[科普中國]-地球公轉(zhuǎn)

黃赤交角

地球在其公轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是同時進行的，在天球上，自轉(zhuǎn)表現(xiàn)為天軸和天赤道，公轉(zhuǎn)表現(xiàn)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(gòu)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(zhuǎn)過程中，自轉(zhuǎn)軸對地球軌道面是傾斜的。由于地軸與天赤道平面是垂直的，地軸與地球軌道面交角應(yīng)是90°——23°26′，即66°34′。地球無論公轉(zhuǎn)到什么位置，這個傾角是保持不變的。

在地球公轉(zhuǎn)的過程中，地軸的空間指向在相當(dāng)長的時期內(nèi)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(zhuǎn)過程中地軸是平行地移動的，所以無論地球公轉(zhuǎn)到什么位置，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(zhuǎn)軸多數(shù)呈傾斜狀態(tài)，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(xiàn)。

由于黃赤交角的影響，使太陽直射點以一年為周期在南北回歸線之間往返移動，在南北回歸線之間一年有兩次太陽直射，在南北回歸線上一年有一次太陽直射，在北回歸線以北和南回歸線以南地區(qū)一年中沒有太陽直射。1

公轉(zhuǎn)速度地球公轉(zhuǎn)是一種周期性的圓周運動，因此，地球公轉(zhuǎn)速度包含著角速度和線速度兩個方面。如果我們采用恒星年作地球公轉(zhuǎn)周期的話，那么地球公轉(zhuǎn)的平均角速度就是每年360°，也就是經(jīng)過365.2564日地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的平均線速度就是每年9.4億千米，也就是經(jīng)過365.2564日地球公轉(zhuǎn)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(jù)開普勒行星運動第二定律2可知，地球公轉(zhuǎn)速度與日地距離有關(guān)。地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)的速度慢，角速度和線速度都低于它們的平均值，角速度為57′11″/日，線速度為29.3千米/秒。地球于每年1月初經(jīng)過近日點，7月初經(jīng)過遠日點，因此，從1月初到當(dāng)年7月初，地球與太陽的距離逐漸加大，地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度逐漸加快。

我們知道，春分點和秋分點對黃道是等分的，如果地球公轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(jīng)過夏至點到秋分點，地球公轉(zhuǎn)速度較慢，需要186天多，長于全年的一半，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(jīng)過冬至點到春分點，地球公轉(zhuǎn)速度較快，需要179天，短于全年的一半，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(zhuǎn)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里面走過的距離，注意，光年是長度單位。

2．地球公轉(zhuǎn)：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(zhuǎn)。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．光在一年時間里面走過的距離與地球公轉(zhuǎn)的周長之比：由于1光年是光在一年時間里面走過的距離，地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)一周的距離：此處的距離實際上是周長，一周的弧長。我們已經(jīng)知道地球公轉(zhuǎn)軌道半徑1.5億公里，很容易算出周長的。根據(jù)公式s=2×3.14×1.5億，大約9.4億公里。

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

通常所指的地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)行一年的行程，大約117億公里，軌跡是螺旋狀的，2011年的春分和2012年的春分，不是相交，而是距離數(shù)十億公里。

公轉(zhuǎn)周期地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周所需要的時間，就是地球公轉(zhuǎn)周期3。籠統(tǒng)地說，地球公轉(zhuǎn)周期是一“年”。因為太陽周年視運動的周期與地球公轉(zhuǎn)周期是相同的，所以地球公轉(zhuǎn)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(xù)經(jīng)過某一點的時間間隔，就是一“年”。由于所選取的參考點不同，則“年”的長度也不同。常用的周期單位有恒星年、回歸年和近點年。

恒星年地球公轉(zhuǎn)的恒星周期就是恒星年。恒星年是以某一恒星或星系作為參照物，地球繞日公轉(zhuǎn)運動一周的周期。恒星或星系距離我們十分遙遠，以致地球無論怎樣繞日運動，地軸的空間指向完全可以看作是不變的。4在一個恒星年期間，從太陽中心上看，地球中心從以恒星為背景的某一點出發(fā)，環(huán)繞太陽運行一周，然后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(fā)，這一點相對于恒星是固定的，運行一周，然后回到黃道上的同一點。因此，從地心天球的角度來講，一個恒星年的長度就是視太陽中心，在黃道上，連續(xù)兩次通過同一恒星的時間間隔。

