地球的空间运动及北天极的移动
武茂灿
山东煤矿泰安机械厂
摘要
地球自转产生天球上的北天极。本文通过地球的空间运动探讨北天极的移动规律。地月系统绕公共质旋转组成白道面。地球带着月球绕太阳旋转，白道面亦跟着旋转。这使黄白夹角周期变化，还引起黄白交点西移及北天极的章动。白道面的扭转包含地球的空间运动.章动是由地球的空间运动引起，且与黄白交点西移同源同步。太阳绕银河系中的某个中心旋转，这个中心绕银河系中心旋转。太阳在天球上有自己的运行轨道。黄道面绕太阳运行轨道扭转产生两个效应。一是春分点西移；二是北天极在天球上移动。黄道面的扭转包含了地球的更大范围的空间运动，北天极会有大的移动。天文现象证明了地球的空间运动引起北天极在天球上的移动。
关键词 陀螺运动， 地球自转， 空间运动， 旋转系， 北天极移动 .
引言
2013 年 6月 20 日航天员王亚平在天宫一号上做了许多科学实验，其中一项是陀螺实验。实验显示，转动的陀螺轴向在天宫一号内始终保持不变。即使航天员用手指戳陀螺的顶部，陀螺的轴向仍然保持不变，但要产生空间运动。笔者对此实验有极大的兴趣，由此产生了创新灵感。我们知道，天宫一号以约7000 米/秒的速度在太空中绕地球旋转，其运行方向时刻在变化着。在天宫一号内旋转的陀螺，其轴向相对天宫一号的外空间也应时刻变化着。通过这个太空实验可以得出以下结论:
在太空旋转系中旋转的陀螺轴向始终保持不变，相对旋转系以外的空间，陀螺轴向随旋转系的变化而变化，并保持同步。
在太空中运行并自转的星球就是在太空中旋转的陀螺，如月球，地球等。陀螺在天宫一号中的实验结果可以推广到太空中的星球。若承认此结论，就会发现新的宇宙现象。
本文首次提出了春分点时及春分点日，对地球的自转周期，月球绕地球的运行周期，地球绕太阳的运行周期给出了新的定义，对黄白交角的周期变化及章动，极移等提出了新的解释。
正文
1.地球自转
1.1 地球自转产生天球上的北天极以及日月星辰由东向西的视运动。北天极是地球的影子。
1.2 地球自转的两种形式
1.2.1主动自转， 地球绕自身轴转动，这是地球自转的主要形式。
1.2.2 被动自转，指跟随大的物体转动而引起的自身转动。如一个人站在大的圆盘上，圆盘绕轴转一圈，这个人自转一圈。这不光是刚性物体所具有的特性，就是在空间的天体运行也有同样的规律。
1.2.3 主动自转与被动自转是两个系统中的独立的运动。地球绕太阳旋转，地球自转是一个独立的运动，但地球相对天球的转动，就是两种自转形式的合运动。
1.3 地球的自转周期
1.3.1 恒星日的不同解释
关于恒星日，笔者在网上看到的解释几乎都是如图1左边图所示的那样，地球上一点A的垂线正对着一颗恒星为起点 1，地球自转到 2 点，A的垂线与1 点的垂线相平行时，为一个恒星日。这种解释忽略了地球的被动自转。
地球在圆形轨道上运行，地球自转成了一个复合运动。一是地球绕自身轴的旋转，即主动自转；二是因地球公转而引起的地球被动自转。地球单位时间转过的角度是地球主动自转与地球被动自转转过的角度之和。
恒星日如图1 右边图所示，地球上的一点A 从 1点开始，到 2 点时A点正对原来的恒星时，就是一个恒星日。从图上看，地球相对天球没有转360 ，但加上被动自转的角角度正好一圈。本节的内容可以从下面的实验装置来理解。即一个 10齿的小齿轮绕 100 齿相同模数的大齿轮旋转。小齿轮绕大齿轮一圈，小齿轮主动绕轴转10 圈，小齿轮绕大齿轮一圈会使小齿轮被动自转一圈，故小齿轮绕大齿轮一圈小齿轮转 11 圈。
