3.4: 太阳系中的轨道

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

比较太阳系中行星的轨道特征
比较太阳系中小行星和彗星的轨道特征

回想一下，受重力影响的物体穿越太空的路径被称为其轨道，无论该物体是航天器、行星、恒星还是星系。轨道一旦确定，就可以计算出物体的未来位置。

太阳系中任何轨道上的两个点都被赋予了特殊的名称。 行星离太阳（希腊语中的太阳神）和移动速度最快的地方被称为其轨道的近日点，而距离最远、移动速度最慢的地方是远日点。 对于月球或绕地球运行的卫星（希腊语中的哎呀），相应的术语是近地点和远地点。（在这本书中，我们使用月亮这个词来表示绕行星运行的自然物体，而卫星这个词是指围绕行星旋转的人造物体。）

行星的轨道

今天，牛顿的工作使我们能够非常精确地计算和预测行星的轨道。我们知道八颗行星，首先是离太阳最近的水星，然后向外延伸到海王星。表中总结了行星的平均轨道数据 $\PageIndex{1}$ 。（谷神星是最大的小行星，现在被认为是矮行星。）

根据开普勒定律，水星必须有最短的轨道周期（88 个地球日）；因此，它的轨道速度最高，平均每秒 48 千米。在相反的极端，海王星的周期为165年，平均轨道速度仅为每秒5千米。

表 $\PageIndex{1}$ ：行星的轨道数据
星球	半长轴 (AU)	周期 (y)	怪癖
水星	0.39	0.24	0.21
金星	0.72	0.6	0.01
地球	1	1.00	0.02
火星	1.52	1.88	0.09
（谷神星）	2.77	4.6	0.08
木星	5.20	11.86	0.05
土星	9.54	29.46	0.06
天王星	19.19	84.01	0.05
海王星	30.06	164.82	0.01

所有行星的轨道偏心率都相当低。最偏心的轨道是水星轨道（0.21）；其余轨道的偏心率小于0.1。幸运的是，在其余行星中，火星的偏心率大于许多其他行星的偏心率。否则，对布拉赫的望远镜观测不足以让开普勒推断出其轨道的形状是椭圆而不是圆形。

行星轨道也被限制在公共平面附近，该平面靠近地球轨道平面（称为黄道）。矮行星冥王星的奇怪轨道向黄道倾斜约17°，矮行星厄里斯（比冥王星离太阳更远）的轨道倾斜44°，但所有主要行星都位于太阳系公共平面的10°以内。

你可以使用轨道模拟器来设计自己的迷你太阳系，最多有四个天体。调整行星的质量、速度和位置，看看它们的轨道因此会发生什么。

小行星和彗星的轨道

除了八颗行星外，太阳系中还有许多较小的天体。其中一些是卫星（天然卫星），它们绕着除水星和金星之外的所有行星运行。此外，日心轨道上还有两类较小的物体：小行星和彗星。据信，小行星和彗星都是太阳系形成过程中遗留的一小块物质。

一般而言，小行星的轨道的半长轴比彗星小（图 $\PageIndex{1}$ ）。其中大多数位于2.2至3.3 AU之间，位于被称为小行星带的区域（参见彗星和小行星：太阳系的碎片）。正如你在表中看到的那样 $\PageIndex{1}$ ，小行星带（由其最大的成员谷神星代表）位于火星和木星轨道之间的间隙中间。正是因为这两个行星相距太远，它们之间的区域才可能存在小天体的稳定轨道。

alt — 图： $\PageIndex{1}$ 太阳系轨道。我们可以看到典型彗星和小行星的轨道与水星、金星、地球、火星和木星（黑圈）的轨道进行比较。以红色显示的是三颗彗星：哈雷、科普夫和恩克。蓝色是四颗最大的小行星：谷神星、帕拉斯、维斯塔和海吉亚。

彗星的轨道通常比小行星的轨道更大，偏心率更大。通常，它们的轨道偏心率为 0.8 或更高。因此，根据开普勒第二定律，它们大部分时间都在远离太阳的地方度过，移动速度非常缓慢。当它们接近近日点时，彗星会加速并更快地穿过轨道的内部。

关键概念和摘要

卫星绕地球轨道上最近的点是其近地点，最远的点是其远地点（对应于绕太阳轨道的近日点和远日点）。行星沿着环绕太阳的轨道行驶，这些轨道几乎是圆形的，位于同一个平面上。大多数小行星位于火星和木星之间的小行星带中，而彗星通常沿着偏心率高的轨道行驶。

词汇表

远日点: 行星（或其他轨道物体）在其轨道上离太阳最远的点

最高点: 地球卫星在其轨道上离地球最远的点

小行星带: 太阳系中大多数小行星所在的火星和木星轨道之间的区域；轨道通常最稳定的主带从太阳 2.2 AU 延伸到 3.3 AU

近地点: 地球卫星在其轨道上离地球最近的点

近日点: 行星（或其他轨道物体）在其轨道上离太阳最近的点

卫星: 围绕行星旋转的物体