地球繞太陽運行的速度會逐年變慢嗎?

2020-12-05 科技領航人

每年,地球繞軸旋轉一圈時,繞太陽旋轉一圈。在逐年的基礎上,我們的軌道變化微乎其微,以至於幾乎無法察覺,因為與行星繞太陽公轉的總時間(約45億年)相比,一次公轉(1年)的持續時間很小十億年)。然而,我們對宇宙的了解足夠廣泛,而我們的現代儀器也足夠敏感,我們不僅知道地球的軌道會隨著時間的推移而略有變化,而且我們可以量化並確切地說出這些變化將是什麼。這對地球繞太陽的速度意味著什麼?這就是許多人想要知道的,有人這樣問我:

「我讀過您的一篇文章說,(目前)地球軌道正在緩慢地遠離太陽移動。地球繞太陽旋轉是更快或更慢嗎?你能為我澄清一下嗎?」

這是一個令人著迷的問題,答案確實如此。每年,地球遷移都離太陽如此微小,並且花費更長的時間才能完成一次完整的公轉。

我們必須考慮的第一個效果是太陽照耀的事實。在這個宇宙中,沒有自由能之類的東西,甚至對於像太陽之類的東西也是如此,它發出高達4×10^26 W的連續功率。能量從何而來?從氫核(從質子開始)到氦-4(具有兩個質子和兩個中子)的核聚變,在這個鏈鎖反應中會釋放大量的能量。

每次四個質子融合在一起,最終產生一個氦-4核,就會釋放出總共28 MeV(其中MeV是一百萬電子伏特)的能量。如果將其轉換為質量(愛因斯坦最著名的方程式E = mc^2可以使我們做到),我們將了解到,由於核聚變的每一秒鐘,太陽總共損失了約400萬噸的質量。在我們的太陽系的整個生命周期中,由於核聚變或近似於土星的質量,太陽的質量下降了約95個地球質量。

除了由於高能輻射離開太陽而失去質量外,我們的母星還散發出粒子:太陽風。太陽邊緣處的粒子非常鬆散地固定在光球的邊緣。像電子、質子,甚至更重的原子核這樣的粒子可以獲取足夠的動能,以完全從太陽中彈出,從而形成一束粒子流,我們稱其為太陽風。此外,太陽耀斑、日冕物質拋射以及其他劇烈事件會定期且不定期地發生,從而進一步加劇了太陽的質量損失。

它們散布在整個太陽系中,絕大多數以星際介質纏繞著,目前每秒約運載160萬噸的質量。在太陽的整個生命周期中,這會導致約30個地球質量因太陽風而損失。當我們將太陽風損失與核聚變質量損失結合起來時,我們發現今天的太陽比太陽系誕生後大約45億年前的太陽輕約10^27千克。

當然,太陽風的存在不僅會影響太陽的質量和將地球與我們的太陽束縛的引力,而且其中的一部分也會粉碎進入我們的星球,從而產生各種影響。這些帶電粒子被地球磁場集中到我們的兩極,在撞擊大氣層時產生極光。與我們的星球碰撞的一些微粒子可以將大氣組成分子踢入太空,使它們完全逃離地球。

並且,與地球軌道變化問題有關,我們還可以使這些太陽風粒子與地球發生非彈性碰撞,從而改變我們的運動、質量以及線性和角動量。每年總共有約18,000噸物質撞擊我們的星球,從太陽到地球旅行大約需要3天。就像前面的兩種效應一樣(太陽由於核聚變而造成的質量損失和粒子的發射),這種效應也會隨著時間的推移非常輕微地改變地球的軌道。

