关于地日关系的基础科普，看这1篇就够了
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这是一个关系决定一切的世界，因为没有什么能独立存在于世。 即便冷漠如宇宙，也有一个又一个关系圈。它们是如此和谐地结合在一起，成为一种宇宙秩序。 而地球，之所以能春意盎然、生机勃勃，也全因为它与太阳的关系处得不错，不然也只能落得如金星、火星一般下场。 太阳系内，被群星羡慕的地日关系，远非地球绕太阳转圈那么简单。实际上，地球也从未围绕太阳转过一次完整的圈。 地日之间错综复杂的关系，真可谓一言难尽！我们所谓的一年，可能只是个假象，你相信吗？不变的北极星其实一直在变，还是三班倒！地球除了公转，地轨还会绕太阳转，别不信？至于，什么地轴进动、地轨偏心率、冰河世纪的成因……处处都体现着地球的小心思。
何为一年？地球围绕太阳旋转一圈即为一年，这是现在小朋友都知道的常识。 那怎么才叫旋转一圈? 一圈总得首尾相接吧，即转一圈后回到出发的起点，但以太阳为参照物，地球围绕太阳旋转一圈后，从未回到过它之前的出发点。 因为太阳系里的所有行星，都会想水星那样发生近日点进动，只是水星最明显，进动速率达到了每年56角秒，而地球的近日点进动的速率只为每年11角秒。进动会导致公转轨道的变化，虽然细微，但地球确实从来没回到过原来的位置，所以从未跑过一个完整的圈。 那我们是如何确定一年开始与结束的呢？
我们心中的年都是“回归年”（tropical year）。现在，我们对年最直观的感知，除了生日吹蜡烛，阖家团圆过春节，就是春夏秋冬的周而复始。那我们是如何确定四季？确定一年的时间呢？ 最简单的方法，就是观测太阳的“日行迹”。日行迹就是一年中太阳每日正午（太阳直射点）在天空留下的位置变化。
如果你喜欢拍照，每天中午当太阳雄赳赳气昂昂地傲立苍穹之时，捕捉下它光辉伟岸的身姿，并记录下来，你会发现太阳在天空最终形成一个8字形的路径，即日行迹。它形成的根本原因，就是地球自转轴的倾斜。 为了测量的方便，我们一般以8字形中间交叉点为起始点与终点。这个点对应着天文学上的“二分点”，即地球赤道与黄道交叉的两个点。当太阳在这个点时，地轴的倾斜方向恰好侧对太阳，所以昼夜时长相等，也就是我们日常说的春分与秋分。 所以，回归年就是指太阳连续两次通过春分点的时间间隔，也就是我们日常感知的年。
而当太阳位于日行迹的最高点和最低点时，地球在其轨道上最大程度地向太阳倾斜或背离太阳倾斜，就形成了全年中白天最长的夏至与白天最短的冬至。 以此方式测出的一年为365.24219天，即365天5小时48分46秒。这个值是121个回归年的平均值，因为每个回归年的时间长短并不相等。
而真实的地球年应该是“恒星年”（Sidereal year）。在地球上，以太阳与某一颗遥远恒星在同一位置时算作起点，当太阳再次回到这个位置时即为一个恒星年。 而这颗选定的恒星，一般来源于黄道十二宫，因为从地球上看，太阳永远在黄道十二宫的星座中穿行。
但问题是当太阳当空时都是白天，我们如何与背景的星星作对比呢？ 古人的办法是在夜昼交替的黎明，乘着天还没完全亮时仰望天空，观测升起来的星星。首先，一两周时间里，我们就会发现星星们整体向上偏移，其次，星星们的位置变化与星相变化会具有非常明显的周期性。 比如，在北半球，你永远无法在七月的天空中看到猎户座，但到了八月，你就能很容易观测到它了。用这种方法测出的一年为365.25636，即365天6小时9分钟10秒。恒星年才是地球公转的真正周期。
为什么两个年测出来的时间不一样？两个年之所以会有差异，是因为两种计量系统的不同。回归年是以太阳光的直射地球的周期变化来计算的，而恒星年是以地球实际的运动轨迹来算的。由于地轴运动的原因，地球公转一周不等于太阳直射点纬度变化的一周。 所以，一般恒星年应用于天文，回归年应用于历法。它们之间的时间差，称为岁差。 以天文学角度来说，地球在太阳与月球引力的共同影响下，地轴会缓缓地转动，就像一个要慢下来的陀螺，自转的同时，其轴也在转动，这就是地轴的进动真相。结果就会造成二分点每年以50.266角秒（约0.014°）的角度西移（退行），这导致恒星年比回归年要长20分24秒。