恒星年是以恒定不動的恒星為參考點而得到的，所以它是地球公轉(zhuǎn)360°的時間，是地球公轉(zhuǎn)的真正周期。恒星年長度為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(zhuǎn)的春分點周期就是回歸年5。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(xù)兩次過春分點；從地球中心上看，太陽中心連續(xù)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(xù)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”為單位的時間里，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(xù)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(zhuǎn)的角度。因此，回歸年不是地球公轉(zhuǎn)的真正周期，只表示地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)兩次過地球軌道的近日點。由于近日點是一個動點，它在黃道上的移動方向是自西向東的，即與地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的真正周期，一個近點年地球公轉(zhuǎn)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。

變化周期恒星年是地球繞日公轉(zhuǎn)360°的真正周期，1恒星年T=365．25636日。只有恒星年才能真實的計算出地球公轉(zhuǎn)的角速度和線速度，所以恒星年具有重要的天文學(xué)意義。4

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(chǎn)關(guān)系極為密切?；貧w年略短于恒星年，每年短20分24秒，在天文學(xué)上稱為歲差。

春分點每年西移50″.29而造成歲差現(xiàn)象****是地軸進動的結(jié)果。

地軸的進動同地球的自轉(zhuǎn)、地球的形狀、黃赤交角的存在以及月球繞地球公轉(zhuǎn)軌道的特征，有著密切的聯(lián)系。地軸的進動類似于陀螺的旋轉(zhuǎn)軸環(huán)繞鉛垂線的擺動。當(dāng)急轉(zhuǎn)的陀螺傾斜時，旋轉(zhuǎn)軸就繞著與地面垂直的軸線，畫圓錐面，陀螺軸發(fā)生緩慢的晃動。這是因為地球引力有使它傾倒的趨勢，而陀螺本身旋轉(zhuǎn)運動的慣性作用，又使它維持不倒，于是便在引力作用下發(fā)生緩慢的晃動。這就是陀螺的進動。

地球的自轉(zhuǎn)，就好像是一個不停地旋轉(zhuǎn)著的龐大無比的大“陀螺”，由于慣性作用，地球始終在不停地自轉(zhuǎn)著。地球自身的形狀類似于一個橢球體，赤道部分是凸出的，即有一個赤道隆起帶。同時，由于黃赤交角的存在，太陽中心與地球中心的連線，不是經(jīng)常通過赤道隆起帶的。所以，太陽對地球的吸引力，尤其是對于赤道隆起帶的吸引力，是不平衡的。另外，月球繞地球公轉(zhuǎn)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(jīng)常通過赤道隆起帶。所以，月球?qū)Φ厍虻奈Γ绕涫菍Τ嗟缆∑饚У奈?，也是不平衡的。?jù)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(tài)。但是，地球自轉(zhuǎn)的慣性作用，使其維持這種傾斜狀態(tài)。于是，地球就在月球和太陽的不平衡的吸引力共同作用下產(chǎn)生了擺動，這種擺動表現(xiàn)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′，即等于黃赤交角。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(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)方向相反，而陀螺的進動方向與自轉(zhuǎn)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。

由于地軸的進動，造成地球赤道面在空間的傾斜方向發(fā)生了改變，引起天赤道相應(yīng)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(yīng)地移動。移動的方向是自東向西的，即與地球公轉(zhuǎn)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恒定不動的恒星為參考點的周期單位略短，這就是產(chǎn)生歲差的原因。

由于地軸的進動，造成地球的南北兩極的空間指向發(fā)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。

由于地軸進動造成天極和春分點在天球上的移動，以其為依據(jù)而建立起來的天球坐標(biāo)系也必然相應(yīng)地變化。對赤道坐標(biāo)系來說，恒星的赤經(jīng)和赤緯要發(fā)生變化，對黃道坐標(biāo)系來說，恒星的黃經(jīng)要發(fā)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′。

在這里還要說明一下，由于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，在較長的時間里不會有很大的移動。所以，我們?nèi)匀豢梢哉f天極和春分點在天球上的位置不變，恒星的赤經(jīng)、赤緯和黃經(jīng)也可以粗略地認為是不變的，以此為依據(jù)而建立的星表、星圖仍是可以長期使用的。

軌道方向公轉(zhuǎn)軌道地球是在公轉(zhuǎn)過程中，所經(jīng)過的路線上的每一點，都在同一個平面上，而且構(gòu)成一個封閉曲線。這種地球在公轉(zhuǎn)過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質(zhì)點的話，那么地球軌道實際上是指地心的公轉(zhuǎn)軌道。

