Осевой наклон - Axial tilt

"Наклон" перенаправляется сюда. Для книги см. Наклон (книга).

В астрономия, осевой наклон, также известен как наклонность, это угол между объектами ось вращения и это орбитальный ось, или, что то же самое, угол между ее экваториальный самолет и орбитальный самолет.[1] Он отличается от наклонение орбиты.

При наклоне 0 градусов две оси указывают в одном направлении; т.е. ось вращения перпендикулярна плоскости орбиты. Наклон Земли колеблется от 22,1 до 24,5 градусов.[2] с 41 000-летним циклом. Согласно постоянно обновляемой формуле, средняя наклонность Земли в настоящее время составляет 23 ° 26′11,7 ″ (или 23,43657 °) и уменьшается.

В течение орбитальный период наклон, как правило, существенно не меняется, а ориентация оси остается прежней относительно оси. задний план из звезды. Это заставляет один полюс быть направленным больше к солнце на одной стороне орбита, а другой полюс с другой стороны - причина времена года на Земля.

Стандарты

Наклон оси Земли, Урана и Венеры

В положительный полюс планеты определяется правило правой руки: если пальцы правой руки согнуты в направлении вращения, то большой палец указывает на положительный полюс. Осевой наклон определяется как угол между направлением положительного полюса и нормалью к плоскости орбиты. Углы для Земли, Урана и Венеры составляют примерно 23 °, 97 ° и 177 ° соответственно.

Есть два стандартных метода определения наклона. В Международный астрономический союз (IAU) определяет Северный полюс планеты, как та, которая находится на северной стороне Земли неизменный самолет из Солнечная система;[3] в рамках этой системы, Венера наклоняется на 3 ° и вращается ретроградный, напротив большинства других планет.[4][5]

IAU также использует правило правой руки определить положительный полюс[6] с целью определения ориентации. Используя это соглашение, Венера наклонена на 177 ° («вверх ногами»).

Земля

Дальнейшая информация: Эклиптика § Наклон
Смотрите также: Вращение Земли и С центром на Земле инерциальный
Наклон оси Земли (наклон) в настоящее время составляет около 23,4 °.

Земля с орбитальный самолет известен как эклиптика самолет, и Наклон Земли известен астрономам как наклон эклиптики, являющийся углом между эклиптикой и небесный экватор на небесная сфера.[7] Он обозначается Греческая буква ε.

Земля в настоящее время имеет наклон оси около 23,44 °.[8] Это значение остается примерно таким же относительно неподвижной орбитальной плоскости на протяжении всех циклов осевая прецессия.[9] Но эклиптика (т.е.., Орбита Земли) движется за счет планетарного возмущения, а наклон эклиптики не является фиксированной величиной. В настоящее время он снижается примерно на 47″[10] на век (подробности см. в Короткий срок ниже).

История

Наклон Земли, возможно, был достаточно точно измерен еще в 1100 году до нашей эры в Индии и Китае.[11] У древних греков были хорошие измерения наклона примерно с 350 г. до н.э., когда Пифей Марселя измерил тень гномон в день летнего солнцестояния.[12] Около 830 г. н.э., халиф Аль-Мамун Багдада поручил своим астрономам измерить наклон, и результат долгие годы использовался в арабском мире.[13] В 1437 г. Улугбека определила наклон оси Земли как 23 ° 30′17 ″ (23,5047 °).[14]

Это было широко распространено во времена Средний возраст, что и прецессия, и наклон Земли колебались вокруг среднего значения с периодом 672 года, идея, известная как трепет равноденствий. Возможно, первым, кто понял, что это неверно (в историческое время), был Ибн аль-Шатир в четырнадцатом веке[15]и первым, кто осознал, что наклон уменьшается с относительно постоянной скоростью, был Fracastoro в 1538 г.[16] Первые точные современные западные наблюдения за углом наклона, вероятно, принадлежали Тихо Браге от Дания, ок. 1584 г.,[17] хотя наблюдения нескольких других, в том числе аль-Мамун, ат-Туси,[18] Purbach, Региомонтан, и Вальтер, мог предоставить аналогичную информацию.

