第五节 地球周年运动及其影响

众所周知，地球不仅自转，而且每年围绕太阳公转一周。其产生的结果，抑或说其实际造成的表象是，太阳看似在众星之中每年环绕天球一周。我们只需想象自己围绕太阳运动，于是便会看到太阳向反方向运动，也一定会看到太阳在比它更遥远的星星之间移动。当然，因为白天看不到星星，所以这种运动并非立刻就能看出来。不过，我们若天天专门观察西方某颗星，这种运动就会看得很清楚。我们会发现这颗星落得一天比一天早，换句话说就是离太阳越来越近。更确切地说，既然这颗星客观的方向并没有改变，那么便似乎是太阳在逐渐接近这颗星。

如果我们能在白天看见星星，那将是群星绕日，情况会更加明了。倘若早晨太阳和一颗星一同升起，那么一天之中太阳将会逐渐向东远离这颗星。出没之间，相对于这颗星太阳移动的距离接近自身的直径。至次日早晨则已远离这颗星将近2倍于直径的距离。图4是春分时节这一现象所呈现的图示。这个运动将月复一月地继续。经过一年，相对于这颗星，太阳已环绕天球一周，重新与这颗星相遇了。

图4 太阳于3月21日前后经过赤道

太阳的视轨迹

上述影响是如何产生的参见图5，图5所示为地球围绕太阳运行的轨道，以及遥远的星星。当地球在A点时，我们看到太阳在AM这条线上，就好像在星星当中的M点。当地球带着我们从A到B时，太阳看似从M移动到N，以此类推进行一年。这便是太阳环绕天球的周年视运动，古人已经注意到，但是他们在绘制这一现象时似乎遇到了很多困难。他们想象有一条线环绕天球，太阳的周年运动总是沿着这条线，这条线叫作黄道（ecliptic）。他们发现在众星之中行星的运行轨迹与太阳通常的运行轨迹大体相同，而并非完全一致。黄道两边延展出来、宽度足以容纳所有已知行星和太阳的带状区域叫作黄道带（zodiac）。黄道带等分为十二个宫，每个宫标记为一个星座。太阳每月进入一个宫，一年经过所有十二个宫，于是便产生了我们熟知的黄道十二宫，并且与它们所在的星座同名。这与现在的情形已经有所不同，原因是受到岁差的缓慢影响，我们很快会讲到。

我们已经讲过的两个跨越整个天球的大圈是以完全不同的方式确定的。天赤道是由地轴的方向决定的，在两个天极中间横跨天球。黄道是由地球围绕太阳的运动决定的。

图5 地球轨道与黄道带

这两个圈并不重叠，而是相交于相对的两个点，形成一个23.5°，近似1/4直角的夹角。这个角称为黄赤交角（obliquity of the ecliptic）。为了准确弄明白这个现象是如何产生的，我们必须说一下天极。从我们之前对天极的讲述中可以看出，天极仅仅是由地轴的方向决定的，而非天上的某种东西；它们只是天上相对的两个点，刚好位于地轴的延长线上。天赤道是在两个天极正中间的大圆，也是由地轴的方向决定的，而与其他无关。

假设地球围绕太阳的轨道是水平的，并想象它是一个以太阳为中心的水平圆面的圆周。假设地球以这个水平面的中心点为圆心，围绕这个平面做圆周运动，那么，如果地轴是垂直的，地球赤道将是水平的，并且在这个水平圆周面上，因此，当地球围绕这个水平面做圆周运动时，天赤道始终以太阳为中心。那么，在天球上，由太阳运行轨迹决定的黄道将与赤道是同一个圈。产生黄赤交角是因为地球的轨道并非如刚才所假设的是垂直的，而是倾斜23.5°。黄道与水平面的倾斜角度与之相等，因此，黄赤交角是地轴倾斜导致的。有关这个问题的重要一点是，当地球围绕太阳公转时，地轴的方向在空间上是保持不变的；因此，地球的北极是偏离太阳还是正对着太阳，取决于地球在公转轨道上的位置。这个问题参见图6。图6中是我们刚才假设的平面，地轴向右倾斜。北极将永远向这个方向倾斜，无论地球在太阳的东面、西面、北面还是南面。

