Эксцентриситет орбиты
Часть серии о |
Астродинамика |
---|
В астродинамике эксцентриситет орбиты — астрономического объекта безразмерный параметр , определяющий, насколько его орбита вокруг другого тела отклоняется от идеального круга . Значение 0 соответствует круговой орбите , значения от 0 до 1 образуют эллиптическую орбиту , 1 — параболическую орбиту ухода (или орбиту захвата), а значение больше 1 — гиперболу . Этот термин получил свое название от параметров конических сечений , поскольку каждая орбита Кеплера является коническим сечением. Обычно он используется для решения изолированной задачи двух тел , но существуют расширения для объектов, следующих по розеточной орбите через Галактику.
Определение
[ редактировать ]В задаче двух тел с силой обратных квадратов каждая орбита является орбитой Кеплера . Эксцентриситет , этой орбиты Кеплера — неотрицательное число определяющее ее форму.
Эксцентриситет может принимать следующие значения:
- Круговая орбита : е = 0
- Эллиптическая орбита : 0 < e <1
- Параболическая траектория : e = 1
- Гиперболическая траектория : e > 1
Эксцентриситет e определяется выражением [1]
где E — полная орбитальная энергия , L — угловой момент , m red — приведенная масса , и коэффициент центральной силы закона обратных квадратов , например, в теории гравитации или электростатике в классической физике : ( отрицательна для силы притяжения, положительна для отталкивающей; связанное с проблемой Кеплера )
или в случае гравитационной силы: [2] : 24
где ε — удельная орбитальная энергия (полная энергия, деленная на приведенную массу), μ — стандартный гравитационный параметр, основанный на полной массе, а h — удельный относительный угловой момент ( угловой момент, деленный на приведенную массу). [2] : 12–17
Для значений e от 0 до 1 форма орбиты представляет собой все более вытянутый (или более плоский) эллипс; для значений e от 1 до бесконечности орбита представляет собой ветвь гиперболы, совершающую полный оборот на 2 arccsc ( e ) , уменьшающуюся от 180 до 0 градусов. Здесь полный поворот аналогичен числу поворотов , но для открытых кривых (угол, охватываемый вектором скорости). Предельный случай между эллипсом и гиперболой, когда e равно 1, является параболой.
Радиальные траектории классифицируются как эллиптические, параболические или гиперболические в зависимости от энергии орбиты, а не эксцентриситета. Радиальные орбиты имеют нулевой угловой момент и, следовательно, эксцентриситет равен единице. При сохранении постоянной энергии и уменьшении углового момента каждая эллиптическая, параболическая и гиперболическая орбиты стремятся к соответствующему типу радиальной траектории, в то время как e стремится к 1 (или в параболическом случае остается 1).
Для силы отталкивания применима только гиперболическая траектория, включая радиальный вариант.
Для эллиптических орбит простое доказательство показывает, что дает угол проекции идеального круга на эллипс с эксцентриситетом e . Например, чтобы просмотреть эксцентриситет планеты Меркурий ( e = 0,2056), нужно просто вычислить обратный синус , чтобы найти угол проекции 11,86 градуса. Тогда, наклонив любой круглый объект на этот угол, видимый эллипс этого объекта, проецируемый на глаз зрителя, будет иметь такой же эксцентриситет.
Этимология
[ редактировать ]Слово «эксцентричность» происходит от средневекового латинского eccentricus , происходящего от греческого ἔκκεντρος ekkentros «вне центра», от ἐκ- ek- «вне» + κέντρον kentron «центр». Слово «эксцентрик» впервые появилось на английском языке в 1551 году с определением «...круг, в котором земля, солнце и т. д. отклоняются от своего центра». [ нужна ссылка ] В 1556 году, пять лет спустя, сложилась прилагательная форма этого слова.
