歳差

歳差運動とは

歳差運動（precession）とは、自転している物体の回転軸が、円を描くように振れる現象を指します。これは、コマが首を振るように回転する様子や、地球の自転軸がゆっくりと動く現象として知られています。歳差運動は、別名として首振り運動、みそすり運動、すりこぎ運動などとも呼ばれることがあります。

力学的な説明

歳差運動は、回転する物体に外部から力が加わることで発生します。特に、コマのように角[[運動量]]を持つ剛体で、回転軸が重心を通る慣性主軸である場合を考えると、理解が容易になります。

このような物体に、回転軸をひねるようなトルクを加えると、自転軸は円を描くように振れます。これは、回転するコマが重力によって軸を倒そうとする力（トルク）を受け続けることで、軸が円を描いて運動する現象と似ています。この運動はジャイロ効果によって説明できます。つまり、コマの自転による角[[運動量]]ベクトルに対し、重力によるトルクが継続的に作用することで、角[[運動量]]ベクトルの大きさは変わらずに方向だけが回転するのです。これは、中心力によって等速円運動している物体が、中心力を受け続けることで運動量ベクトルの向きだけが変化するのと同じ関係です。

また、回転軸が慣性主軸でない場合は、外力が無くても回転軸が慣性主軸の周りを振れ回るような動きをします。これを自由歳差運動と呼びます。

地球の歳差運動

地球の自転軸も、コマのすりこぎ運動のように動いています。これが地球の歳差運動です。地球はコマのように軸で支えられているわけではありませんが、地球の形状が赤道部分がわずかに膨らんだ回転楕円体（扁球）であるため、太陽や月の重力による潮汐力によって、赤道部分の膨らみを黄道面と一致させようとするトルクを受けています。このトルクが、地球の自転軸をゆっくりと動かす原因です。

歳差運動によって、地球の自転軸の傾き（地軸の傾き）は約23.4度で少しずつ変化し、約13,000年後には反対側に傾きます。これにより、季節が入れ替わる現象も発生します。また、歳差運動は、春分点が毎年黄道上を西へ50.3秒角移動させる原因にもなっています。これは、約72年で角度1度、約2150年で角度30度移動することに相当します。結果として、黄道に対する赤道の傾きが変化し、春分点、冬至点、夏至点、秋分点が移動します。

天文学上の影響

地球の歳差運動は、天文学において重要な影響を及ぼします。春分点と秋分点は黄道に沿って西向きに移動し、この現象を歳差と呼びます。この歳差の周期は約25,800年です。そのため、太陽年（回帰年）は恒星年よりも約20分24秒短くなります。

地球の自転運動による歳差は赤道の歳差と呼ばれ、これによって天の北極や赤道が動きます。また、地球の公転運動に対して惑星の引力が影響を及ぼし、地球の公転軌道面、つまり黄道傾斜角が変化します。これを黄道の歳差と呼びます。ただし、黄道の歳差が春分点の移動に与える影響は非常に小さいです。赤道の歳差と黄道の歳差を合わせたものを一般歳差と呼びます。J2000.0における1ユリウス世紀ごとの黄経の一般歳差の値は、IAU2006歳差章動理論では5028.796195秒とされています。

天の北極は天球上で黄道の北極を中心とする円を描きます。現在（21世紀）の北極星はこぐま座α星（ポラリス）ですが、約2100年頃に天の北極に最も近づくと予測されています。西暦13,000年頃には、天の北極はこと座α星（ベガ）の5度以内に位置することになります。古代エジプトの記録によれば、約4800年前（紀元前2800年頃）には、天の北極はりゅう座α星のあたりに位置していました。

歳差による春分点の移動を最初に発見したのは、紀元前150年頃のギリシャの天文学者ヒッパルコスです。彼は、おとめ座のスピカを使い、皆既月食の際に月とスピカの角距離を測定しました。日食や月食は黄道と白道の交点でしか起こらないため、この時のスピカとの角距離は、そのままスピカと月または太陽との黄経の差になります。ヒッパルコスはこの黄経の差を、約150年前のティモカリスが作成した星表と比較し、黄経の値が変化していることを発見しました。彼は、このずれは恒星の運動によるものではなく、黄経の基準である春分点自体が移動しているためだと結論しました。虞喜も、ヒッパルコスとは独立して地球の歳差運動を発見しています。

ラーモア歳差運動

磁場中に置かれた磁気モーメントがする歳差運動は、ラーモア歳差運動と呼ばれます。これは、磁気モーメントが磁場からトルクを受け、その結果として歳差運動を引き起こす現象です。

まとめ

歳差運動は、自転する物体の軸が円を描いて動く現象であり、コマの運動から地球の自転軸の動き、磁気モーメントの運動まで、様々な現象に見られます。特に地球の歳差運動は、天文学的な観測や暦の計算に重要な影響を与えており、その理解は天文学の発展に不可欠です。

もう一度検索