Времена года

Основная статья: Время года
Ось Земли остается ориентированной в одном направлении по отношению к фоновым звездам независимо от того, где она находится. орбита. Лето в северном полушарии происходит в правой части этой диаграммы, где северный полюс (красный) направлен к Солнцу, а зима - слева.

Земля ось остается наклоненной в одном и том же направлении по отношению к фоновым звездам в течение года (независимо от того, где она находится на своем орбита ). Это означает, что один полюс (и связанный с ним полушарие Земли ) будет направлен от Солнца по одну сторону орбиты, а через пол-орбиты (полгода спустя) этот полюс будет направлен к Солнцу. Это причина земного времена года. Лето происходит в Северное полушарие когда северный полюс направлен к Солнцу. Вариации наклона оси Земли могут влиять на времена года и, вероятно, являются фактором в долгосрочной перспективе. изменение климата (также см Циклы Миланковича ).

Связь между наклоном оси Земли (ε) к тропическому и полярному кругам

Колебание

Короткий срок

Наклон эклиптики за 20 000 лет, из Ласкара (1986). Красная точка представляет 2000 год.

Точное угловое значение угла наклона определяется путем наблюдения за движением Земли и планеты на протяжении многих лет. Астрономы производят новые фундаментальные эфемериды как точность наблюдение улучшается и по мере понимания динамика увеличивается, и из этих эфемерид выводятся различные астрономические значения, включая наклон.

Годовой альманахи публикуются со списком производных значений и методов использования. До 1983 г. Астрономический альманах угловое значение среднего наклона для любой даты было рассчитано на основе работа Ньюкомба, который примерно до 1895 г. анализировал положение планет:

ε = 23° 27′ 8.26″ − 46.845″ Т − 0.0059″ Т2 + 0.00181″ Т3

где ε наклон и Т является тропические века от B1900.0 к рассматриваемой дате.[19]

С 1984 г. Лаборатория реактивного движения серии DE компьютерных эфемерид взяли на себя основные эфемериды из Астрономический альманах. Наклон на основе DE200, который анализировал наблюдения с 1911 по 1979 год, был рассчитан:

ε = 23° 26′ 21.448″ − 46.8150″ Т − 0.00059″ Т2 + 0.001813″ Т3

где в дальнейшем Т является Юлианские века от J2000.0.[20]

Основные эфемериды JPL постоянно обновляются. Например, Астрономический альманах на 2010 год указывает:[21]

ε = 23° 26′ 21.406″ − 46.836769″ Т − 0.0001831″ Т2 + 0.00200340″ Т3 − 5.76″ × 10−7 Т4 − 4.34″ × 10−8 Т5

Эти выражения для угла наклона предназначены для обеспечения высокой точности за относительно короткий промежуток времени, возможно ± несколько веков.[22] Дж. Ласкар вычислил выражение на заказ Т10 хорошее до 0,02 дюйма за 1000 лет и несколько угловые секунды более 10 000 лет.

ε = 23° 26′ 21.448″ − 4680.93″ т − 1.55″ т2 + 1999.25″ т3 − 51.38″ т4 − 249.67″ т5 − 39.05″ т6 + 7.12″ т7 + 27.87″ т8 + 5.79″ т9 + 2.45″ т10

где здесь т кратно 10 000 Юлианские годы от J2000.0.[23]

Эти выражения предназначены для так называемого значить наклон, то есть наклон, свободный от краткосрочных изменений. Периодические движения Луны и Земли по своей орбите вызывают гораздо меньшие (9,2 угловые секунды ) короткопериодические (около 18,6 лет) колебания оси вращения Земли, известные как нутация, которые добавляют периодическую составляющую к наклону Земли.[24][25] В правда или мгновенная наклонность включает эту нутацию.[26]

