Апсида (от др.-греч. ἁψίς ( hapsís ) 'арка, свод'; мн . ч. apsides / ˈ æ p s ɪ ˌ d iː z / AP -sih-deez ) [1] [2] — самая дальняя или ближайшая точка орбиты планетарного тела вокруг его основного тела . Линия апсид (также называемая линией апсид, или большой осью орбиты) — это линия, соединяющая два крайних значения .
Апсиды, относящиеся к орбитам вокруг Солнца, имеют различные названия, чтобы отличать их от других апсид; эти названия — афелий для самой дальней и перигелий для самой ближайшей точки солнечной орбиты. [3] Две апсиды Луны — это самая дальняя точка, апогей , и ближайшая точка, перигей , ее орбиты вокруг хозяина Земли . Две апсиды Земли — это самая дальняя точка, афелий , и ближайшая точка, перигелий , ее орбиты вокруг хозяина Солнца. Термины афелий и перигелий применяются таким же образом к орбитам Юпитера и других планет , комет и астероидов Солнечной системы .
На любой эллиптической орбите есть две апсид . Название каждой апсиды образовано из префиксов ap- , apo- (от ἀπ(ό) , (ap(o)-) 'вдали от') для самой дальней или peri- (от περί (peri-) 'близко') для самой близкой точки к основному телу , с суффиксом, описывающим основное тело. Суффикс для Земли -gee , поэтому названия апсид - apogee и perigee . Для Солнца суффикс -helion , поэтому названия - aphelion и perihelion .
Согласно законам движения Ньютона , все периодические орбиты являются эллипсами. Центр масс двух тел может находиться внутри большего тела — например, центр масс Земли и Луны составляет около 75% пути от центра Земли до ее поверхности. [4] Если по сравнению с большей массой меньшая масса пренебрежимо мала (например, для спутников), то параметры орбиты не зависят от меньшей массы.
При использовании в качестве суффикса — то есть -apsis — этот термин может относиться к двум расстояниям от основного тела до вращающегося вокруг него тела, когда последнее расположено: 1) в точке перицентра или 2) в точке апоцентра (сравните оба графика, второй рисунок). Линия апсид обозначает расстояние линии, соединяющей ближайшую и самую дальнюю точки по всей орбите; она также относится просто к крайнему диапазону объекта, вращающегося вокруг тела-хозяина (см. верхний рисунок; см. третий рисунок).
В орбитальной механике апсидами технически называют расстояние, измеренное между барицентром системы из двух тел и центром масс орбитального тела. Однако в случае космического корабля эти термины обычно используются для обозначения орбитальной высоты космического корабля над поверхностью центрального тела (предполагая постоянный стандартный радиус отсчета).
Часто встречаются слова «перицентр» и «апоцентр», хотя в техническом употреблении предпочтительнее термины «перицентр»/«апоцентр».
Слова перигелий и афелий были придуманы Иоганном Кеплером [8] для описания орбитальных движений планет вокруг Солнца. Слова образованы от префиксов пери- (греч. περί , около) и апо- (греч. ἀπό , вдали от), присоединенных к греческому слову, обозначающему Солнце, ( ἥλιος или hēlíos ). [5]
Различные связанные термины используются для других небесных объектов . Суффиксы -gee , -helion , -astron и -galacticon часто используются в астрономической литературе при упоминании Земли, Солнца, звезд и Галактического центра соответственно. Суффикс -jove иногда используется для Юпитера, но -saturnium очень редко использовался в последние 50 лет для Сатурна. Форма -gee также используется как общий термин для обозначения наибольшего приближения к «любой планете» — вместо того, чтобы применять его только к Земле.
Во время программы «Аполлон» термины «перицинтион» и «апокинтион» использовались применительно к орбите Луны ; они отсылают к Синтии, альтернативному имени греческой богини Луны Артемиды . [9] Совсем недавно, во время программы «Артемида» , использовались термины «перилуния» и «аполуния» . [10]
Что касается черных дыр, термин «периботрон» был впервые использован в статье 1976 года Дж. Фрэнка и М. Дж. Риза [11] , которые приписывают У. Р. Стоегеру предложение создать термин с использованием греческого слова, означающего «яма»: «ботрон».
Термины перимелазма и апомелазма (от греческого корня) были использованы физиком и автором научной фантастики Джеффри А. Лэндисом в рассказе, опубликованном в 1998 году [12] , таким образом, они появились раньше терминов perinigricon и aponigricon (от латинского) в научной литературе в 2002 году [13].
