书城童书奇妙的日食与月食现象(宇宙瞭望书坊)
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第2章 日、地、月轨道运动关系

1·地球的公转轨道

在太阳系里,水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星以及海王星,都在各自的椭圆轨道上绕太阳转动(公转)。其中地球到太阳的平均距离约为1·5亿千米,这个长度在天文学中被称为1个天文单位。地球绕太阳公转一周所用的时间为365·2422天,就是我们通常所说的一年。地球绕太阳公转的轨道是一个接近正圆的椭圆。太阳位于椭圆的一个焦点上。椭圆有半长轴、半短轴和半焦距等要素,分别用a、b、c表示,半焦距与半长轴和半短轴之间存在着这样的关系:即c2=a2-b2。

半焦距c与半长轴a的比值c/a,是椭圆的偏心率,用e表示,即e=c/a。

偏心率是椭圆形状的一种定量表示,e的数值大于0而小于1。e越接近0,椭圆越接近圆形;反之,e的数值越大,椭圆就越扁。经过测定,地球轨道的半长轴a为14960万千米,半短轴b为14958万千米。根据这个数据计算出地球轨道的偏心率约为0·016。

可见,地球轨道是一个非常接近于圆形的椭圆。

由于地球轨道是椭圆形的,随着地球的绕日公转,日地之间的距离也会不断发生变化。地球距离太阳最近的一点,即椭圆轨道的长轴距太阳较近的一端,称为近日点。在近代,地球过近日点的日期大约在每年1月初,此时地球距太阳约为14710万千米,通常称为近日距。地球距离太阳最远的一点,即椭圆轨道的长轴距太阳较远的一端,称为远日点。在近代,地球过远日点的日期大约在每年的7月初。此时地球距太阳约为15210万千米,通常称为远日距。近日距和远日距二者的平均值为14960万千米,这就是日地平均距离,即1个天文单位。根据椭圆周长的计算公式:

L=2πα(1-0·25×e2)

我们可以计算出地球轨道的全长是9·4亿千米。也就是说,我们的地球在以30千米/秒的速度绕太阳公转。不识庐山真面目,只缘身在此山中,处于地球上的观测者,是无法感受到自身如此的快速运动。人们能观察到的,仅仅是太阳每年相对于恒星背景运动一周,划出一个大圆。这个大圆,就是地球绕太阳公转的轨道,在天文学中我们习惯把它称之为太阳周年视运动轨迹,简称黄道。

2·太阳周年视运动是怎么回事

为了说明太阳的周年视运动,我们用一个动点与一个定点的关系来进行分析。

假如,动点A在绕定点B做逆时针的圆周运动,则在定点B看上去,A点的轨迹是一个圆形。若以动点A为参照系,则定点B的运动特征与A是完全相同的,即B点的运动轨迹也是圆形的,运动方向也是逆时针的。但是,A绕B的运动是一种真运动,而B绕A的运动则是一种视运动,它是A绕B运动的一种直观反映。

上面提到的动点A就像我们的地球,定点B则像太阳。地球绕太阳做椭圆转动,但是作为地球上的观测者,感受到的只是太阳在绕地球做椭圆运动,这种运动就称为太阳周年视运动。我们引入天球,这个以地球为球心任意半径的假想球体来研究天体运动,那么太阳周年视运动实际上就是地球公转“真实运动”在天球上的反映。

3·地球的自转

太阳系中的行星,除了周而复始地绕日公转外,自转也是一种非常普遍的运动形式,我们的地球也不例外。从北极点向下看,地球是在以穿越南北极的假想直线为轴逆时针自转,这条轴线也被称为地球自转轴。自转的平均角速度为7·292×10度/秒,在地球赤道上的自转线速度达到465米/秒。人们对地球自转最直观的感受,就要数日月星辰的东升西落了。天空中的一颗恒星,连续2次出现在同一位置的时间间隔为23小时56分4秒,这就是地球自转的周期。恒星东升西落的速度约为15°/时,就是说,我们在1个小时内看到天上的星星由东向西移动15°。

4·月球的公转

与地球的公转相比,月球绕地球公转可以直接被我们观测到,它相对恒星背景每天都自西向东移动13。左右,所划出的轨迹就是它的公转轨道,也就是我们通常所说的白道。公转的周期为27·32166天。和地球绕太阳的运动类似,月球在绕地球公转时二者的距离也并不固定。最近时月球距离我们差不多是36万千米,最远时能超过40万千米,平均距离约为38万千米。月球的质量约7350亿亿吨,相当于地球质量的1/81。如此大质量而又距离较近的两个天体,它们之间的引力作用一定是巨大而又复杂的。由于月球绕地球公转的轨道由多种因素决定,因此白道既不重合于天赤道(地球赤道在天球上投影出的大圆),也不平行于黄道面。通过长期对月球位置的观测,人们发现白道与黄道有一个5°09′的夹角。

5·月球也在自转

月球在绕地球公转的同时也在自转,自转周期为27·32166日,正好与公转周期相同,所以我们看不见月球背面。这种现象称为“同步自转”,这几乎是卫星世界的普遍规律。

但由于月球自转的“赤道面”与公转轨道平面有一个6°41′的夹角,就会导致在月球运动过程中,地面上某一点的观测者多少还能看出月面边沿有前后的摆动。这一现象被称为月球天平动,因此我们能看到大约60%的月球表面,而非正好50%。