地球岁差公转极移及空间直角坐标系与大地坐标系转换介绍(9页).doc

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1、-地球岁差公转极移及空间直角坐标系与大地坐标系转换介绍-第 9 页 地球岁差公转极移及空间直角坐标系与大地坐标系转换介绍摘要：岁差、章动、极移与地轴在空间的指向、与地球体的相对关系、地球绕地轴的旋转速度不断变化有关。人们根据在不同方面应用的需要建立了多种坐标系，坐标系间彼此联系，可以相互转化。关键词：岁差 章动 极移 坐标系转换 一、岁差 地球是一个椭圆球体,而非正球体,赤道部分较为突出,两极则稍扁,太阳和月亮对赤道突出部分的吸引力大,使地轴绕黄极缓慢移动,因而表分点沿黄道以每年5024的速度西移,大概要26000年移动一周,这即为岁差。 - 来源：中华文明实录 由于太阳和月亮的引力对地球赤道

2、的作用,使地轴在黄道轴的周围作圆锥形的运动,慢慢地向西移动,约二万六千年环绕一周,同时使春分点以每年50.2角秒的速度向西移行,这种现象叫做岁差。 - 来源：汉语倒排词典 太阳在黄道上每经过一个回归年的运行,比回到一年前的起点要差一段微小的距离,因此冬至点每年要向后(西)移动。这就是“岁差”。 - 来源：诸子百家大辞典 天文学的基本概念之一。指由于春分点沿黄道缓慢西移(每年约50.2),而使回归年比恒星年短的现象。产生的原因是:日、月、行星对地球赤道凸出部质量的吸引,造成地轴(天轴)的进动,即地轴绕通过黄极的轴线按顺时针方向旋转,造成平天极绕黄极沿着一个小圆在约26000a中顺时针方向旋转一周

3、,从而使天赤道、春分点位置发生变化。日、月引力造成的岁差称为日月岁差;行星引力造成的岁差称为行星岁差;二者合称为总岁差。岁差使天体在天球上的平位置发生改变，主要分量是沿黄经方向每年约增加50.2。在不同历元,春分点位置不同,同一恒星坐标值也不同;需把恒星位置化为属于所需的某一春分点的位置,即加上岁差改正。设(0,0)为天体相对于t0时的平赤道坐标,(1,1)为相对于t1时的平赤道坐标,则岁差改正为 式中=t1-t0T=JD .当间隔较长时,则需计及岁差改正的二次项及三次项.- 来源：数学辞海第五卷 由于地球非匀质圆球,赤道周围有多余物质环,且存在黄、赤交角,日、月、行星的引力作用,造成地轴进动

4、,引起春分点沿黄道向西移动,每年约5024,约25800年运行一圈,从而使回归年比恒星年短0.01416天。其中,日、月引力造成天赤道面变化,而使春分点移动的分量称为“日月岁差”;行星引力造成黄道面变化而使春分点移动的分量称“行星岁差”。两者之和称为“总岁差”。岁差造成所有恒星的平位置随时间变化,主要分量是沿黄经方向每年增加5024的数值,约71.66年为1。- 来源：中国历史大辞典上卷 指地球自转轴长期进动,引起春分点沿黄道西移,致使回归年短于恒星年的现象。其原因是地球是一椭球体,赤道部分隆起;赤道面与黄道面不相重合。日月和其它行星对其赤道隆起部分施以附加引力,引起赤道面倾向的变化,即地轴进

5、动。其结果,造成春分点沿黄道每年西移约50.2,约25,800年移动一周。它使回归年略短于恒星年,中国古代称之为“岁差”。只是由日月的作用引起春分点西移并不改变黄赤交角,称为“日月岁差”;由其它行星作用则同时改变黄赤交角,称为“行星岁差”。二者的合量称为“总岁差”。- 来源：地学辞典 在日、月、行星引力作用下, 地球自转轴的长周期变化进动 (如图1)。在天球上岁差表现为天极绕黄极运动, 春分点沿着黄道向西移动 (移动速度50.3/年, 约26 000 年运行一周), 造成回归年短于恒星年的现象, 岁差由此而得名。可分为日月岁差和行星岁差。前者是由于日、月引力造成地球赤道面的变化, 而使春分点移

