地球围着太阳转,倾斜的地轴为什么不能垂直?

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摘要

谢谢诚邀。回答问题之前,首先我需要和大家一起弄明白一个宇宙里的“潜规则”。那就是什么是绝对的?只有不绝对才是绝对的。(笑)听起来真绕口啊!可这也恰恰阐明了我们解答这个问题时的立场:“在宇宙空间里完全没有我们人为规定的所谓垂直与水平”。为什么地球的轴心是倾斜的?我们来看一个科学的例子。月球围绕地球公转,

谢谢诚邀。

回答问题之前,首先我需要和大家一起弄明白一个宇宙里的“潜规则”。那就是什么是绝对的?只有不绝对才是绝对的。(笑)

听起来真绕口啊!

可这也恰恰阐明了我们解答这个问题时的立场:“在宇宙空间里完全没有我们人为规定的所谓垂直与水平”。

为什么地球的轴心是倾斜的?我们来看一个科学的例子。

月球围绕地球公转,在月球引力的作用下,地球在轨道上围绕太阳公转的轨迹呈现出与月球公转周期左右摇摆的变化。地球差异旋转产生的回归年与恒星年的时间差称为岁差,而地球在公转轨道上左右摇摆的周期运动则称为章动。岁差引起节气点西移,章动引起我们视觉中每月恒星的位置有月周期性的变化。

宇宙中的天体都是在运动,有规律的运动也都是在震荡之中,中国古代的阴阳说就已经阐述了宇宙的这个奥秘。

就像今年科学家们发现太阳系以及其中的太阳,行星的运行轨迹,完全不像我们想象的那么回事。

这看起来像不像一个我们小时候玩过的,被抽的晕头转向的陀螺。(笑)科学的角度看事物,往往会颠覆我们的直觉。

黄道平面(地球公转的轨道平面)与赤道平面的交角是23度26分(即黄赤交角)。但这区区的23度能让我们的地球的气候如此多姿多彩,并催生了地球上叹为观止的庞大的生物世界,当然还有主宰地球万物的人类!

所以在宇宙中,唯一不变的就是运动。星球之间由于力的相互牵制,人们因为某种特定情景的科学研究与结果导出,而利用垂直,水平,圆等直观的概念,来弱化研究过程中的干扰因素。而从科学的立场来讲它们只是相对的垂直,近似圆的圆周运动等等……

答:自转轴和公转平面不垂直的现象,几乎所有天体都是这样的,因为在角动量守恒的前提下,没有任何力量会让天体的自转轴和公转平面趋向于垂直。


地球围绕太阳公转的平面叫做黄道平面,地球自转轴和黄道平面存在一个66°34'的夹角,互补角就是黄赤交角23°26',这是地球产生周期性四季变化的原因,正是有了黄赤交角,地球接受太阳辐射更均匀,对地球生命来说有着极其重要的意义。

八大行星都和公转平面存在一定的非垂直夹角,其中天王星的赤道和公转轨道夹角高达97.77°(平面角),于是天王星看起来几乎是横躺着围绕太阳公转。


根据太阳系的形成模型和角动量守恒,行星在恒星周围刚形成时,自转轴和公转轨道应该趋向于垂直的,但是形成后的行星,会与其他天体发生侧面碰撞,在碰撞过程中,就有可能使自身的倾角发生变化。

比如有关地球倾角的说法,就与月球形成有关,该说法猜测大约在45亿年前,太阳系环境比较混乱,刚形成的地球遭受到一颗外来巨型天体的撞击,碰撞抛出的物质形成了如今的月球,并让地球的自转轴发生较大的偏移,于是地球有了明显的四季之分。


在角动量守恒的前提下,地球倾角一直得以保持,但也不是完全固定的,实际上地球倾角也存在周期性的变换,这是由于地球进动引起的,一个循环周期叫做一个柏拉图年,大约是26000年,也就是说地球的南北回归线实际上在缓慢地周期性移动。

像自转轴和公转平面不垂直的现象,不止是卫星和行星如此,恒星也还是一样的,我们太阳围绕银河系公转,公转周期大约是2.2亿年,太阳平均自转周期为25.38天,太阳自转轴和公转平面也不垂直,这是天文学上的普遍现象;就像你随机转动一个陀螺,陀螺不可能刚好完全垂直于地面一样。


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地球围着太阳转,倾斜的地轴为什么不能垂直?

不只是地球,太阳系里每一颗星星的自转轴都是歪的,最夸张的天王星甚至还躺着转,金星还是反着转的,同样在太阳系同一个黄道面上诞生,为什么会千姿百态?下面简单探讨下。

从角动量守恒的角度来看,行星的公转与自转并没有直接关系,简单的说行星的自转轴和公转平明两者之间没有任何关系,无论行星怎么转都与黄道面无关,但这并不代表与形成没有关系,因为太阳系的行星都是原生行星,因此这个问题必须要从太阳系的诞生开始讨论。

行星是怎么诞生的?

