地球還有進動和歲差（軸向進動），實際兩者的含義是一樣的，但是有本質的現象區别。它們的含義類似于陀螺儀，一種在自轉狀态下的物體，其自身的自轉軸又在圍繞另外一個軸做自轉運動。進動在地球公轉的橢圓軌道中最為明顯，而歲差在地球自轉中最為明顯（可稱自轉軸進動）。

進動概述

首先我們來簡單的了解下進動的概念，這種現象類似于我們生活中的陀螺儀，一種在自轉狀态下的物體，其自身的自轉軸又在圍繞另外一個軸做自轉運動的一種現象。更深層次的理解是：進動是自轉體的自轉軸方向的運動。在适當的參考系中，它可以定義為第一歐拉角（描述剛體在三維歐幾裡得空間的取向）的變化，而第三歐拉角定義為自轉本身。換句話說，如果主體的自轉軸本身繞第二軸自轉，則稱該主體圍繞第二軸進動。 第二歐拉角改變的運動稱為章動（路徑中的微小擺動）。 在物理學中，有兩種類型的進動：自由力矩進動和誘導力矩進動（torque-free and torque-induced）。

在天文學中，歲差是指天體的自轉或軌道參數中的任何一個緩慢變化。 一個重要的例子是地球自轉軸的方向的穩定變化，稱為晝夜平分點的進動（軸進動）。下文我們将分開講述。

水星公轉軌道進動，圖：《從零學相對論》-水星近日點進動

地球的公轉軌道進動

行星圍繞太陽的軌道并不是每次都遵循一個相同軌迹的橢圓，而實際的情況時這些軌迹會描繪出一個花瓣形狀，因為每顆行星的橢圓軌道的主軸也在其軌道平面内發生進動，部分原因時以回應其他行星的引力改變所施加的攝動。這種現象叫做近日點進動或拱點進動。

在地球的不同橢圓公轉中，我們可以得知地球在做拱點進動。當地球繞太陽運行時，它的橢圓軌道随時間逐漸旋轉。在太陽系中，大多數軌道的離心率要小得多，進動速度要慢得多，這使得它們幾乎是圓形的和靜止的。

按照牛頓力學，行星的軌道是以太陽為一個焦點的橢圓。然而觀測結果與此略有歧離。以最靠近太陽的水星為例，雖然它在每一周期中的軌道很接近橢圓，但兩個相鄰周期的兩個“橢圓”的長軸并不重合，表現在它的近日點( perihe-lion)的微小改變上。随着時間的推移,由于積累效應，“橢圓”的長軸(因而近日點)繞太陽的緩慢轉動變得可以觀測。這現象叫做近日點的進動(precession)。從1697年至1848年的天文觀測表明水星近日點的進動率是每世紀5 600"("代表角秒)。如何解釋?法國數學家勒威耶(Le Verrier)用牛頓力學對水星運動做過長期研究，并于1859年再次發表研究報告。根據這一研究，水星近日點由于某些原因(例如其他行星的影響)的确應該進動，但所有原因造成的進動率也隻有每世紀5557",餘下的每世紀43"無法解釋，這就是著名的“43秒問題”。他猜想這個43"來自一個尚未認識的行星的影響,并将它命名為祝融星( Vulcan)。由于不久之前他在預言海王星上取得巨大成功，很快就在國際天文學界掀起了尋找祝融星的熱潮,許多天文學家(包括業餘的)先後報告他們發現了祝融星的蹤迹,但是要麼禁不起考驗，要麼互相矛盾。雖然勒威耶在1878年去世時仍然堅信他的猜想，但是絕大多數天文學家都不認可。直至1915年愛因斯坦的廣義相對論文章[愛因斯坦等《相對論原理》(1980中譯本)]發表後，人們才有足夠理由相信祝融星的假設是多餘的。

