月球軌道

月球軌道

月球軌道以27.32天完整的環繞地球一圈。地球和月球的質心在距離地心4,700公裏(地球赤道半徑的2/3)的地球內部,兩者各自圍繞著質心運轉。月球與地球中心的平均距離是385,000公裏,大約是地球半徑的60倍。軌道的平均速度是1.023公裏/秒,月球在恆星的背景之間大約每笅時移動0.5°,這相當于月球的視直徑。月球的軌道不同于大部分行星的天然衛星,它是接近黃道平面,而非地球的赤道平面。月球軌道面相對于黃道平面的傾斜隻有5.1°,自轉軸的傾角也隻有1.5°。

  • 中文名稱
    月球軌道
  • 傾角
    5.145°
  • 速度
    1.023公裏/秒
  • 距離
    是385,000公裏
  • 性質
    月球的視直徑
  • 位置
    地表下約1,700 公裏

特徵

近點月和遠點月的大小比較。

月球的質量中心和地球的質量中心長期的平均距離大約是385,000 公裏,相當于地球半徑的60倍,或是地球直徑的30倍。兩者共同的質心大約離地球中心4,670公裏,也就是在地表下約1,700 公裏。與太陽系內其他行星的天然衛星比較,地月大小的比例(4:1)是相對的大,而地月質量的比例是較小的(81:1),因此有些人認為地月系統應該是雙行星。但是,雙行星有個不成文的定義,即雙行星的質心應該在兩個行星的外部,而不應該在兩者的任何一顆之中,所以地月系統還是一個普通的行星與衛星的系統。

月球軌道的平均離心率是0.0549。非圓形的軌道導致從地球上觀察月時,是直徑的大小和角速度上都有著明顯的改變。對一位虛構的在質心上的觀測者而言,月球每天的平均角位移量是向東13. 176358°,軌道的指向在空間中並沒有被固定住,而是隨著時間不斷的進動,其中一種是拱點線的進動:橢圓形的月球軌道慢慢的反時針方向轉動,完整的旋轉一圈是8.850年(3,233天)。另一種運動是軌道平面本身的軸垂直于黃道的順時針進動。月球軌道與黃道的交點對時間的進動,完整的環繞一圈是18.6年(6,793天)。

月球軌道對黃道平面的傾角是5.145°。月球的自轉軸並沒有垂直于公轉的軌道平面,所以月球赤道相對于軌道平面的傾角常數是6.688°。或許曾有人嘗試由月球軌道平面的進動,去解釋月球赤道和黃道之間的傾角應該始終在這兩個數值的合(11.833°)和差(1.543°)之間變化者。不過,在1721年賈可卡西尼已經解決了這個問題,因為月球進動軸的旋轉與軌道平面有相同的速率,但是相位相差180°。因此,雖然月球的自轉軸相對于橫星並沒有固定,但是月球的赤道平面和黃道始終保持著在1.543°。

月球的周期

有許多種不同的方法可以定義月球完成一個軌道周期。恆星月是相對于遙遠的恆星,大約是27.32天。在對照上,朔望月是月球回到原來月相的時間,大約是29.53天。朔望月恆星月長,是因為地月系統在在有限的距離內繞者太陽運轉,在經歷一個恆星月的時間之後,還要更多的時間才能回到原來的幾何對應位置。其他的定義還有從近地點至近地點(近點月)、從升交點再回到升交點(交點月)和在黃道坐標上再回到相同黃經(分至月)。由于緩慢的進動造成的影響,後面這三個月的長度都和恆星月有些微的差距,而歷年的月長度大約是30.4天(1/12年)。

名稱

數值(天)

定義

恆星月

27.321 661

相對于遙遠的恆星(每年13.369個恆星月)

朔望月

29.530 589

相對于太陽(月球的相位,每年12.369 朔望月)

分至月

27.321 582

相對于春分點(進動 ~ 26,000儒略年)

近點月

27.554 550

相對于近地點(recesses in 3232.6 天 = 8.8504 儒略年)