6、动部分; 后者是由于行星引力造成地球公转轨道面的变化, 而使春分点移动部分。岁差使天球坐标系随时间变化, 导致恒星坐标随时间变化, 但因变化量小, 只在精确测定恒星位置时才考虑。岁差引起北天极在恒星间位置随时间变化, 通过长期天文观测, 人们已知道北天极在恒星间的位置变化 (如图2)。根据我国古书记载。公元前3000年时北天极是紫微坦右枢星 (天龙星), 现在北天极在小熊座星附近, 2100年以后, 北天极将离开现在的北极星, 预计到公元7000年时, 仙王座星将成为北极星。黄经总岁差P是天文常数系统中一个重要常数, 它是日、月岁差和行星岁差在一世纪中引起的春分点沿黄道总的位移量, 现在取值为

7、P=5 029.0966/儒略世纪。 图1 地轴进行图2 北极星的变迁- 来源：中国成人教育百科全书地理环境 由于地轴的长期进动(周期为25800年,伴有地极绕黄极的圆周运动),使春分点沿黄道以每年约50.2角秒的速度缓慢西移,因而出现的一种回归年短于恒星年的现象。包括“日月岁差”和“行星岁差”两部分。因地球形状和密度的非球对称性,并且黄道和赤道有一约2326的夹角,所以在日、月、行星的引力作用下会产生地轴进动。 - 来源：中国百科大辞典 太阳在一个回归年的时间内,并未回归到原来冬至点的位置,每岁均差一点。东晋虞喜约在咸和五年(330)发现这一现象,把它称之岁差。岁差之值虽小(今测值为每71.

8、6年退行1度,每年差50.3角秒,约20多分钟),逐年积累会引起冬至以及其他节气时刻的改变,影响到历法的正确性。- 来源：中国古代典章制度大辞典 冬至点或春分点每年太阳西移现象及西移值。因日月吸引地球赤道隆起部分、地球自转轴方向发生变化而引起。- 来源：中国古代文化知识辞典 地球自转轴的长周期旋转中,使春分点在空间的位置沿黄道向西缓慢运行的现象。其速度为50.2564角秒年-1, 约25800年运行一周,并使回归年比恒星年短。主要因太阳、月球和行星对地球赤道突出部分的吸引,使地球自转轴方向发生变化而造成。中国最早是由晋代天文学家虞喜, 根据冬至日恒星的中天观测,于公元330年独立发现的。由于岁

9、差,当太阳连续两次通过春分点时,实际上地球在黄道上并未绕完一周。 1976年第16届国际天文学联合会, 通过对于标准历元2000年的新岁差常数值为P=5029.0966角秒 (百年)-1。- 来源：地震词典 太阳和月亮的引力使地轴在黄道轴的周围作圆锥形的运动,慢慢向西移动,约2.6万年环绕一周,同时使春分点以每年50.2秒的速度向西移的现象。- 来源：汉语同韵大词典 由于地轴的进动,春分点沿黄道西移,回归年稍短于恒星年。春分点每年西移50,回归年相应地比恒星年短0.0142日,即20分24秒。这一差值,中国古称岁差,即周岁与周天之差。- 来源：现代地理科学词典 由于太阳和月亮的引力对于地球赤道

10、的微小影响,使地轴在黄道轴的周围作圆锥形运动,慢慢向西移动,约二万六千年环绕一周,同时使春分点以每年50.2角秒的速度向西移行。这种现象叫做岁差。- 来源：现代汉语大词典上册 二、章动 在物理学中指物体的自转轴绕另一轴线(称“进动轴”)旋转时,自转轴发生的摆动现象。在天文学中指地球自转轴绕黄道轴旋转时,地球自转轴产生的摆动现象。太阳和月球有时在赤道面之南,有时又在赤道之北,因而对地球的引力方向也不断改变。由于日、月等天体特别是月球对地球赤道突出部分的吸引作用,在地轴绕黄极的运动为26 000年的长期进动(即“岁差”)中,还存在许多周期不同、振幅各异的微小变幅,其中在它的平均位置上附加了一种短周

