Что такое орбита планеты? Может ли планета сойти с орбиты? Что будет, если планета сойдет с орбиты? Орбита земли вокруг солнца Длина орбит планет солнечной системы

10.1. Планетные конфигурации

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 нижней планеты, и
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 :

Это минимально необходимая скорость, которую необходимо придать космическому аппарату, чтобы он стал искусственным спутником данной планеты. Для Земли у поверхности v к = 7.9 км/сек.

Вторая космическая скорость или параболическая скорость - это скорость, которую необходимо придать космическому аппарату, чтобы он мог покинуть сферу притяжения данной планеты по параболической орбите:

Для Земли вторая космическая скорость равна 11.2 км/сек.

Скорость небесного тела в любой точке эллиптической орбиты на расстоянии R от тяготеющего центра может быть рассчитана по формуле:

Здесь повсюду см 3 /(г с 2) - это гравитационная постоянная.

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.

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.

13 марта 1781 года английский астроном Уильям Гершель открыл седьмую планету Солнечной системы - Уран. А 13 марта 1930 года американский астроном Клайд Томбо открыл девятую планету Солнечной системы - Плутон. К началу XXI века считалось, что в Солнечную систему входят девять планет. Однако в 2006 году Международный астрономический союз решил лишить Плутон этого статуса.

Известно уже 60 естественных спутников Сатурна, большая часть из которых обнаружены при помощи космических аппаратов. Большая часть спутников состоит из горных пород и льда. Крупнейший спутник - Титан, открытый в 1655 году Христианом Гюйгенсом, - по своей величине превосходит планету Меркурий. Диаметр Титана около 5200 км. Титан облетает вокруг Сатурна каждые 16 дней. Титан - единственный спутник, обладающий очень плотной атмосферой , в 1,5 раза больше Земной, и состоящей в основном из 90% азота, с умеренным содержанием метана.

Международный астрономический союз официально признал Плутон планетой в мае 1930 года. В тот момент предполагали, что его масса сравнима с массой Земли, но позже было установлено, что масса Плутона почти в 500 раз меньше земной, даже меньше массы Луны. Масса Плутона 1,2 на 10 в22 степени кг (0,22 массы Земли). Среднее расстояние Плутона от Солнца 39,44 а.е. (5,9 на 10 в12 степени км), радиус около 1,65 тысяч км. Период обращения вокруг Солнца 248,6 года, период вращения вокруг своей оси 6,4 суток. Состав Плутона предположительно включает в себя камень и лед; планета имеет тонкую атмосферу, состоящую из азота, метана и углеродной одноокиси. У Плутона есть три спутника: Харон, Гидра и Никта.

В конце XX и начале XXI веков во внешней части Солнечной системы было открыто множество объектов. Стало очевидным, что Плутон - лишь один из наиболее крупных известных до настоящего времени объектов пояса Койпера. Более того, по крайней мере один из объектов пояса - Эрида - является более крупным телом, чем Плутон и на 27% тяжелее его. В связи с этим возникла идея не рассматривать более Плутон как планету . 24 августа 2006 года на XXVI Генеральной ассамблее Международного астрономического союза (МАС) было принято решение впредь называть Плутон не "планетой", а "карликовой планетой".

На конференции было выработано новое определение планеты, согласно которому планетами считаются тела, вращающиеся вокруг звезды (и сами не являющиеся звездой), имеющие гидростатически равновесную форму и "расчистившие" область в районе своей орбиты от других, более мелких, объектов. Карликовыми планетами будут считаться объекты, вращающиеся вокруг звезды, имеющие гидростатически равновесную форму, но не "расчистившие" близлежащее пространство и не являющиеся спутниками. Планеты и карликовые планеты - это два разных класса объектов Солнечной системы. Все прочие объекты, вращающиеся вокруг Солнца и не являющиеся спутниками, будут называться малыми телами Солнечной системы.

Таким образом, с 2006 года в Солнечной системе стало восемь планет : Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Международным астрономическим союзом официально признаны пять карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида.

11 июня 2008 года МАС объявил о введении понятия "плутоид" . Плутоидами решено называть небесные тела, обращающиеся вокруг Солнца по орбите, радиус которой больше радиуса орбиты Нептуна, масса которых достаточна, чтобы гравитационные силы придавали им почти сферическую форму, и которые не расчищают пространство вокруг своей орбиты (то есть, вокруг них обращается множество мелких объектов).

Поскольку для таких далеких объектов, как плутоиды, определить форму и тем самым отношение к классу карликовых планет пока затруднительно, ученые рекомендовали временно относить к плутоидам все объекты, абсолютная астероидная величина которых (блеск с расстояния в одну астрономическую единицу) ярче +1. Если позднее выяснится, что отнесенный к плутоидам объект карликовой планетой не является, его этого статуса лишат, хотя присвоенное имя оставят. К плутоидам были отнесены карликовые планеты Плутон и Эрида . В июле 2008 года в эту категорию был включен Макемаке. 17 сентября 2008 в список добавили Хаумеа.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

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