Расчет
[ редактировать ]Эксцентриситет орбиты можно рассчитать по векторам состояния орбиты как величину эксцентриситета вектора : где:
- e — вектор эксцентриситета ( «вектор Гамильтона» ). [2] : 25, 62–63
Для эллиптических орбит его также можно рассчитать по перицентру и апоцентру , поскольку и где а — длина большой полуоси . где:
- r a — радиус в апоапсисе (также «апофокус», «афелий», «апогей»), т. е. наибольшее расстояние орбиты до центра масс системы, который является фокусом эллипса.
- r p — радиус в перицентре (или «перифокусе» и т. д.), ближайшем расстоянии.
Большая полуось a также представляет собой усредненное по пути расстояние до центра масс: [2] : 24–25 а усредненное по времени расстояние равно a(1 + ee/2). [1]
Эксцентриситет эллиптической орбиты можно использовать для получения отношения радиуса апоцентра к радиусу перицентра :
Для Земли эксцентриситет орбиты e ≈ 0,016 71 , апоапсис — это афелий, а периапсис — это перигелий относительно Солнца.
Для годовой орбиты Земли отношение самого длинного радиуса ( ra ) / самого короткого радиуса ( r p ) равно
Примеры
[ редактировать ]Объект | Эксцентриситет |
---|---|
Тритон | 0.000 02 |
Венера | 0.006 8 |
Нептун | 0.008 6 |
Земля | 0.016 7 |
Титан | 0.028 8 |
Уран | 0.047 2 |
Юпитер | 0.048 4 |
Сатурн | 0.054 1 |
Луна (Луна) | 0.054 9 |
Церера | 0.075 8 |
Веста | 0.088 7 |
Марс | 0.093 4 |
10 Гигея | 0.114 6 |
хотелось бы | 0.155 9 |
Грязный | 0.188 7 |
Меркурий | 0.205 6 |
2 Палласа | 0.231 3 |
Плутон | 0.248 8 |
3 июня | 0.255 5 |
324 Бамберга | 0.340 0 |
Эрис | 0.440 7 |
Нереида | 0.750 7 |
Седна | 0.854 9 |
Комета Галлея | 0.967 1 |
Комета Хейла-Боппа | 0.995 1 |
Комета Икея-Секи | 0.999 9 |
Комета МакНота | 1.000 2 [а] |
С/1980 Е1 | 1.057 |
Прежде всего | 1.20 [б] |
2I/Borisov | 3.5 [с] |
В таблице приведены значения для всех планет и карликовых планет, а также выбранных астероидов, комет и спутников. Меркурий имеет самый большой эксцентриситет орбиты среди всех планет Солнечной системы ( e = 0,2056 ), за ним следует Марс с 0,093 4 . Такого эксцентриситета достаточно, чтобы Меркурий получал вдвое больше солнечного излучения в перигелии, чем в афелии. До понижения статуса планеты в 2006 году Плутон считался планетой с самой эксцентричной орбитой ( e = 0,248 ). Другие транснептуновые объекты имеют значительный эксцентриситет, особенно карликовая планета Эрида (0,44). Еще дальше Седна имеет чрезвычайно высокий эксцентриситет 0,855 из-за ее предполагаемого афелия 937 а.е. и перигелия около 76 а.е., возможно, под влиянием неизвестного объекта(ов) .
Эксцентриситет орбиты Земли время составляет около 0,0167 ; в настоящее его орбита почти круговая. Нептун и Венера меньший эксцентриситет — и 0,0086 0,0068 соответственно имеют еще , причем последний является наименьшим эксцентриситетом орбиты среди всех планет Солнечной системы. За сотни тысяч лет эксцентриситет орбиты Земли изменяется от почти до 0,0034 почти 0,058 в результате гравитационного притяжения между планетами. [3]
Луны Значение составляет 0,054 9 , это самая эксцентричная из больших лун Солнечной системы. Четыре галилеевых спутника ( Ио , Европа , Ганимед и Каллисто ) имеют эксцентриситет менее 0,01. Нептуна Самый большой спутник Тритон имеет эксцентриситет 1,6 × 10. −5 ( 0.000 016 ), [4] наименьший эксцентриситет среди всех известных спутников Солнечной системы; [ нужна ссылка ] его орбита настолько близка к идеальному кругу, насколько это возможно в настоящее время. [ когда? ] измерено. Спутники меньшего размера, особенно спутники неправильной формы , могут иметь значительный эксцентриситет, например, третий по величине спутник Нептуна, Нереида , равный 0,75 .
