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        地球月球繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)致使黃白交點(diǎn)西移

        2018-10-27 11:00:56武茂燦
        中國科技縱橫 2018年18期

        摘 要:地球和月球組成地月系統(tǒng),地球和月球分別繞它們的公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。月球繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的軌跡為空間白道。因地球自轉(zhuǎn)軸具有空間定向性,空間白道面亦有空間定向性。這使月球繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的周期就是天球上的交點(diǎn)月。地月系統(tǒng)繞日運(yùn)動,于是產(chǎn)生天球由東向西的視運(yùn)動,月球亦有由東向西的視運(yùn)動。天球的視運(yùn)動等于地月質(zhì)心繞日轉(zhuǎn)過的角度,月球的視運(yùn)動又受地心位置的影響。因地心繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn),地心位置在地月質(zhì)心前后變化,天球的視運(yùn)動與月球的視運(yùn)動不同步,使天球白道的升交點(diǎn)和降交點(diǎn)相對天球都產(chǎn)生西移。太陽系除了繞銀河系旋轉(zhuǎn)外,在銀河系空間中亦有繞轉(zhuǎn)運(yùn)動,太陽在天球上有自己的運(yùn)行軌道。太陽和地球亦繞它們的公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。與地月系統(tǒng)的情況一樣,天球的春分點(diǎn)及秋分點(diǎn)相對天球赤道會產(chǎn)生西移。

        關(guān)鍵詞:地月系統(tǒng);地月質(zhì)心;空間白道面;空間黃道面;太陽系空間運(yùn)動

        中圖分類號:P183 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2064(2018)18-0231-03

        1 月球運(yùn)行軌道及周期

        1.1 月球繞地軌道的空間形狀[1]

        筆者在【黃白交點(diǎn)西移新解】一文中指出,月球繞地軌道的空間形狀不是圓形,而是以地球繞日軌道為軸的波浪狀曲線。月球繞天球一周,地球月球與質(zhì)心聯(lián)線與天球黃道的交點(diǎn)會在黃道上向西移動,移動的大小等于地月質(zhì)心繞太陽轉(zhuǎn)過的角度。

        1.2 空間白道

        “在空間中,地月系統(tǒng)繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn),質(zhì)心為圓心,月球相對質(zhì)心的軌跡形成空間白道。相對質(zhì)心,空間白道為接近圓形的橢圓?!薄啊捎谠虑蜍壍赖膸缀涡螤钆c地球的自轉(zhuǎn)軸有關(guān)。[3]地球自轉(zhuǎn)軸的空間定向性加上月球自轉(zhuǎn)軸的空間定向性,就會使月球空間白道具有空間定向性?!盵2]

        空間白道在天球上的投影是天球白道,同樣天球白道亦有空間定向性。天球白道在天球上是首尾不銜接的類螺旋線。天球白道的空間定向性使交點(diǎn)月是月球繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的真正周期,同時也是月球繞地球旋轉(zhuǎn)的真正周期。最常見的天文現(xiàn)象日食與月食與交點(diǎn)月密切相關(guān),這充分證明了交點(diǎn)月是月球繞地的真正周期。

        1.3 恒星月

        “以恒星背景為參考來研究月亮的視運(yùn)行,其運(yùn)行周期為恒星月”[4]。地球帶著月球相對天球運(yùn)行,天球上的一個點(diǎn),比如說一顆恒星,是不能作為判斷月球是否繞地一圈的標(biāo)志。月球不會連續(xù)兩次過天球上的同一顆恒星。確切地說,恒星月不是月球繞地球旋轉(zhuǎn)的真正運(yùn)行周期,是不可測的。

        1.4 交點(diǎn)月,回歸月和恒星月的關(guān)系

        月球在白道上運(yùn)行,交點(diǎn)月是月球在天球白道上的運(yùn)行周期,亦是地月系統(tǒng)繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的固有周期?;貧w月是在天球白道上運(yùn)行的月球投影到天球黃道上的黃經(jīng)在黃道上的變化周期,而非月球的真正運(yùn)行周期。恒星月則是在白道上運(yùn)行的月球投影到赤道上的赤經(jīng)在赤道上的變化周期,亦非月球的真正運(yùn)行周期。若地球在宇宙中心不動,則交點(diǎn)月等于回歸月,又等于恒星月。由于地月系統(tǒng)的繞日運(yùn)動,使月球在白道上旋轉(zhuǎn)一周后,月球黃經(jīng)在黃道上的變化尚未完成一周,這必然使交點(diǎn)月小于回歸月。又由于太陽的空間運(yùn)動,月球在黃道上的黃經(jīng)變化一周后月球赤經(jīng)在赤道上尚未完成一周,這使回歸月小于恒星月。

