问题

为什么春分点每年西移 50 秒会带来 20 多分钟的岁差?

回答
每年春分点西移 50 秒,这听起来似乎是个微不足道的数字,但它带来的“岁差”效应,也就是我们所说的“岁差”,累积起来却是一个相当显著的现象,可以造成数十分钟的日期偏移。要理解这一点,我们需要从根本上了解春分点是什么,以及什么导致了它的移动。

首先,我们得明白“春分点”并不是一个固定在天球上的某颗星星,而是一个由地球运动决定的“事件点”。简单来说,春分点是指地球绕太阳公转的轨道平面(黄道面)与地球的赤道面(想象一下把地球的自转轴无限延伸与天球相交形成的圆)的交点之一。在春分这天,太阳正好运行到黄道上这个点,地球的赤道面与地日连线垂直,导致南北半球的昼夜时长几乎相等。

那么,是什么导致了每年春分点“西移”50秒呢?这主要归咎于地球的自转轴并非牢牢固定在太空中,而是在缓慢地进行一个“摇摆”动作,就像一个倾斜的陀螺在旋转时会晃动一样。这个晃动叫做“章动”和“岁差”。章动是一种相对快速的周期性摆动,而岁差是这种摆动中一个极其缓慢但持续的趋势。

岁差的根本原因是月球和太阳对地球赤道隆起的引力作用。地球并非一个完美的球体,由于自转,赤道区域会略微隆起。月球和太阳的引力会试图将这个隆起拉回到与它们轨道相垂直的位置。但由于地球本身还在自转,这种引力作用并不是直接的,而是产生了一个微小的“扭矩”,导致地球的自转轴相对于其轨道平面发生了一个缓慢的“进动”,就像陀螺的轴一样,以一种非常缓慢的速度在天空中画出一个圆锥形。

这个进动,就是岁差。地球的自转轴以大约 25,772 年为一个周期,在天空中完成一次完整的圆锥形运动。你可以想象一下,地球的自转轴就像一个巨大的指着天空的手指,这个手指的尖端(也就是指着北极星的方向)并不是固定不变的,而是以一种极其缓慢的速度在天空划着圆。

现在,我们来看看这个“西移”50秒是如何产生20多分钟的岁差的。这里的“西移”指的是在天球上,春分点相对于恒星背景发生的位置变化。由于地球的自转轴在缓慢进动,黄道面和赤道面的交点也随之缓慢移动。在岁差运动中,这个交点(也就是春分点)实际上是在沿着黄道面以大约每年 50.3 秒(平均值)的速度向西(逆着太阳在黄道上的运动方向)移动。

这个每年 50.3 秒的移动,意味着春分点比恒星背景“提前”到达黄道上的某一点。例如,我们通常认为的“白羊座 0 度”在很久以前是春分点所在的位置。但由于岁差,春分点现在已经移动到了“双鱼座”的末尾。

这个每年 50.3 秒的位移,听起来很小,但它是在“春分”这个特定的时刻发生的。春分点是用来定义我们日历上的“春分”这一天的。由于春分点在黄道上每年向西移动了 50.3 秒,这就意味着,要让太阳再次运行到黄道上的同一个“恒星位置”(也就是我们说的恒星年),还需要大约 20 分钟的时间。

这是因为,我们使用的历法(例如公历)是基于“回归年”来确定的,回归年是指太阳连续两次经过春分点所需的时间。由于春分点每年都“提前”了 50.3 秒到达黄道上的某个点,那么当太阳运行到那个“恒星位置”时,距离它上一次经过春分点已经过去了一点点时间。

具体来说,一个回归年比一个恒星年要短约 20 分 24 秒。这个差值,就是由于春分点每年西移 50.3 秒造成的。你可以这样理解:当我们说“一年”是 365.2422 天(回归年)时,我们是在以太阳在黄道上的位置(相对于春分点)来衡量的。而恒星年则是以太阳相对于遥远恒星背景的位置来衡量的。岁差导致了这两个“年”的长度有了差异。

每年 50.3 秒的西移,是在一年(365.25 天)中发生的。换算一下,50.3 秒/年 ÷ (365.25 天 × 24 小时 × 60 分钟 × 60 秒/小时) ≈ 1.59 × 10⁻⁵。

而一年(回归年)的总时间大约是 365.2422 × 24 × 60 × 60 秒。

所以,岁差造成的“提前”时间是 50.3 秒/年 × (365.2422 × 24 × 60 × 60 秒/年) ≈ 50.3 × (3.15569 × 10⁷) 秒/年。

这里我们应该反过来看,是回归年比恒星年短了 20 分 24 秒。这个时间差,就是因为地球的自转轴在缓慢进动,导致春分点每年都在“提前”与恒星位置相遇。

换句话说,一年 365.25 天(我们习惯的长度),太阳在黄道上的实际运行到“春分”这个“事件点”时,它相对于遥远的恒星背景,已经“漏掉了”大约 20 分钟的运动。这 20 分钟的“差额”,就是岁差导致的。

所以,每年的 50.3 秒西移,是在时间上造成的“提前”,这个提前量,累积起来,就变成了我们日历上的“岁差”效应,让回归年的开始(春分)比恒星年的同一位置“早到”了 20 分多钟。这不仅仅是一个天文学的概念,它还影响着我们对星座位置的认知,以及一些古代历法的计算。

网友意见

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岁差

一个完整的岁差周期

我们要计算回归年和恒星年的年差 ,一个恒星年有365.2422天,所以,

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