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除了美国独立日,今天还是地球离太阳最远的一天
作者:日照科普网  点击次数:182  发布时间:2017-07-04 16:17:47

  7月4日4时,地球过远日点(Aphelion),日地距离为1.017个天文单位,约1.52亿千米。小编今天简单介绍一下天文学中描述行星运动规律的开普勒三定律,并聊聊地球远日点的那些事。

  1.远日点时并不是夏至

  由下图可知,远日点的日子和夏至日并不重合,地球过远日点的日子一般在每年的7月4日左右,而夏至日在每年的6月21日或22日,两者有十多天的时间差。另外,由于远日点时,日地距离比近日点(Perihelion)时要远500万千米,远日点时阳光要比近日点多花16.7秒才能到达地球。阳光从太阳到地球的平均时间约为500秒,与之相比较,16.7秒这个时间差还是不算小的(少耗时约3.3%)。

  

 

地球远日点示意图

  2.开普勒定律

  开普勒定律是德国天文学家开普勒提出的关于行星运动的三大定律。

  第一和第二定律发表于1609年,是开普勒从天文学家第谷观测火星位置所得资料中总结出来的;第三定律发表于1619年。这三大定律又分别称为椭圆定律、面积定律和调和定律。

  开普勒三大定律可以看作是其后1687年牛顿发现的万有引力定律的推论,并可由万有引力定律和牛顿三大运动定律导出。开普勒定律虽然对牛顿发现万有引力定律有一定的启示,但开普勒本人并未证明椭圆定律和面积定律,而是由牛顿本人完成的。

  开普勒第一定律(又称椭圆定律):每一行星沿各自的椭圆轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个焦点上。

  由开普勒第一定律得知,太阳系的行星都是以椭圆轨道绕日公转,地球也不例外,当地球运行到其绕日公转椭圆轨道的半长轴的距离太阳较远的那个顶点时,该轨道位置被称为地球的远日点(Aphelion),每年的7月初,地球距离太阳最远,位于远日点。

  开普勒第二定律(又称等面积定律):在相等时间内,太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。

  由开普勒第二定律得知,行星(包括地球)在近日点公转速度最快,在远日点公转速度最慢。统计数据表明,地球在远日点时公转角速度为57角分/天,公转线速度为29.3千米/秒。与发射航天器的宇宙速度相比(发射人造地球卫星的第一宇宙速度为7.9千米/秒,发射人造行星的第二宇宙速度为11.2千米/秒,发射能脱离太阳系的恒星际人造天体的第三宇宙速度为16.7千米/秒),地球即使在远日点的公转速度较慢,也远超过任何一个宇宙速度。

  开普勒第三定律(又称行星运动定律、调和定律):绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星,其各自椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。

  大名鼎鼎的万有引力定律就是牛顿通过对开普勒第三定律的改进后推导出的。

  

 

开普勒三大定律的示意图

  3.远日点还这么热?

  既然今天地球位于远日点,与太阳距离最远,地球表面接收到的太阳辐射总量最少,为什么7月的北京还是炎炎夏日,似乎与我们的认知不符啊?这就要说到四季的成因了。

  地球在围绕太阳公转的同时,也在绕自身的地轴自转,但地轴并不垂直于公转轨道面(即黄道面),描述地球自转的赤道面和描述地球公转的黄道面之间有一个夹角,这个夹角现在是23°26’,此夹角被称为黄赤交角。

  

 

黄赤交角

  

 

地球公转示意图

  黄赤交角的存在,导致了如下的后果:

  A.太阳在地球上的直射点位置只能位于北纬23°26’和南纬23°26’之间,而这两条纬线就被分别称为北回归线和南回归线,南、北回归线也是区分地球上南温带、北温带和热带的分界线。

  B.靠近南北极的地区,会发生极昼、极夜的现象,在北半球发生极昼、极夜现象的最南的界线,称为北极圈,位于北纬66°34’(等于90°减去黄赤交角的数值),同理,南极圈位于南纬66°34’,只有在南、北极圈内的南北极地区才会发生极昼、极夜现象,南、北极圈也是区分地球上南温带、北温带与南寒带、北寒带的分界线。

  C.由于地轴不垂直于黄道面是倾斜的,而且地球公转时地轴指向始终不变(在不太长的时间内,不考虑岁差、章动的影响),在夏至日(6月21日或22日)时,太阳直射北回归线,北半球获得的太阳辐射较多,昼长夜短,气温处于一年中最高的时候,为夏季;此时太阳斜射在南半球,南半球获得的太阳辐射较少,夜长昼短,气温处于一年中最低的时候,为冬季。在冬至日(12月21日或22日或23日)时,太阳直射南回归线,南半球是夏季,此时太阳斜射北半球,北半球是冬季。而在春分日(3月20日或21日或22日)、秋分日(9月23日或24日)时,太阳直射赤道,南北半球获得的太阳辐射一样多,世界各地昼夜等分,北半球此时分别是春季或秋季。固定的黄赤交角大小导致了地球上四季的更替,四季的成因是黄赤交角而不是地球距离太阳的远近。

  

 

地球上的五带

  

 

五带与极昼极夜的关系

  当然,远日点(7月4日左右,日地距离1.52亿千米)、近日点(1月3日左右,日地距离1.47亿千米)对地球上的四季变化也不是完全没有影响,比如南半球处于夏季时,地球位于近日点附近,地球表面接收的太阳辐射总量比位于远日点时(此时北半球处于夏季,南半球处于冬季)要多一些,因此从理论上说,南半球的夏天要稍微比北半球的夏天更热,而冬天比北半球的更冷。


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