        2 黃白交點(diǎn)西移

        2.1 空間黃道黃白交點(diǎn)移動

        (1)圖1為空間黃道黃白交點(diǎn)移動示意圖,大圓為空間黃道,小圓是周期為恒星月空間 白道的投影圖。地月質(zhì)心在1點(diǎn)時,黃白交點(diǎn)在A點(diǎn)。一個交點(diǎn)月地月質(zhì)心運(yùn)行到2點(diǎn),地月質(zhì)心繞太陽轉(zhuǎn)過θ角。從地球上看,天球向西轉(zhuǎn)過同樣的角度。B1點(diǎn)是月球繞天球一周加上跟隨地月質(zhì)心繞日轉(zhuǎn)過θ角的位置點(diǎn),投影到黃道上為C點(diǎn),向西移動的角度也是θ角,與天球移動的角度相重合。盡管一個交點(diǎn)月同一交點(diǎn)在空間黃道面上移動七千多萬千米,若無交點(diǎn)西移,并不因此改變其在天球上的位置。

        (2)從圖1可以看出,地月質(zhì)心繞太陽旋轉(zhuǎn)的同時,地球和月球分別繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。地球中心有時在地月質(zhì)心之前,有時在地月質(zhì)心之后。當(dāng)?shù)匦?,月球中心與地月質(zhì)心和太陽在一條直線上時,地心,月球中心與地月質(zhì)心繞太陽轉(zhuǎn)過的角度相等。在此之前,地心繞日轉(zhuǎn)過的角度小于地月質(zhì)心繞日轉(zhuǎn)過的角度,而月球繞日轉(zhuǎn)過的角度大于地月質(zhì)心繞日轉(zhuǎn)過的角度;在此之后,情況正相反。

        (3)地心在落后地月質(zhì)心的半圈中有一個黃白交點(diǎn),地心在超前地月質(zhì)心的半圈中亦有一個黃白交點(diǎn)。在地心落后地月質(zhì)心的半圈中,月球中心繞日轉(zhuǎn)過的角度大于地月質(zhì)心轉(zhuǎn)過的角度,在天球上是月球在空間白道的反方向。則一個交點(diǎn)月后的黃白交點(diǎn)不是在圖1中的B1點(diǎn),而應(yīng)在B2點(diǎn)。投影到黃道上則是黃白交點(diǎn)西移。在地心超前地月質(zhì)心的半圈中,月球繞日轉(zhuǎn)過的角度小于地月質(zhì)心繞日轉(zhuǎn)過的角度,因此時月球的運(yùn)動方向與前在平面上相反,在圓周上相同且差180度,其黃白交點(diǎn)在黃道上亦產(chǎn)生西移。由此得出結(jié)論,地月質(zhì)心繞日旋轉(zhuǎn),地心繞地月質(zhì)心的運(yùn)動使月球相對天球西移。地球月球繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)是黃白交點(diǎn)西移的原因?;蛘哒f,黃白交點(diǎn)西移是地球月球繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。

        (4)由上述可知,當(dāng)?shù)卦沦|(zhì)心在黃道上運(yùn)行一個交點(diǎn)月后,月球的位置不是在B1點(diǎn),而是應(yīng)在B2點(diǎn)。弧B1B2就是一個交點(diǎn)月月球在天球上的西移。黃白交點(diǎn)在黃道上西移,白道面繞黃道面扭轉(zhuǎn)。白道面相對地月質(zhì)心的方向不變。由圖1可以看出,地月質(zhì)心在空間黃道的不同位置,黃白交點(diǎn)的西移量是不同的。

        2.2 天球上的黃白交點(diǎn)西移

        (1)圖2為天球黃白交點(diǎn)移動示意圖。外圓為天球,中圓為地球表面,內(nèi)圓為地月質(zhì)心的視軌跡,O點(diǎn)為地心。此圖并不是簡單的平面圖,而是空間運(yùn)動的投影圖。

        (2)設(shè)A0為天球上的一個黃白交點(diǎn),此時正與一顆恒星重合,此星稱為參照恒星。月球從A0出發(fā),由于地月質(zhì)心的運(yùn)動,月球繞地一圈后回不到A0點(diǎn)。經(jīng)過一個交點(diǎn)月后參照恒星向西運(yùn)行到A1點(diǎn),見圖2。參照恒星相對地心轉(zhuǎn)過的角度是∠A00A1,但相對地月質(zhì)心B0轉(zhuǎn)過的角度是∠A0B0A1,且有∠A0B0A1=∠AOOA1+∠B0A1O。作直線0A2∥BOA1交圓于A2,則A2點(diǎn)應(yīng)是參照恒星即原黃白交點(diǎn)視運(yùn)動到A1點(diǎn)時,月球運(yùn)行到A2點(diǎn),即新黃白交點(diǎn)。∠A00A2則是月球在地心天球上轉(zhuǎn)過的角度。弧A1A2就是一個交點(diǎn)月月球在天球上的西移。

