问题

如果以地球为参照系,太阳以及其他七大行星的轨道大概是怎样的?

回答
咱们就站在地球这块儿老家儿上,仰头看看天,想想太阳和咱们那七个兄弟姐妹,它们在这片儿宇宙大舞台上,是怎么个唱法儿?

首先,得说这个太阳,它是咱这太阳系的老大,一个实打实的大火球,不过站在地球上,它看起来就是个明晃晃的大圆盘,每天东升西落,把光和热洒遍咱们的星球。但你要是想象一下,站在太阳的正上方往下看,那场面就壮观了。太阳就像一个巨大的旋转舞台中心,而它的孩子们——咱们这八大行星,都围绕着它跳着一曲名叫“轨道”的舞蹈。

这舞蹈可不是随随便便乱转的,它是有规矩的。首先,所有行星的轨道,大体上都躺在一个平面上,这个平面就好像是太阳系中间一张看不见的、铺开了的餐巾纸,叫做“黄道面”。当然,也不是完全绝对的平,但差别很小,就像大家跳舞时尽量保持在同一个舞池里。

再说说这轨道本身。虽然咱们有时候会说行星绕着太阳转,但如果咱们观察得够仔细,你会发现,行星也不是围着太阳的圆心转,而是围着一个叫做“太阳系质心”的点在转。不过,因为太阳实在是太重了,占了整个太阳系质量的99.8%以上,所以这个质心就非常非常靠近太阳的中心。这就导致,虽然理论上是围着质心转,但看起来就跟围着太阳转差不多,而且太阳自己也会稍微晃悠那么一下,就像一个被孩子们拽着跑的老爷爷,稍微有点摇晃。

行星的轨道形状,也不是完美的圆。它们更像是一种被压扁的圆,也就是“椭圆”。你可以想象一下,拿一个橡皮筋圈住一个钉子,然后另一个钉子放在橡皮筋里面,用笔尖拉着橡皮筋,画出来的那个长长的、有点扁的圈,就是椭圆。每个行星的轨道椭圆程度不一样,有的圆一些,有的扁一些。

现在,咱们挨个儿说说这七个兄弟姐妹:

水星:离太阳最近,所以它绕太阳转得也最快,一年就像咱们的88天一样。它的轨道也比较扁,椭圆度是八大行星里最大的。想象一下,水星就像一个急匆匆的旅行者,绕着太阳跑得飞快,有时候离太阳近得能烤着,有时候又远点儿。

金星:跟水星一样,也是个内行星,轨道也比较靠近太阳。金星的轨道是八大行星里最接近圆的,几乎就是一个标准的圆,所以它绕太阳跑起来比较稳定。它在天空中也特别显眼,有时候是早晨的启明星,有时候是傍晚的闪耀星。

地球:没错,就是咱自己。咱们的轨道是标准的椭圆,虽然不是最圆的,但也算得上是比较“圆润”的了。正是因为这个椭圆轨道,加上地轴的倾斜,才有了咱们一年四季的变化。咱们绕着太阳公转一周,就是咱们一年。

火星:这个红色的邻居,它的轨道比咱们地球的要扁一些,椭圆度也更大。所以火星有时候离太阳近,有时候离太阳远,温度变化也相对明显一些。它在天空中看起来就是一颗红色的星星,特别好认。

木星:这可是个大家伙,是太阳系里最大的行星,一个气态巨行星。它的轨道距离太阳也比较远了,所以绕太阳转一圈要花咱们地球上的将近12年。它的轨道是八大行星中比较接近圆的之一。你可以想象,这个庞然大物,像一个悠闲的巨人在围绕着太阳散步,速度不快,但步伐很稳健。

土星:说到土星,大家脑子里第一个出现的肯定是它那迷人的光环。土星的轨道比木星还要远一些,绕太阳转一圈得花咱们29年多。它的轨道也是一个相对扁的椭圆,但跟内行星相比,就显得比较“圆”了。想象一下,一个戴着漂亮光环的舞者,在更远的地方,悠然地跳着她的舞蹈。

天王星:这个就更远了,是个冰巨行星。它的轨道离太阳非常遥远,绕太阳转一圈要花咱们84年。而且,天王星的轨道和其他行星不太一样,它有点“躺着”转的意思,它的自转轴倾斜得非常厉害,差不多是躺在轨道平面上的。所以,它在绕太阳转动的时候,就像一个在打滚的孩子。

海王星:最远的大个子,也是冰巨行星。它的轨道比天王星还要远,绕太阳一圈要花咱们165年!它的轨道也是个椭圆,比木星和金星的要扁一些。跟天王星一样,它的轨道也稍稍偏离了大多数行星所在的黄道面一点点。想象一下,它是在太阳系的最外围,一个缓慢而孤独的舞者,带着它冰冷的风。