Солнечной системы Большинство астероидов имеют эксцентриситет орбит от 0 до 0,35 со средним значением 0,17. [5] Их сравнительно высокий эксцентриситет, вероятно, обусловлен влиянием Юпитера и прошлыми столкновениями.
Кометы имеют очень разные значения эксцентриситета. периодических комет обычно составляет от 0,2 до 0,7. Эксцентриситет [6] но некоторые из них имеют сильно эксцентричные эллиптические орбиты с эксцентриситетом чуть ниже 1; например, комета Галлея имеет значение 0,967. Непериодические кометы движутся по почти параболическим орбитам и, таким образом, имеют эксцентриситет еще ближе к 1. Примеры включают комету Хейла-Боппа со значением 0,995 1 , [7] Комета Икея-Секи со значением 0,999 9 и комета МакНота (C/2006 P1) со значением 1,000 019 . [8] Поскольку значения первых двух меньше 1, их орбита эллиптическая, и они вернутся. [7] У Макнота гиперболическая орбита , но она находится под влиянием планет. [8] все еще связан с Солнцем с орбитальным периодом около 10 5 годы. [9] Комета C/1980 E1 имеет самый большой эксцентриситет среди всех известных гиперболических комет солнечного происхождения с эксцентриситетом 1,057. [10] и в конечном итоге покинет Солнечную систему.
` Оумуамуа - первый межзвездный объект , проходящий через Солнечную систему. Эксцентриситет его орбиты 1,20 указывает на то, что Оумуамуа никогда не был гравитационно связан с Солнцем. Он был обнаружен на расстоянии 0,2 а.е. ( 30 000 000 км; 19 000 000 миль) от Земли и имеет диаметр около 200 метров. Его межзвездная скорость (скорость на бесконечности) составляет 26,33 км/с ( 58 900 миль в час).
Среднее среднее
[ редактировать ]Средний эксцентриситет объекта — это средний эксцентриситет в результате возмущений за данный период времени. Нептун в настоящее время имеет мгновенный (текущая эпоха ) эксцентриситет 0,011 3 , [11] но с 1800 по 2050 год средний эксцентриситет составляет 0,008 59 . [12]
Климатический эффект
[ редактировать ]Орбитальная механика требует, чтобы продолжительность сезонов была пропорциональна площади земной орбиты, проходящей между солнцестояниями и равноденствиями , поэтому, когда орбитальный эксцентриситет экстремальный, сезоны, которые происходят на дальней стороне орбиты ( афелии ), могут быть существенно длиннее. по продолжительности. Осень и зима в северном полушарии происходят при наибольшем сближении ( перигелии ), когда Земля движется с максимальной скоростью, тогда как в южном полушарии происходит обратное. В результате в северном полушарии осень и зима немного короче весны и лета, но в глобальном плане это уравновешивается тем, что они длиннее ниже экватора. В 2006 году лето в северном полушарии было на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени из-за эксцентриситета орбиты. [13] [14]
Апсидальная прецессия также медленно меняет место на орбите Земли, где происходят солнцестояния и равноденствия. Это медленное изменение орбиты Земли, а не оси вращения, которое называется осевой прецессией . Климатические последствия этого изменения являются частью циклов Миланковича . В течение следующих 10 000 лет зима в северном полушарии постепенно станет длиннее, а лето – короче. Любой эффект охлаждения в одном полушарии уравновешивается потеплением в другом, а любому общему изменению будет противодействовать тот факт, что эксцентриситет орбиты Земли уменьшится почти вдвое. [15] Это уменьшит средний радиус орбиты и повысит температуру в обоих полушариях ближе к пику середины межледниковья.