11、期的摆动,即周期小于或等于月球交点周期18.61年,振幅为9.211(称为“章动常数”)的摆动,称为章动。其运动形态表现为沿地球进动圆形轨道作波浪式的曲线运为。章动按运动方式可分为黄经章动和交角章动,按周期可分为太阳章动、月球章动和每月章动。- 来源：地震学辞典 0,0),真赤道坐标为(,),章动对天体黄经的影响为,对黄赤交角的影响为,对天体黄纬没有影响,则 =-(17.2327+0.01737)sin +(0.2088+0.00002T)sin 2 -(1.2729+0.00013T)sin2L+, =-(9.210+0.00091T)cos -(0.0904-0.00004T)cos2 +

12、(0.5522-0.00029T)cos2L+, 式中为白道升交点的平黄经,自瞬时平春分点起算,L为太阳几何平黄经,T为自1990年1月0.5日历书时起算的儒略世纪数.- 来源：数学辞海第五卷 地球自转轴绕黄轴运动时伴随的许多短周期的微小变化。其中主要表现是地球自转轴同黄轴(进动轴)的交角发生周期性的变化。其原因是由于白道同黄道的交点沿黄道西移,使月球赤纬发生周期性的变化,从而使地球自转轴周期性地绕其平均位置作椭圆运动,这个周期为18.6年,椭圆半长轴为9.2。另外,由于日地距离和月地距离等变化,也会对地轴造成多种周期性的振动。- 来源：地学辞典 在日、月、行星引力作用下, 地球自转轴进动过程

13、中短周期的摆动。在天球上, 岁差表现为天极绕黄极运动的一种平均运动, 而章动则是这种平均运动的附加摆动。由若干个周期运动叠加而成, 其中最大摆动周期18.6年, 振幅9.210。这是由于月球对地球吸引力变化造成的。如只考虑这个最大摆动周期, 则摆动引起天极相对平均运动位置的变化轨迹为一椭圆, 椭圆半长轴为9.210, 半短轴为6.9。由于章动造成天极、天赤道、春分点随时间变化, 因此由它们所定义的天球坐标系随时间变化, 所有恒星坐标也都随时间变化。章动常数为9.210是一个重要天文常数。- 来源：中国成人教育百科全书地理环境 地轴在长期进动的同时所具有的各种短周期微小运动的总称。章动时,天极伴

14、有绕其平均位置的周期摆动。章动的主要原因是月球的真实轨道面白道面位置的变化。主要章动周期为18.6年。岁差和章动共同作用的结果,使天极在天球上绕黄极作波状运动。- 来源：中国百科大辞典 转动物体发生进动时,其自转轴绕进动轴旋转, 同时自转轴和进动轴之间的夹角也会发生变化的现象。因地球自转轴的进动,等于或小于月球交点周期(18.6年) 的短周期微小变化的总称。由许多周期不同,振幅各异的变化力组成,其中主项依赖于月球升交点黄经,振幅约9.210,常称为 “章动常数”,是由英国天文学家布拉德莱(James Bradley, 16931762) 于1747年发现的。 1976年第16届国际天文学联合会

15、通过的章动常数值为9.2109,并规定从1984年起全世界统一采用。章动可分为黄经章动、交角章动、自由章动和受迫章动等。是转动物体运动时出现的特征。天体运动时产生的章动是天体力学、地球物理学等研究的内容之一。- 来源：地震词典 在地球的自转轴的指向绕黄道极缓慢旋转过程中,由于地球上物质分布不均匀性和月球及其他行星的摄动力造成轻微抖动。- 来源：现代地理科学词典 旋转的物体伴随进动时,转动轴和进动轴之间的夹角发生的变化。在天文学上指地球自转轴绕黄道轴旋转时发生的许多短周期的微小变化。- 来源：现代汉语大词典下册 三、极移 极地迁移的简称。指旋转的地极和磁极随时间变化在地面的移动。其运动方式有两种

