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公转自转应关注参考体(地球日、太阳日、恒星日三者区别)

2011年1月18日 AEROFISH 4,683 views 发表评论 阅读评论

长久以来,在看一些天文科普文章时,提到星体的自转周期时,我总是很困惑。因为不同的文章描述的同一星体的自转周期竟然不相同。比如:月亮的自转周期,有些文章写27.3天,而另一些文章写29.5天。这到底是为什么呢?

其实这就是我们的知识在被传递时,会有不同程度的删减,造成最终含义与原意有偏差,甚至是最终含义与原意完全相反的结果。

上面的例子,月亮之所以有两种自转周期,是因为天体的转动周期(包括自转、公转)这个知识点,在被传递的过程中,很多人忽略了“地球日、太阳日、恒星日”这个很重要的前提知识。

一、地球日

地球日最初是以太阳东升西落,即地球自转一周来定义的。但这种方法不太精确。

目前,地球日被精确定义为86400秒。而秒的定义是由“原子时”定义的。

(秒——铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间为1秒,其中铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是零磁场。)

地球日即是人们日常生活中常用的“Day、日、天”的含义。

1地球日=24小时=86400秒。

二、太阳日、恒星日

太阳日——太阳连续两次过同一子午圈的时间间隔。
恒星日——远处恒星连续两次过同一子午圈的时间间隔,或春分点连续两次过同一子午圈的时间间隔。

可见,太阳日、恒星日都是用来衡量天体自转一周的时间

但是,太阳日是相对于太阳的位置来测定,恒星日是相对于远处恒星的位置来测定,两者完全不同。

下图以地球自转为例:

太阳日与恒星日的比较

图中:E点为地球中心,P点为地球上的一点,S点为太阳。E1位置时,远处恒星、太阳、P点、地心四者在同一直线上。当地球到E2点时,远处恒星、P点、地心三者在同一直线上,此时地球相对于远处恒星正好自转一周,称为一个恒星日。当地球到E3点时,太阳、P点、地心三者在同一直线上,此时地球相对于太阳正好自转一周,称为一个太阳日。可见对于地球而言,太阳日略大于恒星日。

同理,如果将上图E点改为整个地球,P点改为月亮,还能得出月亮的两个公转周期(太阳月和恒星月)的定义。

由于行星公转轨道为椭圆轨道,因此在不同的轨道点测得的太阳日是不同的,但一年平均下来为每太阳日等于24小时。可见同太阳日来衡量地球自转周期的确很不精确。

而恒星日,稍微好点。因为远处的恒星相对于地日之间的距离实在是大太多了,所以远处的恒星可以忽略公转轨道的影响,更适合用来计算自转周期。

1恒星日=23小时56分4.09894秒。

三、不同参照体的应用

太阳日、恒星日的区别在于参照体不同,并且地球上的太阳日、恒星日,和其它行星的太阳日、恒星日是不同的,都要要分开计算。

自转周期、公转周期也有不同参照体应用。

1.对应行星的自转,参照体有2个,太阳和恒星(准确的说是,太阳与行星中心的连线,恒星与行星中心的连线)。

2.对于卫星的自转,参照体有3个,太阳、恒星和母体行星(准确的说是,太阳与卫星中心的连线,恒星与卫星中心的连线,以及母体行星与卫星中心的连线)。

3.对于行星的公转,参照体只有1个,太阳与远处恒星的连线。

4.对于卫星的公转,参照体有2个,太阳与母体行星的连线,恒星与母体行星的连线。

四、举例

1.对于文章开头,两种月亮自转周期的问题解释。27.3天为月亮相应于恒星的自转周期,29.5天为月亮相对于太阳的自转周期,这里的“天”代表1个地球日(24小时)。其实,月亮还有个自转周期,那就是相对于地球的自转周期为0天。

2.地球自转周期。相应于恒星的自转周期为23小时56分4.09894秒,即地球的1恒星日。相对于太阳的自转周期为年平均24小时,即地球的1太阳日。这里“年”代表地球公转1周。

3.水星自转周期。相应于恒星的自转周期为58.7天,即水星的1恒星日,相当于58.7地球日。相对于太阳的自转周期为年平均176天,即水星的1太阳日,相当于176地球日。这里“年”代表水星公转1周,为88地球日。水星公转2周,相当于3个水星的恒星日,或者1个水星的太阳日。

五、总结

1.大家在看天文科普文章中的公转、自转内容时(包括运转周期和方向),一定要注意确认其参考体是什么。遗憾的是,现在有太多的文章不注意这点,读者只能自己去判断了。

2.因为参考体的不同,所以计算恒星日的天体自转速度是匀速的,而计算太阳日的自转速度是非匀速的,只能用年平均值。


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