太陽和月亮之間的引力引起了地球軌道的進動，這是地球氣候振蕩的主要原因之一，其持續時間為19000至23000年。 由此可見，地球軌道參數的變化（例如，軌道傾角，地球自轉軸與其軌道平面之間的角度）對于研究地球氣候非常重要，特别是對過去冰河時期的研究。

歲差概述

（軸向進動）

在天文學中，軸向進動（歲差）是由于天體自轉軸方向的重力引起的緩慢的和連續的變化。 特别是，它可以指在大約25772年的時間中地球自轉軸方向在做逐漸的周期變化。這類似于旋轉陀螺的進動，軸線在它們的頂點處描繪出一對錐體。 “歲差”這個名詞通常隻針對長期運動，其他在地軸準線上的變動，如章動和極移，它們的規模則要小得多。

地球的歲差在曆史上被稱為晝夜平分點的歲差（簡稱分點歲差），因為晝夜平分點相對于固定的恒星沿着黃道向西移動，與太陽沿黃道每年的運動相反。 在非技術的讨論中仍沿用此一名詞，這點在詳細的數學中是不存在的。從曆史上看，分點歲差的發現通常歸因于西方的希臘時代（公元前二世紀）的天文學家希喜帕恰斯，盡管有人聲稱還有更早期的發現，例如在公元前700年的印度文本《吠檀迦約提薩（Vedanga Jyotisha）》中。随着十九世紀上半葉計算行星之間引力的精度的提高，人們認識到，早在1863年，黃道本身也有輕微地移動，稱為行星歲差，而占主導地位的部分稱為日月歲差。它們合起來被稱為綜合歲差，而不是分點歲差。

日月歲差是由月球和太陽對地球赤道隆起的引力引起的，導緻地球軸線相對于慣性空間移動。行星歲差（前進）是由于地球上其他行星的重力與其軌道平面（黃道）之間的小角度，導緻黃道平面相對于慣性空間略微偏移。日月歲差大約是行星歲差的500倍。除了月球和太陽，其他行星也會引起地球軸線在慣性空間中的微小移動，使得月球歲差與行星歲差在對比時産生誤導性，所以在2006年，國際天文學聯合建議将主要部分重名為赤道歲差。而次要的較微弱的部分則改名為黃道歲差，但它們的組合仍稱為綜合歲差。

從天球外觀察歲差運動,圖：Tauʻolunga

地球自轉引起的歲差

我們知道地球在圍繞自己的一個軸線不停的自轉，但是你知道麼？這個軸線是會動的，它的軌迹是圓錐形狀的，也就是假設的線端點軌迹為一個圓圈，這就是地球的軸向進動，也就是我們熟知的歲差現象。往仔細的講，這個軌迹并不是正圓的，或者說其軌迹在每個圓線點上是擺動的前進，這就是另一種現象了，我們稱為章動，本文不解釋這個。

地球的自轉歲差是很微小的進動，它的周期大約為26000年。地球的歲差還導緻了軸線極點的指向位置，也就是北極星的“寶座”永遠不會一直坐着。大約在公元前1500年到公元500年期間“北極星”的“寶座”由北極二坐鎮，北極二在中國古代稱為“帝星”，是小熊座的第二亮星，僅稍暗于現在的北極星勾陳一。另一方面，公元前3000年“北極星”的“寶座”由右樞坐鎮，不過其亮度近4（等），所以不那麼引起注意。明亮的織女星經常被吹捧為最好的“北極星”（它在公元前12000年左右履行了這一職責，并将在14000年左右再次履行這一職責）。當北極星在27800年左右再次成為北極星時，由于它的自轉，北極星将比現在離北極點更遠，而在公元前23600年它比現在更靠近北極點。

地球的歲差運動，圖：NASA, Mysid

參考資料

1.WJ百科-英文版（Axial precession/Precession）

2.《從零學相對論》-水星近日點進動

文章作者：零度星系（天文在線）

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最終審核：

編輯用時：2018年10月2日-2018年10月3日（花費時長：約6個小時）

審核用時：

最後更新：2018年12月28日星期五

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全文排版：天文在線（零度星系）

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