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图 1 恒星日两种解释示意图1.3.2 由上分析可知，地球绕轴自转一圈，地球转过的角度 360°加上地球绕太阳转过的角度.如地球轨道是圆形，地球绕轴自转一圈，地球转过的角度是均匀的。这与小齿轮绕大齿轮的情况相同。但地球轨道是椭圆形，地球绕轴自转一圈，地球绕太阳转过的角度并不均匀，它们的之和有大有小。那就意味着地球绕轴的自转周期就是一个平太阳日。
1.4 春分点时和春分点日
1.4.1 根据本人的研究，在此首次提出春分点时和春分点日。
春分点时定义：
对于某一地点的子午圈，当春分点刚好过子午圈（上中天）的时刻，定义为该地春分点时0 时,因周日视运动，春分点绕天球一圈，又一次通过子午线时，定义为春分点时24 ,时或次日春分点时 0 时。
春分点日定义：
春分点时从 0 时h到 24 时是一个春分点日。
1.4.2 春分点连续两次过地球某地点的子午圈，在天球上好像没有转满一圈，这种观点忽略了黄道相对天球的移动。地球在黄道上运行，地球的自转，都是在黄道面系统或者说黄道面坐标系中发生的事件。春分点两次过子午圈在天球上看，就是春分点西移与地球自转的合运动。加起来正好一圈 。如果是某颗恒星两次过子午圈，地球自转就第大于一圈了。由此可得出结论：
春分点日是地球自转的真正周期。
1.4.3 春分点日与太阳日的关系是一个回归年有365.2422太阳日，却有366.2422 春分点日，刚好相差一天。也就是说，地球在黄道上绕太阳一圈主动自转的圈数加上被动自转的圈数1等于地球绕太阳一圈真正自转的圈数。其周期为春分点日。一个春分点日为 23 小时56分 04 秒。这个时间是以春分点为参考点导出，而不是恒星。春分点相对恒星西移，春分点日小于恒星日。用恒星日代替上述关系式中的春分点日不能成立。
2.地月系统绕公共质心旋转
2.1 地球和月球绕其公共质心旋转。虽然质心在地球内部离中心约4700 km处，地球仍会有与月球同步的空间运动，周期是交点月，而不是恒星月。“日月交食周期S 实际上既等于朔望月的整数倍又等于交点月的整数倍，即S ＝ mA ＝ nB [1]” 。日食和月食是太阳地球和月球运行到一条直线上的天文现象，其与月球绕地球的真正圈数有关。仅此就可证明交点月是月球绕地球旋转的真正周期。月球在白道面圆盘上运行，判断月球绕地球一圈只能在白道面圆盘上确定，而不能以天球上的恒星为标志。地球有周期为交点月的空间运动，北天极会有非常微小的移动。
2.2 月球绕地球旋转，月球不绕自身轴旋转。1.1 节已述，地球绕太阳旋转一圈时，地球会被动自转一圈。这是天体运行的规律。月球绕地球旋转一圈，被动自转一圈。月球朝向地球的一面始终不变，且是一种稳定的结构。
3.地球的公转
3.1 地球绕太阳旋转（严格说是绕太阳与地球的质量中心旋转）叫做公转。2013 年6 月航天员王亚平在天宫一号上做了陀螺实验。实验显示，在天宫一号内旋转的陀螺轴向始终不变。此实验即可证明在太空旋转系中旋转的星球（陀螺）轴向始终保持不变，相对旋转系以外的空间，则随旋转系的改变而同步改变。由此可知，地球在绕太阳运动中地轴的轴向不变，黄赤交角保持不变。地球绕太阳旋转是地球在黄道面大圆盘上绕太阳旋转。在天球上则是视太阳绕黄道运动与春分点西移的合运动。地球的公转周期就是视太阳两次过春分点的时间。即视太阳绕黄道一圈的时间。而不是视太阳两次过天球上的同一颗恒星的时间。实际上视太阳也不会连续两次过天球上的同一颗恒星。由此则证明地球的公转周期是回归年，而不是恒星年。
3.2 地球的公转，带着白道面绕太阳公转，引起黄白交角的周期性变化
