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 для Земли, Урана и Венеры составляют приблизительно 23°, 97° и 177° соответственно.

В астрономии наклон оси , также известный как наклон , — это угол между осью вращения объекта и его орбитальной осью , которая является линией, перпендикулярной его орбитальной плоскости ; то же самое, это угол между его экваториальной плоскостью и орбитальной плоскостью. [1] Он отличается от наклона орбиты .

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

Например, ось вращения Земли — это воображаемая линия, проходящая через Северный и Южный полюса , тогда как ось орбиты Земли — это линия, перпендикулярная воображаемой плоскости , по которой движется Земля, вращаясь вокруг Солнца ; наклон оси Земли — это угол между этими двумя линиями.

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

Стандарты

Существует два стандартных метода указания 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] Он обозначается греческой буквой эпсилон ε .

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

История

Древние греки имели хорошие измерения наклона примерно с 350 г. до н. э., когда Пифей из Марселя измерил тень гномона во время летнего солнцестояния. [10] 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. [11] В 1437 г. Улугбек определил наклон оси Земли как 23°30′17″ (23,5047°). [12]

В средние века было широко распространено мнение, что и прецессия, и наклон Земли колеблются вокруг среднего значения с периодом 672 года, идея, известная как трепет равноденствий. Возможно, первым, кто понял, что это неверно (в историческое время), был Ибн аль-Шатир в четырнадцатом веке [13] , а первым, кто понял, что наклон уменьшается с относительно постоянной скоростью, был Фракасторо в 1538 году [14]. Первые точные, современные, западные наблюдения наклона, вероятно, были сделаны Тихо Браге из Дании около 1584 года [15], хотя наблюдения нескольких других, включая аль-Мамуна , аль-Туси , [16] Пурбаха , Региомонтануса и Вальтера , могли предоставить аналогичную информацию.

Времена года

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

Ось Земли остается наклоненной в одном и том же направлении относительно фоновых звезд 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 с одной стороны орбиты, а через пол-орбиты (через полгода) этот полюс будет направлен к Солнцу. Это является причиной времен года на Земле . Лето наступает в Северном полушарии , когда северный полюс направлен к Солнцу. Изменения в наклоне оси Земли могут влиять на времена года и, вероятно, являются фактором долгосрочных климатических изменений (см. также циклы Миланковича ) .

Связь между наклоном земной оси (ε) и тропическими и полярными кругами

Колебание

Короткий срок

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

Точное угловое значение наклона определяется путем наблюдения за движениями Земли и планет в течение многих лет. Астрономы создают новые фундаментальные эфемериды по мере повышения точности наблюдений и понимания динамики , и из этих эфемерид выводятся различные астрономические значения, включая наклон.

Ежегодные альманахи публикуются с перечислением полученных значений и методов использования. До 1983 года угловое значение среднего наклонения 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″ T − 0,0059″ T 2 +0,001 81 ″ Т 3

где ε – наклон, а T – тропические столетия от B1900.0 до рассматриваемой даты. [17]

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

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

где далее T — юлианские столетия от J2000.0 . [18]

Фундаментальные эфемериды JPL постоянно обновляются. Например, согласно резолюции IAU 2006 года в пользу астрономической модели P03, в Астрономическом альманахе за 2010 год указано: [19]

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 предназначены для высокой точности в течение относительно короткого промежутка времени, возможно, ± несколько столетий. [20] Жак Ласкар вычислил выражение, чтобы упорядочить T 10 с точностью до 0,02″ в течение 1000 лет и нескольких угловых секунд в течение 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″ t 9 + 2,45″ t 10

где здесь t кратно 10 000 юлианских лет от J2000.0 . [21]

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 секунд ) короткопериодические (около 18,6 лет) колебания оси вращения Земли, известные как нутация , которые добавляют периодическую составляющую к наклону Земли. [22] [ 23] Истинный или мгновенный наклон включает эту нутацию. [24]

Долгосрочно

Используя численные методы для моделирования поведения Солнечной системы в течение нескольких миллионов лет, были исследованы долгосрочные изменения орбиты Земли, а следовательно, и ее наклона. За последние 5 миллионов лет наклон Земли изменялся от 22°2′33″ до 24°30′16″ , со средним периодом 41 040 лет. Этот цикл представляет собой комбинацию прецессии и самого большого члена в движении эклиптики . В течение следующего миллиона лет цикл будет переносить наклон между 22°13′44″ и 24°20′50″ . [25]

