歲差（Precession）與天北極

歲差（Precession）與天北極
國立台灣師範大學地球科學系傅學海副教授責任編輯

地球像一支陀螺般自轉，一天一圈，永不止息。也像陀螺一樣自轉軸又繞著圈圈轉，而且大約要25800年才轉一圈，物理學將這種現象稱為「進動」（precession）；地球自轉軸的進動稱為「歲差」。

遠在數千年以前，古人便觀察到太陽在群星間移動，一年繞一圈又回到原位；這一條視軌跡稱為黃道。黃道與天球赤道相交，有兩個交點，其中一個稱為春分（點），是太陽由南天進入北天時的交點（昇交點）。西方自古觀察太陽再黃道上的移動，以春分為參考點，太陽由春分繞一圈又回到春分，稱為一回歸年。黃道最南端的點稱為冬至，中國以冬至為參考點，作為回歸年的起始點；太陽由冬至起始，繞天一周（稱為周天）又回到冬至這一點，太陽剛好繞天一周，稱為一「歲」。

大約在西元前150年，古希臘天文學家依巴谷（Hipparchus）將自己觀測的恆星座標，與150多年前的記錄比較，發現春分點的位置已經偏移了，因而發現了歲差現象。我國則在西元330年前後，晉朝的虞喜在咸康年間（公元335至342年）發現太陽繞天運行回到冬至時，並沒有完整的繞天一周，還差了一點點，因此稱這種「歲歲為差」的現象為「歲差」；虞喜推算冬至點每50年往西偏移一度。

雖然中西天文學家早在兩千年前就發現了歲差現象，但是並不瞭解它背後的道理與成因。直到牛頓提出萬有引力的理論後，才解釋了地球像陀螺一樣轉動，其自轉軸也會繞圈圈轉動，只是繞一圈要25800年之久。

隨著地軸指向的移動，地軸所指向的「北極星」也會隨著改變，地軸指向哪裡，附近的亮星便成為當時的「北極星」。例如在周末漢初時，天北極在小熊座貝塔（β）星附近，目前則在小熊座阿爾發（α）星附近。《史記•天官書》：「中宮天極星，其一明者，太一常居也。」依據考據，「太一」是目前小熊星座中的珈瑪（γ）。顯然的，北極星已經由兩千多年前的小熊星座中的珈瑪轉一到現在的小熊座阿爾發。

古埃及時代所建造的金字塔是法老的陵墓，最大的胡夫金字塔北面有一個狹小的隧道通到中央的陵寢，隧道傾斜的角度與開羅地區的地理緯度差不多，從陵寢中央看出去，可以看到當時的北極星－天龍座α（中名右樞）。由於歲差現象，經過數千年的歲月，目前小狹道指向已經偏離了當年的北極星，由偏離的程度可以推估金字塔建築的年代約在五千年前。

目前的天北極正在逐漸靠近北極星，預計到2105年時會最接近北極星。大約一萬年後，織女星會成為天北極附近最亮的恆星，屆時便會有一顆明亮的北極星了。天北極在群星之間移動，移動的軌跡呈現一個圓弧，依據估計大約26000年繞一圈，而這個圓心與天北極的夾角為23.5度。

從太空中看地球自轉與進動

從太空中看，可以看出地球像是一個巨大的圓球體陀螺，一邊自轉一邊繞太陽公轉。但是，在繞者太陽公轉時，地球的自轉軸卻與公轉軌道面傾斜了一個角度（23.5度）。

地球的自轉軸也會轉動，但是卻一直維持著一個傾斜的角度。結果，地球自轉軸的指向緩慢的沿著一個巨大的圓弧移動，繞一圈大約要25800年。

歲差現象使得地球公轉週期（恆星年）與季節週期（回歸年）有一點差距。

恆星年：地球公轉360度所需時間，約365.256354平太陽日
回歸年：地球兩次經過春分所需時間，約365.24219平太陽日；中國則以地球兩次經過冬至所需時間。