动的影响

摘要

地球自转是地球的一种非常重要的运动形式，对它的研究具有重要的理论意义和

实用价值，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。以动力学和运动学的理论为基础，通过

引入地球动坐标系相对惯性空间的运动，讨论地球地轴绕黄道平面法线的进动，并分

析进动产生的原因，分析可能带来的后果，结合地轴上下颠动的章动，和刚体地球的

极移，解释岁差和春分点西移现象。

关键词：地轴；进动；陀螺仪；地球自转；影响

一、引言

地球运动是一个天文问题，也是一个地球物理问题。研究它的运动对于天体方位

的测定有着重要的意义。地球物理是天体物理中最先发展的一个分支，也是人们十分

关注的一个课题，研究地球物理因素对地球运动的影响对于人类了解地球上出现的各

种现象有实际的意义。公元前二世纪古希腊天文学家喜帕恰是岁差现象的最早发现者，牛顿是第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道的隆起部分的吸引。地轴

进动与极移在力学机制上有一定的联系，进动与岁差是由同一物理机制引起的。极移

涉及到地球上寒温各带的转换，导致生态环境的改变。

为了扩展课本知识，更加深入地了解进动带来的后果及其发生原因，加深对课本

知识的理解，本文以文献综述为基础调查方法，通过查阅各种相关资料，结合书本给

出的地轴进动和极移的定义与相关资料分析，并解释地球自转轴进动和岁差产生的原因，春分点西移和极移现象。

二、自转轴进动的原因

地球自转轴是倾斜的，地球又不是正球体，在月球或太阳的引力作用下，自转轴

有被“扶正”的趋势，但转动着的地球产生一种抗力，使地球自转轴不但不会被扶正，还要保持倾角不变，绕与黄道垂直的轴（黄极）缓缓旋转，扫过一个圆锥面，旋转一

周大约是26000年，这一运动称为地球自转轴的进动，如图1所示。

地球自转轴与黄道平面的垂直方向偏离角（黄赤交角26°23′），赤道区隆

起的部分（实际是一个环状连续体）到月球或太阳的距离不同，所以受到的引力大小

f1和f2不同，f1>f2。f1的作用是“扶正”地球自转轴， f2的作用是“拉倒”地

球自转轴，两个合力的作用是“扶正”。如果地球不自转，地轴就被扶正了，但地球

自转产生的抗力使自转轴与黄极保持倾角不变，并绕黄极沿一个锥度的圆锥面运动。

自转轴进动产生原因与陀螺仪进动一样，下面就用刚体动力学原理分析陀螺进动的原因。

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。

——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，都是自西向东；而地轴进动方向与地球自转方向相反，即向西。自转方向为自西向东。这是因为陀螺在重力的作用下有“倾倒”的趋势，而地轴在太

阳和月球的引力作用下，有“直立”的趋势。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。

三、进动带来的影响

地轴进动有多方面的表现：

1)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，北极星就是最靠近天北极的亮星，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a)，目前是勾陈一侧‘熊座a)。到公元13600年，织女星(天琴座a)将成为北极星，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a)将成为明亮的南极星。

2)地球极移和纬度变迁

由上面的讨论可知，地球是一个庞大的不停地旋转着的“陀螺”，地球自转属于拉格朗日-泊松情况，即。地轴的进动角和自转角皆为时间t的函数，地球除绕对称轴z自转外，还有绕轴的角速度，此时刚体地球的瞬时角速度为绕轴的及绕z轴的两者矢量和，即为瞬轴方向。如图14所示。

可见，地球自转的转动瞬轴并不固定于地球，我们把地球的转动瞬轴（方向）叫天文地轴，而把地球的对称轴z叫地理地轴。从地球上看天文地轴绕着地理地轴转动，天文南北极绕地理南北极描出圆圈，称为“极移”现象，如图15所示。因纬度由天文地轴而定，而轴又在地球上变动，故纬度要发生变化，实际测出来的天文地轴绕地理地轴转动的周期为14个月，这种现象，在天文学上叫做纬度变迁。地轴进动造成的天极在星空背景中的移动与地轴在地球体内位置移动是不同的。后者造成的直接效应是极移，即地球南北两极在地球表面上的移动。“国际地球自转服务”监测结果表明，一世纪以来，地球北极在直径不超过20米的范围内扑朔迷离地转了80多圈，包含着多种周期因素，走出了一条碗转曲折的路线。因为极移是地球本体相对于自转轴