第1个回答 2022-07-29
上次我问“地球多久自转一周？”引出了太阳日和恒星日及其差别。
这次我要问：地球一年绕太阳一周吗？
相信这次大家会谨慎点，生怕不小心掉进我挖的坑里。但估计还是会有不少人会说：地球绕太阳一周不就是一年吗？
所以，我们首先还是来搞清楚这里所说的“一年”是什么概念。
当然，这里说的一年应该不是一个日历年，因为日历年有平年和闰年，平年365天，闰年366天。
事实上，就像“天”有太阳日，恒星日之分那样，“年”也有恒星年,太阳年之分。
恒星年是以恒星为参照物地球在公转轨道上绕太阳运行一周的时间。所以，经过一个恒星年，地球确实绕太阳一周。目前，一个恒星年等于365.25636个平太阳日或365日6时9分10秒。
而太阳年，也叫回归年，则是以太阳为参照物，是太阳在黄道上连续两次通过某个特定点，通常是两个二分点（春分，秋分）之一或两个极致点（夏至，冬至）之一的时间间隔。之所以称为回归年，是因为这几个特定点都与太阳的回归特性有关。其中，用得最多的是以春分点为基准的回归年，也叫春分点回归年。
我们已经讲过黄道是我们在地球上观察太阳看到的一年中太阳在天球上视运动所走过的路径。或者用现代的话说，黄道是地球绕太阳公转轨道的平面在天球上的投影。而春分点则是黄道平面与赤道平面的交线在天球上的两个交点之一。如下图所示：
说到这里你也许会想，既然这样，那么太阳在黄道上连续两次通过某个特定点比如春分点的时间间隔，即一个回归年不是应该和恒星年一样长吗？然而事实却是，回归年的长短每年都略有不同，还与选定的特定点（比如春分点还是其他点）也有关。 平均起来，一个回归年（平回归年）只有365.24219个平太阳日，或365天5小时48分45秒。两者相比，平太阳年（平回归年）比恒星年短了20分24秒！
那么，为什么会有这个偏差呢? 原因就在于一个回归年定义为太阳在黄道上两次通过某个特定点如春分点的时间间隔。而你可能想不到的是，当太阳在黄道上离开春分点逆时针向东移动时春分点却在悄悄地反方向即顺时针向西缓慢移动。当太阳在黄道上再次通过春分点（一个回归年）时春分点已经向西移动了约50.266角秒。这时太阳在黄道上的移动实际不到一周，离一周（360°）差了约50.266角秒。如果所选的特定点是其它点（秋分，夏至，冬至），情况也相同。（注：从太阳在黄道上的位置与春分点的关系来看，一个回归年太阳离开春分点还是一周，360°，只不过这一周有一部分是由春分点自己的移动完成的。所以，也可以定义太阳在黄道上离开春分点360°为一个回归年。只是要注意这里的“离开春分点360°”不等于太阳在黄道上行走了360°。）
因为太阳在黄道上的移动实际是地球绕太阳公转的结果，所以我们说 一个回归年地球绕太阳公转不到一周，离一周（360°）还差 50.266角秒 。要完成一周地球还要继续公转20分钟24秒。
顺便说一下，国内有科普网站在介绍回归年时说“地球由春分点逆时针公转回到春分点公转360°”。这显然是不正确的。
春分点及其它分点和至点的西移现象在汉语中称为岁差。 春分点西移也可叫春分点岁差。岁差导致地球在一个回归年绕地球公转不到一周，所以回归年比恒星年短。
有人可能要问，既然春分点老是在动，我们为什么一定要用回归年呢？因为，回归年对人类活动太重要了。事实上回归年还是人类对年的最初认识。
人类对时间的认识始于对一些自然现象的观察。例如，一个日出日落的循环为一天，月亮一个朔望（即新月满月）的循环为一个月，一个春夏秋冬的循环为一年，等等。这些与时间相关的自然现象我们可以称之为自然时钟。回归年正是以自然时钟为尺度的年。中国古代以冬至为一年之始，因为那一天白天最短。西方古文明则多以春分为一年之始，那一天白天黑夜一样长。以自然时钟为尺度规定的年与人类的生活尤其是农业生产活动一致。中国的二十四节气一个循环正是一个回归年。所以，回归年即太阳年是制定各种阳历（含现行公历）和阴阳历的基础，是我们常说的年。恒星年只在天文学上使用。
至此我们可以说，地球一年绕太阳一周顶多对了一半。对我们日常生活而言的年，地球一年(一个回归年）绕太阳不到一周！
我们在介绍黄道时说过春分点是黄道坐标系经度的零点。春分点的西移意味着黄道坐标系的零度经线西移，于是以黄道坐标系表示的恒星的位置就会随时间缓慢变化。这正是岁差被发现的道理。
人类观察太阳月亮和星星由来已久，对春分点的位移或黄道坐标系的位移在各古文明中都有记载。目前公认最早有记载的发现是公元前二世纪的古希腊天文学家和数学家喜帕恰斯（Hipparchus）。 喜帕恰斯 在编制一本包含1022颗恒星的星表时，把他测出的星位与150多年前的星位进行比较，发现恒星的黄经有较显著的改变，而黄纬的变化则不明显。其中，角宿一（室女座的最亮星）相对于秋分点移动了2度。他还比较了回归年和恒星年的长度，发现回归年要比恒星年略短。喜帕恰斯认为，这是春分点沿黄道后退所造成的，并推算出春分点西移每100年不小于1°。