這三個影響是目前唯一重要的影響,因此從長遠來看,我們可以計算出它們對地球軌道的影響。

太陽風猛烈撞擊地球的影響使我們一直向外微弱,但是與撞擊我們的少量太陽風相比,巨大的地球質量確保了這種影響很小。在每百萬年的過程中,它將地球的軌道向外推出大約一個質子的寬度:1,即整個太陽系生命周期將地球軌道向外推出半微米。然而,造成太陽質量損失的兩個原因——太陽風產生的約30個地球質量和輻射產生的約95個地球質量-更為重要。隨著時間的流逝,這種質量損失意味著地球每年以約1.5釐米(約0.6英寸)的速度向外盤旋。在太陽系的歷史上,考慮到太陽的變化,與45億年前相比,我們距離太陽約50,000公裡。

圖註:雖然地球的軌道在不同時間尺度上經歷周期性的振蕩變化,但隨著時間的推移,還有非常小的長期變化。雖然與這些長期變化相比,地球軌道形狀的變化很大,但後者是累積的,因此很重要。

如果願意,我們可以使用它來計算我們的軌道速度也發生了多少變化。

約29.78 km / s(18.51 mi / s),或光速的約0.01%。實際上,這略有不同,因為地球繞太陽繞橢圓軌道運行:在近日點處移動得更快(離太陽最近),而在頂頭點處移動得更慢(離太陽最遠)。差異很小,但可以計算。以,我們以30.29 km / s(18.83 mi / s)的最快的速度穿越太空,我們以29.29 km / s(18.20 mi / s)的最慢的速度穿越太空。

儘管我們尚無法精確地測量出我們在太空中的速度如何變化,但我們對正在發揮作用的物理的理解(軌道動力學,角動量的行為以及引力的工作原理)使我們能夠計算出不斷變化的太陽系影響(並將繼續影響)我們的速度。每過一年,地球移動速度就比上一年快了3納米/秒。從以前的數學推論得出,在太陽系已有45億年的歷史中,我們的星球以每秒約10米的速度或每小時約22英裡的速度減速。

請注意,這就是今天地球軌道的變化方式,以及迄今為止的變化方式。同樣的分析非常適用於我們的過去以及近期的未來。但是,隨著我們尋找越來越長的時間尺度以及太陽系的遙遠未來,我們可以確定出三個未來影響,這些影響在最終變得重要時可能會大大改變我們的軌道。

還有一些。 隨著時間的流逝,彼此拉動的行星的引力效應可能會導致我們的軌道變得混亂。例如,儘管在接下來的十億年內,內部行星都是安全的,但大約有1%的機會使我們中的四個(水星,金星,地球或火星)之一在我們的太陽系軌道上變得不穩定。如果發生這種情況,地球的軌道可能會發生重大變化,甚至可能將我們的星球拋向太陽或將其完全從太陽系中彈出。 這是我們行星軌道中最不可預測的部分。

此外,太陽將在壽命快結束時迅速發展,噴射出大量物質並膨脹成紅色巨人。在這個階段,地球的軌道將顯著向外螺旋,增加大約10-15%,而我們的軌道速度減少大約相同的百分比。同時,太陽正在膨脹,據估計它將吞沒水星和金星,並且會比地球目前的軌道大,但幅度不會太大。地球的最終命運仍然未知。

發生的隨機遭遇是我們無法預測的很遠:流氓恆星、褐矮星和其他質量通過我們的太陽系。它們中的任何一個都有可能發射出地球或擾亂我們的軌道,但是這些變化是無法預測的。

最後,有引力波。如果所有其他方法都失敗了,地球將以引力輻射的形式輻射出其軌道能量,從而導致我們的軌道衰減,並且地球又在大約10^26年後旋入太陽的剩餘部分。這與今天的時間範圍無關,但距離未來足夠遠,這可能是任何後果的唯一軌道效應。

總而言之,地球每年以約1.5釐米的速度遠離太陽旋轉,導致其軌道速度在該時間範圍內每秒下降約3納米。如果將太陽系歷史上發生的所有微小變化加在一起,您會發現我們現在的軌道比45億年前的軌道距離更遠了50,000公裡,並以大約10米的距離移動太陽周圍的每秒速度比我們過去時慢。隨著時間的流逝,隨著太陽繼續由於核聚變和太陽風而失去質量,我們將繼續走慢並減速。

