偏心率是什么意思?计算公式是什么?

米兰科维奇理论认为,北半球高纬夏季太阳辐射变化(地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的夏季日射量变化)是驱动第四纪冰期旋回的主因。米兰科维奇旋回的核心是围绕地球轨道三要素展开,即偏心率(Eccentricity)、斜率(Obliquity)和岁差(Precession)三个轨道周期。

偏心率是什么意思?计算公式是什么?

地球轨道周期

偏心率指地球轨道偏离正圆的程度,是地球轨道长轴与短轴之差和赤道半径的比,偏心率值在0.05%-6.07%范围内变化,平均在3%附近,现今值为1.67%,正处于较低振幅的时期。偏心率周期可以分为405 kyr的长偏心率周期和约100 kyr的短偏心率周期,其中405 kyr的长偏心率周期主要受木星与地球之间的相互作用,由于木星的质量非常大,保证了长偏心率周期在地质历史时期的稳定性。偏心率对日照量的影响主要体现在:当地球位于远日点时,地球表面接受日照量就少;当地球位于近日点时,地球表面接受日照量变大。但偏心率周期对日照量的直接贡献较小,通常小于1%,偏心率周期主要是通过调节岁差周期振幅来影响日照量的分布,偏心率越大则岁差振幅越大,岁差振幅变大即冬季更寒冷夏季更炎热,进而季节性差异变大,而冰期普遍发育于偏心率极小值附近。

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偏心率周期

斜率是指地轴的倾斜程度,表示地球黄道面和赤道面的夹角,斜率值变化于22.1°-24.5°之间,现今值为23°27′。斜率周期可以分为54 kyr、41 kyr和39 kyr等,但不同地质时期其周期也发生变化,主要由于气候摩擦和潮汐耗散作用使得地球自转速度变慢。斜率对日照量分布的影响主要体现在高纬度地区,斜率越大,高纬度地区夏季接受日照量增加,冬季接受日照量减少,显示为更冷的冬季和更热的夏季,即季节性差异变大,而冰期通常发生在斜率的极小值附近,主要由于较冷的夏季使得冰川可以更好保存。

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斜率周期

岁差是由于地球、太阳以及其他行星之间的引力不均衡造成,使得地球自转轴产生一个缓慢的进动,空间上类似一个正在旋转的陀螺,这种现象即为岁差,其结果可以使得近日点是在冬至点还是夏至点。岁差周期主要为20 kyr左右,例如出现24 kyr、22 kyr、19 kyr和17 kyr等,在地质历史时期,岁差周期跟斜率周期相同,也是随着时间向前推移其周期变短。在偏心率为零时,不存在近日点和远日点,此时岁差大小不能影响地球表面日照量对分布,当偏心率不为零时,偏心率可以与岁差结合共同影响日照量的分布,该新生成的岁差周期也可以称为气候岁差。在北半球,当夏至点在近日点时,则冬至点位于远日点,夏季日照量增大而变更热,冬季日照量减少而变的更冷,即季节性增强。

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岁差周期

:2002年5月22日那天,地球和太阳之间的距离是多少?随便换一天,又如何答案?

:这不是一道个特别难的计算题,但需要一些高中数学知识。

你需要知道地球绕太阳公转椭圆形轨道的公式,还有地球何时处于近日点(地球离太阳最近的点),然后你就准备好了。

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从2000年到2025年的近日点已经列在美国海军天文台页面上。地球围绕太阳旋转的轨道是一个椭圆,它的半长轴为1.496亿公里,偏心率为0.017。下图为椭圆形试图。

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你可以用这个公式“r = a(1-e*e)/(1+e cos(θ))”算出地日距离。在这个公式中,r代表地日距离,a代表半长轴,e代表偏心率,θ则代表与近日点形成的夹角。这些东西都显示在上图中。太阳的位置在这个椭圆形的焦点上,标记为“F”。在这里使用希腊字母符号θ(就是O中间有一根线的那个符号)。

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我们已知a和e的数值,而较难的是把角θ和时间联系起来(也就是日期)。这里需要寻找一个近似值,假设地球以恒定的角速率运行,这就意味着如果我们要计算今天是近日点之后的第几天,它等于今天与近日点形成的夹角θ乘以365.25(天)再除以360(度)。(因为一年中有365.25天,而走完一次全程需要360度)。

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然而这种算法并不完全正确,因为在17世纪初开普勒发现了行星在靠近太阳时的运行速度比远离太阳时快一点。这使得把夹角θ和从近日点以来的时间联系起来有点困难,但这也是可以做到的,如果你有兴趣了解,你可以在这里或者阅读有关于天体力学的书籍(需要注意的是在该连接中,θ有个学术名称叫“真近点角”并且标注为“N”(希腊数字,读作nu))。

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实际上我确实做了这个简单的计算,并画出了一个结果图如下所示。请注意,距离在图表上被错误地标记为以百万公里为单位,而实际上是以亿公里为单位。

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2002年5月22日,也是2002年1月2日近日点的日的140天后,这意味着地球离太阳大约1.515亿公里远(你可以从上图中读出)。地球到太阳的平均距离为1.496亿公里,所以在2002年5月22日,地球与太阳之间的距离比评估值多出1.3%。最大的变化值大约为1.5%,(如上图所示)也就是说5月22日地球的位置相当接近远日点(地球离太阳最远的位置)。

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你可以使用上图来找到在任何一年中的任何一天地球到太阳的距离,只要你知道在那一天与最后一个近日点相隔几日。

相关天文知识延伸阅读

太阳在天空中的位置是一个关于时间和地球表面观测地理位置的函数。当一年中地球绕太阳公转时,太阳似乎在天球上沿着一条称之为黄道的环形路径相对于恒星转动着。

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地球绕其轴的自转使得固定的恒星明显地以一种取决于观察者地理纬度的方式在天空中移动。给定的固定恒星通过观察者子午线的时间取决于地理经度。

因此,要在给定的时间找到给定位置的太阳位置,可以按照以下三个步骤进行:

计算太阳在黄道坐标系中的位置,

转换为赤道坐标系,然后

转换为水平坐标系,作为观察者所在的当地时间和位置。

这种计算方法在天文学、航海、测量、气象学、气候学、太阳能和日晷设计中很有用。

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图解:于美国新泽西州的贝尔实验室外拍摄到的日行迹,摄于1998至1999年,由多张在不同日期拍摄的影像叠合而成。由于日行迹是用以显示在一年不同日子的同时间下,太阳在天空中的位置差异,因此拍摄这种现象都需要花上约莫一年的时间。

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