        (3)利用圖2的結(jié)果,可以找到與黃白交點(diǎn)西移有關(guān)的因子?!螧0A10是一個變化的角度。當(dāng)月球從A0點(diǎn)運(yùn)行時,B0在質(zhì)心圓上旋轉(zhuǎn)。當(dāng)B00與A10在一條直線上時,∠B0A10是0度。當(dāng)月球在天球上轉(zhuǎn)一周與A1點(diǎn)重合時∠B0A10也是0度。這相當(dāng)于圖1中地心,月球中心及地月質(zhì)心和太陽在一條直線上的位置,月球的視運(yùn)動等于地心天球的視運(yùn)動,且是地心天球超前或落后月球視運(yùn)動的分界線。月球運(yùn)行有半周直線A1B0在直線A10內(nèi)側(cè),另半周在外側(cè)。一周有兩個最大值∠B0A10≈地月質(zhì)心半徑/月球軌道半徑,其和就是一個交點(diǎn)月的西移。黃白交點(diǎn)西移H可用函數(shù)H=f(Rr)來表示,式中R為月球軌道半徑,r為地心繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的半徑。也就是說,黃白交點(diǎn)西移的大小是月球繞地半徑與地心繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑的函數(shù)。

        3 春分點(diǎn)西移

        (1)“銀河系中至少有一半甚至多達(dá)80%的恒星是雙星或者聚星系統(tǒng)——兩顆或者更多恒星因引力束縛在一起并相互繞轉(zhuǎn)——的成員?!盵3]由此可以說,太陽在銀河系內(nèi)繞某中心旋轉(zhuǎn)的同時又隨該中心繞銀河系旋轉(zhuǎn)。至于太陽的運(yùn)動形式,太陽在天球上的運(yùn)行軌道以及軌道中心?,F(xiàn)在仍未有定論。不過已發(fā)現(xiàn),太陽在天球上并非靜止,而是以“速度19.7千米/秒,方向即奔赴點(diǎn)位置在武仙座中?!盵5]太陽在天球上亦應(yīng)有自己的運(yùn)行軌道及軌道中心。

        (2)由于太陽帶著地球在天球中運(yùn)動,必然使空間黃道相對天球移動,并使北天極移動。從文獻(xiàn)[4]提供的“224顆恒星4000年位置表”數(shù)據(jù)整理得出,自公元前2000年到2000年的4000年間,所有恒星的赤經(jīng)都增加,絕大多數(shù)增加50到60度左右。赤緯的變化是一半增加,一半減少,有多有少。從2000年赤經(jīng)10.1度的仙后α星(中文名王良四)到赤經(jīng)51.1度的英仙α(中文名天船三),赤緯都增加20多度(最大21.9)。從2000年赤經(jīng)182.1度的半人馬δ星(中文名馬尾三)到赤經(jīng)229.3度的天秤β星(中文名氐宿四)赤經(jīng)都減少。

        20多度(最大23.5度)。二者的中心點(diǎn)相差接近180度。而與此相垂直的方向赤緯的變化則很小。如2000年赤經(jīng)102.5度的船尾τ星(中文名老人增一)先是增加1.1度,后又減少1.2度,整體只減少0.1度。對應(yīng)赤經(jīng)的變化,赤緯具有遞增和遞減的規(guī)律性。東方是先增加后減少,西方是先減少后增加。由這些數(shù)據(jù)可知,就整體而言,北天極沿2000年赤經(jīng)約25度的徑向并向25度赤道點(diǎn)移動20多度。但從不同的時間段看,每400年北天極最大徑向移動2.3度,且與當(dāng)時春分點(diǎn)的位置基本相合。太陽帶著地球在軌道上的空間運(yùn)動,產(chǎn)生兩個現(xiàn)象,一個是春分點(diǎn)西移,另一個是北天極移動。這兩種現(xiàn)象不僅大小不同,其方向亦不一樣。春分點(diǎn)西移是地球空間運(yùn)動的一種表現(xiàn)形式,而北天極的移動是地球所有空間運(yùn)動的綜合反應(yīng)。

