stringtranslate.com

Осевой наклон

Положительный полюс планеты определяется правилом правой руки : если пальцы правой руки согнуты в направлении вращения, то большой палец указывает на положительный полюс . Осевой наклон определяется как угол между направлением положительного полюса и нормалью к плоскости орбиты. Углы Земли, Урана и Венеры составляют примерно 23°, 97° и 177° соответственно.

В астрономии осевой наклон , также известный как наклон , представляет собой угол между осью вращения объекта и его орбитальной осью, которая представляет собой линию, перпендикулярную его орбитальной плоскости ; эквивалентно, это угол между его экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты. [1] Оно отличается от наклона орбиты .

При наклоне 0 градусов две оси указывают в одном направлении; то есть ось вращения перпендикулярна плоскости орбиты.

Ось вращения Земли , например, — это воображаемая линия, проходящая как через Северный , так и через Южный полюс , тогда как ось орбиты Земли — это линия, перпендикулярная воображаемой плоскости , через которую движется Земля, вращаясь вокруг Солнца ; Наклон Земли или осевой наклон — это угол между этими двумя линиями.

В течение орбитального периода наклон обычно существенно не меняется, а ориентация оси остается прежней относительно фона звезд . Это приводит к тому, что один полюс больше направлен к Солнцу на одной стороне орбиты и дальше от Солнца на другой стороне - причина времен года на Земле.

Стандарты

Существует два стандартных метода определения наклона планеты. Один способ основан на северном полюсе планеты , определяемом относительно направления северного полюса Земли, а другой способ основан на положительном полюсе планеты , определяемом правилом правой руки :

Земля

Плоскость орбиты Земли известна как плоскость эклиптики , а наклон Земли известен астрономам как наклон эклиптики , представляющий собой угол между эклиптикой и небесным экватором на небесной сфере . [6] Обозначается греческой буквой ε .

В настоящее время наклон оси Земли составляет около 23,44°. [7] Это значение остается примерно одинаковым относительно стационарной орбитальной плоскости на протяжении всех циклов осевой прецессии . [8] Но эклиптика (т.е. орбита Земли) движется из-за планетарных возмущений , и наклон эклиптики не является фиксированной величиной. В настоящее время он снижается со скоростью около 46,8″ [9] за столетие (подробности см. в разделе «Краткосрочные перспективы» ниже) .

История

Наклон Земли, возможно, был достаточно точно измерен еще в 1100 году до нашей эры в Индии и Китае . [10] Древние греки хорошо измеряли наклон примерно с 350 г. до н.э., когда Пифей Марсельский измерил тень гномона во время летнего солнцестояния. [11] Около 830 г. н.э. халиф Аль-Мамун из Багдада поручил своим астрономам измерить наклон, и результат использовался в арабском мире в течение многих лет. [12] В 1437 году Улугбек определил наклон оси Земли как 23°30′17″ (23,5047°). [13]

В средние века широко распространено мнение, что и прецессия, и наклон Земли колеблются вокруг среднего значения с периодом 672 года. Эта идея известна как трепет равноденствий. Возможно, первым, кто осознал, что это неверно (в историческое время), был Ибн аль-Шатир в четырнадцатом веке [14] , а первым, кто осознал, что наклон уменьшается с относительно постоянной скоростью, был Фракасторо в 1538 году. [15] Первым точные, современные западные наблюдения наклона, вероятно, принадлежали Тихо Браге из Дании около 1584 года, [16] хотя наблюдения нескольких других, в том числе аль-Мамуна , аль-Туси , [17] Пурбаха , Региомонтануса и Вальтера , мог бы предоставить аналогичную информацию.

Времена года

Ось Земли остается ориентированной в том же направлении относительно звезд фона, независимо от того, где она находится на своей орбите . Лето в северном полушарии находится в правой части этой диаграммы, где северный полюс (красный) направлен к Солнцу, а зима — слева.

Ось Земли остается наклоненной в одном и том же направлении относительно звезд фона в течение года (независимо от того, где она находится на своей орбите ) из-за эффекта гироскопа . Это означает, что один полюс (и связанное с ним полушарие Земли ) будет направлен от Солнца на одной стороне орбиты, а через полорбиты (через пол года) этот полюс будет направлен к Солнцу. Это причина смены времен года на Земле . Лето наступает в северном полушарии , когда северный полюс направлен к Солнцу. Изменения наклона оси Земли могут влиять на времена года и, вероятно, являются фактором долгосрочных климатических изменений (см. также циклы Миланковича ) .