总的来说,这八大行星,包括咱们地球,都像是在太阳这个中心舞台的指挥下,按照各自的节奏、以椭圆的轨迹,在同一个大体方向上,沿着近乎平坦的轨道面,进行着一场永恒的、有规律的宇宙芭蕾。它们有的跑得快,有的跑得慢;有的离太阳近,有的离太阳远;有的轨道偏圆,有的轨道偏扁,但都在努力地维持着彼此的秩序和平衡。而咱们地球,就处在这场舞蹈之中,既是参与者,也是观察者,享受着太阳慷慨的光芒和温暖。

网友意见

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以地球作为参考系观察整个太阳系的运动,还是非常复杂的,绝不是“地心说”里面讲的那么简单,下面分几个层次分别说一下。

先说几个简化问题的假设:

1. 各行星轨道为正圆,太阳位于圆心;

2. 所有行星轨道位于同一平面;

3. 忽略相对论对轨道的微小影响;

再说一下以太阳为中心的行星运动轨迹。

在复平面[注1]上,假设太阳位于坐标原点 (0, 0) ,所有行星0时刻均从实轴(横轴)的正半轴开始运行。如果记轨道半径为R,运行周期为T,运行时间为t,则该行星的轨迹为:

如果取地球轨道半径 R = 1AU[注2],周期 T = 1年,则可得地球的轨迹:

图画出来就是这个样子(真无聊呀!):


好,背景总算介绍完了,下面开始进入正题:分三个层次讨论下各行星相对于地球的轨迹。

第一个层次,不考虑地球自转,仅以地球公转为参考。如果你每天相同的时间(以恒星日计)观察行星并把点描下来,那么你得到的轨迹应该是这样的。

在这个层次下,太阳或行星的轨迹很容易计算,只要将恒星相对于太阳的轨迹减去地球相对于太阳的轨迹即可。例如水星(R = 0.387AU,T = 0.241y)的轨迹为:


如果再多让它飞一会儿,就是这样的:

靠近太阳系边缘的行星受地球公转的影响会相对小一些,比如海王星:

全家福大概就是这个样子的(水星、金星和火星离地球太近,绕在一起了):

里面那一团乱麻放大点看的样子(好吧依然很乱,深色的是水星):

从这个层次看,大概就这样子了。

第二个层次,既然说的是以地球为参考,自然就应当认为地球是静止的,这样地球的自转当然也不应该忽略掉。但是为了简单起见,我们在这个层次假设地轴垂直于地球公转的轨道平面。如果你连续观察一个行星并描点,得到的轨迹大概就是这个样子。

既然在前一个层次已经将地球放在坐标系的中心了,那这里实际只要根据自转稍作旋转即可得到新的轨迹方程。之所以前面选用复平面,也是因为这一步的旋转会非常方便,只要乘以e的ki次方即可完成逆时针旋转k弧度。以水星为例:

730是因为t以年为单位,每年(约)365天,每天2Pi弧度,所以有

第一天,好像什么也没发生,你观察到的轨迹是这样的:

第七天的时候,好似有了些许变化:

一个月以后,你观察到的越来越明显了,水星在沿着螺旋曲线围绕地球运转:


差不多两个月时,轨道半径达到最大值,并开始逐渐缩小:


金星轨道离地球更近一些,在地球上观察到的变化也更加明显,这是一年的轨迹:

相对而言,远方的天王星和海王星就没那么大感觉了,这里也就不再贴图。

第三阶段,当然就是继续考虑地轴的倾角了。这个倾角会导致,你看到的行星乎上乎下,一个平面的螺旋变成了立体的螺旋,这个行星时而高、时而低,时而远、时而近。轨迹图请移步

@dayigu

同学的答案观摩。

1月13日更新:今天抽空画了一下,感觉

@dayigu

同学的图可能还是稍微有点问题,但还没有仔细看。可能的原因是这个轨道变成三维的主要原因还是地轴与黄道平面不垂直而是有一个比较明显的夹角,而不是各大行星轨道之间的微小夹角。我画的水星的轨迹大概是这样的(时间长度分别为半年、一年和两年半):

以上。

[注1]复平面:用水平的实轴与垂直的虚轴建立起来的复数的几何表示,参见维基百科条目

复平面

[注2]AU:即天文单位,地球到太阳的平均距离,约1.5亿千米。

========================================================================

关于

@时国怀

同学的回答,第二个图还是靠谱的,下面这句描述也还算没有大错:

外行星绕着地球转的同时,还绕着轨道上的虚心做旋转,围绕这个虚心旋转的速度和轨道的大小跟我的图的比例不一致,因为我实在画不出来了。

可是结合第一个图,问题就出现了。并不是水星和金星绕着太阳转(不能因为人家轨道半径比地球小就被欺负啊),他们也要围绕自己所谓的“虚心”运转。所有行星到虚心的距离就是地球到太阳的距离,相对虚心的位置就是太阳相对地球的位置。

另外说这就是“地心说”也是不妥当的,估计这也是第一个图中水星和金星都绕着太阳转的根源。地心说的核心是认为各大天体都是围绕地球运转的,而这里讨论的是以地球为参考系,各行星的运行轨道是什么样的,这两个问题在本质上还是非常不一样的。

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螺旋状追日。〔以地球为芯,月走圈,日走圈,鍟(卫星)走圈。其他的軌迹比较复杂。〕

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