歲差

地球環繞太陽的運動被稱為地球公轉，公轉的時間是一年。在地球公轉的過程中存在兩個明顯週期，分別為迴歸年和恆星年。歲差，是指回歸年短於恆星年的一種現象 ^[1]  。

迴歸年是指太陽連續兩次通過春分點的時間間隔，即太陽中心自西向東沿黃道從春分點到春分點所經歷的時間，又稱為太陽年。1迴歸年為365.2422日，即365天5小時48分46秒。這是根據121個迴歸年的平均值計算出來的結果。每個迴歸年的時間長短並不相等。天文學家根據太陽系的運行規律編撰出“萬年曆”。中國的“二十四節氣”是根據地球繞太陽公轉的軌道來劃分的。視太陽從春分點，也就是黃經零度出發，此刻太陽垂直照射赤道，每前進15度為一個節氣；運行一週又回到春分點，為一回歸年，24個節氣正好360度 ^[1]  。

恆星年是地球公轉的真正週期，在一個恆星年期間，在太陽上看，地球中心從天空中的某一點出發，環繞太陽一週，然後又回到了此點；如果從地球上看，則是太陽中心從黃道（地球公轉軌道面截天球所得的圓）上的某一點（某一恆星）出發，運行周天，然後又回到了同一點（同一恆星）。在一個恆星年期間，地球公轉360°所需時間約為365日6時9分10秒 ^[1]  。

迴歸年是曆法年，顯著特點是迴歸年的時間都是天文學家根據太陽系運行規律提前計算出來的，而且迴歸年的時間採用的是地球表面真太陽時體系。而恆星年採用的是鐘錶時體系。真太陽時體系與鐘錶時體系累計一年的時間差稱為歲差。簡單來説，歲差就是地球自轉軸的長期運動。在外力作用下，地球自轉軸在空間並不保持固定的方向，而是不斷髮生變化。歲差是地球公轉和地軸運動相結合的結果，這種結合決定了二分二至地球位置不是定點，而是在公轉軌道上不斷西移的動點，從而導致地球公轉一週不等於太陽直射點緯度變化一週。歲差可以使同一顆恆星的位置隨着時間的變化而發生變化 ^[1]  。

地球是一個橢圓球體，而非正球體，赤道部分較為突出，兩極則稍扁，太陽和月球對赤道突出部分的吸引力大，使地軸繞黃極緩慢移動，因而春分點沿黃道以每年50″24的速度西移，大概要26000年移動一週，這即為歲差。公元前二世紀，古希臘天文學家喜帕恰斯在編制一本包含1022顆恆星的星表時，把他測出的星位與150多年前阿里斯提留斯和提莫恰里斯測定的星位進行比較，發現恆星的黃經有較顯著的改變，而黃緯的變化則不明顯。喜帕恰斯認為，這是春分點沿黃道後退所造成的，並推算出春分點每100年西移1°。這是歲差現象的最早發現 ^[1]  。

中國古代則以觀測冬至點的移動來推求歲差。晉代以前，中國古代天文學家並沒有發現歲差現象，晉時虞喜研究了歷史上冬至點的觀測結果，比較自己的實地觀測，發現“堯時冬至日短星昴，今二千七百年乃東壁中，則知每歲漸差之所至”。也就是説唐堯時代冬至黃昏中天的星宿為昴宿，而2700年後的冬至黃昏中星卻是東壁，於是他得出結論，認為冬至點每50年西移一度。這個結果雖然比當前得到的赤道歲差（每77年差一度）相差頗大，但比希臘天文學家喜帕恰斯所得出的結論（每100年差1度）精確得多。虞喜就此大膽地提出了“歲自為歲，天自為天”的結論，把太陽在一回歸年內的運動與其在一恆星年中的運動區別開來，創立了歲差的概念（古人又稱為恆星東行，或節氣西退）。祖沖之於公元463年所制定的《大明曆》的最大貢獻是將歲差引入曆法計算。此前的一些天文學家認為，太陽在黃道上每經過一個迴歸年的運行，又回到上一年的起點上。虞喜和祖沖之發現了歲差的存在。虞喜提出的數據是每五十年後退一度，祖沖之認為每四十五年十一個月後退一度。儘管這兩個數據與現代觀測數據（七十一年八個月後退一度）尚有較大距離，但發現歲差並把它納入曆法計算之中，虞喜和祖沖之在世界則是首創。歲差的推算，便成了中國古代曆法史上的重要改革之一。祖沖之在制定大明曆時，還提出了三百九十一年一百四十四個閏月的新閏周，比十九年七閏的閏周更為精密。他還提出一個迴歸年的長度為365.24281481，精確到小數點後八位數 ^[3]  。元時郭守敬在《授時歷》中，採用的歲差數值是66年又八個月差一度，把歲差的精確度向前推進了一大步 ^[4]  。