Луна оказывает стабилизирующее воздействие на наклон Земли. Анализ карты частот, проведенный в 1993 году, показал, что при отсутствии 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 ). [26] [27] Однако более поздние численные расчеты [28], проведенные в 2011 году, показали, что даже при отсутствии Луны наклон Земли может быть не таким уж нестабильным; изменяясь всего на 20–25°. Чтобы разрешить это противоречие, была рассчитана скорость диффузии наклона, и было обнаружено, что требуется более миллиардов лет, чтобы наклон Земли достиг почти 90°. [29] Стабилизирующее воздействие 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 оси вращения. [30]

Долгосрочное наклонение эклиптики. Слева: за последние 5 миллионов лет; наклонение меняется только от примерно 22,0° до 24,5°. Справа: за следующий миллион лет; обратите внимание на приблизительно 41 000-летний период изменения. На обоих графиках красная точка представляет 1850 год. [31]

Тела Солнечной системы

Наклон осей восьми планет и двух карликовых планет, Цереры и Плутона

Все четыре самые внутренние, каменистые планеты Солнечной системы могли иметь большие изменения своего наклона в прошлом. Поскольку наклон — это угол между осью вращения и направлением, перпендикулярным плоскости орбиты, он изменяется по мере изменения плоскости орбиты из-за влияния других планет. Но ось вращения также может двигаться ( 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 изменяется из-за приливной диссипации и взаимодействия ядра и мантии , среди прочего. Когда скорость прецессии планеты приближается к определенным значениям, орбитальные резонансы могут вызывать 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 подобны. [32]

Меркурий и Венера, скорее всего, были стабилизированы приливным рассеянием Солнца. Земля была стабилизирована Луной, как упоминалось выше, но до своего формирования Земля также могла пройти через периоды нестабильности. Наклон Марса довольно изменчив на протяжении миллионов лет и может находиться в хаотическом состоянии; он меняется от 0° до 60° на протяжении нескольких миллионов лет в зависимости от возмущений планет. [26] [33] Некоторые авторы оспаривают, что наклон Марса хаотичен, и показывают, что приливное рассеяние и вязкая связь ядра и мантии достаточны для того, чтобы он достиг полностью затухающего состояния, подобно Меркурию и Венере. [3] [34]

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

Наклоны внешних планет считаются относительно стабильными.

Внесолнечные планеты

Наклон оси звезды ψ s , т. е. наклон оси звезды по отношению к плоскости орбиты одной из ее планет, был определен только для нескольких систем. К 2012 году у 49 звезд наблюдалось смещение оси вращения λ в проекции на небо [39], которое служит нижним пределом для ψ s . Большинство этих измерений основано на эффекте Росситера–Маклафлина . С момента запуска космических телескопов, таких как космический телескоп Кеплер , стало возможным определять и оценивать наклон оси вращения экзопланеты. Вращательное сплющивание планеты и окружение лун и/или колец, которые можно проследить с помощью высокоточной фотометрии, обеспечивают доступ к наклону оси вращения планеты ψ p . С тех пор были определены углы наклона многих экзопланет, например, Kepler-186f и Kepler-413b . [40] [41]

