地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)（地球繞太陽(yáng)做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)）
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地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)
地球繞太陽(yáng)做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)
基本信息
| 中文名 | 地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn) |
| 類型 | 天文現(xiàn)象 |
| 平均線速度 | 每年940，000，000 公里 |
| 角速度 | 每年360度 |
簡(jiǎn)介
橢圓的軌道是地球?qū)Ω浇奶祗w引力的折中。僅有一個(gè)行星和一個(gè)恒星的系統(tǒng)是沒(méi)有任何意義的。早期的太陽(yáng)系在形成過(guò)程中，原始的行星受到了小行星的撞擊和其他一系列擾動(dòng)，才導(dǎo)致橢圓軌道的形成。這叫行星徙動(dòng)理論。
首先：正圓軌道也是橢圓軌道的一種，只不過(guò)是特殊的橢圓軌道。
地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，在給定的能量的條件下，可能的軌道有無(wú)數(shù)條，圓軌道只是其中的一條而已。如果想要地球按正圓軌道運(yùn)行，地球的能量，動(dòng)量要滿足一定條件。就是任一時(shí)刻，地球的動(dòng)能Ek和勢(shì)能Ep的關(guān)系滿足 Ek = -Ep/2?；蛘哒f(shuō)當(dāng) Ek = -Ep/2時(shí)，地球運(yùn)動(dòng)方向垂直于日地連線。這個(gè)條件非?？量蹋幢闶堑厍蛟谡龍A軌道上運(yùn)行，一點(diǎn)微小的擾動(dòng)都可以改變這種狀態(tài)，使得地球在新的橢圓軌道上運(yùn)行。
公轉(zhuǎn)速度
平均角速度是每年360度，即每日59分。平均線速度為每年940，000，000公里，即每秒29.78公里。即時(shí)角速度和即時(shí)線速度有季節(jié)變化，在能量守恒的前提下，離太陽(yáng)越近，位能越小，動(dòng)能則越大，即時(shí)線速度和即時(shí)角速度就越大。在角動(dòng)量守恒的前提下，即在相等長(zhǎng)度的時(shí)間內(nèi)，地球、太陽(yáng)連線所掃過(guò)的面積是恒定的。
公轉(zhuǎn)夾角
地球的自轉(zhuǎn)軸與其公轉(zhuǎn)的軌道面成66°34′的傾斜。這個(gè)角度同人們拿鉛筆書寫時(shí)筆桿與桌面的傾斜相仿。人們有時(shí)形象地比喻為地球“斜著身體”繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。
地球的自轉(zhuǎn)同它公轉(zhuǎn)之間的這種關(guān)系，天文學(xué)和地理學(xué)上通常用它的余角（23°26′），即赤道面與軌道面的交角來(lái)表示；而在地心天球上，則表現(xiàn)為黃道與天赤道的交角，并被稱為黃赤交角，又稱"黃赤大距"。黃道與天赤道的兩個(gè)交點(diǎn)，叫白羊?qū)m（白羊座）第一點(diǎn)和天秤宮（天秤座）第一點(diǎn)，在北半球分別稱為春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)，合稱二分點(diǎn)。黃道上距天赤道最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，叫巨蟹宮（巨蟹座）第一點(diǎn)和摩羯宮（摩羯座）第一點(diǎn)，即北半球的夏至點(diǎn)和冬至點(diǎn)，合稱二至點(diǎn)。二至點(diǎn)距天赤道23°26′，稱黃赤大距，是黃角交角在地心天球上的表現(xiàn)。
黃赤交角的存在，具有重要的天文和地理意義。前已述及，黃赤交角是地軸進(jìn)動(dòng)的成因之一；它還是視太陽(yáng)日長(zhǎng)度周年變化的主要原因。下節(jié)還將要說(shuō)明，黃赤交角是地球上四季變化和五帶區(qū)分的根本原因。
軌道直徑