Связь наклона оси Земли (ε) с тропическим и полярным кругами

Колебания

Короткий срок

Наклон эклиптики за 20 000 лет по данным Ласкара (1986). Красная точка представляет 2000 год.

Точное угловое значение наклона определяется путем наблюдения за движениями Земли и планет на протяжении многих лет. Астрономы создают новые фундаментальные эфемериды по мере повышения точности наблюдений и улучшения понимания динамики , и на основе этих эфемерид получают различные астрономические значения, включая наклон.

Публикуются ежегодные альманахи , в которых перечисляются полученные значения и методы использования. До 1983 года угловое значение среднего наклона Астрономического Альманаха для любой даты рассчитывалось на основе работы Ньюкомба , который анализировал положения планет примерно до 1895 года:

ε = 23°27′8,26″ − 46,845″ Т − 0,0059″ Т 2 +0,001 81 ″ Т 3

где ε — наклон, а T — тропические столетия от B1900.0 до рассматриваемой даты. [18]

С 1984 года серия компьютерных эфемерид DE Лаборатории реактивного движения стала фундаментальной эфемеридой Астрономического альманаха . Наклон на основе DE200, который анализировал наблюдения с 1911 по 1979 год, был рассчитан:

ε = 23°26′21,448″ − 46,8150″ Т − 0,00059″ Т 2 +0,001 813 ″ Т 3

где далее T — юлианские века от J2000.0 . [19]

Фундаментальные эфемериды JPL постоянно обновляются. Например, согласно резолюции МАС 2006 г. в пользу астрономической модели P03, в Астрономическом альманахе за 2010 г. указано: [20]

ε = 23°26′21,406″ –46,836 769 ″ Т −0,000 1831 ″ Т 2 +0,002 003 40 ″ Т 3 − 5,76″ × 10 −7 Т 4 − 4,34″ × 10 −8 Т 5

Эти выражения для наклона рассчитаны на высокую точность за относительно короткий промежуток времени, возможно, ± несколько столетий. [21] Дж. Ласкар вычислил выражение порядка T 10 с точностью до 0,02 дюйма за 1000 лет и до нескольких угловых секунд за 10 000 лет.

ε = 23°26′21,448″ − 4680,93″ t − 1,55″ t 2 + 1999,25″ t 3 − 51,38″ t 4 − 249,67″ t 5 − 39,05″ t 6 + 7,12″ t 7 + 27,87″ t 8 + 5,79″ т 9 + 2,45″ т 10

где здесь t кратно 10 000 юлианским годам от J2000.0 . [22]

Эти выражения относятся к так называемому среднему наклону, то есть наклону, свободному от кратковременных изменений. Периодические движения Луны и Земли по ее орбите вызывают гораздо меньшие (9,2 угловых секунды ) короткопериодические (около 18,6 лет) колебания оси вращения Земли, известные как нутация , которые добавляют периодическую составляющую к наклону Земли. [23] [24] Истинное или мгновенное перекос включает в себя эту нутацию . [25]

Долгосрочная перспектива

Используя численные методы для моделирования поведения Солнечной системы в течение нескольких миллионов лет, были исследованы долгосрочные изменения орбиты Земли и, следовательно, ее наклона. За последние 5 миллионов лет наклон Земли менялся от 22°2′33″ до 24°30′16″ , средний период составил 41 040 лет. Этот цикл представляет собой комбинацию прецессии и наибольшего члена движения эклиптики . В течение следующего 1 миллиона лет наклон будет находиться в пределах от 22°13′44″ до 24°20′50″ . [26]

Луна оказывает стабилизирующее влияние на наклон Земли. Анализ карты частот, проведенный в 1993 году, показал, что в отсутствие Луны наклон может быстро меняться из-за орбитальных резонансов и хаотического поведения Солнечной системы , достигая 90° всего за несколько миллионов лет ( см. также Орбита Луны ). [27] [28] Однако более поздние численные моделирования [29] , выполненные в 2011 году, показали, что даже в отсутствие Луны наклон Земли может быть не таким нестабильным; изменяется лишь примерно на 20–25°. Чтобы разрешить это противоречие, была рассчитана скорость диффузии наклона, и было обнаружено, что для того, чтобы наклон Земли достиг почти 90 °, требуется более миллиардов лет. [30] Стабилизирующий эффект Луны будет продолжаться менее двух миллиардов лет. Поскольку Луна продолжает удаляться от Земли из-за приливного ускорения , могут возникнуть резонансы, которые вызовут большие колебания наклона. [31]

Длительное наклон эклиптики. Слева : за последние 5 миллионов лет; Обратите внимание, что угол наклона варьируется всего от 22,0° до 24,5°. Справа : на следующий 1 миллион лет; обратите внимание на ок. Период вариаций 41 000 лет. На обоих графиках красная точка представляет 1850 год. (Источник: Berger, 1976.)