這似乎有悖常理,但如果你像把一個球放在繩子上旋轉一樣,想想地球繞太陽運行的想法就更有意義了。如果你的繩很短,你施加的力很大,球會旋轉得非常快。如果你繩子的很長,力很小,球旋轉更慢。當我們拉長代表地球與太陽距離的繩子時,引力會變弱一點,因此地球別無選擇,只能更慢地移動。逐年影響可能很小,但據我們所知,宇宙具有無限的耐心。享受您最近一次圍繞太陽的旅程,因為我們再也不會經歷如此快速的旅程了。

相關焦點

  • 地球繞太陽運行,是什麼力讓地球在近日點加速的?
    我們都知道地球繞太陽運行,其軌道為橢圓形,在進入近日點運行速度會加快,在遠日點運行速度會降低,根據牛頓第一定律,物體在沒有受到任何靜外力的作用下,會一直保持目前的運動(靜止)狀態,那地球速度的增加還有緩慢是什麼力在起作用呢?
  • 假如地球自轉速度變快或變慢,氣候有變化嗎?對生物有什麼影響?
    實際上由於地月之間的潮汐摩擦,地球的自轉速度是在逐年減慢的,只不過是這種變化十分的微妙,不被輕易察覺而已。地球的自轉是地球的一種重要運動形式,由於地球自轉的地理意義主要體現在晝夜交替、產生地方時以及沿地表水平運動的物體運動方向發生偏移這三個方面,因此假如地球自轉速度變快或者變慢的幅度非常大,也主要是從這幾個方面發生一些改變,並會引起其他的一些「併發症」。
  • 地球繞太陽轉,太陽繞銀河系轉,那麼整個宇宙會繞某根軸旋轉嗎
    在地球上,我們看到的是太陽、月亮和其它星辰東升西落,於是當時的人們就認為地球是宇宙的中心,所有天體都圍繞著地球旋轉。文藝復興時期,哥白尼通過對觀測數據的分析,提出了「日心說」。但是當時他害怕遭到迫害,而不敢發表他的成果。日心說把太陽放在了宇宙的中心,地球和其它行星圍繞著太陽運行,就只有月亮圍繞著地球運行。
  • 地球繞太陽一年四季,太陽繞銀河系有影響嗎?
    首先,地球四季的形成,是因為地球在繞太陽公轉時始終保持了一個66.34度的偏角,也就是說它是傾斜的繞太陽公轉,這就使太陽直射光在地球表面發生變化,地球上不同地方接受太陽熱量隨著發生變化,從而產生季節差異。
  • 地球繞太陽一周就有四季的變化,那太陽系繞銀河系是否也有變化?
    而生長自轉則表現為旋臂的延伸以及銀心自轉造成的與旋臂運轉角速度差異。何夕的《天年》了解下,我覺得裡面的觀點比較有意思,地球繞太陽一圈,就是地球一年,會有不同四季,年代表結束也是開始。而太陽系繞銀河系一圈2.5億年,同樣也是代表太陽系一年,這年也是結束也是開始,三疊紀物種滅絕就年的結束,因為銀河系中有大量宇宙塵埃,太陽系繞的過程中會經過這片塵埃帶,到時地球會接收不到陽光,全球嚴寒,全劇終。地球繞太陽一周分四季,太陽系繞銀河系一周當然也分幾。六千五萬年為一季,因為太陽系會按順序通過四個區域,分別是混沌、光明、神通、滅世。對應會出現不同的文明或現象。
  • 太陽正以每秒400萬噸的速度損失質量,地球會因此而遠離太陽嗎?
    現在問題就來了,太陽正以每秒400萬噸的速度損失質量,地球會因此而遠離太陽嗎? 大家都知道,太陽是以其強大的引力束縛著地球繞其公轉,而引力的大小又與質量成正比,因此可以推測出,由於太陽質量的持續損失,其引力也會隨之減弱,地球肯定會因此而遠離太陽。然而從理論上來講這種推測是成立的,實際上的情況到底是不是這樣呢?
