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变化中的北极(52)他们真的到了北极点吗 精选

已有 3973 次阅读 2022-12-3 08:28 |系统分类:科研笔记

变化中的北极(52)他们真的到了北极点吗

张武昌2022年12月3日星期六

 

 

 

100余年来,探险家一直竞争成为征服(到达)北极点的第一人,以某种方式到达的第一人,等等等等,但是早期这些宣称都存在争议,争议的原因之一就是如何提供证据你到达了北极点。

 

北极点是一个虚拟的点,没有明显的标志,探险家依靠星星(包含太阳)的位置来确定是否到达北极点。问题在于,这么些大地测绘人员争吵了几十年才认可的经线meridion,探险家怎能这么轻松就能弄明白,所以很多人认为探险家只是单方面宣称,其定位能力(精度)不足为信,没有独立第三方证明,没有实物(到此一游的牌子)证明,造假的动力(所得丰厚)很大,所以一直是个糊涂账。

 

不同的机构对于上述这些到达北极点的宣称有不同的认可。此处我们根据吉尼斯世界纪录,第一个被确认的到达北极点是1969年4月6日Wally Herbert。

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问题是,为什么是他?


北极点有两个,一个在地上,一个在天上

 

地球在围绕自己的自转轴旋转,自转轴和地表的交点有两个,其中一个被(人为)称为地理北极点(Geographical North Pole),另一个叫南极点。

 

长期以来,人们将星空称为天球,假想星星是分布在天球上,各个星星距离地球相等。地球自转轴向北射出地球和天球的交点就是天上的北极点,称为北天极(celestial north pole)。

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虽然现在宇宙学不这么认为,天文学家虽然承认宇宙学中天体位置的科学认知,但是由于天球概念使用方便,他们仍然使用天球的概念来表达星空的变化。

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根据北天极确定地球的地理北极点

 

如果将相机对准天空(最好是晚上),持续不断的曝光,就会得到天上星星的运动轨迹,叫做星轨。在北半球,不论将相机指向什么方向,星轨照片中的星星都是圆形的轨迹,星轨就是围绕北极星转动的壮丽图画,也是摄影爱好者喜爱的主题,网上有很多人惊叹的星轨的照片。注意这些图片中每一个星星的轨迹都是圆的一部分,没有形成闭合的圆圈,这是因为只有晚上拍照,没有24小时(1天)拍照。

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在圆形的中心就是北天极,现在北天极位于小熊座内,离北天极(角距离)最近的恒星就叫北极星(Polaris)。现在的北极星距离北天极角度差只有42′,还不到1度,在南天极附近没有闪亮的星星,所以没有南极星。

 

北极星距离地球约400光年,几乎可以认为是无穷远。由于其非常的接近地球的自转轴,所以星轨图中的北极星几乎是不动的,但是如果放大来看,它也在画一个小小的圈圈。

 

19世纪后页,观测技术的进步使得人们精准确定了经度和纬度的方向,北极点的位置也随之确定,一直沿用至今,这个北极点刚确定之时就是那时的地理北极点。

地理北极点一直在移动

 

19世纪末,由于天文学的研究精度不断提高,天文学家觉得观测中有些不对劲的地方,他们怀疑地球自转轴的变化影响他们的天文观测,所以提出要观测地轴(地理北极点)的变化。

 

观测北极点移动的原理就是假设北天极是恒定的,根据星轨图中不同恒星的位置变动来确定地理北极的位置变化。

 

1899年,国际大地测量学会(International Geodetic Association)成立了一个分支叫做国际纬度服务(International Latitude Service),确定各个纬度的位置。在北纬39° 08’环绕地球设立了6个观测点:

Gaithersburg, Maryland, USA;

Cincinatti, Ohio, USA;

Ukiah, California, USA;

Mizusawa, Japan;

Charjui, Turkestan;

Carloforte, Italy.

