Исходя из определения, планетой называется космическое тело, вращающееся вокруг какой-либо звезды. Орбитой же, в свою очередь, называется траектория движения этой самой планеты в поле гравитации другого тела, как правило, чаще всего этими телами являются звезды. Например, для Земли, таким телом является Солнце.
Все планеты Солнечной системы осуществляют движение по своей траектории в направлении вращения Солнца. На данный момент ученым известна только одна единственная планета, которая двигается в противоположную сторону — это экзопланета под названием WASP-17b, находящаяся в созвездии Скорпиона.
Планетарный год
Сидерический период вращения (планетарный год) — это время, за которое планета делает один оборот вокруг своей звезды. Скорость движения планеты меняется в зависимости от того в какой точке она находится, чем ближе к звезде тем скорость больше, чем дальше от звезды тем соответственно медленнее движется планета. Поэтому длинна планетарного года, напрямую зависит от расстояния, на котором располагается планета относительно своего «Солнца». Если расстояние небольшое, то планетарный год относительно короткий. Так как чем дальше планета находится от звезды, тем меньше на ее оказывает влияние гравитация, а значит, движение становится медленнее и год соответственно длиннее.
Перигелий, афелий и эксцентриситет
Орбиты абсолютно всех планет имеют форму вытянутого круга, и насколько велика эта вытянутость, определяется эксцентриситетом, если эксцентриситет очень маленький (почти ноль) форма наиболее приближена к кругу. Траектории движения с эксцентриситетом близким к единице имеют форму эллипса. К примеру, орбиты многочисленных спутников и экзопланет пояса Койпера имеют форму эллипса, а все орбиты планет Солнечной системы почти абсолютно круглые.
Из-за того, что ни одна из известных нам космических орбит не является точным кругом, в процессе движения по ней меняется расстояние между планетой и соседствующим с ней светилом. Точку, в которой планета находится наиболее близко к звезде, называют периастра. В Солнечной системе данная точка называется перигелий. Самая отдаленная от звезды точка траектории движения планеты носит название апоастром, а в Солнечной системе — афелий.
Фактор, отвечающий за смену времен года
Угол между базовой плоскостью и плоскостью орбиты носит название наклонение орбиты. Базовой плоскостью в Солнечной системе считается плоскость Земной орбиты, которая имеет название эклиптика. В Солнечной системе располагаются восемь планет и их орбиты очень близки к плоскости эклиптики.
Все планеты Солнечной системы располагаются под углом к плоскости экватора относительно звезды. К примеру, угол наклона Земной оси равен примерно 23 градуса. Этот фактор влияет на то, какое количество света получает Северное или Южное полушарие планеты, а также отвечает за смену времен года.
Смена дня и ночи снятая спутником Электро-Л
Планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам (см.законы Кеплера ) и делятся на две группы. Планеты, которые расположены ближе к Солнцу, чем Земля, называются нижними . Это Меркурий и Венера. Планеты, которые расположены дальше от Солнца, чем Земля, называются верхними . Это Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.
Планеты в процессе обращения вокруг Солнца могут располагаться относительно Земли и Солнца произвольным образом. Такое взаимное расположение Земли, Солнца и планеты называется конфигурацией . Некоторые из конфигураций являются выделенными и носят специальные названия (см. рис. 19).
Нижняя планета может располагаться на одной линии с Солнцем и Землей: либо между Землей и Солнцем - нижнее соединение , либо за Солнцем - верхнее соединение . В момент нижнего соединения может произойти прохождение планеты по диску Солнца (планета проецируется на диск Солнца). Но из-за того, что орбиты планет не лежат в одной плоскости, такие прохождения случаются не каждое нижнее соединение, а достаточно редко. Конфигурации, при которых планета при наблюдении с Земли находится на максимальном угловом удалении от Солнца (это наиболее благоприятные периоды для наблюдения нижних планет), называются наибольшими элонгациями, западной и восточной .
Верхняя планета также может находиться на одной линии с Землей и Солнцем: за Солнцем - соединение , и по другую сторону от Солнца - противостояние . Противостояние - это самое благоприятное время для наблюдения верхней планеты. Конфигурации, при которых угол между направлениями с Земли на планету и на Солнце равен 90 o , называются квадратурами, западной и восточной .
