地球軌道

地球軌道

地球軌道(Earths orbit)是指地球圍繞太陽運行的路徑,大體呈偏心率很小的橢圓,其半長軸(a)1.496×10千米;半短軸(b)1.4958×10千米;半焦距(c)25×10千米;周長(l)9.4×10千米。地球橢圓軌道的偏心率(e)和扁率(f)分別為(1/60或0.016和1/7000),太陽即位于該橢圓的一個焦點上。地球到太陽的距離變化在1.471×10~1.521×10千米之間,平均距離為1.496×10千米。地球軌道所在的平面,就是黃道面。

  • 中文名稱
    地球軌道
  • 軌道偏心率
     0.0549
  • 平均軌道半徑
     384,400千米
  • 近地點距離
     363,300千米

形成原因

因為橢圓的軌道是地球對附近的天體引力的折中。僅有一個行星和一個恆星的系統是沒有任何意義的。早期的太陽系在形成過程中,原始的行星受到了小行星的撞擊和其他一系列擾動,才導致橢圓軌道的形成。這叫行星徙動理論。

首先:正圓軌道也是橢圓軌道的一種,隻不過是特殊的橢圓軌道。

如果要地球完全按照正圓軌道運轉條件是十分苛刻的,首先就必須讓太陽的其他行星消失,接著離太陽比較近的恆星也必須消失,否則他們就會對地球產生影響導致地球運轉軌道的改變。

地球繞太陽公轉,在給定的能量的條件下,可能的軌道有無數條,圓軌道隻是其中的一條而已。如果想要地球按正圓軌道運行,地球的能量,動量要滿足一定條件。就是任一時刻,地球的動能Ek和勢能Ep的關系滿足 Ek = -Ep/2。或者說當 Ek = -Ep/2時,地球運動方向垂直于日地連線。這個條件非常苛刻,即便是地球在正圓軌道上運行,一點微小的擾動都可以改變這種狀態,使得地球在新的橢圓軌道上運行。

測量方法

最早古希臘的阿利斯塔克斯通過測量月食時掠過月面的地影與月球的相對大小,利用幾何學方法,算出以地球直徑為單位的地球至月球的距離。後來古希臘的依巴谷利用同樣的方法得出地球到月球距離是地球直徑的30倍,而古埃及的埃拉托塞尼根據不同緯度間夏至時正午影子的夾角變化和不同緯度的距離,測算出了地球子午線的長度,這樣,綜合起來,依巴谷就得出了地月距離。再利用三角函式,就得出了日地距離。

歷史傳說

地球軌道上的太空垃圾地球軌道上的太空垃圾

人類歷史上許多未解之謎,像史前文明的形成、斷裂,大洪水的發生,十日並出,太陽消失,這一切都是月亮造成的!大約在15000多年以前,一艘來自宇宙深處的外星人飛船——月亮宇宙飛船,突然拐了一個彎,駛進了太陽系,並降臨地球近地軌道,懸浮在中國西北部地區的上空,低得仿佛一踮腳就可以摸得著,傳說中的“神”駕臨了地球。這不是科幻,而是事實。在中國西南瑤族地區,有一則古老的傳說:在遠古的時代,天上隻有太陽和星星,卻看不見月亮,當夜晚降臨,大地上就被恐懼籠罩。有一天晚上,天空中突然出現了一個熱烘烘、七棱八角的大山一樣的東西,它不圓不方,像一塊巨大的石頭,放射著毒熱的光芒。瑤族人的這則傳說講的就是月亮的來由,月亮是在某一天突然出現在地球上空的,當時已經有了人類。瑤族的這則傳說有幾分可信程度呢?

在古代,人們觀察月亮都是用目光,所以,根本看不清月亮的構造,隻知道月亮上有些地方明亮,有些地方昏暗。1609年,當伽利略發明了天文望遠鏡後,人類才清楚知道了月表地形的構成:月亮上並不是平坦的,它表面有環形山,山脈,月海

在哥倫比亞的印第安人的部落裏,也有一則類似的傳說,在遠古的時候,天上沒有月亮,人類一到晚上都很害怕。有一位酋長決定犧牲自己,給大家帶來光明。于是,他站在高高的山頂上,向空中飛去,越飛越高,最後變成了月亮。現在生活在非洲南部的布曼族的神話也證明,在遠古的時候,天空中根本沒有月亮。

地球軌道所在的平面稱為黃道面地球軌道所在的平面稱為黃道面

世界上有一個著名的謎案,那就是美洲瑪雅文化的突然消失問題。他們雖然莫名其妙地消失在空氣裏,但卻留下了極為發達的文化,尤其是他們的星算歷法,堪稱世界一絕。在他們留下的、始于大洪水之前的<編年史>中,人們奇怪地發現,裏面竟然沒有關于月亮的記載,這對于一個天文學高度發達的民族來說,簡直是不可思議的。結論隻能有一個:在大洪水之前,天空中根本沒有叫月亮的東西。