開普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律，讓17世紀(jì)初天文學(xué)家眼中的太陽(yáng)系與其真實(shí)面貌達(dá)到了空前的一致。太陽(yáng)位于中心；當(dāng)時(shí)已知的六顆行星——水星、金星、地球、火星、木星還有土星由內(nèi)到外依次在各自的橢圓軌道上圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。然而這幅太陽(yáng)系的“全家福”之中還有一個(gè)重大的缺憾，它是沒(méi)有比例尺的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的天文學(xué)家不知道任何一顆行星到太陽(yáng)的距離，他們所知道的只是這些行星與太陽(yáng)之間的距離的比值，其中地球與太陽(yáng)之間的平均距離被定為一個(gè)天文單位，以此類推最內(nèi)側(cè)的水星與太陽(yáng)的距離便為0.3871個(gè)天文單位，而最外側(cè)的土星則在距離太陽(yáng)9.5388的軌道上緩慢運(yùn)行。
由于“天文單位”是天文學(xué)，特別是天文測(cè)量學(xué)中一個(gè)非常重要的一個(gè)天文數(shù)值，因此準(zhǔn)確的測(cè)量地球與太陽(yáng)之間的距離便成為了“最為崇高的天文問(wèn)題”之一。
但是這并不是一件容易的事情，太陽(yáng)高高地掛在空中、遙不可及，顯然不能像測(cè)量你家房間大小那樣直接用皮尺去量，而只能通過(guò)間接的方法去測(cè)定。天文學(xué)家們很快便想到了“視差”，所謂的“視差”是指在兩個(gè)不同的點(diǎn)上觀察同一個(gè)目標(biāo)時(shí)所產(chǎn)生的方向差異，這種方向差異可以通過(guò)目標(biāo)在遙遠(yuǎn)背景上的移動(dòng)計(jì)算出來(lái)，如果兩點(diǎn)之間的距離是已知的，利用中學(xué)所學(xué)的幾何學(xué)知識(shí)就能夠計(jì)算出目標(biāo)到觀測(cè)點(diǎn)的距離。我們很容易想到，目標(biāo)的距離越遠(yuǎn)，它的視差就越小，當(dāng)物體的距離非常遙遠(yuǎn)的時(shí)候，它的視差便可以忽略不計(jì)了，而被當(dāng)作觀測(cè)的背景。日常生活中最為常見(jiàn)的視差，便是當(dāng)你分別用左右眼看同一個(gè)物體時(shí)，它在你的眼中相對(duì)于其他物體所發(fā)生的移動(dòng)。
但是要測(cè)定太陽(yáng)的視差卻同樣也是一件非常困難的事。首先它的距離太遠(yuǎn)，即使分別在地球的兩端來(lái)測(cè)量，它的視差還是很小，這就需要非常精密的儀器；更為糟糕的是太陽(yáng)實(shí)在是太亮了，它把可以作為背景的星空完全淹沒(méi)了，因此我們也就沒(méi)有了標(biāo)尺，這使得直接測(cè)量它的視差幾乎成為了一件不可能完成的任務(wù)。這幅沒(méi)有比例尺的太陽(yáng)系地圖也就一直使用到了18世紀(jì)初。
1716年，英國(guó)著名的天文學(xué)家、哈雷彗星的發(fā)現(xiàn)者，埃德蒙多·哈雷提出了一種間接測(cè)定太陽(yáng)視差的方法，這種方法需要利用一種罕見(jiàn)的天文現(xiàn)象——“金星凌日”，也就是金星制造的微小“日食”，當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)候，在地球上可以看到有一個(gè)小黑點(diǎn)兒，也就是金星的影子，從太陽(yáng)表面經(jīng)過(guò)。哈雷的方法就是通過(guò)測(cè)定不同觀測(cè)地點(diǎn)，這個(gè)小黑點(diǎn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)表面的時(shí)間，然后再經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，就可以得到太陽(yáng)的視差。
但是很遺憾的是哈雷沒(méi)有等到下次金星凌日的出現(xiàn)便去世了。德國(guó)天文學(xué)機(jī)恩克利用1761年和1769年的兩次金星凌日時(shí)的觀測(cè)結(jié)果，于1824年計(jì)算出了太陽(yáng)與地球之間的距離為1.53億公里。后來(lái)的天文學(xué)家又利用隨后兩次發(fā)生在1874和1882年的金星凌日現(xiàn)象，把這個(gè)數(shù)字精確到了1.4934億±9.6萬(wàn)公里，這已經(jīng)非常接近現(xiàn)代的數(shù)值1.49597870億公里。