Длительный срок

Основная статья: Формирование и эволюция Солнечной системы

С помощью численные методы моделировать Солнечная система поведение, долгосрочные изменения в земных орбита и, следовательно, его наклонность исследовались в течение нескольких миллионов лет. За последние 5 миллионов лет угол наклона Земли варьировался от 22° 2′ 33″ и 24° 30′ 16″, со средним периодом 41 040 лет. Этот цикл представляет собой комбинацию прецессии и наибольшего срок в движении эклиптика. В течение следующего миллиона лет цикл будет иметь наклон между 22° 13′ 44″ и 24° 20′ 50″.[27]

В Луна оказывает стабилизирующее влияние на наклон Земли. Анализ частотной карты, проведенный в 1993 году, показал, что в отсутствие Луны наклон может быстро измениться из-за орбитальные резонансы и хаотическое поведение Солнечной системы, достигая 90 ° всего за несколько миллионов лет (также см Орбита Луны ).[28][29]Однако более поздние численные моделирования[30] сделанное в 2011 году показало, что даже в отсутствие Луны наклон Земли может быть не таким нестабильным; изменяется только 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.[31] Стабилизирующий эффект Луны продлится менее 2 миллиардов лет. Поскольку Луна продолжает удаляться от Земли из-за приливное ускорение, могут возникнуть резонансы, которые вызовут большие колебания угла наклона.[32]

Длительная наклонность эклиптики. Осталось: за последние 5 миллионов лет; Обратите внимание, что угол наклона колеблется только от 22,0 ° до 24,5 °. Правильно: на следующий 1 миллион лет; обратите внимание на прибл. 41 000-летний период изменения. На обоих графиках красная точка представляет 1850 год. (Источник: Бергер, 1976 г.).

Тела Солнечной системы

Сравнение периода вращения (ускорено в 10 000 раз, отрицательные значения обозначают ретроградное движение), сглаживание и наклон оси планет и Луны. (Анимация SVG)

Все четыре внутренние каменистые планеты Солнечная система возможно, в прошлом их наклонность сильно варьировалась. Поскольку наклон - это угол между осью вращения и направлением, перпендикулярным плоскости орбиты, он изменяется по мере изменения плоскости орбиты из-за влияния других планет. Но ось вращения тоже может двигаться (осевая прецессия ) из-за крутящего момента, оказываемого солнцем на экваториальную выпуклость планеты. Как и Земля, все скалистые планеты демонстрируют прецессию осей. Если бы скорость прецессии была очень высокой, наклон фактически оставался бы довольно постоянным даже при изменении плоскости орбиты.[33] Ставка варьируется из-за приливная диссипация и ядро -мантия взаимодействие, среди прочего. Когда скорость прецессии планеты приближается к определенным значениям, орбитальные резонансы может вызвать большие изменения угла наклона. Амплитуда вклада, имеющего одну из резонансных скоростей, делится на разницу между резонансной скоростью и скоростью прецессии, поэтому она становится большой, когда они похожи.[33]

Меркурий и Венера скорее всего, стабилизировались за счет приливной диссипации Солнца. Земля была стабилизирована Луной, как упоминалось выше, но до ее захватить Земля тоже могла пережить времена нестабильности. Марс наклон может быть весьма изменчивым на протяжении миллионов лет и может находиться в хаотическом состоянии; она колеблется от 0 ° до 60 ° в течение нескольких миллионов лет, в зависимости от возмущения планет.[28][34] Некоторые авторы спорят о том, что наклон Марса хаотичен, и показывают, что приливная диссипация и вязкая связь ядро-мантия достаточны для того, чтобы он достиг полностью затухающего состояния, подобного Меркурию и Венере.[4][35]Случайные сдвиги осевого наклона Марса были предложены как объяснение появления и исчезновения рек и озер в течение существования Марса. Сдвиг может вызвать выброс метана в атмосферу, вызывая потепление, но тогда метан разрушится, и климат снова станет засушливым.[36][37]

Наклоны внешних планет считаются относительно стабильными.