白道与黄道有两个交点，即升交点及降交点。交点在黄道上西移，约 18.6 年绕黄道一周。地球公转每个回归年绕太阳一圈。这样就有地球从一个交点到另一个交点的运动。当地球在升交点且月球在白道的顶点时，月球顶点与两个交点组成的白道面与黄道面的夹角就是黄白交角。当地球运行到两交点的中心位置且月球到白道顶点时，白道面被地球带着在空间平移七千多万千米，白道过黄道面的两个空间交点也同步移动。由于天球视运动，两个交点在天球上仍在原来的位置西移了一点。这时的黄白交角是由此时的白道顶点与原交点组成的新的白道面与黄道面的夹角。其自然小于地球在交点处的黄白交角。也就是说，地球运行到黄白交点处的黄白交角最大，从一个交点向交点运行时，黄白交角逐渐变小，在中间位置最小，到另一个交点时又最大。因交点西移，周期约 173 天。
4.地球在黄白交点西移中的空间运动
4.1 笔者在拙作《旋转系中的陀螺运动及科利奥里力》（以下简称《旋转系》，见 2020年“科学智慧火花”）中提出月球在绕地球运动中受科利奥里力，白道面绕黄道扭转，黄白交点西移。其实白道面绕黄道扭转是早已观测到的天文现象。黄白交点在黄道上西移，由黄白交点组成的白道面则向西扭转，这只是一个问题的两个方面。
4.2 黄白交点西移不是月球独舞，而是地月共舞。地轴的方向在白道面内保持不变。相对外空间则随着白道面的扭转而变化，且同源同步。这就是说，地球在黄道上有一个与黄白交点西移相对应的运动周期，在天球上北天极会有周期为18.6 年的波浪状曲线，这就是章动。地球月球绕公共质心旋转，是白道面旋转系内的旋转运动，黄白交点西移与章动是白道面相对黄道的系统移动，二者层次不同，互不干涉,
4.3 2023 年9月21日神州十六号航天员做的陀螺实验，让笔者茅塞顿开，久思不解的月球椭圆轨道拱线进动的原因找到了答案。太空陀螺实验证明了在太空中角动量守恒。地球月球绕地月质心旋转，形成地月系统白道面。地月系统内角动量保持守恒。但月球在绕地球旋转过程中受科利奥里力，使白道面扭转，黄白交点西移。这样就使地月系统的角动量发生变化。为使角动量守恒，椭圆轨道的拱线向月球运行方向进动。拱线进动同样会破坏原地月系统的角动量守恒，其与黄白交点西移正好相反，这样的结果使地月系统的角动量仍然守恒。
5 地球在春分点西移中的空间运动
5.1 “银河系中至少有一半甚至多达80% 的恒星是双星或者聚星系统--两颗或者更多恒星因引力束缚在一起并相互绕转——的成员。［2］”由此可以说，太阳并不是直接绕银河系中心旋转，而是在银河系内绕某中心旋转的同时又随该中心绕银河系旋转。太阳在天球上也有自己的运行轨道以及轨道中心。
5.2 春分点在天赤道上西移，这是自古及今在赤道坐标系观测到的天文现象。春分点西移就意味着黄道面绕天赤道扭转。笔者在《旋转系》中指出，黄道面绕天赤道扭转只是一种投影现象。实际上是黄道面绕太阳运行轨道扭转。地球带着月球绕太阳运行，使黄白交点在地球运行轨道即黄道上西移。太阳带着地球绕太阳运行轨道中心旋转，使春分点在太阳运行轨道上西移，这是不同层次天体的运行规律。
5.3 黄道面在太阳运行轨道上扭转，包含了地球更大范围的空间运动，这是地球跟随太阳运动所引起的地球在太阳运行轨道上的运动。目前天文学所展现的北天极的长期移动轨迹，就是由地球跟随黄道面扭转运动而引起的。地球绕太阳旋转是黄道面旋转系内的运动，黄道面扭转是黄道面旋转系相对太阳运行轨道的运动。
5.4 笔者根据文献［1］321 页提供的 “224颗恒星 4000 年位置表”数据整理得出，春分点西移不仅使北天极在天球上移动，而且黄极亦在天球上移动，且在1度以下。二者都绕太阳轨道面轴旋转。太阳的运动，黄道面就会跟随太阳在太阳轨运行道上运动。因黄道面与太阳轨道面的夹角在1度以下，故有北天极绕黄极旋转的视运动，但北天极的旋转中心不是黄极，而是太阳轨道面极。
5.5 笔者在《选择系》一文指出，春分点在天球上的移动轨迹是太阳在天球上的运行轨道。
