地轴进动

地轴绕黄轴的圆锥形运动

地轴进动，是指地轴绕黄轴的圆锥形运动。南北天极在天球上的移动，反映了地轴在宇宙空间的运动。“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。

简介

南北天极在天球上的移动，反映了地轴在宇宙空间的运动，模板化叫地轴进动。“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25 800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。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。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，合力矩最终会使地轴趋近黄轴，或使赤道面重合于黄道面。

——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。

原理

地轴进动或岁差的成因

地轴进动的原理与陀螺的进动类似。它的发生同地球形状、黄赤交角和地球自转有关。地球具有椭球体的形状，即两极稍扁，赤道略鼓月球和太阳对在赤道面鼓的部分施加引力，同时地球又在自转，这样便产生了岁差。

假如把地球分为三部分，中间的圆球部分质量中心在地球中心O，而C1和C2是赤道上多余物质的质量中心，为了讨论简化，假定月球位于黄道上，显然，月球对较近部分C1的吸引力P1比对较远部分C2的吸引力P2要大些，P1将产生一个以O为中心的力矩M1，它使地轴和黄轴相重合；P2也产生一个力矩M2，它使地轴倒向黄道面。

但是因为P1大于P2，并且OC1=OC2，所以M1大于M2，如果地球没有自转运动，则这个合力矩就使地轴和黄轴重合，然而，地球是具有自转运动的，那么，这个合力矩就使地轴朝着垂直于合力矩的方向移动，如图1，地轴产生顺时针的移动。这种现象可以从一个侧身旋转的陀螺观察到，它在地心引力的作用下产生合力矩，使其轴线围绕着垂直于地面的直线画出一个圆锥体的表面，地轴的这种运动，称为地轴的进动。不仅月球对地球的作用力矩使地轴发生进动，同样，太阳对地球的作用力矩也会使地轴发生进动。但是，因为月球离地球比太阳离地球近得多，所以在地轴进动上，月球的引力作用要比太阳大得多。理论上，其他行星也都应对地球有作用力矩，但是，因为它们离地球较远，质量又较小，以致使它们的作用力矩在实际上对地轴的进动不起任何作用。因此，可以得出结论：地轴的进动首先是月球，其次是太阳对地球赤道隆起部分产生的力矩造成的，没有地球的自转运动，地轴进动也是不可能发生的。因此，地轴进动又是地球自转的证据之一。

地轴进动的周期

地轴的延长线指向天极，由于地轴的进动，天极和天赤道在恒星间的位置不停地发生改变，天赤道与黄道的交点──二分点将不停地按顺时针方向沿着黄道向西移动，中心是黄北极，天北极以23°26′为半径按顺时针方向围绕黄北极转动。假定黄道在恒星间的位置不改变，当天北极在P1的位置时，天赤道和黄道交于g1和W1两点，g1有标出；当它在P2位置时，相交于g2和W2两点，g2也已标出。就是说，由于天北极的移动，春分点从g1移到g2，秋分点从W1移到W2，弧g1g2的数值为50″.42，称为日月岁差。

行星的引力作用对地轴进动不起任何作用，但是，它们对地球的公转运动有摄动的影响，使地球轨道平面即黄道面的位置有所改变，这也会使春分点的位置发生移动，这叫行星岁差，它的数值仅有0″.13，而且移动方向是向东的。在日月岁差50″.42中减去行星岁差0″.13剩下的50″.29是春分点每年向西移动的数值，称为周年总岁差。

春分点和秋分点每年沿黄道西移50″.29，大约71年多一点向西移动一度，或者需要经过约25 800年在黄道上移动一周，这个周期就是地轴进动的周期。

公元330年前后，晋朝虞喜发现岁差，测定冬至点每50年西移1°，它的发现虽然晚于希腊天文学家喜帕恰斯于公元前125年的发现，但却比他估计春分点每100年西移1°要精确。隋朝刘焯确定岁差为75年西移1°，更接近于实际数值，而当时西方仍有用喜帕恰斯的数值。

上面的讨论是假定月球在黄道平面上的简化情况，事实上，月球在白道上运行，黄白交角平均为5°9′，也就是说，月球经常位于黄道的上面或者下面，这就使得岁差现象变得复杂，由于这个原因，天北极在绕着黄北极转动时，不断在其平均位置的上下做周期性的微小摆动，振幅约9″，这种微小摆动叫章动，周期18.6年。

主要影响

地轴进动的后果

地轴进动首先造成天极的周期性圆运动。例如在北半球看起来，天北极以黄北极为圆心，以23°26′为半径，自东向西作圆运动，它每年移动50″.29，25 800年完成一周。

地轴进动还造成北极星的变迁，这是因为北极星就是天北极附近的亮星，它必然因为天北极的移动而有更替的现象，北极星在公元前3000年曾经是天龙座a，目前是小熊座a，到公元14 000年将是天琴座a（织女星），可以预计，天龙座a将在公元22 800年再度成为北极星，公元27 800年时的小熊a同天北极的关系将同目前一样。今天，天南极附近没有明亮的恒星，但是到公元16 000年时，船底座a（老人星）则将成为明亮的南极星。

地轴的进动还造成地球赤道平面和天赤道的空间位置的系统性变化，这是因为地球赤道平面永远垂直于地轴，当然随着地轴进动而进动，周期同样是25800年。地轴进动还表现为二分点和二至点在黄道上每年50″.29的速度向西移动，历经25 800年完成一周。这是因为二分点是黄道同天赤道的交点，二至点是黄道上距天赤道最远的两点，它们都随着天赤道的平面移动而移动。

地轴进动使得地球上的季节变化周期──回归年，稍短于太阳沿黄道运行一周的时间──恒星年，这是因为回归年的度量是以春分点为参考点岁差

因为春分点是第二赤道坐标和黄道坐标系的原点，由于它向西移动，对于赤道坐标系恒星的赤经和赤纬，都经常在改变着；对于黄道坐标系，只有恒星的黄经每年增加50″.29而黄纬则不变。

区别方式

极移和岁差的区别

极移和岁差都是地球自转轴的运动，但是，它们的运动形式，运动周期和运动结果都根本不同，不能互相混淆。

极移是在不受外力作用下，自转轴在地球体内的自由摆动，瞬时极P围绕着平均极Po运动，运动轨迹很复杂，是一条弯曲的非闭合曲线，主要周期是近14个月的张德勒周期。瞬时极P的运动实质上是一种视运动，是地球本体相对于自转轴运动造成的，因此，极移不改变天极和天赤道在恒星间的位置，对天体的赤道坐标和黄道坐标没有影响，只能使地理坐标产生微小的变化。

岁差是在外力矩作用下，自转轴的空间的受迫运动，天极围绕着黄极，以23°26′为半径作圆周运动，周期约为25 800年。天极的运动是真实的运动，使得天极、天赤道和春分点在恒星间的位置都不固定，结果造成回归年的长度短于恒星年，天体的赤经、赤纬和黄经都要受到影响，但却不能改变地理经度和地理纬度数值。