        (3)空間黃道是地月系統(tǒng)質(zhì)心繞地月系統(tǒng)與太陽系的公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動軌跡。由于太陽自轉(zhuǎn)軸及地球自轉(zhuǎn)軸都具有空間定向性,空間黃道面亦有空間定向性。這就使春分點(diǎn)及其他節(jié)氣點(diǎn)在黃道上的位置固定不變,空間黃道面與赤道面的交線空間指向不變。同時又使地月系統(tǒng)繞太陽系公共質(zhì)心的運(yùn)行周期等于視太陽在天球上繞黃道的運(yùn)行周期,亦是地月系統(tǒng)繞太陽系公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的固有周期,即回歸年。這有天文觀測事實(shí)證明。戰(zhàn)國時期的【鹖冠子】說:“斗柄東指天下皆春。斗柄南指天下皆夏。斗柄西指天下皆秋。斗柄北指天下皆冬?!盵4]時間過去3000多年,北斗星的斗柄指向與季節(jié)的位置至今不變。這個天文觀測事實(shí)證明了一個回歸年地球繞黃道360度。同時亦證明了空間黃道面的空間定向性??臻g黃道面雖然相對天球移動,但其空間方向保持不變,節(jié)氣點(diǎn)相對天球移動但在黃道上的位置不變。春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)在天赤道上由東向西移動,黃道面相對赤道面扭轉(zhuǎn)。春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)連線即黃道面與赤道面的交線始終代表東西方向,二至連線代表南北方向,黃道面扭轉(zhuǎn)但在天球中的方向不變。

        (4)太陽與地球(地月系統(tǒng))組成日地系統(tǒng),太陽和地球分別繞它們的公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn),日地公共質(zhì)心又繞太陽軌道中心旋轉(zhuǎn)。圖1空間黃白交點(diǎn)移動示意圖的機(jī)理同樣適用于日地系統(tǒng)。太陽在空間中由西向東的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,以及地月系統(tǒng)繞太陽的運(yùn)動,同樣引起天球的由東向西的視運(yùn)動以及太陽由東向西的視運(yùn)動。因二者不同步,于是產(chǎn)生春分點(diǎn)相對天球西移。嚴(yán)格講,是黃道面相對太陽的軌道面扭轉(zhuǎn),因目前太陽的軌道面尚是一個未知數(shù),本文以赤道面代替只是一種近似。天球黃道與白道一樣是首尾不銜接的類螺旋形線。視太陽在天球上從一個春分點(diǎn)出發(fā),繞黃道一圈后,卻回不到原春分點(diǎn)了。相鄰兩春分點(diǎn)的距離類似螺紋的螺距。在黃道上運(yùn)行而非在天赤道上運(yùn)行的視太陽,在天球上不會連續(xù)兩次經(jīng)過同一顆恒星。同恒星月不是月球的真正運(yùn)行周期一樣,恒星年也不是視太陽的真正視運(yùn)行周期,恒星年是不可測的。

        4 結(jié)語

        (1)黃白交點(diǎn)西移,即白道面繞黃道面扭轉(zhuǎn);春分點(diǎn)西移,即黃道面繞赤道面扭轉(zhuǎn),這兩者表現(xiàn)形式完全相同,具有異曲同工之妙。令人驚奇的是,這兩個天文現(xiàn)象又與地球上的傅科擺擺面的旋轉(zhuǎn)十分相似。這不會是偶然巧合,而應(yīng)有相同的機(jī)理。傅科擺擺面的旋轉(zhuǎn)是“由于地球自轉(zhuǎn)偏向力,運(yùn)動著的擺有向右(南半球向左)偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,擺動平面就緩緩轉(zhuǎn)動起來了?!盵5]由此可以推斷,在各個層次上的旋轉(zhuǎn)體系中運(yùn)行的天體,同樣存在科利奧里力或類似的力。地月系統(tǒng)繞太陽旋轉(zhuǎn),月球在旋轉(zhuǎn)體系中運(yùn)動,使白道面繞黃道面扭轉(zhuǎn);地球太陽系統(tǒng)繞太陽軌道中心旋轉(zhuǎn),地球在旋轉(zhuǎn)體系中運(yùn)動,使黃道面繞赤道面扭轉(zhuǎn)。

        (2)黃白交點(diǎn)是月球繞地運(yùn)行軌道上的一個特殊位置點(diǎn),即月球過黃道面的點(diǎn),在天球上是黃白交點(diǎn)。黃白交點(diǎn)在黃道上移動一周的時間就是這個特殊位置點(diǎn)的移動周期,即白道面繞黃道面的扭轉(zhuǎn)周期。與此相對應(yīng),地球亦有一個于此對應(yīng)的特殊位置點(diǎn),其在黃道上移動一周的時間就是章動周期。

        (3)春分點(diǎn)是地球繞太陽運(yùn)行軌道上的一個特殊位置點(diǎn),即視太陽過赤道的點(diǎn),此時地球在天球上的秋分點(diǎn)。這個特殊點(diǎn)在赤道上的移動周期,即是黃道面繞赤道面的扭轉(zhuǎn)周期。北天極的移動是地球空間運(yùn)動的綜合反應(yīng),其不僅包含白道面繞黃道面的扭轉(zhuǎn)周期,黃道面繞赤道面的扭轉(zhuǎn)周期,還包含地球跟隨太陽運(yùn)動等運(yùn)動周期。

        參考文獻(xiàn)

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