太阳系诞生最被广泛接受的模型是康德-拉普拉斯星云说,尽管我们无法看到太阳系诞生的过程,但从太阳系邻近的区域观测到了正在诞生的恒星与行星,根据宇宙学理论,我们可以将在宇宙的其它区域发生的过程来解释太阳系的诞生过程。

阿塔卡马毫米波射电望远镜对金牛座HL Tauri的连续成像,恒星和行星正在诞生中

行星被认为是在中心的太阳诞生后通过吸积逐渐形成的,因此在太阳系内侧轨道上形成气态行星的可能性极低,从原恒星的轨道上的碎片开始逐渐碰撞形成数千米的大块状物,这些块状物之间再通过碰撞形成更大的天体,直到它的直径超过静力平衡而形成球状天体。

吸积是天体通过引力吸引和积累的过程,在这一点上我们需要了解的是恒星的形成过程也是一个完整的吸积过程,而行星诞生于恒星的吸积盘面上,行星吸积盘的发挥空间只有恒星吸积盘的上下厚度以内。因此从能量最小的角度考虑,行星吸积盘的自转轴倾角与恒星吸积盘面的角度是差异是不会太大的。

既然诞生于同一个黄道面,为什么角度差异那么大?

如下图各大行星与黄道垂面的夹角,水星是最正的,木星其实也很正,只有3°,天王星最霸气,98°,几乎平躺着,金星最NB,177°,反着转,和太阳系任何一颗行星都不一样。

从上文我们可以了解到,完全的90°垂直这种可能性是很小的,只有在完全没有扰动的条件下才可能形成,而太阳系里天体之间引力互相牵制非常复杂,因此我们并不奢求它们都是90°垂直,但也不要太夸张,比如水星和木星就可以接受,那其他行星是怎么形成这个五花八门的倾角的呢?这还是要从形成和后期的运行两个因素开始说起:

1、形成过程中的因素

前文我们说了,吸积的过程其实就是一个碰撞的过程,甚至我们可以这样确认在早期形成过程中,天体根本就没有确定的自转轴,而是在不停的翻滚中,因为很难确定下一次撞击来自何方,但无论怎么变化,整体方向都是来自黄道面,因为其周围的吸积盘本身就诞生于黄道面上

因此最终形成行星自转轴倾角并不会很正,只是大致不会歪的太严重。

2、运行过程中的因素

行星在度过了诞生阶段以后,并不是说它的未来就一帆风顺,比如月球就认为是地球在数十亿年前遭受了轨道上一颗忒亚的天体撞击下分裂的部分形成了月球,而这个理论还受到广泛的支持。

我们相信这些很夸张的倾角自转的行星都遭受过难以想象的过去,比如金星的反向自转,天王星躺着公转这种典型的案例。

行星自转轴与黄道面垂直只是一种理想状态,而歪着转才是行星该有的POSE。

地轴倾角与生命诞生

其实地轴的倾角与生命诞生并无特别的关系,不过只是没有四季而已!不过另一个原因就值得商榷了,因为早期地球的自转速度很高,比如3亿年前地球一天只有22小时,而更久以前甚至只有数小时,昼夜交替时间过短不适合诞生生命,而忒亚的撞击诞生了月球,而相互之间的潮汐引力机制相当于给地球装了刹车,这才让地球自转减速,创造出生命诞生的环境。

当然这这样的假设仍然还处于猜测中,比如月球的成分与地球相似就是一个证据,但后期的发展又完全不一样,这表明月球很久以前就从地球分离了。

我们都纳闷为什么地球是倾斜的而不是垂直于它的轨道平面?科学家们在回答这个问题上已经有所突破。主要的共识是,这与地球的形成以及太阳系中其他行星的形成有关。这段时间在宇宙历史中对我们来说仍然是一个谜,但我们确实对于发生了什么有一些想法。我们知道,太阳的诞生在年轻的太阳系中创造了一种新的引力源。年轻的太阳和太阳诞生于星云的其余部分之间的潮汐力,进一步造成了星云中残留的气体和尘埃的不稳定。这样就可以稳定地形成行星。

经过数百万年的时间,足够多的物质发生碰撞,获得了质量和自身的引力,成为了被称为行星碎片和原行星的小行星。这些前行星碰撞形成了更大的行星。这为地球如何接近其最终形态奠定了基础。科学家推测地球可能与另一个原行星相撞,在这个过程中它的运行轴线发生了倾斜的。