Тела Солнечной системы

Осевой наклон восьми планет и двух карликовых планет, Цереры и Плутона.

Все четыре самые внутренние скалистые планеты Солнечной системы , возможно, в прошлом имели большие вариации своего наклона. Поскольку наклон — это угол между осью вращения и направлением, перпендикулярным плоскости орбиты, он меняется по мере изменения плоскости орбиты из-за влияния других планет. Но ось вращения также может перемещаться ( осевая прецессия ) из-за крутящего момента, оказываемого Солнцем на экваториальную выпуклость планеты. Как и Земля, все каменистые планеты демонстрируют осевую прецессию. Если бы скорость прецессии была очень высокой, наклон фактически оставался бы довольно постоянным даже при изменении плоскости орбиты. [32] Скорость варьируется, среди прочего, из-за приливной диссипации и взаимодействия ядра и мантии . Когда скорость прецессии планеты приближается к определенным значениям, орбитальные резонансы могут вызвать большие изменения наклона. Амплитуда вклада, имеющего одну из резонансных скоростей, делится на разницу между резонансной скоростью и скоростью прецессии, поэтому она становится большой, когда они одинаковы. [32]

Меркурий и Венера , скорее всего, стабилизировались за счет приливного рассеяния Солнца. Земля была стабилизирована Луной, как упоминалось выше, но до ее формирования Земля тоже могла пережить времена нестабильности. Наклон Марса весьма изменчив на протяжении миллионов лет и может находиться в хаотическом состоянии; он варьируется от 0° до 60° в течение нескольких миллионов лет, в зависимости от возмущений планет. [27] [33] Некоторые авторы оспаривают, что наклон Марса является хаотичным, и показывают, что приливная диссипация и вязкое соединение ядра и мантии достаточны для того, чтобы он достиг полностью затухающего состояния, аналогичного Меркурию и Венере. [3] [34]

Случайные сдвиги осевого наклона Марса были предложены в качестве объяснения появления и исчезновения рек и озер на протяжении существования Марса. Сдвиг может вызвать выброс метана в атмосферу, вызывая потепление, но тогда метан будет уничтожен, и климат снова станет засушливым. [35] [36]

Наклоны внешних планет считаются относительно стабильными.

Внесолнечные планеты

Звездный наклон ψ s , т. е. наклон оси звезды относительно плоскости орбиты одной из ее планет, определен лишь для нескольких систем. Но для 49 звезд по состоянию на 2012 год наблюдалось проецируемое на небо смещение спин-орбиты λ [39] , которое служит нижним пределом для ψ s . Большинство этих измерений основано на эффекте Росситера-Маклафлина . До сих пор не удалось ограничить наклон внесолнечной планеты. Но вращательное сплющивание планеты и окружение лун и/или колец, которые можно проследить с помощью высокоточной фотометрии, например, с помощью космического телескопа «Кеплер» , могут обеспечить доступ к ψ p [ необходимы разъяснения ] в ближайшем будущем. .