Промежуток времени между двумя последовательными одноименными конфигурациями
планеты называется ее синодическим
периодом обращения P
, в отличие
от истинного периода ее обращения относительно звезд, называемого поэтому
сидерическим
S
. Разница между этими двумя периодами возникает из-за
того, что Земля тоже обращается вокруг Солнца с периодом T
.
Синодический и сидерический периоды связаны между собой:
для верхней.
10.2. Законы Кеплера
Законы, по которым планеты обращаются вокруг Солнца, были эмпирически (т.е. из наблюдений) установлены Кеплером, а затем теоретически обоснованы на основе закона всемирного тяготения Ньютона.
Первый закон. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
Второй закон. При движении планеты ее радиус-вектор описывает равные площади за равные промежутки времени.
Третий закон.
Квадраты сидерических времен обращений планет относятся
друг к другу как кубы больших полуосей их орбит (как кубы их средних расстояний
от Солнца):
Третий закон Кеплера является приближенным, из закона всемирного тяготения
был получен уточненный третий закон Кеплера
:
Третий закон Кеплера выполняется с хорошей точностью только потому, что массы планет много меньше массы Солнца .
Эллипс - это геометрическая фигура (см. рис. 20), у которой есть две
главные точки - фокусы
F
1 , F
2 , и сумма расстояний от любой точки
эллипса до каждого из фокусов есть величина постоянная, равная большой оси
эллипса. У эллипса есть центр
O
, расстояние от которого до
наиболее удаленной точки эллипса называется большой полуосью
a
, а
расстояние от центра до самой ближайшей точки называется малой
полуосью
b
. Величина, которая характеризует сплюснутость эллипса,
называется эксцентриситетом e
:
Окружность является частным случаем эллипса (e =0).
Расстояние от планеты до Солнца изменяется от наименьшего, равного
перигелием ) до наибольшего, равного
(эта точка орбиты называется афелием ).
10.3. Движение искусственных небесных тел
Движение искусственных небесных тел подчиняется тем же законам, что и естественных. Тем не менее, необходимо отметить ряд особенностей.
Главное - размеры орбит искусственных спутников, как правило, сравнимы с размерами планеты, вокруг которой они обращаются, поэтому часто говорят о высоте спутника над поверхностью планеты (рис.21). При этом надо учитывать, что в фокусе орбиты спутника находится центр планеты.
Для искусственных спутников вводят понятие первой и второй космической скорости.
Первая космическая скорость
или круговая скорость - это скорость
кругового орбитального движения у поверхности планеты на высоте h
:
Вторая космическая скорость
или параболическая скорость - это скорость,
которую необходимо придать космическому аппарату, чтобы он мог покинуть
сферу притяжения данной планеты по параболической орбите:
Скорость небесного тела в любой точке эллиптической орбиты на расстоянии
R от тяготеющего центра может быть рассчитана по формуле:
Вопросы
4. Может ли случиться прохождение Марса по диску Солнца? Прохождение Меркурия? Прохождение Юпитера?
5. Можно ли увидеть Меркурий вечером на востоке? А Юпитер?
Задачи
Решение:
Орбиты всех планет лежат приблизительно в одной плоскости,
поэтому планеты двигаются по небесной сфере примерно по эклиптике.
В момент противостояния прямые восхождения Марса и Солнца отличаются
на 180 o
:
. Вычислим
на 19
мая. 21 марта оно равно 0 o
. В день прямое восхождение Солнца увеличивается
примерно на 1 o
. С 21 марта по 19 мая прошло 59 дней. Значит,
, а
. На небесной карте можно увидеть, что эклиптика при таком прямом
восхождении проходит по созвездиям Весы и Скорпион, значит Марс находился в
одном из этих созвездий.
47. Наилучшая вечерняя видимость Венеры (наибольшее ее удаление к востоку от Солнца) была 5 февраля. Когда в следующий раз наступила видимость Венеры в тех же условиях, если ее сидерический период обращения равен 225 d ?