我国东晋时期（公元317-420）的 虞喜 是提及岁差的第一位中国天文学家。他研究了历史上冬至点的观测结果，比较自己的实地观测，发现冬至点每50年西移一度。虞喜就此大胆地提出了“岁自为岁，天自为天”的结论（又称为恒星东行，节气西退）。注意到中国传统历法中将冬至点测量的一回归年称做一“岁”，所以虞喜的结论就是对回归年和恒星年差别的认识。而汉语中的“岁差”则出自于《宋书·历下》记载的“冬至所在，岁岁微差”，意为每年冬至点的位置存在着微小的差别。
写到这里，笔者不禁为古代科学家们的能力和精神所折服。试想，在他们的年代观测和记时的仪器非常有限和简陋，如何能凭肉眼察觉出一两度的差异。那得需要多么的精细和一丝不苟！同时，我也为喜帕恰斯感到惋惜。如果他能从150年角宿一移动2度出发推算出每75年移动一度，那就和现在的结果（71.6年一度）非常接近了！遗憾的是 喜帕恰斯 所有的文件，包括他在岁差上的工作，都遗失了,所以无从核对。他的贡献是几百年后托勒密（Ptolemy，地心说的提出者）继续他的岁差计算时被提到的。
人们自然要问，春分点为什么会西移呢？前面提到，春分点的存在是由于地球的自转轴与黄道极轴有一个23.4°的倾斜角。这个倾斜角决定了黄道面与赤道面的夹角，而黄赤面交线在天球的两个投影(交点)之一就是春分点。
由于旋转体的陀螺原理，地球的自转轴在空间的指向在公转轨道上基本不变。但是，如果地球的自转轴在空间的指向在公转轨道上绝对一成不变，而且黄道平面和赤道平面也一成不变，那么春分点就不会有位移。事实是，地球的自转轴除了与黄道极轴有一个23.4°的倾斜角之外还以黄极为中心缓慢顺时针转动, 如下图所示。
地球自转轴的这种缓慢转动叫做地轴的进动。在进动中地轴与黄极的夹角基本不变，只是地轴在黄道坐标系中的经度向西移动。其结果是天球赤道平面与黄道平面的交线在黄道平面上向西转动，而春分点作为这条交线在天球上的投影也随之西移。如下图所示。
图中黑色虚线为起始时的地轴，红点为起始时的春分点。地球绕地轴逆时针(自西向东)旋转，同时地轴绕黄极顺时针（自东向西）旋转（进动）。经过一个回归年地轴进动到紫色直线所在位置，黄道面和赤道面的交线随之转动到紫线的位置，春分点相应地移到紫色点的位置 (注：图示中两点的距离是夸大的，实际只有50角秒)。
所以，岁差在英语中就是Precession(进动)。春分点岁差也叫做春分点进动。地轴进动较好地解释了喜帕恰斯发现的黄道坐标位移时“恒星的黄经有较显著的改变，而黄纬的变化则不明显”。
应当指出，这里“进动”一词是天文学从物理学中“借来”的，意思是地轴绕黄极缓慢旋转的现象很像陀螺旋转时的进动。不过，陀螺的进动方向与自旋方向相同，而地轴的进动方向与自旋方向相反。所以不能简单地用陀螺的进动理论来解释地轴的进动。现在认为引起地轴进动的原因主要是太阳和月亮的引力（潮汐）作用在一个质量分布不均匀的地球上的结果。言下之意，如果没有太阳月亮的引力（潮汐）作用，或者地球是一个质量均匀的完美的球状体，地轴就不会有进动。
我们看到，地轴的进动导致了春分点（及其它分至点）的岁差（进动）。整个二十四节气也随之进动，有岁差，这就是所谓的节气西退。岁差的大小就是地轴进动的速率，即每年50.266角秒。按此计算，每71.6年会西退1°，25,783年（常常说约26,000年）西退整整一圈（360°）！
为了了解岁差的影响，我们来看一下现在两个分点和两个至点在地球的公转轨道上的位置：
我们看到地球到达北半球的冬至点（蓝圈）的位置离地球到达近日点（红圈）位置相差十三天，相当于从近日点西退了约13°。由此可以估算出九百多年前北半球的冬至日地球接近于近日点。还可以预见， 如果地球自转轴的进动速率不变，一万二千多年后北半球的冬至日会移到地球的远日点 （绿圈位置）附近。当然这个日子离我们还很遥远。想象一下，我们人类有文字记载的历史还不到一万年呢。
地球的自转是不均匀的所以要用平太阳日来描述，地球的公转也是不均匀的所以要用平回归年来描述。同样，地球的自转轴不是固定不变的，它有进动还有微小的章动（以后有机会再谈）。地轴的进动造成了二十四节气包括分点至点的岁差，造成了回归年短于恒星年。地球乃至整个宇宙始终处于变化之中。变化是永恒的，不变是暂时的相对的。不论何时何地何种情形，我们都应该以积极的心态承认和接受变化，尽快认识和适应新的变化。