Астрофизики применили приливные теории, чтобы предсказать наклон внесолнечных планет . Было показано, что наклоны экзопланет в обитаемой зоне вокруг звезд малой массы имеют тенденцию разрушаться менее чем за 10 9 лет, [40] [41] , что означает, что у них не будет сезонов [ необходимы разъяснения ] , как на Земле. .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Офис морского альманаха Военно-морской обсерватории США (1992). П. Кеннет Зайдельманн (ред.). Пояснительное приложение к Астрономическому альманаху . Университетские научные книги. п. 733. ИСБН 978-0-935702-68-2.
  2. ^ Пояснительное приложение 1992 г. , с. 384
  3. ^ аб Коррейя, Александр CM; Ласкар, Жак; де Хирургия, Оливье Нерон (май 2003 г.). «Долгосрочная эволюция теории вращения Венеры I.» (PDF) . Икар . 163 (1): 1–23. Бибкод : 2003Icar..163....1C. дои : 10.1016/S0019-1035(03)00042-3. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
  4. ^ Коррейя, ACM; Ласкар, Дж. (2003). «Долгосрочная эволюция вращения Венеры: II. численное моделирование» (PDF) . Икар . 163 (1): 24–45. Бибкод : 2003Icar..163...24C. дои : 10.1016/S0019-1035(03)00043-5. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
  5. ^ Зайдельманн, П. Кеннет; Арчинал, бакалавр наук; а'Хирн, МФ; Конрад, А.; Консольманьо, Дж.Дж.; Хестроффер, Д.; Хилтон, Дж.Л.; Красинский, Г.А.; Нойманн, Г.; Оберст, Дж.; Сток, П.; Тедеско, EF; Толен, диджей; Томас, ПК; Уильямс, IP (2007). «Отчет рабочей группы IAU/IAG по картографическим координатам и элементам вращения: 2006». Небесная механика и динамическая астрономия . 98 (3): 155–180. Бибкод : 2007CeMDA..98..155S. дои : 10.1007/s10569-007-9072-y .
  6. ^ Офис морского альманаха Военно-морской обсерватории США; Гидрографическое управление Великобритании; Управление морского альманаха Ее Величества (2008). Астрономический альманах на 2010 год . Типография правительства США. п. М11. ISBN 978-0-7077-4082-9.
  7. ^ «Глоссарий» в онлайн-астрономическом альманахе . (2023). Вашингтон, округ Колумбия: Военно-морская обсерватория США. св наклон.
  8. ^ Шовене, Уильям (1906). Руководство по сферической и практической астрономии. Том. 1. Дж. Б. Липпинкотт . стр. 604–605.
  9. ^ Рэй, Ричард Д.; Ерофеева, Светлана Юрьевна (4 февраля 2014 г.). «Долгопериодные приливные изменения продолжительности дня». Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 119 (2): 1498–1509. Бибкод : 2014JGRB..119.1498R. дои : 10.1002/2013JB010830 .
  10. ^ Виттманн, А. (1979). «Наклон эклиптики». Астрономия и астрофизика . 73 (1–2): 129–131. Бибкод : 1979A&A....73..129W.
  11. ^ Гор, Дж. Э. (1907). Астрономические очерки историко-описательные. Чатто и Виндус. п. 61.
  12. ^ Мармери, СП (1895). Прогресс науки. Чепмен и Холл, л.д. п. 33.
  13. ^ Седийо, LPEA (1853 г.). Prolégomenes des astronomiques d'OlougBeg: Traduction et commentaire . Париж: Фирмен Дидо Фрер. стр. 87 и 253.
  14. ^ Салиба, Джордж (1994). История арабской астрономии: планетарные теории в золотой век ислама . п. 235.
  15. ^ Дрейер, JLE (1890). Тихо Браге. А. и К. Блэк. п. 355.
  16. ^ Дрейер (1890), с. 123
  17. ^ Сайили, Айдын (1981). Обсерватория в исламе . п. 78.
  18. ^ Офис морского альманаха Военно-морской обсерватории США; Управление морского альманаха Ее Величества (1961). Пояснительное приложение к Астрономическим эфемеридам и Американским эфемеридам и Морскому альманаху . Канцелярский офис HM . Раздел 2Б.
  19. ^ Военно-морская обсерватория США; Управление морского альманаха Ее Величества (1989). Астрономический альманах за 1990 год . Типография правительства США. п. Б18. ISBN 978-0-11-886934-8.
  20. ^ Астрономический альманах 2010 , с. Б52
  21. ^ Ньюкомб, Саймон (1906). Сборник сферической астрономии. Макмиллан . стр. 226–227.
