地球公轉

地球公轉

地球公轉的解釋是:地球環繞太陽的運動稱為地球公轉。因為同地球一起環繞太陽的還有太陽系的其他天體,太陽是它們共有的中心天體,故被稱為“公”轉。地球的公轉也有其自身的規律。地球的公轉這些規律從地球軌道、地球軌道面、黃赤交角、地球公轉的周期和地球公轉速度和地球公轉的效應等。地球公轉的平均角速度就是每年360°,也就是經過365.2564日地球公轉360°。依據克卜勒行星運動第二定律可知,地球公轉速度與日地距離有關。地球公轉速度的變化,是造成地球上四季不等長的根本原因。地球公轉周期是一“年”。

基本信息

公轉速度

地球公轉是一種周期性的圓周運動,因此,地球公轉速度包含著角速度和線速度兩個方面。如果我們採用恆星年作地球公轉周期的話,那么地球公轉的平均角速度就是每年360°,也就是經過365.2564日地球公轉360°,即每日約0.986°,亦即每日約59′8″。地球軌道總長度是940,000,000千米,因此,地球公轉的平均線速度就是每年9.4億千米,也就是經過365.2564日地球公轉了9.4億千米,即每秒鐘29.8千米,約每秒30千米(線速度=940,000,000KM/365天=940,000,000秒/(365X24X3600)秒=29.8千米(近似為30千米/秒)。

依據克卜勒行星運動第二定律可知,地球公轉速度與日地距離有關。地球公轉的角速度和線速度都不是固定的值,隨著日地距離的變化而改變。地球在過近日點時,公轉的速度快,角速度和線速度都超過它們的平均值,角速度為1°1′11″/日,線速度為30.3千米/秒;地球在過遠日點時,公轉的速度慢,角速度和線速度都低於它們的平均值,角速度為57′11″/日,線速度為29.3千米/秒。地球於每年1月初經過近日點,7月初經過遠日點,因此,從1月初到當年7月初,地球與太陽的距離逐漸加大,地球公轉速度逐漸減慢;從7月初到來年1月初,地球與太陽的距離逐漸縮小,地球公轉速度逐漸加快。

地球公轉地球公轉

我們知道,春分點和秋分點對黃道是等分的,如果地球公轉速度是均勻的,則視太陽由春分點運行到秋分點所需要的時間,應該與視太陽由秋分點運行到春分點所需要的時間是等長的,各為全年的一半。但是,地球公轉速度是不均勻的,則走過相等距離的時間必然是不等長的。視太陽由春分點經過夏至點到秋分點,地球公轉速度較慢,需要186天多,長於全年的一半,此時是北半球的夏半年和南半球的冬半年;視太陽由秋分點經過冬至點到春分點,地球公轉速度較快,需要179天,短於全年的一半,此時是北半球的冬半年和南半球的夏半年。由此可見,地球公轉速度的變化,是造成地球上四季不等長的根本原因。

首先了解幾個名詞:

1.一光年:是指光在真空中一年時間裡面走過的距離,注意,光年是長度單位。

2.地球公轉:我們的地球以每秒29.79公里的速度,沿著一個偏心率很小的橢圓繞著太陽公轉。走完大約約9.4億公里的一圈路程要花365天又5小時48分46秒,即大約一年。(日地平均距離是1.5億公里)

3.光在一年時間裡面走過的距離是地球公轉的周長的多少倍?由於1光年是光在一年時間裡面走過的距離,地球公轉周長是地球一年走過的弧長,時間都是一年。所以距離之比就是光速300,000km/s和地球公轉的速度29.79km/s之比:n=300,000/29.79=10,000倍。

4.地球圍繞太陽公轉一周的距離是多少?此處的距離實際上是周長,一周的弧長。我們已經知道地球公轉軌道半徑1.5億公里,很容易算出周長的。根據公式s=2×3.14×1.5億,大約9.4億公里。

5.根據橢圓終極理論公式計算公轉周長為近似為939901691.151千米(由於計算機局限暫時只能精確到此)

通常所指的地球公轉是以太陽為參考系的二維平面,而地球在宇宙總空間和時間中轉行一年的行程,大約117億公里,軌跡是螺鏇狀的,2011年的春分和2012年的春分,不是相交,而是距離數十億公里。