6. 地壳的潮汐运动
6.1 “地球的大气层甚至地壳，也有潮汐涨落现象，称为气潮和固体潮[3]”。因地壳的质量相对整个地球质量的比例很小，所以不会引起地球的摆动。地壳在一个稳如磐石的旋转体表面做潮汐运动，必然改变地壳上某点的经纬度，从而产生极移。
6.2 极移现象证明了太阳和月球对地球的摄动力虽然能引起地壳的潮汐运动，但不能改变地轴的方向。极移不会使地球自转轴摆动。月球及太阳对地球的摄动力使地壳潮汐运动的同时，地球会有空间运动。地球的回归年长度几乎是没有相同的，这就证明了地球轨道处在变化中，这是地球受月球和太阳的摄动力而产生的微小空间运动引起的。极移本身不引起北天极的移动，极移伴随着地球较小的空间运动，从而产生微小的北天极移动。
7.北天极移动与春分点西移
7.1 北天极在天球上的移动证明了黄道面在天球上扭转。因为北天极的方向代表了黄道面的两至方向。由文献［1］恒星表还发现，春分点处的恒星每400年赤纬增加2.3°，换算到每年是20.7″，这意味着天赤道每年在春分点径向外移动20.7″，由此可计算春分点的移动数值。见图 2.（本图左为东）
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图2 春分点移动示意图
7.2 图2是天球春分点移动示意图。天赤道1代表开始观测时的天赤道位置，A为天赤道1与黄道1的点是黄道第一次过天赤道的春分点，B为视太阳绕黄道一圈后再一次与天赤道 2 相交的春分点。AB为春分点的轨迹，也就是太阳轨道的一部分。AC是因北天极移动导致的天赤道径向移动量，图2 中球面三角形ABC中，∠ABC是黄赤交角与黄道面与太阳轨道面交角之差，AC为天赤道的径向移动量，CB为春分点在天赤道上的移动量，AB为春分点在太阳运行轨道上的移动量，也是黄道上的春分点在空间的近似移动量。在黄道上A点和B点是同一点。∠B1AB是黄道面与太阳轨道面的夹角。若能测出北天极在春分点径向方向的移动量即AC的值，其他的西移量都可以计算出来。
7.3 图 2 所示，一个回归年春分点从A点移到B点，似乎是春分点在黄道上移动，其实不然。春分点是在太阳运行轨道上从A点移到B点，因黄道面与太阳轨道面的夹角很小，可近似地看做春分点在黄道上移动。关键问题是：春分点不是在黄道上从A点移动到B点，而是黄道整体扭转带动春分点在太阳运行轨道上从A移动到B点。地球的空间运动使黄道面相对天球扭转移动，但不影响黄道面旋转系内的地球绕太阳的运动，也不会改变各个特色点，如两分点，两至点，近地点，远地点等在黄道上的位置 。这如同空间站带动内部的陀螺绕地球旋转，但空间站内旋转的陀螺轴向和运动状态保持不变。
7.4 视太阳从A点到B点，在天球上好像未转一圈，即未转满360°。于是得出回归年不是地球绕太阳的真正周期的结论。这是把图2完全看成静止的了。
图2中视太阳从A点离开天赤道起，就是一个复合运动。一是视太阳在黄道上的运动，二是天赤道向相反的方向移动。到达B点时相交，正好转一圈 360°。这与前文讨论春分点日的情况完全相同。这又证明了回归年是地球绕太阳旋转的真正周期。
8 结论
地球在空间具有复杂的多层次的互不干扰的和谐的空间运动，北天极作为地球的影子，在天球上描绘出复杂的具有多种周期的移动曲线。
参考文献
［1］吴守贤 全和钧.中国古代天体测量学及天文仪器.北京：中国科学技术出版社，2013：291
［2］特伦斯·迪金森著.夜观星空.谢懿译.北京：北京科学技术出版社，2012：80
［3］苏宜.天文学新概论第五版 .北京：科学出版社，2019: 101
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