擁有橢圓形公轉軌道的地球,為什麼沒有飛離或撞向太陽?

2020-12-02 悟空科學

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作者:石蘭(抄襲必究)

公轉軌道有近日點和遠日點的地球,依然存在於太陽系之中!

地球圍繞太陽公轉一周的時間,在我們日常生活中被稱為一年。不得不說,地球的公轉行為給我們的生活帶來了很多體驗。隨著一年季節的不停更替,我們不僅可以感知到大自然中的絢麗色彩,更能體驗到每個季節特有的活動形式。但對於大多數人而言,大家對地球的公轉具有怎樣的特性並不了解,於是產生一些看似「有道理」的疑問。比如,在地球的公轉軌道上,明明有近日點和遠日點這樣的特殊位置,那地球為什麼依然存在於我們的太陽系中,而沒有飛離或撞上太陽?

地球公轉需要遵循的規律不止一個

正如地球的自轉具有特殊的規律一樣,我們生活的這個星球在圍繞太陽進行公轉的時候,同樣也是在一個非實體的軌道上規律性的運行。地球在公轉的時候需要遵循的規律很多,這其中就包括地球公轉的速度和效應、地球軌道和軌道面,以及所謂的黃赤交角等。你一定可以從這一系列專業詞彙的身上,感受到地球公轉本身的複雜性。

位於地球公轉軌道上的所有點,都處在同一個平面之上,也就是所謂的地球軌道平面。當我們將這個特殊的平面在天球上進行表現的時候,這個地球繞太陽移動的平面就被稱為黃道面。我們每天都可以明顯地感受到地球的自轉和公轉,比如,每天都會經歷晝夜,每天的日曆數字都在增加。的確,不管是地球的自轉、還是公轉,它們在時間上都是同時進行的。

地球公轉總是保持66°34′的傾角

公轉在天球上的表現為黃道和黃軸,自轉在天球上的表現為天赤道和天軸,也就是說,天赤道和黃道分別位於兩個完全不同的平面上。而這兩個擁有同心的大圓所在的平面,便構成了具有23°26′夾角的黃赤交角。也就是說,不管地球在其公轉軌道上運行到了哪個位置,都需要保持66°34′的傾角不會發生變化。

在地球的整個公轉過程中的很長一段時期,其地軸在空間上的指向,其實都沒有明顯的變化趨勢,北極總是指向天北極(北極星附近)。簡而言之,地軸在公轉過程中的移動方式是平行的。所以,這確保了無論地球處於公轉軌道的哪個位置,都可以保持黃赤交角的度數長期不變。也正是因為有了這個特殊夾角存在,才證明了天極和黃極之間存在偏離。

如果在此之前,你不能理解為什麼地球儀的自轉軸總是傾斜著的,並且總是與放置它的桌面呈現出66°34′的角度傾斜。那麼,現在你應該就能明白,這樣的現象不過是黃赤交角最直觀的表現形式。在我們的大自然界,大家也可以通過南北回歸線之間的太陽直射現象,以及南回歸線以南和北回歸線以北全年都沒有太陽直射的現象,從而對黃赤交角給地球各區域帶來的影響有更深入的了解。

地球公轉軌道上的近日點和遠日點

首先,我們可以先理解近日點和遠日點存在的根本原因。所謂的公轉,其實都是指行星圍繞恆星進行運轉,而大多數這樣的運轉軌道又都是橢圓形。所以,太陽的位置往往都不是橢圓的中心,反而是位於這個橢圓的一個焦點上。於是,星體和恆星之間的距離,便會因為星體在公轉軌道上的移動而發生變化。當行星和太陽之間的距離最近的時候,我們將這個位置叫做近日點,並將行星與太陽距離最遠的位置稱為遠日點。

而大多數人糾結的為什麼行星沒有飛離、或撞上太陽,主要指的也是近日點和遠日點這兩個特殊位置。地球離太陽距離最近的時候是一月,兩者之間的距離大約為1.471億千米;而地球離太陽距離最遠的時候則是7月,此時兩者之間的距離值在1.52億千米左右。從這兩個數據值我們可以直觀地看到,其實近日點和遠日點之間的差值並不大。

為什麼沒有地球從未飛離或撞向太陽

地球公轉運動,我們可以將其簡單的形容成一種周期性的圓周運動,這就不難理解為什麼地球的公轉速度會與線速度、角速度這兩個值都有關。而根據克卜勒行星運動的第二定律可知,太陽和地球之間的距離也會影響地球的公轉速度。事情的確變得越來越複雜,因為,這說明了即便是地球公轉時的線速度和角速度,也並不是一個固定不變的值,並且還會隨著太陽和地球之間的距離變化而變化。

簡單來說,當時間處於一年時間中的1月初到7月初,地球公轉的速度會逐漸減慢,太陽和地球之間的位置關係是越來越遠;而之後的幾個月時間裡,則是地球和太陽距離逐漸縮小的一段時間,而此時的公轉速度則會慢慢加快。當地球處於近日點的時候,線速度保持在30.3千米/秒左右,角速度大約為1°1′11″/日;而當地球經過遠日點的時候,不管是線速度(29.3千米/秒)、還是角速度(57′11″/日),它們在這個位置的值會比它們的平均值更低。