黃赤交角

地球在其公轉軌道上的每一點都在相同的平面上,這個平面就是地球軌道面。地球軌道面在天球上表現為黃道面,同太陽周年視運動路線所在的平面在同一個平面上。地球的自轉和公轉是同時進行的,在天球上,自轉表現為天軸和天赤道,公轉表現為黃軸和黃道。天赤道在一個平面上,黃道在另外一個平面上,這兩個同心的大圓所在的平面構成一個23°26′的夾角,這個夾角叫做黃赤交角。

黃赤交角的存在,實際上意味著,地球在繞太陽公轉過程中,自轉軸對地球軌道面是傾斜的。由於地軸與天赤道平面是垂直的,地軸與地球軌道面交角應是90°——23°26′,即66°34′。地球無論公轉到什麼位置,這個傾角是保持不變的。

在地球公轉的過程中,地軸的空間指向在相當長的時期內是沒有明顯改變的。北極指向小熊星座α星,即北極星附近,這就是天北極的位置。也就是說,地球在公轉過程中地軸是平行地移動的,所以無論地球公轉到什麼位置,地軸與地球軌道面的夾角是不變的,黃赤交角是不變的。

黃赤交角的存在,也表明黃極與天極的偏離,即黃北極(或黃南極)與天北極(或天南極)在天球上偏離23°26′。

我們所見到的地球儀,自轉軸多數呈傾斜狀態,它與桌面(代表地球軌道面)呈66°34′的傾斜角度,而地球儀的赤道面與桌面呈23°26′的交角,這就是黃赤交角的直觀體現。

公轉周期

概述

地球公轉地球公轉

地球繞太陽公轉一周所需要的時間,就是地球公轉周期。

籠統地說,地球公轉周期是一“年”。因為太陽周年視運動的周期與地球公轉周期是相同的,所以地球公轉的周期可以用太陽周年視運動來測得。地球上的觀測者,觀測到太陽在黃道上連續經過某一點的時間間隔,就是一“年”。由於所選取的參考點不同,則“年”的長度也不同。常用的周期單位有恆星年、回歸年和近點年。

恆星年

地球公轉的恆星周期就是恆星年。這個周期單位是以恆星為參考點而得到的。在一個恆星年期間,從太陽中心上看,地球中心從以恆星為背景的某一點出發,環繞太陽運行一周,然後回到天空中的同一點;從地球中心上看,太陽中心從黃道上某點出發,這一點相對於恆星是固定的,運行一周,然後回到黃道上的同一點。因此,從地心天球的角度來講,一個恆星年的長度就是視太陽中心,在黃道上,連續兩次通過同一恆星的時間間隔。

恆星年是以恆定不動的恆星為參考點而得到的,所以它是地球公轉360°的時間,是地球公轉的真正周期。恆星年長度為365.2564日,即365日6小時9分10秒;回歸年長度為365.242199174日,即365日5時48分46秒。

回歸年

地球公轉的春分點周期就是回歸年。這種周期單位是以春分點為參考點得到的。在一個回歸年期間,從太陽中心上看,地球中心連續兩次過春分點;從地球中心上看,太陽中心連續兩次過春分點。從地心天球的角度來講,一個回歸年的長度就是視太陽中心在黃道上,連續兩次通過春分點的時間間隔。

春分點是黃道和天赤道的一個交點,它在黃道上的位置不是固定不變的,每年西移50″。29,也就是說春分點在以“年”為單位的時間裡,是個動點,移動的方向是自東向西的,即順時針方向。而視太陽在黃道上的運行方向是自西向東的,即逆時針的。這兩個方向是相反的,所以,視太陽中心連續兩次春分點所走的角度不足360°,而是360°—50″.29即359°59′9″。71,這就是在一個回歸年期間地球公轉的角度。因此,回歸年不是地球公轉的真正周期,只表示地球公轉了359°59′9″.71的角度所需要的時間,用日的單位表示,其長度為365.2422日,即365日5小時48分46秒。