交點月

27.212 221

相對于升交點(進動周期 6793.5 天 = 18.5996 儒略年

潮汐演變

月球施加于地球的萬有引力是造成海洋發生潮汐的起因。如果地球的海洋擁有全球一致的深度,月球將會使固體的地球(隻有極小的改變數)和海洋都變型成為橢球型,最高點就直接出現在朝向月球和背對月球的一點。但是因為地球有著不規則的海岸線和多變化的海洋深度,就隻能想像這種理想狀態了。一般來說,潮流的漲落周期與月球環繞地球的軌道周期同步,但會隨著月相變化。雖然很罕見,但在地球上有些地區每天隻有一次的潮汐漲落。

由于地球的自轉,潮汐的突起會略為超前地月系統的軸線一些,這是海水在海底的移動和在海灣的出海口進出造成摩擦和能量散逸的直接結果。每個凸出部份都會對月球施加少量的引力,因為地球帶動這凸出物向前運動,與月球最接近的凸起部分會沿著月球軌道輕微的拉扯月球向前;背向月球那一側的凸起物則產生相反的效應。但是較靠近月球的凸起物因為距離較近,對月球的影響也較大,因此結果是地球的轉動慣量逐漸的轉移到月球軌道的轉動慣量。這使得月球的軌道慢慢的逐漸遠離地球,每年移動的量大約是3.8釐米。為了維持角動量守恆,地球的轉速正逐漸減慢,使得地球的一天每年延長約17微秒(這個數位會使地球日每60,000年增加一秒鍾,每400萬年增加一分鍾,十億年增加4小時。往回推算,當6,500萬年前恐龍在地球上出沒時,一天的長度是23小時。)。參考潮汐加速有更詳細的說明和參考資料。

所以月球正逐漸遠離地球,並進入較高的軌道中,而依據計算(根據NASA和噴射推進實驗室(JPL))認為這個過程將再持續大約20億年。屆時,地球和月球的軌道將成為"自轉–軌道共振",月球大約每47天繞地球公轉一圈(目前是27.32天),並且地球和月球的自轉也是相同的這個周期,即兩者始終以相同的一面互相環繞者。除此之外,很難說地月系統還會發生什麽樣的改變。

天秤動

月球是同步自轉,意味著他永遠以同一面朝向地球轉動著,但因為月球軌道的離心率,事實上這也隻是一種平均的現象。這是環繞地球的軌道角速度會變化,因而不能與不變的自轉速度相等的結果。當月球在近地點時,它的自轉速相對于軌道速度是最慢的,這使得我們可以看見偏東(右邊)達到8度的經度的背面區域。反過來,當月球在遠地點時,它的自轉相對于軌道速度是最快的,因此可以看見背面偏西8度的經度。這就是經度天秤動 。

因為月球軌道對地球運行的黃道傾斜5.1°,所以軌道的自轉軸再環繞地球一周時會朝向與遠離地球,這種變化稱為緯度天秤動,可以在緯度上跨越極區,在兩極各看見背面7°的區域。最後,因為月球與地球的距離隻有60倍的地球半徑,造成周日天秤動可以在經度上再多看一度的區域。同樣的理由,由兩極的視差也可以多看緯度的一度。

路徑

地球和月球一起繞著太陽的軌道

在說明太陽系時,總是將地球描述成在軌道上環繞太陽的一個點,月球則是在軌道上環繞地球的一個點。這可能會給人月球是繞著地球運轉的概念,但從太陽的位置觀察時,則是月球有時會落後或超前地球,因為相對于地球每秒1公裏的軌道速度,與地球在軌道上繞著太陽每秒30公裏的速度,是不容易察覺的。

月球的軌道運動月球的軌道運動

不同于太陽系其他的衛星,完整的月球軌道與地球的非常相似,它的凹面也永遠朝向太陽,並且沒有凸起或環圈不過,還是不能說月球是繞著太陽轉而不是繞著地球,因為即使將太陽的引力"關掉",月球還是會以和現在相同的恆星月繞著地球。如果地月系統是在離太陽更遠的位置上,在該處的軌道速度低于1公裏/秒,則在以太陽為中心的非轉動坐標系統中,月球的運動的確會出現退後的現象。

軌道參數

半長軸 ~384 748 公裏

近地點距離 ~364 397 公裏

遠地點距離 ~406 731 公裏

平均離心率 0.0549006

(0.044 – 0.067)

平均軌道傾角(對黃道) 5.145°

平均轉軸傾角(對赤道) 6.688°

平均轉軸傾角(對黃道) 1.543°

交點退行周期 18.5996 年

拱點線退行周期 8.8504 年

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