图6 黄道倾斜产生四季

为了弄清倾斜对黄道造成的影响，我们再做一个假设，在某个3月21日的中午，地球突然停止自转，而继续围绕太阳公转。在此后的3个月中我们将会看到的情形参见图7，在图7中我们来看一看南天。我们看到太阳在子午线上，起初似乎是静止不动的。图中天赤道经过地平线东西两端如前所述，黄道与之相交于二分点。持续观测这个结果3个月，我们会发现太阳慢慢沿着黄道移动到夏至点，也是太阳到达的最北点，此时约为6月22日。

图7 春夏间太阳沿黄道的视运动

图8中我们可以继续追踪太阳的轨迹3个月。经过夏至点后，太阳沿着它的轨迹渐渐再次到达赤道，时间约在9月23日。太阳在一年中其余时间的轨迹与其前6个月的运动轨迹相对应。12月22日太阳经过在赤道上的最南点，之后在3月21日再次经过赤道。

图8 3月到9月间太阳的视运动

我们观察到太阳周年视运动的轨迹上有四个最重要的点：第一，春分点，我们在此开始我们的观测。第二，夏至点，太阳所及最北点，从此开始回归赤道。第三，秋分点，与春分点相对，太阳经过此点的时间约为9月23日。第四，冬至点，与夏至点相对，是太阳所及最南点。

经过上述各点连接两个天极并且与赤道成直角的时圈叫作分至圈（colures）。经过春分点的分至圈称为二分圈，是赤经的起点，前文已经讲过。与二分圈成直角的称为二至圈。

下面来讲星座与季节及一天中时间的关系。假设今天太阳和一颗星同时经过子午线，明天太阳将会在这颗星东边1°，这表明这颗星比太阳约早4分钟经过子午线。这种情况将日复一日持续一整年，直到二者几乎再次同时经过子午线。由此可见，这颗星会比太阳多经过一次子午线。也就是说，一年中太阳经过子午线365次，而这颗星要经过366次。当然，倘若我们选取南天的一颗星，其出没次数和太阳是一样的。

天文学家用恒星日来计算恒星这一特别的出没现象。恒星日是一颗恒星或者春分点连续两次经过同一子午线的时间间隔。天文学家将恒星日分成24个恒星时，进而按照通常的时间关系分成分和秒。天文学家还使用恒星钟显示恒星时，恒星钟比普通的钟表每天快3分56秒。恒星正午便是春分点经过当地子午线的时刻，此时恒星钟设为0时0分0秒。可见恒星时以天球视运动为计时依据，于是，无论昼夜，天文学家只要看一眼恒星钟便可知道什么星正经过子午圈，星座都在什么位置上。

季节

如果地轴垂直于黄道面，黄道将与赤道重合，季节便会终年没有变化。太阳将永远在正东方升起，在正西方落下。气温只会有微弱的变化，原因是地球在1月份比在6月份离太阳近一点儿。由于存在黄赤交角，实际情况是，当3月份至9月份太阳在赤道以北的时候，北半球的光照时间比南半球的长，太阳的角度也更大。在南半球，情况恰好相反，光照时间从9月份至第二年3月份比北半球的更长。于是北半球是冬天南半球则是夏天，反之亦然。