在希臘南部的伯羅奔尼撒,曾存在一個叫阿爾卡獲亞的古老國家,據當地人傳說,阿爾卡獲亞人在大洪水之前,從來不知道什麽叫憂慮和悲傷,當時隻有太陽,沒有月亮,月亮是大洪水以後出現的。

距今大約4000年前左右,亞裏山大裏亞大圖書館的第一位館長在他留下的文獻中這樣寫到:“古時,地球的天空中看不到月亮。”他在寫這份文獻時,曾參照了很多遠古時遺留下來的手稿和抄本,可遺憾的是,這些文獻後來統統被毀,我們已經不可能知道他寫下這話時所依據的上古文獻究竟是什麽。古希臘的數學家、天文學家阿納克薩哥拉斯,也根據當時的一些資料說過,月亮在天空中出現是很晚以後的事情了,在人類的早期天空中沒有月亮。

軌道資料

平均軌道半徑 384,400千米

軌道偏心率 0.0549

近地點距離 363,300千米

遠地點距離 405,500千米

平均公轉周期 27天7小時43分11.559秒

平均公轉速度 1.023千米/秒

軌道傾角 在28.58°與18.28°之間變化

(與黃道面的交角為5.145°)

升交點赤經 125.08°

近地點輻角 318.15°

默冬章 (repeat phase/day) 19 年

平均月地距離 ~384 400 千米

交點退行周期 18.61 年

近地點運動周期 8.85 年

食年 346.6 天

沙羅周期 (repeat eclipses) 18 年 10/11 天

軌道與黃道的平均傾角 5°9'

月球赤道與黃道的平均傾角 1°32'

演變

地球的太陽的引潮力的作用,地球公轉所具有的動能將會逐漸轉化為潮汐能。從一個長遠的期限來看,地球會逐漸遠離太陽,不過這個速度會非常小。還有一個更小的因素,那就是宇宙的膨脹,但是在目前這個階段,宇宙膨脹起的作用更加小,和上面那個已經很小的數位相比還是忽略不計。這兩個因素的作用都是長期作用,可能從今天這個短時間的範圍來看,這兩個因素所起的作用還沒有一個微小的流星體(就是一顆流星啦)撞擊地球所起的作用大。 不過,最多幾十億年地球軌道在這之中變化不會太大,但是會有的,而且會影響氣候變化。

未來發展

科技創意地球軌道圖光線圖科技創意地球軌道圖光線圖

科學家構想用超級太陽帆改變地球軌道

在大約50億年左右,太陽將開始慢慢轉變成一顆膨脹的紅巨星。它的外層氣體將會不斷膨脹,從現在開始算起的70億年後,它的體積和亮度達到最大值,屆時,太陽將會吞沒整個地球。我們地球人如何避免被太陽烤焦的命運?

和地球一起移民

但是在這之前的11億年內,太陽的亮度將增加11%,陸地溫度平均上升到大約50攝氏度(120華氏度)。海洋受熱升溫,海洋水會像放在陽光充足的廚房灶台上的一鍋水,在沒有沸騰的情況下慢慢被蒸發掉。植物和動物將很難適應這種溫室環境,不過一些被稱作古生菌的單細胞有機體將會幸存下來。

但是稍後不久,一旦水蒸汽進入大氣層,太陽發出的紫外線將導致水分子分裂,構成生命細胞所需的氫將會慢慢泄漏到太空中。如果我們的後代或者我們之後的其他智慧型生命形式想幸存下來,他們必須移居到其他地方。但是他們要移民到哪裏呢?而且怎樣才能移居到那裏呢?

一種可能的方法將是利用火箭移居到其他行星上。然而要運走67億人,大約相當于要發射10億架太空梭。即使我們能在一天內發射1000架太空梭,也需要2700年才能將所有地球上的人送走。人們到達新駐地後,生活方面又會遇到麻煩。移居到其他行星需要將這些行星地球化,才能為地球移民提供生活所需的食品、水和氧氣。既然如此,我們為什麽不能和地球一起移民呢?