尽管如此,地球的倾斜是非常重要的。它的位置非常完美,因此它给了我们四季,而且在它之上,四季几乎是为生命而准备的。与其他行星相比,地球的倾斜使得季节不会出现极端的温度,而是相当平衡的。同样,如果它离开“完美”的位置,地球的一侧上会太热,然后太冷。

如果地球没有轴向倾斜,就没有季节。地球上某一特定位置的气候将全年保持不变,而人们所熟知的生命将不可能存在。

根据新墨西哥州立大学的一位教授的说法,地球的轴向倾斜角度为23.5度。这在一年中面临着同样的情况,并影响着北半球和南半球在一年中某一特定时刻获得多少阳光。在北方的夏天,地球的轴指向太阳,使得地球表面单位面积的阳光浓度更大。赤道以下的情况是相反的。随着时间的推移,半球的位置发生了变化,北半球指向太阳,南半球指向太阳,反之亦然。在春天和秋天,北方和南方受到的阳光量相等。在两极,这种效应导致夏季有六个月的日光,冬季有六个月的黑暗。

如果没有轴向倾斜,则不会发生这种变化。地球会一直得到相同数量的阳光,而季节也不会存在。

本质原因是地球质量中心偏北,在太阳引力甩转作用下动态平衡的结果!

其余的解释都是歪理邪说、扯蛋罢了。

参阅本头条<原创新观点之二:黄赤交角假说>。


地轴总是倾斜的,与地球的质心和中心位置有关,地球质心与中心不同心,质心位于中心以南,两心位置确定了地轴位置,两心距离决定着地轴倾斜角度大小。地球绕中心自转,自转时质心产生了偏心力,偏心力牵引着地轴发生倾斜,伴随地球自转,质心产生的偏心力方向是不停的改变的,牵引着地轴倾斜方向不停改变,于是地球出现了摇摆运动。地球中心位置几乎不变,而质心位置随两极冰川积累与融化,地壳运动或小行星撞击等因素而改变,因此,地轴位置和倾斜角度都不是永恒不变的。地轴位置确定后,两心距离最短,地轴倾斜角度最小,地球热带范围最小,全球进入冰河期。两极和高纬度地区冰川开始积累,由于南极冰川积累量大于北极冰川积累量,地球质心缓慢南移,两心距离逐渐变大,地轴倾斜角度逐渐变大,地球热带范围逐年扩大,全球气温逐渐升高,高纬度地区冰川范围逐年缩小。当两极冰川积累到一定程度时,也就是地轴倾斜角度扩大到一定程度,两极冰川就不再继续增加,而转入融化阶段,但地球质心位置却不按原路返回,而发生转移,导致地轴位置发生改变,地轴倾斜角度开始变小。两极冰川全部融化,地球质心位置发生大的改变,地轴位置重新确定,两心距离又回到最小值,地轴倾斜角度最小,地球重心进入冰河期,进入下一个循环周期。

地球围着太阳转,其实是地球围绕太阳公转,这个公转实际上是一个近似的圆周运动(?园形),运动时形成的轨迹是以地球人为观察点认可的一个平面,此平面可以以太阳质心为环绕中心,若在太阳质心假想有一条轴线,上述公转平面是与轴线垂直的。

地球除了围绕太阳公转外还有自身的自转,自转时当然也有一条自转轴,地球上任意地点的旋转平面都垂直于自转轴,地球就是以地球的质心上的轴线为环绕中心进行自转的,地球的公转轴线与自转轴线其实是两回事,地球的公转是地球的质心围着太阳的质心主轴公转,地球的自转是地球本身物质围绕质心所在的自转轴进行旋转,两条轴线也並不是平行线,这种情况是形成太阳系的过程中的极为复杂的星际运动的结果。

地球的自转其实是一种陀镙运动,自转的动力来源于地球原始的角动量,但是地球又在太阳的强大引力下作园周运动,地球自转和公转都可以看作惯性运动,惯性运动就是保持原有运动状态的运动,自转轴与公转平面不处于垂直状态並不影响地球的原有运动状态,这种情况就是牛顿运动定律之所然。

主要还是受月球的直接影响,其他天体远离地球,最有影响力的是木星,它的质量可构成整体平衡,起到一个台阶性作用,使各个行星天体运行平稳,根本左右不了地球角动量的变化。月球是地球最近的天地,相当于地球1/7的质量,像陀螺一样绑定了地球,让地球始终处在倾斜角运动,四季更替分明,为稳定气候变迁和生态平衡提供了便利的条件。月球的存在是地球一切生命的福音。

维持角动量平衡,因为太阳系也在作螺旋运动,加上所有行星质量和转速不同,所以必定无法实现地轴完全垂直,需依靠一定倾角从而维持与太阳系运动平面的稳定状态。

下图太阳系和行星的运行轨迹。


玩儿过陀螺吗?哥们儿,垂直转时就离停下来不远了。

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