Астрофизики применили приливные теории для предсказания наклона внесолнечных планет . Было показано, что наклоны экзопланет в обитаемой зоне вокруг звезд с малой массой, как правило, разрушаются менее чем за 10 9 лет, [42] [43] что означает, что у них не будет сезонов, вызванных наклоном, как у Земли.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ US Naval Observatory Nautical Almanac Office (1992). P. Kenneth Seidelmann (ред.). Пояснительное приложение к Astronomical Almanac . University Science Books. стр. 733. ISBN 978-0-935702-68-2.
  2. ↑ Пояснительное приложение 1992 , стр. 384
  3. ^ ab Correia, Alexandre CM; Laskar, Jacques; de Surgy, Olivier Néron (май 2003 г.). «Долгосрочная эволюция спина Венеры I. теория» (PDF) . Icarus . 163 (1): 1–23. Bibcode :2003Icar..163....1C. doi :10.1016/S0019-1035(03)00042-3. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  4. ^ Correia, ACM; Laskar, J. (2003). "Долгосрочная эволюция вращения Венеры: II. численные моделирования" (PDF) . Icarus . 163 (1): 24–45. Bibcode :2003Icar..163...24C. ​​doi :10.1016/S0019-1035(03)00043-5. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  5. ^ Seidelmann, P. Kenneth; Archinal, BA; a'Hearn, MF; Conrad, A.; Consolmagno, GJ; Hestroffer, D.; Hilton, JL; Krasinsky, GA; Neumann, G.; Oberst, J.; Stooke, P.; Tedesco, EF; Tholen, DJ; Thomas, PC; Williams, IP (2007). "Отчет рабочей группы IAU/IAG по картографическим координатам и вращательным элементам: 2006". Небесная механика и динамическая астрономия . 98 (3): 155–180. Bibcode : 2007CeMDA..98..155S. doi : 10.1007/s10569-007-9072-y .
  6. ^ US Naval Observatory Nautical Almanac Office; UK Hydrographic Office; HM Nautical Almanac Office (2008). Астрономический альманах на 2010 год . Издательство правительства США. стр. M11. ISBN 978-0-7077-4082-9.
  7. ^ "Глоссарий" в Astronomical Almanac Online . (2023). Вашингтон, округ Колумбия: Военно-морская обсерватория США. sv наклонение.
  8. ^ Шовене, Уильям (1906). Руководство по сферической и практической астрономии. Т. 1. Дж. Б. Липпинкотт . С. 604–605.
  9. ^ Рэй, Ричард Д.; Ерофеева, Светлана Ю. (4 февраля 2014 г.). «Долгопериодные приливные вариации продолжительности дня». Журнал геофизических исследований: Твердая Земля . 119 (2): 1498–1509. Bibcode :2014JGRB..119.1498R. doi : 10.1002/2013JB010830 .
  10. ^ Гор, Дж. Э. (1907). Астрономические очерки: исторические и описательные. Chatto & Windus. стр. 61.
  11. ^ Мармери, Дж. В. (1895). Прогресс науки. Chapman and Hall, ld. стр. 33.
  12. ^ Седийо, LPEA (1853 г.). Prolégomenes des astronomiques d'OlougBeg: Traduction et commentaire . Париж: Фирмен Дидо Фрер. стр. 87 и 253.
  13. ^ Салиба, Джордж (1994). История арабской астрономии: планетарные теории в Золотой век ислама . стр. 235.
  14. ^ Дрейер, Дж. Л. Э. (1890). Тихо Браге. А. и К. Блэк. стр. 355.
  15. ^ Дрейер (1890), стр. 123
  16. ^ Сайили, Айдын (1981). Обсерватория в исламе . п. 78.
  17. ^ Управление морского альманаха Военно-морской обсерватории США; Управление морского альманаха Её Величества (1961). Пояснительное дополнение к Астрономическим эфемеридам и Американскому эфемеридному и морскому альманаху . Канцелярия Её Величества . Раздел 2B.
  18. ^ Военно-морская обсерватория США; HM Nautical Almanac Office (1989). Астрономический альманах на 1990 год . Типография правительства США. стр. B18. ISBN 978-0-11-886934-8.
  19. ^ Астрономический альманах 2010 , стр. B52
  20. ^ Ньюкомб, Саймон (1906). Компендиум сферической астрономии. MacMillan . С. 226–227.
  21. ^ См. таблицу 8 и уравнение 35 в Laskar, J. (1986). "Светские термины классических планетарных теорий с использованием результатов общей теории". Astronomy and Astrophysics . 157 (1): 59–70. Bibcode :1986A&A...157...59L.и исправление к статье Ласкар, Дж. (1986). "Исправление: Светские термины классических планетарных теорий с использованием результатов общей теории". Астрономия и астрофизика . 164 : 437. Bibcode : 1986A&A...164..437L.Единицами измерения в статье являются угловые секунды, что может быть более удобно.
