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地球公转不是相对太阳
吴建国 发表于 2018-3-18 9:40:00
地球公转是相对什么?

吴建国 physisim#126.com

"地球绕着太阳公转",所用的参考系,不是太阳。太阳,作为一个巨大的灼热的气体球,只有一个可分辨的参考点:中心点。单个参考点,不能定位和定向一个坐标系,不能作为参考系。

"地球绕着太阳公转",所用的参考系,也不是一组遥远的恒星。太阳跟任一遥远恒星之间的距离,是变化着的,又是未知的。如果用一组遥远的恒星定位和定向一个坐标系,让原点位于某个遥远恒星,那么这个坐标系,不方便,也不可能描述太阳的位置、地球的位置。

哥白尼提出地球绕着太阳公转,所用的参考系是什么呢?需要了解一个概念:天球(celestial sphere)。天球是假想的球体,中心位于地球或太阳,半径任意大或无限大。遥远恒星(古代说法),遥远恒星的投影(现代说法),位于天球球面。以地球为中心的天球,以太阳为中心的天球,差别是,前者以地球为中心,太阳的投影见于天球球面,后者以太阳为中心,地球的投影见于天球球面。共同点是,球面上遥远恒星,尤其是比较暗的(更加遥远的)恒星的分布(图案)几乎是相同的。如果没有这个共同点,那么两个天球上的其它天体的投影就无法相互转换。

哥白尼提出地球绕着太阳公转,所用的参考系,是以太阳为中心的天球。

不用天球概念,描述地球公转所用的参考系,可以这样表述:原点位于太阳中心点,坐标轴指向三颗遥远恒星的坐标系。

上述参考系能不能表述为“太阳和选定的三颗遥远恒星”?不能。四个天体的中心点当中,太阳中心点具有特殊的地位。即使不把原点定在太阳中心点,也必须指明原点离太阳多远。

原则上,描述太阳系行星、彗星、小行星运动所用坐标系,坐标轴的方向可以有多种选择。实际上,为了描述的方便,也为了数据共享的需要,天文学家选用优越的坐标系。常用的是,太阳中心为原点的黄道坐标系,太阳中心为原点的赤道坐标系。

由地球看,一年中,日心投影在地球为中心的天球球面上,形成一个大圆,下一年形成的大圆与前一年的重合,那就是黄道。由太阳看,一年内,地心投影在太阳为中心的天球球面上,形成一个大圆,那也是黄道。

由地球看,地球赤道平面跟地球为中心的天球球面相交,形成一个大圆,这个大圆在球面上位置,一年中都几乎没有变化(意味着,地球存在一个轴,始终指向天球球面上某一位置——北极星位置),那就是天赤道。由太阳看,过太阳中心平行于地球赤道平面的那个平面,跟太阳为中心的天球球面相交,形成一个大圆,那也是天赤道。(考虑天球半径足够大或无限大。)

黄道平面与天赤道平面所成的角度近似23度。黄道与天赤道有两个交点,称为春分点和秋分点。

太阳中心为原点的黄道坐标系:太阳中心为原点,Oxy平面位于黄道平面,x轴指向春分点,向东90度为y轴正方向,右手法则确定z轴正方向。

太阳中心为原点的赤道坐标系:太阳中心为原点,Oxy平面位于天赤道平面,x轴指向春分点,向东90度为y轴正方向,右手法则确定z轴正方向(北极星)。

描述地球附近卫星运动的参考系是怎样的呢?常用的是,地球中心为原点的黄道坐标系,地球中心为原点的赤道坐标系。它们跟上述黄道坐标系、赤道坐标系不同的是,原点位置。

原点位置不同的黄道坐标系,彼此的相对运动是平动还是转动?几乎是平动。比如,大多数时刻,它们的x轴,不重合,不完全平行,而几乎平行。

无论原点位于太阳系何处,坐标轴指向遥远恒星的那些坐标系,彼此的相对运动,都几乎是平动。

太阳自转,地球自转(周期23小时56分),月球自转(周期27.3天),所用的参考系是什么?是原点位于太阳系任意点,坐标轴指向遥远恒星的参考系。在原点位于地球中心,坐标轴指向恒星的参考系,地球的运动是单纯转动(单纯自转)。

地球自转周期24小时,所用参考系是什么?一个坐标轴指向太阳中心,另外两个坐标轴指向遥远恒星。

恒星、黄道、天赤道、春分点的位置,相对较暗恒星构成的背景,在数年、数千年内,还是有一点变动的。为了更高的精度,可以使用更加稳定的参考系,比如,国际天体参考系(国际天体参考架,International Celestial Reference ),其原点位于太阳系质心,每个坐标轴指向河外星系的一个类星体,或几十个类星体所确定的位置。

 

2018-3-17
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