Helt sedan 1500-talet när Nicolaus Copernicus demonstrerade att jorden kretsade runt i solen har forskare arbetat outtröttligt för att förstå förhållandet i matematiska termer. Om denna ljusa himmelkropp - som beror på årstiderna, dagcykeln och allt liv på jorden - inte kretsar kring oss, vad är egentligen naturen på vår bana runt den?
Under flera århundraden har astronomer använt den vetenskapliga metoden för att besvara denna fråga och har fastställt att jordens omloppsbana runt solen har många fascinerande egenskaper. Och vad de har funnit har hjälpt oss att förstå varför vi mäter tid som vi gör.
Orbitalegenskaper:
Först av allt är hastigheten på jordens omloppsbana runt solen 108 000 km / h, vilket innebär att vår planet reser 940 miljoner km under en enda bana. Jorden kompletterar en bana varje 365.242199 medelvärde för soldagar, ett faktum som går långt mot att förklara varför behöver en extra kalenderdag var fjärde år (även under ett skottår).
Planetens avstånd från solen varierar beroende på den. I själva verket är jorden aldrig samma avstånd från solen från dag till dag. När jorden är närmast solen sägs den vara perihelion. Detta inträffar omkring den 3 januari varje år, när jorden är på ett avstånd av cirka 147 098 074 km.
Jordens genomsnittliga avstånd från solen är cirka 149,6 miljoner km, vilket också kallas en astronomisk enhet (AU). När den ligger längst bort från solen sägs jorden att vara på aphelion - vilket händer omkring den 4 juli där jorden når ett avstånd på cirka 152,097,701 km.
Och er av er på norra halvklotet kommer att märka att ”varmt” eller ”kallt” väder inte sammanfaller med hur nära jorden är till solen. Detta bestäms av axiell lutning (se nedan).
Elliptisk bana:
Nästa, det finns naturen på jordens omloppsbana. I stället för att vara en perfekt cirkel rör sig jorden runt solen i ett utdraget cirkulärt eller ovalt mönster. Detta är vad som kallas en "elliptisk" bana. Detta omloppsmönster beskrevs först av Johannes Kepler, en tysk matematiker och astronom, i hans seminalarbete Astronomia nova (Ny astronomi).
Efter att ha mätt banorna på jorden och Mars, märkte han att ibland verkade banorna på båda planeterna påskynda eller avta. Detta sammanföll direkt med planeterna aphelion och perihelion, vilket innebär att planeternas avstånd från solen bar ett direkt förhållande till hastigheten på deras banor. Det innebar också att både Jorden och Mars inte kretsade runt solen i perfekt cirkulära mönster.
Vid beskrivningen av elliptiska banor, använder forskare en faktor som kallas "excentricitet", vilken uttrycks i form av ett tal mellan noll och ett. Om en planets excentricitet är nära noll, är ellipsen nästan en cirkel. Om den är nära en är ellipsen lång och smal.
Jordens omloppsbana har en excentricitet på mindre än 0,02, vilket innebär att den är mycket nära att vara cirkulär. Det är därför skillnaden mellan jordens avstånd från solen vid perihelion och aphelion är mycket liten - mindre än 5 miljoner km.
Säsongsändring:
För det tredje finns det den roll som jordens omloppsbana spelar under säsongerna, som vi hänvisade till ovan. De fyra säsongerna bestäms av det faktum att jorden lutas 23,4 ° på sin vertikala axel, som kallas "axiell lutning." Denna grävning i vår bana bestämmer solstice - punkten i bana för maximal axiell lutning mot eller bort från solen - och jämvikt, när lutningens riktning och solens riktning är vinkelrätt.
Kort sagt, när den norra halvklotet lutas bort från solen, upplever den vinter medan den södra halvklotet upplever sommar. Sex månader senare, när den norra halvklotet lutas mot solen, vänds säsongsordningen.
På den norra halvklotet inträffar vintersolståndet den 21 december, sommarsolståndet är nära den 21 juni, vårjämviket är omkring 20 mars och höstlig jämvikt är den 23 september. Den axiella lutningen på den södra halvklotet är exakt motsatsen till riktningen på den norra halvklotet. Således är säsongseffekterna i söderna vända.
Även om det är sant att jorden har en perihelion, eller den punkt där den är närmast solen, och en aphelion, dess längsta punkt från solen, är skillnaden mellan dessa avstånd för minimal för att ha någon betydande inverkan på jordens säsonger och klimat.
Lagrange-poäng:
Ett annat intressant kännetecken för jordens omloppsbana runt solen har att göra med Lagrange-punkter. Det här är de fem positionerna i jordens kretsloppskonfiguration runt solen, där jorden och solens kombinerade gravitationskraft ger exakt den centripetalkraft som krävs för att kretsa med dem.
De fem Lagrange-punkterna mellan jorden är märkta (något fantasifullt) L1 till L5. L1, L2 och L3 sitter längs en rak linje som går igenom jorden och solen. L1 sitter mellan dem, L3 är på motsatt sida av solen från jorden och L2 är på motsatt sida av jorden från L1. Dessa tre Lagrange-punkter är instabila, vilket innebär att en satellit som placeras vid någon av dem kommer att röra sig från kursen om den störs i det minsta.
L4- och L5-punkterna ligger vid spetsarna av de två liksidiga trianglarna där solen och jorden utgör de två nedre punkterna. Dessa punkter ligger längs jordens bana, med L4 60 ° bakom sig och L5 60 ° framåt. Dessa två Lagrange-punkter är stabila, varför de är populära destinationer för satelliter och rymdteleskoper.
Studien av jordens omloppsbana runt solen har lärt forskare mycket om andra planeter också. Att veta var en planet sitter i förhållande till sin förälderstjärna, dess omloppsperiod, dess axiella lutning och en mängd andra faktorer är alla centrala för att avgöra om liv kan existera på en eller inte, och huruvida människor kan en dag leva eller inte där.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om jordens omloppsbana här på Space Magazine. Här är 10 intressanta fakta om jorden, hur långt är jorden från solen? Vad är jordens rotation? Varför finns det säsonger? Och vad är jordens axiella lutning?
För mer information, kolla in den här artikeln på NASA-Window's to the Universe-artikeln om elliptiska banor eller kolla NASA's Earth: Översikt.
Astronomy Cast också espidon som är relevanta för ämnet. Här är BQuestions Show: svarta svarta hål, obalansering av jorden och rymdföroreningar.
källor:
- Wikipedia - Earth's Orbit
- NASA: Windows to the Universe - Earth's Orbit
- NASA: Fråga en astrofysiker - Speed of the Earth's Rotation