事實上,地球的公轉軌道其實是一個近似正圓的橢圓形軌道。畢竟,正兒八經的橢圓形天體軌道,它們是只有遠日點的,而那些具有雙曲線、或拋物線的天體軌道,則連遠日點都沒有。或許很多人都有所不知,地球的公轉速度也會隨著本身位置的移動而發生變化,比如,近日點時的公轉速度會更快,而遠日點時的公轉速度則會更慢。簡而言之,地球的公轉速度也會根據其軌道位置進行調整,這也是地球為什麼不會飛離和撞上太陽的根本原因。

相關焦點

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  • 如果地球不公轉了,會發生些啥?
    (霽藍/編譯)炎熱的夏天又要到了,看著火辣的太陽,不禁想抽點時間想像一下:在一個沒有「年」概念的世界裡——地球由於某些原因停止了公轉——生命會是什麼模樣。誠然,這個問題很奇怪,但最近我在思考的過程中簡直著了魔。並不因為它有什麼特別,單純是因為它(至少對我來說)很吸引,思考起來也很有意思。
  • 地球公轉速度為什麼會時快時慢
    地球繞太陽公轉時的速度時快時慢也是這個道理。我們知道,地球公轉軌道是個橢圓,太陽位於橢圓的一個焦點上。當地球從遠日點向近日點運動時,受太陽引力的吸引,就象從坡上往下滑動一樣,把引力勢能轉變成運動速度,因此公轉速度越來越快。到近日點後,地球公轉速度達到最大。
  • 地球繞日公轉以及太陽的周年視運動
    01由於地球繞太陽公轉的軌道是橢圓形的,所以視地球離太陽的距離有近日點和遠日點區分。地球距離太陽最近的一點,即橢圓軌道的長軸距太陽較近的一端,稱為近日點。在近代,地球過近日點的日期大約在每年一月初,此時地球距太陽約為14710萬千米,通常稱為近日距。
  • 為什麼「地球繞著太陽轉,月球繞著地球轉」?——多虧了希爾球!
    現在,考慮衛星的傳統定義,衛星是圍繞著一個更大天體在一個確定軌道上旋轉的天然衛星那樣的話,我們可以說,每一個天體都有一個一個衛星,太陽的衛星是地球,地球的衛星是月亮。 然而,我們心愛的月亮被剝奪了它的天然衛星,事實上,太陽系許多天體的所有已知衛星都沒有一個天然衛星圍繞著它們運行,為什麼呢?天然衛星不能擁有它們自己的子衛星嗎?
  • 地球圍繞太陽轉,月亮圍繞地球轉,那麼有沒有天體能圍繞月亮轉啦
    這意味著地球只受到太陽,而不是其他遙遠的恆星引力的影響。同理,地球的衛星是月球。由於地球的希爾球向四面八方延伸150萬公裡,距離地球僅38萬公裡的月球很容易受到地球引力的影響。圖解:地球的希爾球另一種觀察地球希爾球的方法是,在這150萬公裡內,地球的引力超過了太陽的引力,這就是為什麼月球繞地球而不繞太陽運行。假設月亮脫離它的軌道並逃離地球的希爾球,它會像太陽系的很多其他成員那樣繞著太陽公轉。
  • 網友問:地球圍繞太陽公轉一周是多少公裡?
    地球軌道是橢圓形的,周長大約是9.4億公裡。克卜勒定律告訴我們,地球圍繞太陽公轉的軌道是一個橢圓;實際上這個橢圓的偏心率e只有0.0549,非常接近標準圓,橢圓軌道的半長軸a=1.496億公裡,半短軸b=1.4958億公裡。
  • 萬一地球突然決定不再公轉,我們最後的64天會是這樣
    (你玩這個的時候,也可以試試下拉菜單中各種不同的場景,並觀察相應情境下的「重力之舞」——對,你會在上面花很多時間的。)圖片來源:youtube.com但是稍等——地球是圓的喔。這就意味著如果發射時初速度足夠大,它飛行的距離就可能遠到一種地步:當它理應撞向地面時,它下方的地面已經彎過去了。因此加農炮彈持續向地面下落,而地面也相應地繼續彎曲。這個情況成了無止境的自由下落——加農炮彈開始繞地球旋轉了!所以,軌道運動與一般的自由落體運動的區別就在於,物體的速度大到足夠避開下落目標。
  • 小行星撞地球,可能嗎?
    ,距離地球最近時到達南太平洋上空370公裡處,接近國際空間站的軌道高度,此距離打破了小行星2020 QG於今年創下的3000公裡的近地小行星距離記錄。如果它撞向地球,將會在大氣層中解體。而此次與地球相遇大大改變了小行星2020 VT4的軌道,相遇前其軌道黃道傾角為13度,周期549天,相遇後變為10.2度,315天。軌道改變後,它和地球下次相遇將是2052年11月13日,屆時最近距離將在290萬千米左右。  似乎每隔一段時間,小行星撞地球的傳聞經常聽到,相信很多人也非常擔心,有一天真撞擊到了但是,這些傳聞真的都是傳聞。
  • 如果地球停止公轉,你們生命的最後64天竟是這樣...
    ,不禁想抽點時間想像一下:在一個沒有「年」概念的世界裡——地球由於某些原因停止了公轉——生命會是什麼模樣。如果宇宙裡伸出一根巨大的指頭,讓地球慢慢地停止公轉,會發生啥事兒?沒啥好事。地球會撞向太陽!現在試著點「重置」(Reset)鍵,拖動寫有「V」的圓圈來減少行星公轉的速度,再點擊一次「開始」鍵。會發生什麼呢?如果你把行星的速度降到足夠慢,就能看到它撞向太陽了。
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