Решение:
Наилучшая вечерняя видимость Венеры наступает во время ее
восточной элонгации. Следовательно, следующая наилучшая вечерняя видимось
наступит во время следующей восточной элонгации. А промежуток времени между
двумя последовательными восточными элонгациями равен синодическому периоду
обращения Венеры и легко может быть вычислен:
или P =587 d . Значит, следующая вечерняя видимость Венеры в тех же условиях наступит через 587 дней, т.е. 14-15 сентября следующего года.
48. (663) Определить массу Урана в единицах массы Земли, сравнивая движение Луны вокруг Земли с движением спутника Урана - Титанией, обращающегося вокруг него с периодом 8 d .7 на расстоянии 438 000 км. Период обращения Луны вокруг Земли 27 d .3, и среднее расстояние ее от Земли составляет 384 000 км.
Решение:
Для решения задачи необходимо воспользоваться третьим уточненным
законом Кеплера. Так как для любого тела массой m
, обращающегося вокруг
другого тела массой на среднем расстоянии a
с периодом T
:
 |
(36) |
То мы имеем право для любой пары обращающихся друг вокруг друга небесных тел
записать равенство:
Принимая за первую пару Уран с Титанией, а за вторую - Землю с Луной, а также пренебрегая массой спутников по сравнению с массой планет получим:
49. Принимая орбиту Луны за окружность и зная орбитальную скорость движения Луны v Л = 1.02 км/с, определить массу Земли.
Решение:
Вспомним формулу для квадрата круговой скорости () и подставим
среднее расстояние Луны от Земли a
Л (см. предыдущую задачу):
50. Вычислить массу двойной звезды Центавра, у которой период обращения компонентов вокруг общего центра масс T=79 лет, а расстояние между ними 23.5 астрономических единицы (а.е.). Астрономической единицей называется расстояние от Земли до Солнца, равное примерно 150 млн. км.
Решение:
Решение этой задачи аналогично решению задачи о массе Урана.
Только при определении масс двойных звезд их сравнивают с парой Солнце-Земля
и выражают их массу в массах Солнца.
51. (1210) Вычислите линейные скорости космического корабля в перигее и апогее, если над Землей в перигее он пролетает на высоте 227 км над поверхностью океана и большая ось его орбиты составляет 13 900 км. Радиус и масса Земли 6371 км и 6.0 10 27 г.
Решение: Рассчитаем расстояние от спутника до Земли в апогее (наибольшем расстоянии от Земли). Для этого необходимо зная расстояние в перигее (наименьшее расстояние от Земли) вычислить эксцентриситет орбиты спутника по формуле () и затем определить искомое расстояние используя формулу (32). Получим h a = 931 км.
Момент, когда планеты находятся на максимальном сближении друг с другом, называется оппозицией. Расстояние между планетами может изменяться даже в оппозиции. Ближайшее расстояние от Земли до Венеры составляет 38 миллионов километров.
А самое дальнее — 261 млн. км. В то время как это кажется удивительно большим, это ничто по сравнению с дистанцией между другими планетами. Попробуйте представить себе, как далеко находится Земля от Нептуна.
Относительная близость Венеры помогает объяснить, почему это второй по яркости объект в ночном небе. Она имеет видимую звездную величину около -4,9. Она также может полностью исчезнуть с ночного неба, когда находится на самой дальней, от нас, точке орбиты.
Видимая звездная величина зависит также от отражательной способности облаков из серной кислоты, которые доминируют в ее атмосфере. Эти облака отражают большую часть видимого света, увеличивая альбедо планеты.
Транзиты планеты
Венера будет периодически проходить по диску Солнца. Это называется транзитом по диску Солнца. Эти транзиты происходят парами с более чем столетним интервалом. С появлением телескопа, транзиты были обнаружены в 1631, 1639, 1761, 1769 и 1874, 1882 годах. Самые последние произошли 8 июня 2004 года и 6 июня 2012 года.
Венера всегда ярче любой звезды. Когда расстояние от нее до Земли наименьшее, яркость планеты в небе Земли наибольшая.
Она может быть легко заметна, когда Солнце находится низко над горизонтом. Она всегда находится примерно в 47 ° от Солнца.
Планета вращается быстрее, чем Земля, поэтому обгоняет ее каждые 584 дня. Когда это происходит, ее легче видеть утром, сразу после восхода Солнца.
| · · · · | |
Знаете ли вы, что такое орбита планеты? География (6 класс) дала нам понятие о но многие наверняка так и не поняли, что же это такое, для чего она нужна и что будет, если планета изменит свою орбиту.