  • 地球繞太陽轉一圈需要1年,那太陽系繞銀河系轉一圈需要幾年?
    地球繞太陽一周是360天,也就是1年後來地球上產生了人類,人類為了方便生活和工作, 創造出時間這種概念,人類很多時間日期都與地球運行規律有關,比如人類一天24小時就是地球自轉一周的時間;秋分春分就是太陽直射赤道的日子;夏至就是太陽直射北回歸線的時間;冬至則是太陽直射南回歸線;所以人類使用的日期一般都能夠推算出地球運動規律
  • 地球自轉速度逐年增長,誰影響地球運轉速度?會影響人類生存嗎?
    人類作為地球產物,地球的一舉一動會影響人類在地球上生存,可是近一段時間科學家再次提出了一個全新理論,地球的自轉時間正在加快,如果地球自轉時間持續加快的話,會對地球會造成什麼影響呢?出現這樣的情況讓很多人不解,他們認為在日常生活中並沒有感到時間流逝過快,反而每天都在抱怨時間流逝過慢,有什麼證據能夠證明地球自轉速度正在逐年加快呢?
  • 為什麼地球繞太陽轉軌跡是橢圓的,而不是圓?
    題目說地球繞太陽轉,那就是地球的公轉,但地球公轉的速度並非固定不變,而是地球的公轉周期不變。 眾所周知,地球的公轉軌跡是一個橢圓的,而太陽處在橢圓的一個焦點。而地球能夠繞太陽公轉,,自然就是受到了萬有引力,但不能說橢圓軌跡是因為受到萬有引力的結果!
  • 地球繞太陽公轉會產生春夏秋冬,太陽繞銀河系中心轉會產生什麼?
    地球在自轉的同時也會繞著太陽公轉。地球的自轉將地球上的一天分成了白天和黑夜,繞太陽的公轉形成了一年四季春夏秋冬。太陽在銀河系中也是繞著銀河系的中心轉動,轉一圈需要2億多年。那麼太陽繞銀河系中心轉動過程中會不會也像地球繞太陽公轉那樣,產生類似春夏秋冬那樣的「季節」?
  • 地球繞太陽一圈需要一年,那太陽繞銀河系一圈需要多長時間?
    宇宙充滿很多未解之謎,人類至今不知道宇宙是如何誕生的,未來又會走向哪裡人類經過幾十年的觀察與探索,發現太陽系由一顆恆星和八顆行星組成,而八顆行星都具有數量不等的衛星,太陽系是一個運行非常規律的恆星系,八顆行星有序的圍繞這中心的太陽旋轉,而各大星系也按照一定的規律圍著它的主行星旋轉,這是太陽系大體的運動方式。
  • 如果地球停止繞太陽轉動,會發生什麼可怕的事情呢?
    地球以每小時11萬公裡速度繞太陽旋轉,如果它停止轉動的話,會發生什麼呢?如果地球停止繞太陽轉動,首先 如果地球突然停止轉動,你真的會馬上就死亡,因為你會飛離這個星球 ,衝進太空,就像司機猛踩剎車時你會在車裡突然前傾。但是如果地球減速得很緩慢,你會遭受緩慢但仍然可怕的死亡,那是因為地球即將變得非常非常熱, 太陽的巨大引力把地球拉向它,與此同時 這顆行星正試圖朝這個方向疾馳而去,這場拉鋸戰讓我們保持在軌道上。但如果地球減速並停止繞太陽轉,太陽就會獲勝 把我們拖向末日。
  • 月球繞地球一圈是一月,地球繞太陽是一年,那太陽繞銀河系呢?
