第2章 日 地 月轨道运动关系

1.地球的公转轨道

在太阳系里，水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星以及海王星，都在各自的椭圆轨道上绕太阳转动（公转）。其中地球到太阳的平均距离约为1.5亿千米，这个长度在天文学中被称为1个天文单位。地球绕太阳公转一周所用的时间为365.2422天，就是我们通常所说的一年。地球绕太阳公转的轨道是一个接近正圆的椭圆。太阳位于椭圆的一个焦点上。椭圆有半长轴、半短轴和半焦距等要素，分别用a、b、c表示，半焦距与半长轴和半短轴之间存在着这样的关系：即c2=a2-b2半焦距c与半长轴a的比值c／a，是椭圆的偏心率，用e表示，即e=c／a。

偏心率是椭圆形状的一种定量表示，e的数值大于0而小于1。e越接近0，椭圆越接近圆形；反之，e的数值越大，椭圆就越扁。经过测定，地球轨道的半长轴a为14960万千米，半短轴b为14958万千米。根据这个数据计算出地球轨道的偏心率约为0.016。

可见，地球轨道是一个非常接近于圆形的椭圆。

由于地球轨道是椭圆形的，随着地球的绕日公转，日地之间的距离也会不断发生变化。地球距离太阳最近的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较近的一端，称为近日点。在近代，地球过近日点的日期大约在每年1月初，此时地球距太阳约为14710万千米，通常称为近日距。地球距离太阳最远的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较远的一端，称为远日点。在近代，地球过远日点的日期大约在每年的7月初。此时地球距太阳约为15210万千米，通常称为远日距。近日距和远日距二者的平均值为14960万千米，这就是日地平均距离，即1个天文单位。根据椭圆周长的计算公式：

L=2πα（1-0.25×e2）

我们可以计算出地球轨道的全长是9.4亿千米。也就是说，我们的地球在以30千米／秒的速度绕太阳公转。不识庐山真面目，只缘身在此山中，处于地球上的观测者，是无法感受到自身如此的快速运动。人们能观察到的，仅仅是太阳每年相对于恒星背景运动一周，划出一个大圆。这个大圆，就是地球绕太阳公转的轨道，在天文学中我们习惯把它称之为太阳周年视运动轨迹，简称黄道。

2.太阳周年视运动是怎么回事

为了说明太阳的周年视运动，我们用一个动点与一个定点的关系来进行分析。

假如，动点A在绕定点B做逆时针的圆周运动，则在定点B看上去，A点的轨迹是一个圆形。若以动点A为参照系，则定点B的运动特征与A是完全相同的，即B点的运动轨迹也是圆形的，运动方向也是逆时针的。但是，A绕B的运动是一种真运动，而B绕A的运动则是一种视运动，它是A绕B运动的一种直观反映。

上面提到的动点A就像我们的地球，定点B则像太阳。地球绕太阳做椭圆转动，但是作为地球上的观测者，感受到的只是太阳在绕地球做椭圆运动，这种运动就称为太阳周年视运动。我们引入天球，这个以地球为球心任意半径的假想球体来研究天体运动，那么太阳周年视运动实际上就是地球公转“真实运动”在天球上的反映。

3.地球的自转

太阳系中的行星，除了周而复始地绕日公转外，自转也是一种非常普遍的运动形式，我们的地球也不例外。从北极点向下看，地球是在以穿越南北极的假想直线为轴逆时针自转，这条轴线也被称为地球自转轴。自转的平均角速度为7.292×10度／秒，在地球赤道上的自转线速度达到465米／秒。人们对地球自转最直观的感受，就要数日月星辰的东升西落了。天空中的一颗恒星，连续2次出现在同一位置的时间间隔为23小时56分4秒，这就是地球自转的周期。恒星东升西落的速度约为15°／时，就是说，我们在1个小时内看到天上的星星由东向西移动15°。

4.月球的公转

与地球的公转相比，月球绕地球公转可以直接被我们观测到，它相对恒星背景每天都自西向东移动13。左右，所划出的轨迹就是它的公转轨道，也就是我们通常所说的白道。公转的周期为27.32166天。和地球绕太阳的运动类似，月球在绕地球公转时二者的距离也并不固定。最近时月球距离我们差不多是36万千米，最远时能超过40万千米，平均距离约为38万千米。月球的质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1／81。如此大质量而又距离较近的两个天体，它们之间的引力作用一定是巨大而又复杂的。由于月球绕地球公转的轨道由多种因素决定，因此白道既不重合于天赤道（地球赤道在天球上投影出的大圆），也不平行于黄道面。通过长期对月球位置的观测，人们发现白道与黄道有一个5°09′的夹角。

5.月球也在自转

月球在绕地球公转的同时也在自转，自转周期为27.32166日，正好与公转周期相同，所以我们看不见月球背面。这种现象称为“同步自转”，这几乎是卫星世界的普遍规律。

但由于月球自转的“赤道面”与公转轨道平面有一个6°41′的夹角，就会导致在月球运动过程中，地面上某一点的观测者多少还能看出月面边沿有前后的摆动。这一现象被称为月球天平动，因此我们能看到大约60％的月球表面，而非正好50％。