Понятие орбиты
Итак, что такое орбита планеты? Самое простое определение: орбита - это путь тела вокруг Солнца. Тяготение вынуждает двигаться по одному и тому
же пути вокруг звезды из года в год, из миллиона лет в следующий миллион. В среднем планеты имеют эллипсоидную орбиту. Чем ближе ее форма приближена к кругу,
тем стабильнее погодные условия на планете.
Основные характеристики орбиты - период обращения и радиус. Средний радиус - это средняя величина между минимальным значением диаметра орбиты и
максимальным. Период обращения - это тот отрезок времени, который необходим небесному телу для того, чтобы полностью пролететь вокруг звезды.Чем больше
расстояние, разделяющее звезду и планету, тем больше будет период обращения, поскольку воздействие гравитации звезды на окраине системы гораздо слабее, чем в ее центре.
Поскольку абсолютно круглой не может быть ни одна орбита, в течение планетарного года планета бывает на различном удалении от звезды. Место, где
планета ближе всего расположена к звезде, принято называть периастром. Точка, самая далекая от светила, напротив, именуется апоастром. Для Солнечной системы это
перигелий и афелий соответственно.
Элементы орбиты
Что такое орбита планеты, понятно. Что же представляют ее элементы? Существует несколько элементов, которые принято выделять у орбиты. Именно по этим параметрам ученые определяют вид орбиты, характеристики движения планеты и некоторые другие несущественные для обывателя параметры.
- Эксицентриситет. Это показатель, который помогает понять, насколько вытянута орбита планеты. Чем ниже эксицентриситет, тем более округлую форму имеет орбита, тогда как небесное тело с высоким эксицентриситетом движется вокруг звезды по сильно вытянутому эллипсу. Планеты Солнечной системы имеют крайне низкие эксицентриситеты, что говорит об их практически круглых орбитах. Для комет характерны необычайно высокие эксцентриситеты.
- Большая полуось. Ее рассчитывают от планеты до усредненной точки на половине пути вдоль орбиты. Это не синоним апастрона, поскольку звезда располагается не в центре орбиты, а в одном из ее фокусов.
- Наклонение. Для этих расчетов орбита планеты представляет собой некую плоскость. Второй параметр - базовая плоскость, то есть орбита какого-то конкретного тела в звездной системе или же принятая условно. Так в Солнечной системе базовой считают ее принято называть эклиптикой. Для планет других звезд таковой принято считать ту плоскость, которая лежит на линии обозревателя с Земли. В нашей системе почти все орбиты расположены в плоскости эклиптики. Однако кометы и некоторые другие тела движутся под высоким углом к ней.
Орбиты солнечной системы
Итак, обращение вокруг звезды - это то, что называют орбитой планеты. В нашей Солнечной системе орбиты всех планет направлены в том же направлении, в котором
вращается Солнце. Такое движение объясняют теорией происхождения Вселенной: после Большого взрыва пратоплазма двигалась в одну сторону, вещества с течением
времени уплотнялись, но их движение не изменилось.
Вокруг собственной оси планеты движутся аналогично вращению Солнца. Исключением из этого являются лишь Венера и Уран, которые вокруг своей оси вращаются в
своем собственном уникальном режиме. Возможно, некогда они подверглись воздействию небесных тел, которые изменили направление их обращения вокруг своей оси.
Плоскость движения в Солнечной системе
Как уже было сказано, орбиты планет в Солнечной системе находятся почти на одной плоскости, близкой к плоскости орбиты Земли. Зная, что такое орбита планеты,
можно предположить, что причина, по которой планеты движутся в практически одной плоскости, вероятнее всего, все та же: некогда вещество, из которого теперь
состоят все тела в Солнечной системе, было единым облаком и вращалось вокруг своей оси под влиянием внешней гравитации. С течением времени вещество
разделилось на то, из которого образовалось Солнце, и то, которое долгое время было пылевым диском, вращающимся вокруг светила. Пыль постепенно образовала
планеты, а направление вращения осталось прежним.