地球軌道的形狀是一個接近正圓的橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。橢圓有半長軸、半短軸和半焦距等要素，分別用a、b、c表示，其中a又是短軸兩端對于焦點（F1、F2）的距離

半焦距與半長軸和半短軸之間存在著這樣的關(guān)系，即c2=a2-b2

半焦距c與半長軸a的比值c/a，是橢圓的偏心率，用e表示，即e=c/a。

中心位置嚴(yán)格地說，地球公轉(zhuǎn)的中心位置不是太陽中心，而是地球和太陽的公共質(zhì)量中心，不僅地球在繞該公共質(zhì)量中心在轉(zhuǎn)動，而且太陽也在繞該點在轉(zhuǎn)動。但是，太陽是太陽系的中心天體，地球只不過是太陽系中一顆普通的行星。太陽的質(zhì)量是地球質(zhì)量的33萬倍，日地的公共質(zhì)量中心離太陽中心僅450千米。這個距離與約為70萬千米的太陽半徑相比，實在是微不足道的，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（中心）的運動，與實際情況是十分接近的。

偏心率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)過測定，地球軌道的半長軸a為149,600,000千米，半短軸b為149,580,000千米。根據(jù)這個數(shù)據(jù)計算出地球軌道的偏心率為：0.016722。

可見，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。地球軌道上距太陽最近的一點，即橢圓軌道的長軸距太陽較近的一端，稱為近日點。在近代，地球過近日點的日期大約在每年一月初。此時地球距太陽約為147,100,000千米，通常稱為日距。地球軌道上距太陽最遠的一點，即橢圓軌道的長軸距太陽較遠的一端，稱為遠日點。在近代，地球過遠日點的日期大約在每年的7月初。此時地球距太陽約為152,100,000千米，通常稱為遠日距。近日距和遠日距二者的平均值為149,600,000千米，這就是日地平均距離，即1個天文單位。

公式根據(jù)橢圓周長的計算公式 L=2πα（1-0.25×e2） 計算出地球軌道的全長是940,432,870千米。

地球的公轉(zhuǎn)方向與自轉(zhuǎn)方向一致，從黃北極看，是按逆時針方向公轉(zhuǎn)的，即自西向東。這與太陽系內(nèi)其它行星及多數(shù)衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)方向是一致的， 自轉(zhuǎn)平均角速度為每小時轉(zhuǎn)動15度。在地球赤道上，自轉(zhuǎn)的線速度是每秒465米。

公轉(zhuǎn)取向遵循宇宙天體規(guī)則，地球在自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)太陽的運行軌道時，始終保持在固定的取向，為使地球的經(jīng)線與太陽保持固定的取向，因此地球每天平均向地球公轉(zhuǎn)方向（自西向東）轉(zhuǎn)動0.9856 度，即365天/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(jīng)線，人類為度量方便而設(shè)定出來的輔助線，定義在地球表面任意兩根經(jīng)線的長度相等，相交與南北的極點，每一根經(jīng)線都有其相對應(yīng)的數(shù)值，叫做經(jīng)度，經(jīng)線指南北方向，譬如英國倫敦格林尼治天文臺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(jīng)線重合的，并且每天都要重合，只是太陽的投影伸長縮短而已，所以格林尼治天文臺的那條子午線也可以看作當(dāng)?shù)氐厝∠蚪?jīng)線。1884年國際會議決定用通過英國格林尼治天文臺的子午線為【本初子午線】。

太陽同步軌道地球和太陽形成初期，潮汐能耗比現(xiàn)在要高；從46億年前到現(xiàn)在，太陽自轉(zhuǎn)周期改變了約182 s，地球的公轉(zhuǎn)周期變慢了2.193 × 10 s，地球遠離了6.935×108 m，公轉(zhuǎn)半徑改變了0.46%。6

氣象衛(wèi)星是太陽同步衛(wèi)星的一種，它的基礎(chǔ)理論來至宇宙天體的運行規(guī)則，其中取向角度是最基礎(chǔ)的理論，因此，在設(shè)計衛(wèi)星和衛(wèi)星軌道時遵循在取向上，每天也要保持固定轉(zhuǎn)動0.9856度，再者，人類到目前以發(fā)射了數(shù)千顆不同的航天器，有了成熟正確的理論。用這些理論詮釋地球公轉(zhuǎn)完全可行。