    文/瑤堇雲詩月球繞地球一圈是一月,地球繞太陽是一年,那太陽繞銀河系呢?人類的科技最近的發展起來,從還不知道人類生存的地方叫地球,現在是已經能夠進入到太空進行的研究,而且對周圍的一些星球都進行了探測,就像人類看到的那些照片一樣,如果不是通過那些探測器的拍攝,恐怕是除了天文學家之外,很少有人能夠見識到地球外面的世界啊。
  • 太陽繞銀河系中心的軌道的距離和速度
    例如,利用任務的初始數據發布,多倫多大學的一組天體物理學家設法計算了太陽繞銀河系運行的速度。 由此,他們首次獲得了太陽與銀河中心之間的精確距離估計。一段時間以來,天文學家一直不確定我們的太陽繫到底離銀河系中心有多遠。這在很大程度上與以下事實有關:由於多種因素(例如,視角,銀河系的大小和能見度障礙),無法直接查看它。
  • 地球繞太陽轉月亮繞地球轉,為啥沒有星球繞月亮轉?衛星還有衛星...
    地球繞太陽轉,月亮繞地球轉,為啥沒有星球繞月亮轉,衛星還會有衛星環繞運行嗎?可能很多人都會有這樣的問題,其實這問題不難解答,基本可以肯定地回答,這個可以有,衛星的衛星叫「護星」。但奇怪的是,我們怎麼沒有發現過「護星」這種衛星的衛星呢?
  • 我們的地球在以怎樣的速度圍繞太陽運轉呢?
    如果我們把它倒過來,我們會發現平均速度等於所花費的時間所走的距離。我們也知道,地球繞太陽一周所需的時間是一年。所以,為了知道速度,我們只需要計算出當地球繞著太陽轉一圈的時候,所經過的距離。為了做到這一點,我們將假設地球的軌道是圓的(這並不完全正確,它更像是一個橢圓,但為了我們的目的,一個圓是足夠接近的)。所以一年所走的距離就是這個圓周長。
  • 地球繞太陽轉一周就有了四季,那太陽繞著銀河系公轉地球會怎樣?
    根據天文科學家的計算,太陽以每秒230公裡左右的速度圍繞著銀河系的中心公轉,其公轉的周期大約為2.2億年。太陽從誕生至今,已經繞著銀河系的中心公轉了20圈了,大家都知道地球上的四季之分是因為地球繞太陽公轉引起的,那麼在太陽繞銀河系的中心公轉的過程中,是不是也會出現類似的情況呢?
  • 地球繞太陽轉,太陽繞銀河系中心轉,銀河系繞著什麼轉?
    太陽的東升西落是由地球自轉引起的,除了自轉之外,地球還會繞著太陽公轉,繞行一圈的時間為一年。不過,從更大的宇宙尺度來看,地球繞太陽的公轉軌道並不像我們通常認為的那樣是閉合的。太陽離銀河系中心約為2.6萬光年,繞行速度為每秒230公裡,每2.3億年繞行銀心一圈,這意味著太陽誕生至今轉了大約20圈。
  • 月球繞地球轉,地球繞太陽轉,太陽繞銀河系轉,銀河系繞什麼轉?
    我們提到了銀河系龐大的規模和體型,囊括四千多億顆恆星,數千個星團和一大批星雲物質組成的系統,它的直徑約為10多萬光年,中心的厚度約為6000多光年,而我們的整個太陽系統就圍繞著這個龐然大物轉動
  • 如果將地球和太陽的距離拉近一萬公裡,會發生什麼樣的情況?
    按照牛頓萬有引力定律以及克卜勒定律,人們都逐漸了解到地球圍繞太陽作周期性公轉,而且這個公轉的軌道是以太陽為一個焦點的橢圓形軌道,偏心率為0.0167,差不多是一個非常接近圓形的橢圓軌道,在這樣的軌道內運行,地球與太陽的距離並非一成不變,而是存在著相應的近日點和遠日點,那麼地球與太陽的距離,對於地球表面溫度的變化以及運行規律,會產生什麼樣的影響呢?