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.
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 :
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) .
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.
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 ) .
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:
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:
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]
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.
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]
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]
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.
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. .