近點年

地球公轉的近日點周期就是近點年。這種周期單位是以地球軌道的近日點為參考點而得到的。在一個近點年期間,地球中心(或視太陽中心)連續兩次過地球軌道的近日點。由於近日點是一個動點,它在黃道上的移動方向是自西向東的,即與地球公轉方向(或太陽周年視運動的方向)相同,移動的量為每年11″,所以,近點年也不是地球公轉的真正周期,一個近點年地球公轉的角度為360°+11″,即360°0′11″,用日的單位來表示,其長度365.2596日,即365日6小時13分53秒。

變化周期

只有恆星年才是地球公轉的真正周期。在下面章節中,我們將學習到回歸年是地球寒暑變化周期,即四季變化的周期,它與人類的生活生產關係極為密切。回歸年略短於恆星年,每年短20分24秒,在天文學上稱為歲差。

為什麼春分點每年西移50″。29而造成歲差現象呢?

答:這是地軸進動的結果。

地軸的進動同地球的自轉、地球的形狀、黃赤交角的存在以及月球繞

地球公轉軌道的特徵,有著密切的聯繫。地軸的進動類似於陀螺的鏇轉軸環繞鉛垂線的擺動。當急轉的陀螺傾斜時,鏇轉軸就繞著與地面垂直的軸線,畫圓錐面,陀螺軸發生緩慢的晃動。這是因為地球引力有使它傾倒的趨勢,而陀螺本身鏇轉運動的慣性作用,又使它維持不倒,於是便在引力作用下發生緩慢的晃動。這就是陀螺的進動。

地球的自轉,就好像是一個不停地鏇轉著的龐大無比的大“陀螺”,由於慣性作用,地球始終在不停地自轉著。地球自身的形狀類似於一個橢球體,赤道部分是凸出的,即有一個赤道隆起帶。同時,由於黃赤交角的存在,太陽中心與地球中心的連線,不是經常通過赤道隆起帶的。所以,太陽對地球的吸引力,尤其是對於赤道隆起帶的吸引力,是不平衡的。另外,月球繞地球公轉的軌道平面,與黃道面和天赤道面都不重合,與黃道面呈5°9′的夾角,也就是說,地球中心與月球中心的連線,也不是經常通過赤道隆起帶。所以,月球對地球的吸引力,尤其是對赤道隆起帶的吸引力,也是不平衡的。據萬有引力定律,F1>F2。

日月的這種不平衡吸引力,力圖使赤道面與地球軌道面相重合,達到平衡狀態。但是,地球自轉的慣性作用,使其維持這種傾斜狀態。於是,地球就在月球和太陽的不平衡的吸引力共同作用下產生了擺動,這種擺動表現為地軸以黃軸為軸做周期性的圓錐運動,圓錐的半徑為23°26′,即等於黃赤交角。地軸的這種運動,稱為地軸進動。地軸進動方向為自東向西,即同地球自轉和公轉方向相反,而陀螺的進動方向與自轉方向是一致的。

這是因為陀螺有“傾倒”的趨勢,而地軸有“直立”的趨勢。

地軸進動的速度非常緩慢,每年進動50″.29,進動的周期是25,800年。

由於地軸的進動,造成地球赤道面在空間的傾斜方向發生了改變,引起天赤道相應的變化,致使天赤道與黃道的交點——春分點和秋分點,在黃道上相應地移動。移動的方向是自東向西的,即與地球公轉方向相反,每年移動的角度為50″。29。因此,年的長度,以春分點為參考點周期單位要比以恆定不動的恆星為參考點的周期單位略短,這就是產生歲差的原因。

由於地軸的進動,造成地球的南北兩極的空間指向發生改變,使天極以25800年為周期繞黃極運動。所以,天北極和天南極在天球上的位置也是在緩慢地移動著。北極星在公元前3000年曾是天龍座α星,北極星在小熊座α星附近,到了公元7000年,移到仙王座α星附近,到公元14,000年,織女星將成為北極星。

由於地軸進動造成天極和春分點在天球上的移動,以其為依據而建立起來的天球坐標系也必然相應地變化。對赤道坐標系來說,恆星的赤經和赤緯要發生變化,對黃道坐標系來說,恆星的黃經要發生改變。但是,地軸的進動不改變黃赤交角,即地軸在進動時,地軸與地球軌道面的夾角始終是66°34′。