它们处于相同的纬度,所以能观测的天球是一致的,共设立了144个参考星星,根据星轨的微小差异确定自转轴(地理北极点)的移动。后来卫星定位技术逐渐加入进来。

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北天极的移动

上述测量地理北极点的移动是基于北天极不动的假设,这个假设在短期(百年内)是可行的。从长期来看,北天极相对于星空(假设星空天球不动)也在移动。

 

当地球绕其自转轴旋转时,它就会围绕着某一颗恒星旋转。地球的自转轴指向哪颗恒星,哪颗恒星就成为北极星,因此北极星并不是一颗永远不变的某一颗固定的恒星。

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天文学家根据地轴摇摆和恒星引力计算,北天极围绕北黄极做圆周运动,每25800年循环一次,位于北天极附近的星星也在不断变化。在历史上不同的时期,北极星的位置会被不同的恒星所取代。

 

现在位于北天极位置为我们指引方向的北极星是小熊座的勾陈一。在麦哲伦航海的时代 (1500年代),北极星距离北天极有约3.5度的角度差,而到今天,北极星更靠近北天极了,角度差只有42′,还不到1度。到公元2100年,北极星将到达离北极点正上方最近的位置,它距离北天极将只有27′,不到半度。

 

然后,北天极就将逐渐远离勾陈一(现在的北极星)。12000年后,织女星将会取代现在的勾陈一变成新的北极星。

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地球北极点的周期运动

经过100多年的观测,人们对地理北极点的运动有了一些了解。当发现地理北极点不住的移动之后,原来的最初的地理北极点被称为真北极(true north)或大地测量学北极点(Geodetic North Pole或terrestrial north pole)。

 

北极点移动到哪里了呢?下面所述的地理北极点的位置变动都是以大地测量学北极点为参考或基准。


年摇摆。一年之内,地理北极点会有一个椭圆形的运动轨迹。长轴的长度可达6米。3月的北极点距离6月的北极点大约6米。这一周年变化是由南北半球冬季和夏季气压的周年变化引起的。北大西洋和亚洲的气压不平衡是一个重要因素,北半球冬季高压位于海洋,夏季高压位于亚洲陆地。气压变化导致空气质量的分布变化,导致地球质心的移动,从而引起北极点位置的变化,这一现象被称为地球的摇摆(wobble)。

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周年瞬时北极点的变化。

单位毫秒(1秒为长度30米,1毫秒为3厘米)


钱德勒摆动。天文学家 Seth Carlo Chandler于1891年发现地理北极点有一个433天周期的摇晃(被称为钱德勒摆动Chandler wobble),这一摇晃的轨迹是个直径9米的圆形,其原因是地球不是完美的球体,而是稍微有点椭球体,赤道的半径比两极的半径多20 千米,当椭球体转动时,就会有摇晃,被称为自由章动free nutation。北极的半径达9米。

 

上述两种摇摆的叠加使得地理北极点的运动像个螺旋,被称为螺旋摇摆spiral wobble,最高直径高达15米,最小直径为3米,每7年一个循环。

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14年的瞬时北极点的轨迹(一圈为一年)


所以,有很多不同的北极点,每一个时刻都有一个瞬时地理北极点instantaneous pole,每年运动轨迹的中心被称为年北极点,每7年的螺旋摇摆的中心被称为平均北极点mean pole。

 

地球北极点的漂移

自1900年以来,平均北极点一直向向西偏南运动,被称为漂移drift,每年移动约20 厘米,已经移动了20多米。但是2000年以后,漂移的方向转向南偏南方向。北极点漂移是由于地球质心的变化引起的,质心变化的原因有很多,地幔中岩石的融化,地壳由于冰川融化而反弹,格陵兰冰盖的融化是最近漂移方向左转的主要影响因素。

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图中坐标为上北(直到90°N)下南,左西右东,单位为秒(1秒为长度30米)。绿线是1900年以来平均北极点的移动轨迹。蓝色十字是2008-2014这7年的螺旋摇摆轨迹,其中心点(平均北极点)就是最后一个圆点。坐标交点是大地测量学北极点




为什么是他?

看到了吧,要用北天极来确定地理北极点,而北天极在不断移动,地理北极点也在不停移动,要用这么复杂的方法确定北极点,这些探险家怎么能这么容易就确定自己到了北极点呢?

回到开头的问题,为什么是他呢?

原因就是1960年代,GPS定位服务开始投入使用。虽然没有查到Herbert是否使用GPS确定北极点的资料,但是这时的定位技术肯定得到了同时代人的认可。

 

目前去北极点旅游的人都是使用GPS 来确定北极点,他们就真的到达北极点了吗?


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准确的说他们瞄准的是100多年前的地理北极点,现在的大地测量学北极点。现在的地理北极点在大地测量学北极点的西偏南方向20米左右。

 

什么时候(偏离多远时)会改变大地测量学北极点?咱也不知道咱也不敢问。




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