  22. ↑ Пояснительное приложение (1961), раздел 2C
  23. ^ "Основы космического полета, Глава 2". Лаборатория реактивного движения/НАСА . 29 октября 2013 г. Получено 26 марта 2015 г.
  24. ^ Меус, Жан (1991). «Глава 21». Астрономические алгоритмы . Вильманн-Белл. ISBN 978-0-943396-35-4.
  25. ^ Бергер, AL (1976). «Наклон и прецессия за последние 5000000 лет». Астрономия и астрофизика . 51 (1): 127–135. Bibcode : 1976A&A....51..127B.
  26. ^ ab Laskar, J.; Robutel, P. (1993). "The Chaotic Obliquity of the Planets" (PDF) . Nature . 361 (6413): 608–612. Bibcode :1993Natur.361..608L. doi :10.1038/361608a0. S2CID  4372237. Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2012 г.
  27. ^ Laskar, J.; Joutel, F.; Robutel, P. (1993). "Stabilization of the Earth's Obliquity by the Moon" (PDF) . Nature . 361 (6413): 615–617. Bibcode :1993Natur.361..615L. doi :10.1038/361615a0. S2CID  4233758. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  28. ^ Lissauer, JJ; Barnes, JW; Chambers, JE (2011). "Obliquity variations of a moonless Earth" (PDF) . Icarus . 217 (1): 77–87. Bibcode :2012Icar..217...77L. doi :10.1016/j.icarus.2011.10.013. Архивировано (PDF) из оригинала 8 июня 2013 г.
  29. ^ Ли, Гунцзе; Батыгин, Константин (20 июля 2014 г.). «О динамике оси вращения безлунной Земли». Astrophysical Journal . 790 (1): 69–76. arXiv : 1404.7505 . Bibcode :2014ApJ...790...69L. doi :10.1088/0004-637X/790/1/69. S2CID  119295403.
  30. ^ Уорд, У. Р. (1982). «Комментарии о долгосрочной стабильности наклона земной оси». Icarus . 50 (2–3): 444–448. Bibcode : 1982Icar...50..444W. doi : 10.1016/0019-1035(82)90134-8.
  31. ^ Бергер, 1976.
  32. ^ ab Уильям Уорд (20 июля 1973 г.). «Крупномасштабные вариации наклона оси Марса». Science . 181 (4096): 260–262. Bibcode :1973Sci...181..260W. doi :10.1126/science.181.4096.260. PMID  17730940. S2CID  41231503.
  33. ^ Touma, J.; Wisdom, J. (1993). "The Chaotic Obliquity of Mars" (PDF) . Science . 259 (5099): 1294–1297. Bibcode :1993Sci...259.1294T. doi :10.1126/science.259.5099.1294. PMID  17732249. S2CID  42933021. Архивировано (PDF) из оригинала 25 июня 2010 г.
  34. ^ Correia, Alexandre CM; Laskar, Jacques (2009). «Захват Меркурия в резонанс спин-орбиты 3/2, включая эффект трения ядра и мантии». Icarus . 201 (1): 1–11. arXiv : 0901.1843 . Bibcode :2009Icar..201....1C. doi :10.1016/j.icarus.2008.12.034. S2CID  14778204.
  35. ↑ Ребекка Бойл (7 октября 2017 г.). «Выбросы метана на молодом Марсе помогли ему сохранить жидкую воду». New Scientist .
  36. ^ Эдвин Кайт и др. (2 октября 2017 г.). «Всплески метана как триггер для прерывистых озерных климатов на постнойском Марсе» (PDF) . Nature Geoscience . 10 (10): 737–740. arXiv : 1611.01717 . Bibcode :2017NatGe..10..737K. doi :10.1038/ngeo3033. S2CID  102484593. Архивировано (PDF) из оригинала 23 июля 2018 г.
  37. ^ Планетарные факты, на http://nssdc.gsfc.nasa.gov
  38. ^ Астрономический альманах 2010 , стр. B52, C3, D2, E3, E55
  39. ^ Хеллер, Р. "Энциклопедия Холта-Росситера-Маклафлина". Рене Хеллер . Получено 24 февраля 2012 г.
  40. ^ Гроссман, Дэвид (29 июня 2018 г.). «Исследование показывает, что у экзопланеты есть стабильная ось, как у Земли». Popular Mechanics . Получено 26 февраля 2024 г.
  41. ^ "Kepler Finds a Very Wobbly Planet - NASA". 4 февраля 2014 г. Получено 26 февраля 2024 г.
  42. ^ Хеллер, Р.; Леконт, Дж.; Барнс, Р. (2011). «Эволюция приливного наклона потенциально обитаемых планет». Астрономия и астрофизика . 528 : A27. arXiv : 1101.2156 . Bibcode : 2011A&A...528A..27H. doi : 10.1051/0004-6361/201015809. S2CID  118784209.
  43. ^ 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 . Bibcode :2011OLEB...41..539H. doi :10.1007/s11084-011-9252-3. PMID  22139513. S2CID  10154158.

Внешние ссылки