在這裡還要說明一下,由於地軸進動而造成的天極、春分點的移動角度相對來講是很微小的,在較長的時間裡不會有很大的移動。所以,我們仍然可以說天極和春分點在天球上的位置不變,恆星的赤經、赤緯和黃經也可以粗略地認為是不變的,以此為依據而建立的星表、星圖仍是可以長期使用的。

公轉與取向

遵循宇宙天體規則,地球在太陽運行軌道時,始終保持在固定的取向,為使地球的經線與太陽保持固定的取向,因此地球每天平均想地球公轉方向(自西向東)轉動0.9856度即365/360度。

取向子午線

子午線是表示地球上一天時間的變化,子午線也就是地球上的經線,人類為度量方便而設定出來的輔助線,定義在地球表面任意兩根經線的長度相等,相交與南北的極點,每一根經線都有其相對應的數值,叫做經度,經線指南北方向,譬如英國倫敦格林尼治天文台地上鑲嵌一條銅子午線,在午時12點,太陽的投影線是和這條經線重合的,並且每天都要重合,只是太陽的投影伸長縮短而已,所以格林尼治天文台的那條子午線也可以看作當地地取向經線。

太陽同步軌道與取向

地球公轉示意圖地球公轉示意圖

氣象衛星是太陽同步衛星的一種,它的基礎理論來至宇宙天體的運行規則,其中取向角度是最基礎的理論,因此,在設計衛星和衛星軌道時遵循在取向上,每天也要保持固定轉動0.9856度,再者,人類到目前以發射了數千顆不同的太空飛行器,有了成熟正確的理論。用這些理論詮釋地球公轉完全可行。

根據《太陽同步軌道》詞條的理論,軌道是隨一年四季變化的,裡面有航天專家的論述,又有幾張示意圖,詮釋軌道四季變化的過程,取向角度,始終保持和太陽取向上一致,為此,我按照太陽同步軌道理論,遵循地球公轉太陽取向關鍵論述,畫出一張新的地球公轉軌道示意圖,同廣大學者共勉。

太陽運動

概述

地球公轉是從太陽的周年視運動中發現的。為了說明太陽的周年視運動,我們首先用一個動點與一個定點的關係來進行分析。

觀測點

地球的繞日公轉和在地球上的觀測者見到的太陽視運動的特點與上述情況相同。儘管實際情況是地球繞日公轉,但是作為地球上的觀測者,只能感到太陽相對於星空的運動,這種運動的軌跡平面與地球軌道平面是重合的,方向、速度和周期都與地球的相同。太陽相對星空的運動,是一種視運動,稱為太陽周年視運動。太陽周年視運動實際上是地球公轉在天球上的反映。

成因

江發世在《地球新論》一文對地球的自轉、公轉成因進行了論述。江氏用小鐵球和磁鐵塊做模擬試驗,如圖:小鐵球用線吊起來掛在空中不動,將用線吊著的磁鐵塊和小鐵球在一個水平面上,磁鐵塊在小鐵球的西面,由北向南運動。

當兩者相距適當的運動距離,如果磁鐵塊運動速度慢,在靠近小鐵球時,小鐵球就被磁鐵塊吸了去(圖中A);當磁鐵塊以適當的速度運行時,小鐵球就會沿著一個近圓形軌跡繞磁鐵塊轉動(圖中B);當磁鐵塊以較快的速度從小鐵球一側通過時,小鐵球就是一個拋物線弧形或雙曲線弧形從磁鐵塊一側運動過去(圖中C)。同時小鐵球也產生如圖E方向的自傳。小鐵球運動磁鐵塊不動或二者都動,試驗結果是一樣的。

太陽俘獲了地球,地球產生如以上試驗的自轉、公轉。

舉例

假如,動點A在繞定點B做圓周運動。則在定點B看上去,A點的軌跡是一個圓形,A點的運動方向是逆時針的。這種情況,與從動點A看定點B的運動特徵是完全相同的,B點的運動軌跡也是圓形的,運動方向也是逆時針的。但是,A繞B的運動是一種真運動,而B繞A的運動則是一種視運動,它是A繞B運動的一種直觀反映。

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