地轴在天空勾勒出一个圆形轨迹，周期大约是26000年，天文学上把这个周期称为大年或柏拉图年。 这除了造成岁差，还会导致我们常认为不变的“北极星”以26000年的周期变化着。比如，目前的北极星是勾陈一，而5000年前的北极星其实是天龙座的一颗恒星，12000年前北极星则是明亮的织女星。也就是说14000年后，织女星将再次成为北极星。 另外，地球除了地轴倾角渐进周期性变化，轨道也在周期性变化，它们共同造就了地球上的季节变化。
季节变化的主因是地轴倾角，但轨道变化也出了一份力。虽然地轴的倾斜是季节更替的主要原因，但地球椭圆形轨道带来的地日距离的变化，也对一年气温的变化带来了影响。 地轴与轨道之间的完美组合，才有了如今人类聚集地北半球的舒适气候。
当地球在近日点时，由于地轴的倾斜方向将南半球暴露在太阳光下，南半球会有一个炎热的夏天，而受阳光照射较少的北半球会拥有一个温暖的冬天；而在远日点时，南半球又由于缺少阳光照射进入寒冷的冬天，而北半球大量暴露在太阳光下，但因为远，反而拥有更凉爽的夏天。只有当地球在二分点附近时，由于地轴未向太阳倾斜，南北半球的季节差异才会大致相同。总体来说，北半球比南半球更舒适一点。 另外，由于其它行星的引力作用，地球的椭圆轨道也会慢慢地绕太阳旋转，以遥远的恒星群为参照物，每过11万2千年的时间，地球的椭圆轨道将会绕太阳旋转一周。所以，以大视野来看，地球的轨道近似一个花瓣形。
综合考虑地轴转动和花瓣形轨迹，在轨道旋转周期内，夏至点两次出现在最远日点位置（最冷的夏天）大约会有5次，其时间间隔约为21000年。在这段周期内，近日点和远日点到来的日期每年都会提前一点，平均每过58年，就会提前一天。
地球的轨道也并不是恒定不变的椭圆在天文学上，地球轨道的扁圆程度是用“轨道偏心率”来衡量的。
简单来说，几千年来地球的轨道一直在忽扁忽圆地变化着（虽然偏心率只有0.0167），原因当然是各种复杂的行星之间的引力作用，尤其是木星和土星两位老大哥。地轨偏心率的循环周期大约为10万年。 尽管地轨偏心率在变，但椭圆轨道的半长轴始终未变。因此，一个恒星年的时间长度一直是恒定的。当地球在轨道上运行时，季节的持续时间取决于地轨的偏心率。当地轨偏心率非常大时，处于轨道远日端的季节长度会更长。
除了轴向岁差，还存在转轴倾角的问题地球赤道面与黄道面存在一个夹角，这个夹角会一直在22.1°到24.5°之间，以41000年为周期变化。目前夹角约为23°26′且正在减小。
这种夹角的变化与地球的冰河时期直接相关，上一次最大夹角出现在公元前8700年，下一次最小夹角将发生在公元11800年。 并且在地球公转的过程中，其轨道也总会相对于当前轨道面上下浮动，循环周期大约为70000年。如果把整个太阳系看成一个整体，以角动量守恒定义一个太阳系的“不变轨道面”，这个轨道面大致等同于木星的轨道面。地球轨道面也会与这个轨道面形成一个夹角，其变化周期为10万年，刚好与10万年的冰川周期吻合。 总之，科学家普遍认为摇摆不定的地球轨道面，引起了太阳光入射角度变化，导致了地球上冰川期与间冰期的周期性变化。
这就是我们熟悉的地球与太阳之间那些不为人知的秘密。或许在未来，我们还会发现它们之间更为深层次的关系。 毕竟偌大一个宇宙，地日系统太小了。我们以太阳系视角都发现了这么多秘密，如果以宇宙视角，还能看见些什么呢？
发布于 2019-11-04
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发表于 2020-7-28 20:46
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