當(dāng)然這個(gè)數(shù)值是太陽(yáng)與地球之間的平均距離，也就是幾何學(xué)中橢圓的半長(zhǎng)軸。不過(guò)地球軌道非常接近正圓，它目前的偏心率只有0.0174，也就是它與太陽(yáng)之間最遠(yuǎn)的距離只比這個(gè)平均距離遠(yuǎn)1.74%，大約是260萬(wàn)公里。
公轉(zhuǎn)周期
365天6小時(shí)9分9.5秒
24小時(shí)36分38秒
366天 閏年
36分38秒
恒星年是太陽(yáng)在天球上連續(xù)兩次通過(guò)某一恒星所需的時(shí)間，長(zhǎng)度為365.25636平太陽(yáng)日。
回歸年是太陽(yáng)在天球上連續(xù)兩次通過(guò)春分點(diǎn)所需的時(shí)間，長(zhǎng)度為365.24220平太陽(yáng)日。
地球公轉(zhuǎn)軌道和方向 地球在公轉(zhuǎn)過(guò)程中，所經(jīng)過(guò)的路線上的每一點(diǎn)，都在同一個(gè)平面上，而且構(gòu)成一個(gè)封閉曲線。這種地球在公轉(zhuǎn)過(guò)程中所走的封閉曲線，叫做地球軌道。如果我們把地球看成為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的話，那么地球軌道實(shí)際上是指地心的公轉(zhuǎn)軌道。嚴(yán)格地說(shuō)，地球公轉(zhuǎn)的中位位置不是太陽(yáng)中心，而是地球和太陽(yáng)的公共質(zhì)量中心，不僅地球在繞該公共質(zhì)量中心在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且太陽(yáng)也在繞該點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體，地球只不過(guò)是太陽(yáng)系中一顆普通的行星。太陽(yáng)的質(zhì)量是地球質(zhì)量的33萬(wàn)倍，日地的公共質(zhì)量中心離太陽(yáng)中心僅450千米。這個(gè)距離與約為70萬(wàn)千米的太陽(yáng)半徑相比，實(shí)在是微不足道的，與日地1.5億千米的距離相比，就更小了。所以把地球公轉(zhuǎn)看成是地球繞太陽(yáng)（中心）的運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際情況是十分接近的。地球軌道的形狀是一個(gè)接近正圓的橢圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。橢圓有半長(zhǎng)軸、半短軸和半焦距等要素，分別用a、b、c表示，其中a又是短軸兩端對(duì)于焦點(diǎn)（F1、F2）的距離。半焦距與半長(zhǎng)軸和平短軸之間存在著這樣的關(guān)系：即 c2=a2-b2 半焦距c與半長(zhǎng)軸a的比值c/a，是橢圓的偏心率，用e表示，即e=c/a，偏心率是橢圓形狀的一種定量表示，e的數(shù)值大于0而小于1。橢圓越接近于圓形，則e的數(shù)值就越小，即接近于0；反之，橢圓越扁，e的數(shù)值就越大。經(jīng)過(guò)測(cè)定，地球軌道的半長(zhǎng)軸a為14960萬(wàn)千米，半短軸b為14958萬(wàn)千米。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出地球軌道的偏心率為：可見(jiàn)，地球軌道非常接近于圓形。由于地球軌道是橢圓形的，隨著地球的繞日公轉(zhuǎn)，日地之間的距離就不斷變化。地球軌道上距太陽(yáng)最近的一點(diǎn)，即橢圓軌道的長(zhǎng)軸距太陽(yáng)較近的一端，稱為近日點(diǎn)。在近代，地球過(guò)近日點(diǎn)的日期大約在每年一月初。此時(shí)地球距太陽(yáng)約為14710萬(wàn)千米，通常稱為近日距。地球軌道上距太陽(yáng)最遠(yuǎn)的一點(diǎn)，即橢圓軌道的長(zhǎng)軸距太陽(yáng)較遠(yuǎn)的一端，稱為遠(yuǎn)日點(diǎn)。在近代，地球過(guò)遠(yuǎn)日點(diǎn)的日期大約在每年的7月初。此時(shí)地球距太陽(yáng)約為15210萬(wàn)千米，通常稱為遠(yuǎn)日距。近日距和遠(yuǎn)日距二者的平均值為14960萬(wàn)千米，這就是日地平均距離，即1個(gè)天文單位。根據(jù)橢圓周長(zhǎng)的計(jì)算公式： L=2πα（1-0.25×e2）計(jì)算出地球軌道的全長(zhǎng)是94000萬(wàn)千米。
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