衛星跟蹤系統上錄入了地球軌道上700個衛星的資料衛星跟蹤系統上錄入了地球軌道上700個衛星的資料

發射火箭不是辦法

基本物理學告訴我們,我們實際上是可以移動行星的。將一枚火箭發射到太空時,它產生的反沖力會把地球推向相反方向,盡管推動的距離微乎其微,這就像開槍後槍要後挫一樣。

科幻作家和訓練有素的物理學家斯坦利·施密特在他的小說<罪惡之父>中就採用了這個事實。這部小說描寫了外星人在地球南極安裝了巨大的火箭引擎,用來推動地球。然而現實生活中的地球非常龐大,一枚火箭幾乎對它的運動沒有任何影響。向正確方向發射10億枚10噸的火箭,僅有可能將地球每秒的速度改變20納米。與地球現在每秒30公裏的速度相比,這麽短的距離沒有任何意義。

一些天文學家已經開始著手解決移動行星的問題,不過這並不是為了處理人類時段內發生的緊急事件。聖克魯茲加州大學的格雷格·勞林表示,實際上他們正在設計試驗,通過這項試驗理解行星系動力學。

藍色為地球軌道藍色為地球軌道

將地球遷往他處

勞林和他的同事丹·柯裏肯斯基,以及密歇根大學的天文學家佛瑞德·亞當為了了解行星系統如何重新自行排列,他們開始著手解決如何推動地球,以便不讓不斷升溫的太陽把它“蒸熟”的問題。

為了達到預期的目的,他們三人選擇地球的最終目的地作為一個軌道,這條軌道與太陽的距離是地球現在的軌道與太陽之間的距離的1.5倍,相當于現在的火星軌道。在63億年內,當太陽進入紅巨星階段,它的亮度將是現在的2.2倍,那時距離太陽那麽遠的行星獲得的陽光大約跟地球現在獲得的陽光一樣。將地球移到是它現在與太陽的距離的1.5倍的軌道上,大約需要將地球的軌道能量增加30%。他們表示,通過改變遙遠太陽系的冰體的軌道,讓它們從地球附近經過,將它們的一些軌道能量轉移給地球,可以實現推動地球的目的。

位于海王星外的冰體環內的天體被稱作柯伊伯帶(Kuiper Belt),更遠處一個由彗星構成的球狀雲團叫做奧爾特雲(Oort cloud?)。因為它們遠離太陽,這些天體具有相對較低的軌道能量,因此可以利用專門用于偏轉靠近地球的小行星的方法推動它們。這些方法從輕微的引力拖拽,到利用大型推進器猛推,可謂五花八門,應有盡有。

“跳地球日”

球形螢幕地球軌道球形螢幕地球軌道

德國藝術家勞希曼2005年成立“跳地球”站點,發起“跳地球日” (WorldJumpDay),號召西半球民眾2006年7月20日格林威治11時39分13秒(台北時間7月20日19時39分13秒)一齊往空中一跳,說隻要有六億人同時這麽一跳,將能改變地球在宇宙裏的位置,亦即使地球改變軌道,退出太陽一點,從而“停止全球暖化、延長白天時數,創造更適合人居的氣候”。

勞希曼當初向科學家和部落格提出“跳地球日”,隻當朋友圈裏說說,結果訊息傳開,變成全球話題,好奇、好玩、好事的人紛紛上網,站點擠爆好幾次。齊跳日轉眼就到,據7月18日統計,已達598,104,080人登記參加,已近全球上網人數的一半。該站點聲稱20日達到六億人沒的說。

六億人同步一跳,把地球離軌道,屬于一種“地球工程”(geoengineering),用意不錯,但問題很多,難以當真。從道德層面看,誰能承擔地球軌道改變的後果?有人說,地球走上新軌道,日歷不是要改寫嗎?也有人說,誰能保證這麽多人真的同一秒起跳?

但真正的問題是,這麽一跳真的有用嗎?根據專門討論怪點子的“瘋狂物理學”站點(madphysics.com),假定每人體重一百公斤,六億人就是將10先11平方,再乘6,他們齊跳產生的動能相當于7.5兆焦耳(TJ),等于一百萬噸黃色炸葯(相當于一枚現代氫彈)所釋能量的2%,造成的地球移位隻有一個氫原子半徑,亦即地球軌道不變。

天體正悄無聲息地向地球軌道飛馳而來天體正悄無聲息地向地球軌道飛馳而來

英國廣播公司(BBC)報導,科學家計算,地球再遠離太陽2.4公裏,就能抵消大氣裏二氧化碳增加兩倍之害,但這需要用數百萬枚氫彈來炸地球。到時地球還在嗎?

人定勝天的想法自古從沒斷過,例如人類從來就想控製或改變氣候,用溫室廢氣把生活環境搞砸後,此念益切。救地球有治本,有治標,治本是迅速減少或根本停止排放溫室廢氣,看當前人類的表現,大不易。

治標即“地球工程”,例如取法火山爆發,把無數硫化小球(sulphurpellet)射到空中,增加把太陽光擋回去的反射力,但硫化物會破壞臭氧層,暖化問題解決,人類也死光了。

美國國家科學院知道,讓5萬5000面鏡子進入軌道,把太陽光反射掉,能抵消二氧化碳加倍的效應,但每鏡子必須有一百平方公裏大,不可行。看來,“地球工程”說易行難,還是想法治本吧。

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