牛頓首次對歲差現象進行了理論上的解釋。在繞太陽公轉的同時，地球自身繞地軸進行自轉。而受太陽和月球不平衡引力的共同影響，使得慣性作用下的地球自轉軸產生擺動，這種擺動表現為地軸繞着黃軸旋轉，在空間描繪出一個半徑約為23.5°（黃赤交角）圓錐面， 從而使天赤道與黃道的交點——春分點和秋分點在黃道上向西移動， 每76 年約移動1°，整個循環週期約為25700年 ^[2]  。

根據太陽系天體對地球長期作用所產生兩個不同表現，將歲差分為黃道歲差和赤道歲差。其中黃道歲差表示由於行星質點引力對地球軌道面產生的攝動，使得黃道面的空間取向發生變化，引起春分點沿赤道運動。另一方面，赤道歲差表示由於日月和行星對地球赤道突起部分的較差力矩而引起的赤道面（極軸） 的長期進動 ^[5]  。

章動是指在物理學中指物體的自轉軸繞另一軸線（稱“進動軸”）旋轉時，自轉軸發生的擺動現象。也是在天文學中指地球自轉軸繞黃道軸旋轉時，地球自轉軸產生的擺動現象。太陽和月球有時在赤道面之南，有時又在赤道之北，因而對地球的引力方向也不斷改變。由於日、月等天體特別是月球對地球赤道突出部分的吸引作用，在地軸繞黃極的運動為26000年的長期進動（即“歲差”）中，還存在許多週期不同、振幅各異的微小變幅，其中在它的平均位置上附加了一種短週期的擺動，即週期小於或等於月球交點週期18.61年，振幅為9.211″（稱為“章動常數”）的擺動，稱為章動。其運動形態表現為沿地球進動圓形軌道作波浪式的曲線運為。章動按運動方式可分為黃經章動和交角章動，按週期可分為太陽章動、月球章動和每月章動 ^[7]  。

極移是極地遷移的簡稱。指旋轉的地極和磁極隨時間變化在地面的移動。其運動方式有兩種：第一種是週期性的運動，北極呈反時針方向運動，南極順時針運動。極移週期又有兩種：①週期約為12月，振幅約為0.1″，沿着一長軸約4m的橢圓運動。這種運動與地球上的洋流、大氣環流等大規模季節性變化有關；②週期為14個月，振幅約為0.2″，沿着半徑約7m的圓周運動，又稱張德勒運動，其週期稱張德勒週期，這種運動與地球內部物質的運動有關。第二種是長期性漂移。其中又分兩種：①長期漂移。據國際緯度站1900年以來的觀測資料，得出地極存在着大小約為0.003″/a、方向沿着西經81.5°的線性漂移。極移的最大幅度不超過0.4″，在24m2的範圍內移動。由於極移，地球各地的緯度、經度和離心力發生顫動式變化，並影響到地殼運動。由於地球內部的不穩定性，極移軌跡不是平滑的螺旋曲線，常有突然轉折。②緩慢的長期極移——基本上是沿一徑圈向一相對比較固定的方向移動，其移動速率約為10cm/a ^[8]  。