Орбиты других планет
На эту тему сложно рассуждать. Дело в том, что мы знаем, что такое орбита планеты, но до недавнего времени мы не знали, существуют ли вообще планеты у других звезд.
Лишь недавно, используя новейшую аппаратуру и современные методы наблюдения, ученые смогли вычислить наличие планет у других звезд. Такие планеты называют
экзопланетами. Несмотря на невероятную мощность современного оборудования, заснять или увидеть удалось лишь единицы экзопланет, и наблюдение за ними удивило
ученых.
Дело в том, что эти немногие планеты словно совсем не знакомы с тем, что такое орбита планеты. География утверждает, что все тела движутся по извечным
законам. Но похоже что у других звезд законы нашей системы не действуют. Там приближенными к звезде оказались такие планеты, которые, казалось ученым, могут
существовать только на самой окраине системы. И ведут себя эти планеты совсем не так, как им следовало бы себя вести согласно расчетам: они и вращаются не в ту
сторону, что их звезда, и орбиты их лежат в различных плоскостях и имеют слишком вытянутые орбиты.
Внезапная остановка планеты
Собственно говоря, внезапная, ни с чем не связанная остановка просто нереальна. Но допустим, что это произошло.
Несмотря на остановку всего тела, его отдельные элементы не смогут также резко остановиться. А значит, магма и ядро продолжат по инерции свое движение. До полной
остановки вся начинка земли успеет провернуться не один раз, полностью ломая кору Земли. Это вызовет мгновенный выброс громадного количества лавы, громаднейшие
разломы и возникновение вулканов в крайне неожиданных местах. Таким образом, почти моментально на Земле перестанет существовать жизнь.
Кроме того, даже если удастся остановить мгновенно и "начинку", остается еще атмосфера. Она-то продолжит инерционное вращение. А это скорость порядка 500 м/с.
Такой "ветерок" сметет с поверхности все живое и неживое, унося вместе с самой атмосферой в Космос.
Постепенная остановка вращения
Если вращение вокруг своей оси прекратится не внезапно, а в течение длительного времени, минимальный шанс уцелеть существует. В результате исчезновения
центробежной силы океаны устремятся к полюсам, тогда как суша окажется на экваторе. В этой ситуации сутки будут равняться году, а смена сезонов будет соответствовать и наступлению времени суток: утро - весна, день - лето и т.д. Температурный режим будет гораздо более экстремальным, поскольку ни океаны, ни движение атмосферы не будут его смягчать.
Что будет, если Земля сойдет с орбиты?
Еще одна фантазия: что будет, если планета сойдет с орбиты? Просто переместиться на другую орбиту планета не может. Значит, ей помогло сделать это столкновение с другим небесным телом. В этом случае огромной силы взрыв уничтожит все и всех.
Если же предположить, что планета просто остановилась в пространстве, прекратив движение вокруг Солнца, то произойдет следующее. Под действием притяжения Солнца наша планета направится к нему. Догнать его она не сможет, поскольку Солнце тоже не стоит на одном месте. Но пролетит она достаточно близко от светила, чтобы солнечный ветер уничтожил атмосферу, испарил всю влагу и сжег всю сушу. Пустой сгоревший шарик полетит дальше. Достигнув орбит дальных планет, Земля повлияет на их движение. Оказавшись вблизи планет-гигантов, Земля, скорее всего, будет разорвана на мелкие кусочки.
Таковы сценарии вероятных событий при остановке Земли. Впрочем, ученые на вопрос "может ли планета сойти с орбиты" отвечают однозначно: нет. Она более или
менее успешно существовала более 4.5 миллиардов лет, и в обозримом будущем нет ничего, что могло бы ей помешать продержаться еще столько же...
В астрономии земная орбита – это движение Земли вокруг Солнца со средним расстоянием 149 597 870 км. Земля полностью огибает Солнце каждые 365.2563666 дней (1 звездный год). При данном движении Солнце перемещается по отношению к звездам на 1° в день (или диаметр Солнца или Луны каждые 12 часов) на восток, как это можно увидеть с Земли. Для того чтобы сделать полный оборот вокруг своей оси Земле требуется 24 часа, после чего Солнце возвращается на свой меридиан. Орбитальная скорость Земли при движении вокруг Солнца в среднем равна 30 км в секунду (108 000 км в час), что достаточно быстро, чтобы покрыть диаметр Земли (около 12700 км) за 7 минут или расстояние до Луны (384 000 км) за 4 часа.
