平衡效应对地轴的重建作用

第三节　平衡效应对地轴的重建作用

平衡效应必然会引起地球内的物质迁动，而当地球中部分质量发生了迁动时，其对地轴倾角来说，将产生怎样的影响呢？

图4．2　地轴的倾斜

如图4．2所示，假设某种平衡状态时体系的质心在O点，自转轴沿OR直线，当体系内部部分质量（设为m₁）从A点（任意）迁动至A′点时，由于要求整个体系的质心不变，所以必有相应的质量m₂从B点“移”至B′处。这个过程总效果上即体现为一净力偶矩的增生：

ΔM的方向由右手定则易知沿OD方向，因而便可以在OD方向上（即太阳与地球中心的连线上）产生一进动的角速度，所以总角速度（如果定义为极轴的话）

现在地球的黄赤交角值为23．44°。进动角速度为50′26″/年，这个数值是主要计算了常态下地球赤道面的外凸受日、月引力所形成的附加力矩而产生的总进动量。结合上面的讨论可知，这个天文上的岁差一方面显然是平衡效应过程在当今地球进动量上的体现，另一方面又会因振荡效应的进行而拟周期性地更动。同样，因地球的自由振荡、颤动和固体潮等，它们都明显地会受地球内质量迁动的影响或制导，所以，平衡效应在地史上对它们的特征不断进行修正是不言而喻了。

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10．黄赤交角

黄赤交角是地球公转产生的轨道面（黄道面）与地球自转产生的赤道面（天赤道面）的交角，也称为太阳赤纬角或黄赤大距（如图4．3所示）。黄赤交角并不是一直不变的，它一直有着微小的变化，但由于变化太小了，所以人们一般对其忽略不计。黄赤交角的存在，具有重要的天文和地理意义。黄赤交角是地轴进动的成因之一；它还是太阳日长度周年变化的主要原因。黄赤交角是地球上四季变化和五带区分的根本原因。黄赤交角的存在，使太阳直射点到达的最北界线是23°26′N，即北回归线；最南界线到23°26′S，即南回归线，也就是太阳直射点在23°26′S～23°26′N之间作周年性的往返移动。

图4．3　黄赤交角

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11．地球的进动和章动

在长期的天文观测中发现，自转轴并非固定不变，而是像陀螺一样周期性地摆动，造成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。地轴进动产生的原因是月球和太阳对地球引力产生的力矩，是地球赤道面向黄道面趋近。进动的规律是：圆锥形运动的圆锥轴线，垂直于地球轨道平面，指向黄极。圆锥的轴线与母线的夹角为23°27′，即黄赤交角。进动的方向向西，同地球自转（和公转）方向相反。进动的速度是每年50．29″，周期为25 800年。当地球自转轴绕黄道轴旋进时，春分点西移，地球公转不到360°即可两次经过春分点，恒星年和回归年便产生一个差值，这就是岁差，因此地轴的进动也叫“岁差”。公元前二世纪古希腊学者首先发现岁差现象，据《宋史・律历志》记载：“我国晋代天文学者虞喜云：‘尧时冬至日短星昴，今二千七百余年，乃东壁中，则知每岁渐差之所至’”。岁差这个名词即由此而来。

图4．4　地球的进动与章动

月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄道约5°倾斜，这使得月球产生的转矩的大小和方向不断变化，从而导致地球旋转轴在岁差的基础上叠加18．6年的短周期的不规则圆周运动，振幅为9．21″，这种现象称为章动。这一天文现象是由英国天文学家布拉得雷曾在1748年分析了20年（1727—1747）的恒星位置的观测资料后发现的，月球轨道面（白道面）位置的变化是引起章动的主要原因。在天球上，表现为天极（真天极）在绕黄极运动的同时，还围绕其平均位置（平天极）作周期为18．6年的运动。同样，太阳对地球的引力作用也具有周期性变化，并引起相应周期的章动。岁差和章动的共同影响，使得真天极绕着黄极在天球上描绘出一条波状曲线。