真运动和视运动的关系

在往下讲之前，我们先从两方面给前述现象做个小结：一是地球的真运动，二是由地球真运动引起的天体视运动。

周日真运动是指地球围绕地轴自转。

周日视运动是指由地球自转引起的恒星在视觉上的现象。

周年真运动是指地球围绕太阳公转。

周年视运动是指太阳在群星中环绕天球运行。

周日真运动带着地平圈经过太阳和星星。

于是我们将眼前的情形说成太阳或者星星升起又落下。

每年大约3月21日地球赤道面从太阳以北向太阳以南移动，约9月23日又反方向移动。

也就是说，3月份太阳移动到赤道以北，9月份移动到赤道以南。

每年6月份，地球赤道面在太阳以南的最大距离上，12月份，地球赤道面则在太阳以北的最大距离上。

第一种情形太阳在北至点，第二种情形太阳在南至点。

地轴相对于地球公转轨道面的垂直方向倾斜23.5°。

其视觉结果便是，黄道向天赤道倾斜23.5°。

6月及夏季的其他几个月里，地球的北半球向太阳方向倾斜。北纬地区在地球自转的作用下与之一同旋转，在其运行周期中光照时间超过一半。而南纬地区则少于一半。

我们所看到的现象是：太阳在地平线上的时间超过一半，我们处在炎热的夏季；而在南半球则白天很短，时值冬季。

而我们在冬季的几个月里，情况则完全相反。此时，南半球向太阳倾斜，北半球远离太阳。于是，南半球进入夏天，白天变长，而北半球恰恰相反。

年和岁差

年的定义，最简单不过的就是地球围绕太阳公转一周的时间。根据前述，确定年的长度有两种方法：一种是太阳连续两次经过同一颗恒星的时间间隔；另一种是太阳连续两次经过同一个分点的时间间隔，即太阳连续两次春分或秋分跨过赤道的时间间隔。如果二分点的位置在恒星之间是固定的，那么这两种时间间隔便是相等的。但是古代天文学家根据长达几百年的观测发现，这两种方法所得出的年的长度并不相等。太阳经过恒星的周期比经过二分点的周期长11分钟。这表明二分点的位置在恒星之间长年移动。这种移动就称为岁差。岁差的产生无关于任何天体，而完全是因为地球围绕太阳公转的过程中，地轴的方向积年累月在缓慢地发生变化。

假设图6中的平面可以保持6 000~7 000年，地球围绕其旋转6 000~ 7 000圈。最终我们将发现，地轴的北极不是如图中所示指向我们右手边，而是正对着我们。继续旋转6 000~7 000年以后，地轴北极将指向我们左手边；第三个6 000~7 000年以后，地球北极将背对着我们，第四个6 000~7 000年之后，也就是总共约2.6万年之后，地轴的北极将回到它最初的方向。

由于天极是由地轴的方向决定的，因而地轴方向的变化使之在天空慢慢走出一个半径为23.5°的圆。当前，北极星距北极点1°多一点。但是，北极点正逐渐靠近北极星，200年后又会远离北极星。距今1.2万年后，北极点将进入天琴座（Lyra），距离这个星座中最亮的织女星大约5°。在古希腊时期，航海者并不认识什么北极星，因为现在的北极星在那时距离北极点10°~12°，北极点在北极星和大熊星座之间。而大熊星座正是那时的航海者所依据的方向标，是他们所谓的“北极星”。

综上所述，既然天赤道在两个天极的正中间，那么在恒星当中也一定会有相应的位移。这种位移现象在过去的2 000年中产生的影响参见图9。既然二分点是黄道和赤道的交点，那么它们也会在这种位移的影响下有所变化，于是便产生了岁差。

图9 岁差

前面我们讲过两种时间长度的年，分别叫作回归年[1]（tropical year）和恒星年（sidereal year）。回归年也叫作太阳年，是太阳连续两次回到春分点的时间间隔。其时间长度为365天5小时48分46秒。

太阳在赤道南北两边的位置决定了季节，于是太阳年或者回归年便成为计时系统。古代天文学家发现太阳年的长度为365.25天。早在托勒密（Ptolemy）时代[2]，年的长度就已经更加精确——比365.25天少几分钟。现在几乎所有文明国家采用的格里高利历（Gregorian Calendar）便是取的这个年的长度的近似值。

恒星年是太阳连续两次经过同一颗恒星的时间间隔。其长度为365天6小时9分钟。

罗马儒略历（Julian Calendar）在基督教国家中一直沿用至1582年，其采用的年的时间长度恰为365.25天。后来发现儒略历年的长度比太阳年的实际长度多出11分14秒，这便导致季节在数百年间缓慢发生变化。为了避免这一问题，也为了历年的平均值尽可能准确，教皇格里高利十三世颁布一项法令，在儒略历的四个百年中削减三个闰日。在儒略历中，每个世纪的最后一年为闰年。在格里高利历中，1600年仍为闰年，而1500年、1700年、1800年和1900年都为平年。

格里高利历立刻为所有天主教国家接受，也陆续为新教国家接受，因此，在过去的150年中它便为这两种信仰的国家普遍接受了。[3]

[1]亦称分至年。——译者注

[2]公元2世纪。——编者注

[3]中国于辛亥革命后也开始采用。——编者注