Суффиксы, показанные ниже, могут быть добавлены к префиксам пери- или апо- для формирования уникальных названий апсид для орбитальных тел указанной хост-/ (первичной) системы. Однако, только для систем Земля, Луна и Солнце обычно используются уникальные суффиксы. Исследования экзопланет обычно используют -astron , но, как правило, для других хост-систем вместо этого используется общий суффикс -apsis . [14] [ не удалось проверить ]
Перигелий (q) и афелий (Q) — это соответственно ближайшая и самая дальняя точки прямой орбиты тела вокруг Солнца .
Сравнение оскулирующих элементов в определенную эпоху с элементами в другую эпоху приведет к различиям. Время прохождения перигелия как один из шести оскулирующих элементов не является точным предсказанием (за исключением общей модели двух тел ) фактического минимального расстояния до Солнца с использованием полной динамической модели . Точные предсказания прохождения перигелия требуют численного интегрирования .
На двух изображениях ниже показаны орбиты, орбитальные узлы и положения перигелия (q) и афелия (Q) для планет Солнечной системы [18], как видно сверху северного полюса плоскости эклиптики Земли , которая копланарна с плоскостью орбиты Земли . Планеты движутся против часовой стрелки вокруг Солнца, и для каждой планеты синяя часть их орбиты проходит к северу от плоскости эклиптики, розовая часть — к югу, а точки обозначают перигелий (зеленый) и афелий (оранжевый).
На первом изображении (внизу слева) показаны внутренние планеты, расположенные снаружи от Солнца, такие как Меркурий, Венера, Земля и Марс. Справочная земная орбита окрашена в желтый цвет и представляет собой орбитальную плоскость отсчета . Во время весеннего равноденствия Земля находится в нижней части рисунка. На втором изображении (внизу справа) показаны внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
Орбитальные узлы — это две конечные точки «линии узлов» , где наклонная орбита планеты пересекает плоскость отсчета; [19] здесь их можно «увидеть» как точки, где синяя часть орбиты встречается с розовой.
На диаграмме показан экстремальный диапазон — от самого близкого сближения (перигелия) до самой дальней точки (афелий) — нескольких вращающихся небесных тел Солнечной системы : планет, известных карликовых планет, включая Цереру , и кометы Галлея . Длина горизонтальных полос соответствует экстремальному диапазону орбиты указанного тела вокруг Солнца. Эти экстремальные расстояния (между перигелием и афелием) являются линиями апсид орбит различных объектов вокруг тела-хозяина.
В настоящее время Земля достигает перигелия в начале января, примерно через 14 дней после декабрьского солнцестояния . В перигелии центр Земли находится примерно0,983 29 астрономических единиц (AU) или 147 098 070 км (91 402 500 миль) от центра Солнца. Напротив, Земля достигает афелия в настоящее время в начале июля, примерно через 14 дней после июньского солнцестояния . Расстояние афелия между центрами Земли и Солнца в настоящее время составляет около1,016 71 а.е. или 152 097 700 км (94 509 100 миль).
Даты перигелия и афелия со временем меняются из-за прецессии и других орбитальных факторов, которые следуют циклическим закономерностям, известным как циклы Миланковича . В краткосрочной перспективе такие даты могут меняться на 2 дня из года в год. [20] Это значительное изменение обусловлено присутствием Луны: в то время как барицентр Земли и Луны движется по стабильной орбите вокруг Солнца, положение центра Земли, которое в среднем находится примерно в 4700 километрах (2900 миль) от барицентра, может быть смещено в любом направлении от него — и это влияет на время фактического максимального сближения между центрами Солнца и Земли (что, в свою очередь, определяет время перигелия в данном году). [21]
Из-за увеличенного расстояния в афелии только 93,55% излучения Солнца падает на данную область поверхности Земли, как и в перигелии, но это не учитывает времена года , которые возникают из-за наклона земной оси на 23,4° от перпендикуляра к плоскости земной орбиты. [22] Действительно, и в перигелии, и в афелии в одном полушарии лето , а в другом — зима . Зима приходится на полушарие, куда солнечный свет падает меньше всего, а лето — на то полушарие, куда солнечный свет падает больше всего, независимо от расстояния Земли от Солнца.