Экзопланеты
[ редактировать ]Из многих обнаруженных экзопланет большинство имеют более высокий эксцентриситет орбиты, чем планеты Солнечной системы. Обнаруженные экзопланеты с низким эксцентриситетом орбиты (почти круговые орбиты) расположены очень близко к своей звезде и приливно-приливно привязаны к звезде. Все восемь планет Солнечной системы имеют околокруговые орбиты. Обнаруженные экзопланеты показывают, что Солнечная система с ее необычайно низким эксцентриситетом является редкой и уникальной. [16] Одна теория объясняет этот низкий эксцентриситет большим количеством планет в Солнечной системе; другой предполагает, что он возник из-за уникальных поясов астероидов. несколько других многопланетных систем Было обнаружено , но ни одна из них не похожа на Солнечную систему. Солнечная система имеет уникальные планетезимальные системы, благодаря которым планеты имеют почти круговые орбиты. Солнечные планетезимальные системы включают пояс астероидов , семейство Хильда , пояс Койпера , облако Хиллса и облако Оорта . Обнаруженные экзопланетные системы либо не имеют планетезимальных систем, либо имеют очень большую систему. Низкий эксцентриситет необходим для обитаемости, особенно для продвинутой жизни. [17] Планетные системы с высокой множественностью с гораздо большей вероятностью будут иметь обитаемые экзопланеты. [18] [19] Гипотеза «большого поворота» Солнечной системы также помогает понять ее почти круговые орбиты и другие уникальные особенности. [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27]
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Авраам, Ральф (2008). Основы механики . Джеррольд Э. Марсден (2-е изд.). Провиденс, Род-Айленд: Паб AMS Chelsea/Американское математическое общество. ISBN 978-0-8218-4438-0 . OCLC 191847156 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Бейт, Роджер Р.; Мюллер, Дональд Д.; Уайт, Джерри Э.; Сэйлор, Уильям В. (2020). Основы астродинамики . Курьер Дувр . ISBN 978-0-486-49704-4 . Проверено 4 марта 2022 г.
- ^ А. Бергер и М. Ф. Лутре (1991). «График эксцентриситета орбиты Земли» . Государственный музей Иллинойса (значения инсоляции для климата за последние 10 миллионов лет). Архивировано из оригинала 6 января 2018 года.
- ^ Дэвид Р. Уильямс (22 января 2008 г.). «Информационный бюллетень о спутнике Нептуна» . НАСА.
- ↑ Астероиды . Архивировано 4 марта 2007 г. в Wayback Machine.
- ^ Льюис, Джон (2 декабря 2012 г.). Физика и химия Солнечной системы . Академическая пресса. ISBN 9780323145848 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Обозреватель базы данных малых тел JPL: C/1995 O1 (Hale-Bopp)» (последние наблюдения 22 октября 2007 г.) . Проверено 5 декабря 2008 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Обозреватель базы данных малых тел JPL: C/2006 P1 (McNaught)» (последние наблюдения 11 июля 2007 г.) . Проверено 17 декабря 2009 г.
- ^ «Комета C/2006 P1 (Макнота) – факты и цифры» . Пертская обсерватория в Австралии. 22 января 2007 г. Архивировано из оригинала 18 февраля 2011 г.
- ^ «Обозреватель базы данных малых тел JPL: C/1980 E1 (Боуэлл)» (последние наблюдения 2 декабря 1986 г.) . Проверено 22 марта 2010 г.
- ^ Уильямс, Дэвид Р. (29 ноября 2007 г.). «Информационный бюллетень о Нептуне» . НАСА.
- ^ «Кеплеровы элементы для 1800–2050 годов нашей эры» JPL «Динамика солнечной системы » . Проверено 17 декабря 2009 г.
- ↑ Данные Военно-морской обсерватории США, архивированные 13 октября 2007 г. на Wayback Machine.