Ось и вращение выбранных тел Солнечной системы
ТелоНАСА, J2000.0[38]IAU, 0 января 2010, 0ч TT[39]
Осевой наклон
(градусы)		Северный полюсВращение
(часы)		Осевой наклон
(градусы)		Северный полюсВращение
(град / сутки)
Р.А. (градусы)Декабрь (градусы)Р.А. (градусы)Декабрь (градусы)
солнце7.25286.1363.87609.12B7.25А286.1563.8914.18
Меркурий0.03281.0161.421407.60.01281.0161.456.14
Венера2.64272.7667.16−5832.62.64272.7667.16−1.48
Земля23.440.0090.0023.9323.44undef.90.00360.99
Луна6.68——655.731.54C270.0066.5413.18
Марс25.19317.6852.8924.6225.19317.6752.88350.89
Юпитер3.13268.0564.499.93D3.12268.0664.50870.54D
Сатурн26.7340.6083.5410.66D26.7340.5983.54810.79D
Уран82.23257.43−15.10−17.24D82.23257.31−15.18−501.16D
Нептун28.32299.3643.4616.11D28.33299.4042.95536.31D
ПлутонE57.47(312.99)(6.16)−153.2960.41312.996.16−56.36
А с уважением к эклиптика 1850 г.
B на 16 ° широты; вращение Солнца зависит от широты
C относительно эклиптики; орбита Луны наклонена на 5,16 ° к эклиптике
D от источника радиоизлучения; видимые облака обычно вращаются с разной скоростью
E НАСА перечисляет координаты положительного полюса Плутона; Значения в скобках были интерпретированы заново, чтобы соответствовать северному / отрицательному полюсу.

Внесолнечные планеты

Звездная наклонность ψs, т.е. наклон оси звезды по отношению к плоскости орбиты одной из ее планет, был определен только для нескольких систем. Но для 49 звезд на сегодняшний день несоосность спин-орбиты по небу λ наблюдалось,[40] который служит нижним пределом ψs. Большинство этих измерений полагаются на Эффект Росситера – Маклафлина. Пока не удалось ограничить наклон внесолнечной планеты. Но вращательное сглаживание планеты и антураж из лун и / или колец, которые можно проследить с помощью высокоточной фотометрии, например космическим Космический телескоп Кеплера, может предоставить доступ к ψп в ближайшем будущем.