При изучении северных полюсов Солнца и Земли было установлено, что Земля вращается по отношению к Солнцу в направлении против часовой стрелки. Также Солнце и Земля вращаются против часовой стрелки вокруг своих осей.
Земная орбита, огибая Солнце, проходит расстояние примерно 940 миллионов км за один год.
История исследования
Гелиоцентризм – теория, гласящая, что Солнце находится в центре Солнечной системы. Исторически сложилась так, что гелиоцентризм противоречит геоцентризму, который гласит, что Земля находится в центре Солнечной системы. В 16 веке Николай Коперник представил полную работу о гелиоцентрической модели вселенной, которая была во многом схожа с геоцентрической моделью Птолемея Альмагеста, представленной во 2 веке. Эта Коперниковская революция утверждала, что ретроградное движение планет только казалось таковым, и не было очевидным.
Влияние на Землю
Из-за наклона оси Земли (также известен как наклон эклиптики) наклон траектории Солнца в небе (как можно увидеть на поверхности Земли) изменяется в течение года. При наблюдении за северной широтой, когда северный полюс наклонен к Солнцу, можно увидеть, что день становится длиннее, а Солнце восходит выше. Такое положение приводит к увеличению средних температур, поскольку увеличивается количество солнечного света, достигающего поверхность. Когда северный полюс отклоняется от Солнца, то в целом температура становится прохладнее. В крайних случаях, когда солнечные лучи не достигают северного полярного круга, в определенный период днем полностью отсутствует свет (это явление называется полярной ночью). Такие изменения в климате (из-за направления наклона оси Земли) происходят в зависимости от сезонов.
События на орбите
По одному астрономическому соглашению четыре сезона определяются солнцестоянием – орбитальной точкой с максимальным наклоном оси к Солнцу или от него и равноденствием, при котором направление наклона и направление Солнца перпендикулярны друг другу. В северном полушарии зимнее солнцестояние происходит 21 декабря, летнее солнцестояние – 21 июля, весеннее равноденствие – 20 марта и осеннее равноденствие 23 сентября. Наклон оси в южном полушарии полностью противоположен ее направлению в северном полушарии. Поэтому сезоны на юге противоположны северным.
В наше время Земля проходит перигелий 3 января, а через афелий 4 июля (для других эпох см. прецессии и циклы Миланковича). Изменение направления Земли и Солнца приводит к увеличению солнечной энергии на 6,9%, которая достигает Земли в перигелии относительно афелия. Поскольку южное полушарие наклоняется к Солнцу примерно в то же время, когда Земля достигает самой ближайшей точки от Солнца, в течение года южное полушарие получает немного больше солнечной энергии, чем северное полушарие. Однако такой эффект менее значителен, чем общее изменение энергии из-за наклона оси: большинство получаемой энергии поглощают воды южного полушария.
Сфера Хилла (гравитационная сфера влияния) Земли в радиусе составляет 1500 000 километров. Это максимальное расстояние, где гравитационное влияние Земли сильнее, чем сила более отдаленных планет и Солнца. Объекты, вращающиеся вокруг Земли, должны попадать в данный радиус, иначе они могут стать несвязанными из-за гравитационного волнения Солнца.
На следующей диаграмме показано соотношение между линией солнцестояния и линией аспиды эллиптической орбиты Земли. Орбитальный эллипс (эксцентриситет преувеличен для эффекта) показан на шести изображениях Земли в перигелии (периапсида-ближайшая точка к Солнцу) с 2 по 5 января: здесь также можно увидеть мартовское равноденствие с 20 по 21 марта, точку июньского солнцестояния с 20 по 21 июня, афелий (апоцентр – дальняя точка от Солнца) с 4 по 7 июля, сентябрьское равноденствие с 22 по 23 сентября и декабрьское солнцестояние с 21 по 22 декабря. Обратите внимание, что на диаграмме показана преувеличенная форма земной орбиты. В действительности путь земной орбиты не такой эксцентрический, как показано на диаграмме.