- ^ Бергер А.; Лутре МФ; Мелис Дж.Л. (2006). «Экваториальная инсоляция: от гармоник прецессии до частот эксцентриситета» (PDF) . Клим. Прошлое Обсудить . 2 (4): 519–533. doi : 10.5194/cpd-2-519-2006 .
- ^ «Долгосрочный климат» . ircamera.as.arizona.edu . Архивировано из оригинала 2 июня 2015 года . Проверено 1 сентября 2016 г.
- ^ «ЭКЦЦЕНТРИЧНОСТЬ» . exoplanets.org .
- ^ Уорд, Питер; Браунли, Дональд (2000). Редкая земля: почему сложная жизнь во Вселенной встречается редко . Спрингер. стр. 122–123. ISBN 0-387-98701-0 .
- ^ Лимбах, Массачусетс; Тернер, Э.Л. (2015). «Эксцентриситет орбиты экзопланеты: соотношение множественности и Солнечная система» . Proc Natl Acad Sci США . 112 (1): 20–4. arXiv : 1404.2552 . Бибкод : 2015PNAS..112...20L . дои : 10.1073/pnas.1406545111 . ПМЦ 4291657 . ПМИД 25512527 .
- ^ Юдин, Эндрю Н.; Рике, Джордж Х. (15 декабря 2015 г.). «Планетезимали в дисках обломков». arXiv : 1512.04996 .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Зубрицкий, Елизавета. «Юношеские путешествия Юпитера изменили определение Солнечной системы» . НАСА . Архивировано из оригинала 9 июня 2011 года . Проверено 4 ноября 2015 г.
- ^ Сандерс, Рэй (23 августа 2011 г.). «Как Юпитер сформировал нашу Солнечную систему?» . Вселенная сегодня . Проверено 4 ноября 2015 г.
- ^ Чой, Чарльз К. (23 марта 2015 г.). «Сокрушительная миграция Юпитера может объяснить нашу странную Солнечную систему» . Space.com . Проверено 4 ноября 2015 г.
- ^ Дэвидссон, доктор Бьорн-младший (9 марта 2014 г.). «Тайны пояса астероидов» . История Солнечной системы . Проверено 7 ноября 2015 г.
- ^ Раймонд, Шон (2 августа 2013 г.). «Большой Такс» . ПланетаПланета . Проверено 7 ноября 2015 г.
- ^ О'Брайен, Дэвид П.; Уолш, Кевин Дж.; Морбиделли, Алессандро; Раймонд, Шон Н.; Манделл, Ави М. (2014). «Доставка воды и гигантские воздействия в сценарии «Grand Tack»». Икар . 239 : 74–84. arXiv : 1407.3290 . Бибкод : 2014Icar..239...74O . дои : 10.1016/j.icarus.2014.05.009 . S2CID 51737711 .
- ^ Леб, Авраам; Батиста, Рафаэль; Слоан, Дэвид (август 2016 г.). «Относительная вероятность жизни как функция космического времени». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2016 (8): 040. arXiv : 1606.08448 . Бибкод : 2016JCAP...08..040L . дои : 10.1088/1475-7516/2016/08/040 . S2CID 118489638 .
- ^ «Является ли земная жизнь преждевременной с космической точки зрения?» . Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики. 1 августа 2016 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Пруссинг, Джон Э.; Конвей, Брюс А. (1993). Орбитальная механика . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-507834-9 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Мир физики: Эксцентриситет
- Страница NOAA, посвященная данным о воздействии на климат, включает (расчетные) данные Бергера (1978), Бергера и Лутре (1991). [ постоянная мертвая ссылка ] . Ласкар и др. (2004) об изменениях орбиты Земли. Включает эксцентриситет за последние 50 миллионов лет и в ближайшие 20 миллионов лет.
- Орбитальное моделирование, проведенное Варади, Гилом и Раннегаром (2003), предоставляет ряд данных об эксцентриситете и наклонении орбиты Земли.
- Моделирование второго закона Кеплера