Астрофизики применили теории приливов и отливов, чтобы предсказать наклон внесолнечные планеты. Было показано, что наклоны экзопланет в жилая зона вокруг маломассивных звезд, как правило, эрозия менее чем за 109 лет,[41][42] что означает, что у них не было бы сезонов, как на Земле.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Управление морского альманаха военно-морской обсерватории США (1992). П. Кеннет Зайдельманн (ред.). Пояснительное приложение к астрономическому альманаху. Книги университетских наук. п. 733. ISBN  978-0-935702-68-2.
  2. ^ «Земля наклонена». timeanddate.com. Получено 25 августа 2017.
  3. ^ Пояснительное приложение 1992 г., п. 384
  4. ^ а б Correia, Alexandre C.M .; Ласкар, Жак; де Сержи, Оливье Нерон (май 2003 г.). "Долгосрочная эволюция теории вращения Венеры I." (PDF). Икар. 163 (1): 1–23. Bibcode:2003Icar..163 .... 1С. Дои:10.1016 / S0019-1035 (03) 00042-3.
  5. ^ Correia, A.C.M .; Ласкар, Дж. (2003). «Долгосрочная эволюция вращения Венеры: II. Численное моделирование» (PDF). Икар. 163 (1): 24–45. Bibcode:2003Icar..163 ... 24C. Дои:10.1016 / S0019-1035 (03) 00043-5.
  6. ^ Зайдельманн, П. Кеннет; Archinal, B.A .; a'Hearn, M. F .; Конрад, А .; Consolmagno, G.J .; Hestroffer, D .; Hilton, J. L .; Красинский, Г. А .; Neumann, G .; Оберст, Дж .; Stooke, P .; Tedesco, E. F .; Tholen, D. J .; Thomas, P.C .; Уильямс, И. П. (2007). «Отчет рабочей группы IAU / IAG по картографическим координатам и элементам вращения: 2006 г.». Небесная механика и динамическая астрономия. 98 (3): 155–180. Bibcode:2007CeMDA..98..155S. Дои:10.1007 / s10569-007-9072-у.
  7. ^ Управление морского альманаха военно-морской обсерватории США; Гидрографическое управление Великобритании; H.M. Офис морского альманаха (2008). Астрономический альманах за 2010 год. Типография правительства США. п. M11. ISBN  978-0-7077-4082-9.
  8. ^ «Глоссарий» в Астрономический альманах онлайн. (2018). Вашингтон, округ Колумбия: Военно-морская обсерватория США. s.v. наклон.
  9. ^ Шовене, Уильям (1906). Руководство по сферической и практической астрономии. 1. Дж. Б. Липпинкотт. С. 604–605.
  10. ^ Рэй, Ричард Д .; Ерофеева, Светлана Ю. (4 февраля 2014 г.). «Долгопериодные приливные вариации продолжительности дня». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 119 (2): 1498–1509. Bibcode:2014JGRB..119.1498R. Дои:10.1002 / 2013JB010830.
  11. ^ Виттманн, А. (1979). «Наклон эклиптики». Астрономия и астрофизика. 73 (1–2): 129–131. Bibcode:1979A&A .... 73..129 Вт.
  12. ^ Гор, Дж. Э. (1907). Астрономические очерки историко-описательные. Chatto & Windus. п.61.
  13. ^ Мармери, Дж. В. (1895). Прогресс науки. Чепмен и Холл, ld. п.33.
  14. ^ Седийо, L.P.E.A. (1853 г.). Prolégomènes des table Astronomiques d'OlougBeg: Traduction et commentaire. Париж: Фирмен Дидо Фререс. С. 87 и 253.
  15. ^ Салиба, Джордж (1994). История арабской астрономии: планетарные теории в золотой век ислама. п. 235.
  16. ^ Дрейер, Дж. Л. Э. (1890). Тихо Браге. А. и С. Блэк. п.355.
  17. ^ Дрейер (1890), стр. 123
  18. ^ Сайили, Айдын (1981). Обсерватория в исламе. п. 78.
  19. ^ Управление морского альманаха военно-морской обсерватории США; H.M. Управление морского альманаха (1961). Пояснительное приложение к астрономическим эфемеридам и американским эфемеридам и морскому альманаху. H.M. Канцелярские товары Офис. Раздел 2B.
  20. ^ Военно-морская обсерватория США; H.M. Управление морского альманаха (1989). Астрономический альманах за 1990 год. Типография правительства США. п. B18. ISBN  978-0-11-886934-8.
  21. ^ Астрономический альманах 2010, п. B52
  22. ^ Ньюкомб, Саймон (1906). Сборник сферической астрономии. MacMillan. стр.226 –227.