  22. ^ См. таблицу 8 и уравнение. 35 в Ласкаре, Дж. (1986). «Секулярные термины классических планетарных теорий с использованием результатов общей теории». Астрономия и астрофизика . 157 (1): 59–70. Бибкод : 1986A&A...157...59L.и исправление в статье Ласкар Дж. (1986). «Ошибка: светские термины классических планетарных теорий, использующие результаты общей теории». Астрономия и астрофизика . 164 : 437. Бибкод : 1986A&A...164..437L.Единицами в статье являются угловые секунды, что может быть более удобно.
  23. ^ Пояснительное приложение (1961), разд. 2С
  24. ^ «Основы космического полета, глава 2». Лаборатория реактивного движения/НАСА . 29 октября 2013 года . Проверено 26 марта 2015 г.
  25. ^ Меус, Жан (1991). «Глава 21». Астрономические алгоритмы . Вильманн-Белл. ISBN 978-0-943396-35-4.
  26. ^ Бергер, Ал. (1976). «Наклон и прецессия за последние 5000000 лет». Астрономия и астрофизика . 51 (1): 127–135. Бибкод : 1976A&A....51..127B.
  27. ^ Аб Ласкар, Дж.; Робутель, П. (1993). «Хаотическое наклонение планет» (PDF) . Природа . 361 (6413): 608–612. Бибкод : 1993Natur.361..608L. дои : 10.1038/361608a0. S2CID  4372237. Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2012 года.
  28. ^ Ласкар, Дж.; Жутель, Ф.; Робутель, П. (1993). «Стабилизация наклона Земли Луной» (PDF) . Природа . 361 (6413): 615–617. Бибкод : 1993Natur.361..615L. дои : 10.1038/361615a0. S2CID  4233758. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
  29. ^ Лиссауэр, Дж. Дж.; Барнс, Дж.В.; Чемберс, Дж. Э. (2011). «Вариации наклона безлунной Земли» (PDF) . Икар . 217 (1): 77–87. Бибкод : 2012Icar..217...77L. дои :10.1016/j.icarus.2011.10.013. Архивировано (PDF) из оригинала 8 июня 2013 года.
  30. ^ Ли, Гунцзе; Батыгин, Константин (20 июля 2014 г.). «О динамике оси вращения безлунной Земли». Астрофизический журнал . 790 (1): 69–76. arXiv : 1404.7505 . Бибкод : 2014ApJ...790...69L. дои : 10.1088/0004-637X/790/1/69. S2CID  119295403.
  31. ^ Уорд, WR (1982). «Комментарии о долгосрочной стабильности наклона Земли». Икар . 50 (2–3): 444–448. Бибкод : 1982Icar...50..444W. дои : 10.1016/0019-1035(82)90134-8.
  32. ^ AB Уильям Уорд (20 июля 1973 г.). «Крупномасштабные изменения наклона Марса». Наука . 181 (4096): 260–262. Бибкод : 1973Sci...181..260W. дои : 10.1126/science.181.4096.260. PMID  17730940. S2CID  41231503.
  33. ^ Тома, Дж.; Мудрость, Дж. (1993). «Хаотическое наклонение Марса» (PDF) . Наука . 259 (5099): 1294–1297. Бибкод : 1993Sci...259.1294T. дои : 10.1126/science.259.5099.1294. PMID  17732249. S2CID  42933021. Архивировано (PDF) из оригинала 25 июня 2010 года.
  34. ^ Коррейя, Александр CM; Ласкар, Жак (2009). «Захват Меркурия в спин-орбитальный резонанс 3/2, включая эффект трения ядро-мантия». Икар . 201 (1): 1–11. arXiv : 0901.1843 . Бибкод : 2009Icar..201....1C. дои : 10.1016/j.icarus.2008.12.034. S2CID  14778204.
  35. ↑ Ребекка Бойл (7 октября 2017 г.). «Отрыжка метана на молодом Марсе помогла ему сохранить жидкую воду». Новый учёный .
  36. ^ Эдвин Кайт; и другие. (2 октября 2017 г.). «Всплески метана стали причиной периодического образования озер на пост-Ноаховом Марсе» (PDF) . Природа Геонауки . 10 (10): 737–740. arXiv : 1611.01717 . Бибкод : 2017NatGe..10..737K. дои : 10.1038/ngeo3033. S2CID  102484593. Архивировано (PDF) из оригинала 23 июля 2018 года.
  37. ^ Планетарные информационные бюллетени, http://nssdc.gsfc.nasa.gov.
  38. ^ Астрономический альманах 2010 , стр. B52, C3, D2, E3, E55.
  39. ^ Хеллер, Р. "Энциклопедия Холта-Росситера-Маклафлина". Рене Хеллер . Проверено 24 февраля 2012 г.
  40. ^ Хеллер, Р.; Леконт, Дж.; Барнс, Р. (2011). «Приливная эволюция потенциально обитаемых планет». Астрономия и астрофизика . 528 : А27. arXiv : 1101.2156 . Бибкод : 2011A&A...528A..27H. дои : 10.1051/0004-6361/201015809. S2CID  118784209.
  41. ^ Хеллер, Р.; Леконт, Дж.; Барнс, Р. (2011). «Обитаемость внесолнечных планет и эволюция приливного вращения». Происхождение жизни и эволюция биосфер . 41 (6): 539–43. arXiv : 1108.4347 . Бибкод : 2011OLEB...41..539H. дои : 10.1007/s11084-011-9252-3. PMID  22139513. S2CID  10154158.

Внешние ссылки