16、:第一种是周期性的运动,北极呈反时针方向运动,南极顺时针运动。极移周期又有两种:周期约为12月,振幅约为0.1,沿着一长轴约4m的椭圆运动。这种运动与地球上的洋流、大气环流等大规模季节性变化有关;周期为14个月,振幅约为0.2,沿着半径约7 m的圆周运动,又称张德勒运动,其周期称张德勒周期,这种运动与地球内部物质的运动有关。第二种是长期性漂移。其中又分两种:长期漂移。据国际纬度站1900年以来的观测资料,得出地极存在着大小约为0.003/a、方向沿着西经81.5的线性漂移。极移的最大幅度不超过0.4,在24 m2的范围内移动。由于极移,地球各地的纬度、经度和离心力发生颤动式变化,并影响到地壳运

17、动。由于地球内部的不稳定性,极移轨迹不是平滑的螺旋曲线,常有突然转折。缓慢的长期极移基本上是沿一径圈向一相对比较固定的方向移动,其移动速率约为10 cm/a。其原因目前尚未有十分肯定的结论。- 来源：地震学辞典 天文地球动力学术语.地球瞬时自转轴在地球本体内的运动造成地极沿地面的移动,称为极移.1765年,瑞士数学家欧拉(Euler,L.)在地球为刚体的假定下,从理论上预言极移的存在.1888年,德国天文学家屈斯特纳(Kstner, K.F.)才从实测纬度变化中发现极移.1891年,美国天文学家张德勒(Chandler,S.C.)进一步指出:地极移动中主要有两种周期,一个是周期约为14个月、振

18、幅为0.10.3的张德勒周期,这是非刚体地球的自由摆动;另一个是周期为1a、振幅约0.1的周年周期,主要是大气引起的受迫摆动.此外,还有长期极移和各种短周期的复杂运动.极移的形成有两方面因素:其外部因素是日月引力、大气和海洋的作用;而内部因素则与地球内部结构有关.极移使地球表面各点的经度、纬度和方位角发生变化,实测工作中,需根据极移数值加以修正.尽管地极移动的轨迹异常复杂,但其移动幅度不大,地极在地面上的移动范围不超过(3030)m2.历史上曾用观测地面点的纬度变化来研究极移,现代则使用人造卫星多普勒观测以及激光技术来研究极移.- 来源：数学辞海第五卷 地球两极在地球表面上的位置微小变化。由于

19、地轴在地球内的位置有微小移动而引起,实即整个地球相对于地轴有微小移动。因而极移并不改变地轴的空间方向,亦不影响天球两极的位置和天球坐标系的赤经赤纬。它却影响到地理坐标系的经度和纬度,故可通过纬度变化来测定极移。其原因,一是因冰雪和气团的季节性分布造成,故有以12个月为周期,直径为6米的移动范围; 一是因地球内部物质运动造成,有以14个月为周期,直径为315米的移动范围。- 来源：地学辞典 地轴在地球球体内的运动而引起的地极位置变化。尽管变化相对于地球球面极小,但牵连纬度、经度和方位角都发生变化,从而影响天文观测和大地测量, 因此要予以改正。- 来源：现代汉语大词典下册 四、坐标系转化惯性坐标系

20、空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。协议惯性坐标系由于惯性坐标系在实际应用中很难建立，根据统一的约定建立的近似的惯性坐标系。协议天球坐标系由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一时刻t0作为参考历元，把该时刻对应 的瞬时自转轴经章动改正后的指向作为z轴，以对应的春分点为x轴的指向点，以xoz的垂直方向为y轴建立的天球坐标系。瞬时平天球坐标系即选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时真天球坐标系以时刻t的瞬时北天极和真春分点为参考建立的天球坐标系。瞬时地球坐标系以瞬时地极方向作为z轴指向。协议地球坐标系以协议地极方向作为z轴指向。 我们可以知道：协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁差导致的，瞬时平天球坐标系与瞬时真天球坐标系的差异是章动造成的，瞬时真天球坐标系与瞬时地球坐标系的差异是地球自转造成的，瞬时地球坐标系与协议地球坐标系的差异是由极移引起的。因此协议天球坐标系到协议地球坐标系的转化为：