  23. ^ См. Таблицу 8 и ур. 35 дюйм Ласкар, Дж. (1986). «Секулярные термины классических планетарных теорий, использующие результаты общей теории». Астрономия и астрофизика. 157 (1): 59–70. Bibcode:1986A & A ... 157 ... 59L. и опечатка в статьеЛаскар, Дж. (1986). «Опечатка: секулярные термины классических планетарных теорий с использованием результатов общей теории». Астрономия и астрофизика. 164: 437. Bibcode:1986A & A ... 164..437L. Единицами измерения в статье являются угловые секунды, что может быть более удобным.
  24. ^ Пояснительное приложение (1961), сек. 2C
  25. ^ «Основы космического полета, глава 2». Лаборатория реактивного движения / НАСА. 29 октября 2013 г.. Получено 26 марта 2015.
  26. ^ Миус, Жан (1991). «Глава 21». Астрономические алгоритмы. Вильманн-Белл. ISBN  978-0-943396-35-4.
  27. ^ Бергер, А.Л. (1976). «Наклон и прецессия за последние 5000000 лет». Астрономия и астрофизика. 51 (1): 127–135. Bibcode:1976A&A .... 51..127B.
  28. ^ а б Laskar, J .; Робутель, П. (1993). «Хаотическая наклонность планет» (PDF). Природа. 361 (6413): 608–612. Bibcode:1993Натура.361..608Л. Дои:10.1038 / 361608a0. S2CID  4372237. Архивировано из оригинал (PDF) 23 ноября 2012 г.
  29. ^ Laskar, J .; Joutel, F .; Робутель, П. (1993). «Стабилизация наклона Земли Луной» (PDF). Природа. 361 (6413): 615–617. Bibcode:1993Натура.361..615л. Дои:10.1038 / 361615a0. S2CID  4233758.
  30. ^ Lissauer, J.J .; Barnes, J.W .; Чемберс, Дж. Э. (2011). "Вариации наклона безлунной Земли" (PDF). Икар. 217 (1): 77–87. Bibcode:2012Icar..217 ... 77L. Дои:10.1016 / j.icarus.2011.10.013.
  31. ^ Ли, Гунцзе; Батыгин, Константин (20 июля 2014 г.). «О динамике оси вращения безлунной Земли». Астрофизический журнал. 790 (1): 69–76. arXiv:1404.7505. Bibcode:2014ApJ ... 790 ... 69L. Дои:10.1088 / 0004-637X / 790/1/69. S2CID  119295403.
  32. ^ Уорд, W.R. (1982). «Комментарии о долговременной устойчивости наклонной поверхности Земли». Икар. 50 (2–3): 444–448. Bibcode:1982Icar ... 50..444Вт. Дои:10.1016/0019-1035(82)90134-8.
  33. ^ а б Уильям Уорд (20 июля 1973 г.). "Крупномасштабные вариации наклона Марса". Наука. 181 (4096): 260–262. Bibcode:1973Sci ... 181..260Вт. Дои:10.1126 / science.181.4096.260. PMID  17730940. S2CID  41231503.
  34. ^ Touma, J .; Мудрость, Дж. (1993). «Хаотическая наклонность Марса» (PDF). Наука. 259 (5099): 1294–1297. Bibcode:1993Научный ... 259.1294Т. Дои:10.1126 / science.259.5099.1294. PMID  17732249. S2CID  42933021.
  35. ^ Коррейя, Александр К.М.; Ласкар, Жак (2009). «Захват Меркурия в спин-орбитальный резонанс 3/2, включая эффект трения ядро-мантия». Икар. 201 (1): 1–11. arXiv:0901.1843. Bibcode:2009Icar..201 .... 1С. Дои:10.1016 / j.icarus.2008.12.034. S2CID  14778204.
  36. ^ Ребекка Бойл (7 октября 2017 г.). «Метановая отрыжка на молодом Марсе помогла ему сохранить жидкую воду». Новый ученый.
  37. ^ Эдвин Кайт; и другие. (2 октября 2017 г.). «Взрывы метана как триггер для неустойчивого озерообразующего климата на Марсе после Ноя» (PDF). Природа Геонауки. 10 (10): 737–740. arXiv:1611.01717. Bibcode:2017НатГе..10..737K. Дои:10.1038 / ngeo3033. S2CID  102484593.
  38. ^ Планетарные информационные бюллетени, в http://nssdc.gsfc.nasa.gov
  39. ^ Астрономический альманах 2010, стр. B52, C3, D2, E3, E55
  40. ^ Хеллер, Р. "Энциклопедия Холта-Росситера-Маклафлина". Рене Хеллер. Получено 24 февраля 2012.
  41. ^ Heller, R .; Leconte, J .; Барнс, Р. (2011). «Приливная наклонность потенциально обитаемых планет». Астрономия и астрофизика. 528: A27. arXiv:1101.2156. Bibcode:2011A и A ... 528A..27H. Дои:10.1051/0004-6361/201015809. S2CID  118784209.
  42. ^ Heller, R .; Leconte, J .; Барнс, Р. (2011). «Обитаемость внесолнечных планет и эволюция приливного вращения». Истоки жизни и эволюция биосфер. 41 (6): 539–43. arXiv:1108.4347. Bibcode:2011OLEB ... 41..539H. Дои:10.1007 / s11084-011-9252-3. PMID  22139513. S2CID  10154158.

внешние ссылки