В северном полушарии лето происходит в то же время, что и афелий, когда солнечная радиация самая низкая. Несмотря на это, лето в северном полушарии в среднем на 2,3 °C (4 °F) теплее, чем в южном полушарии, поскольку северное полушарие содержит более крупные массивы суши, которые легче нагревать, чем моря. [23]
Однако перигелий и афелий оказывают косвенное влияние на времена года: поскольку орбитальная скорость Земли минимальна в афелии и максимальна в перигелии, планете требуется больше времени для обращения по орбите от июньского солнцестояния до сентябрьского равноденствия, чем от декабрьского солнцестояния до мартовского равноденствия. Поэтому лето в северном полушарии длится немного дольше (93 дня), чем лето в южном полушарии (89 дней). [24]
Астрономы обычно выражают время перигелия относительно первой точки Овна не в днях и часах, а скорее как угол орбитального смещения, так называемую долготу периапсиса (также называемую долготой перицентра). Для орбиты Земли это называется долготой перигелия , и в 2000 году она составляла около 282,895°; к 2010 году она продвинулась на небольшую долю градуса до примерно 283,067°, [25] т. е. в среднем на 62" в год.
Для орбиты Земли вокруг Солнца время апсиды часто выражается через время относительно сезонов, поскольку это определяет вклад эллиптической орбиты в сезонные вариации. Изменчивость сезонов в первую очередь контролируется годовым циклом угла возвышения Солнца, который является результатом наклона оси Земли, измеренного от плоскости эклиптики . Эксцентриситет Земли и другие элементы орбиты не являются постоянными, а медленно изменяются из-за возмущающих эффектов планет и других объектов в солнечной системе (циклы Миланковича).
В очень длительной временной шкале даты перигелия и афелия прогрессируют по сезонам, и они делают один полный цикл за 22 000–26 000 лет. Существует соответствующее движение положения звезд, как видно с Земли, называемое прецессией апсид . (Это тесно связано с прецессией осей .) Даты и время перигелиев и афелиев для нескольких прошлых и будущих лет перечислены в следующей таблице: [26]
В следующей таблице показаны расстояния планет и карликовых планет от Солнца в их перигелии и афелии. [27]
Эти формулы характеризуют перицентр и апоцентр орбиты:
В то время как в соответствии с законами Кеплера о движении планет (основанными на сохранении момента импульса ) и сохранении энергии эти две величины постоянны для данной орбиты:
где:
Обратите внимание, что для преобразования высот над поверхностью в расстояния между орбитой и ее основным телом необходимо добавить радиус центрального тела, и наоборот.
Среднее арифметическое двух предельных расстояний есть длина большой полуоси a . Среднее геометрическое двух расстояний есть длина малой полуоси b .
Среднее геометрическое двух предельных скоростей равно
что является скоростью тела на круговой орбите, радиус которой равен .
Орбитальные элементы, такие как время прохождения перигелия , определяются в выбранную эпоху с использованием невозмущенного решения для двух тел , которое не учитывает проблему n тел . Чтобы получить точное время прохождения перигелия, вам нужно использовать эпоху, близкую к прохождению перигелия. Например, при использовании эпохи 1996 года комета Хейла-Боппа покажет перигелий 1 апреля 1997 года. [28] Использование эпохи 2008 года показывает менее точную дату перигелия 30 марта 1997 года. [29] Короткопериодические кометы могут быть еще более чувствительны к выбранной эпохе. Использование эпохи 2005 года показывает, что 101P/Черных придет в перигелий 25 декабря 2005 года, [30] но использование эпохи 2012 года дает менее точную невозмущенную дату перигелия 20 января 2006 года. [31]
Численное интегрирование показывает, что карликовая планета Эрида достигнет перигелия около декабря 2257 года. [33] Использование эпохи 2021 года, что на 236 лет раньше, менее точно показывает, что Эрида достигнет перигелия в 2260 году. [34]
4 Веста достигла перигелия 26 декабря 2021 года [35] , но использование решения двух тел в эпоху июля 2021 года менее точно показывает, что Веста достигла перигелия 25 декабря 2021 года. [36]
Транснептуновые объекты, обнаруженные на расстоянии 80+ а.е. от Солнца, нуждаются в десятках наблюдений в течение нескольких лет, чтобы хорошо ограничить их орбиты, поскольку они движутся очень медленно на фоне звезд. Из-за статистики малых чисел, транснептуновые объекты, такие как 2015 TH 367, когда у него было всего 8 наблюдений в течение дуги наблюдения в 1 год, которые не достигли или не достигнут перигелия примерно за 100 лет, могут иметь неопределенность в 1 сигму в 77,3 года (28 220 дней) в дате перигелия. [37]
{{cite web}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)