行星的轨道及特点
第一节 行星的轨道及特点
行星围绕系统中心的天体运行的轨道严格上说是椭圆形，或者略扁的圆形，不过扁的程度非常小，不测量单凭肉眼是看不出来的。太阳不在椭圆的中心而在焦点上，在某些情况下，太阳与中心之间的距离肉眼很容易看出来。用这个距离可以算出椭圆的偏心率，而偏心率较之扁平的程度要大得多。例如，水星运行轨道的偏心率就非常大，而扁平程度只有1/50；也就是说，如果轨道的长直径是50，那么短直径就是49。那么按照这个比例，太阳到轨道中心的距离是10。
为了说明上述问题，我们将太阳系里圈那个行星集团的轨道画成一幅示意图，轨道的形状和各自的位置在图中一目了然，如图25所示。显而易见，轨道在有的地方离得很近，有的地方离得很远。
在讲解行星的不同外观和运动、真运动和视运动的过程中会用到很多专业术语，我们都会加以解释。
内行星（inferior planets），指运行轨道在地球轨道以里的行星，这类行星只有水星和金星。
外行星（superior planets），指运行轨道在地球轨道外面的行星。这些行星包括火星、小行星和外圈集团的四大行星。
图25 4颗行星的轨道
从地球上看，一颗行星经过太阳，好似与太阳并行，我们称之为合（alongside）日。
下合（inferior conjunction），指行星在地球和太阳之间。
上合（superior conjunction），指太阳在行星和地球之间。
略加思考便可知，外行星永远不会出现下合，而内行星既会出现下合也会出现上合。
行星在太阳的反方向上叫作冲（opposition）。此时，行星在日落时升起，日出时落下。当然，内行星不会出现冲。(https://www.daowen.com)
轨道的近日点（perihelion）是指轨道上离太阳最近的点，远日点（aphelion）是指轨道上离太阳最远的点。
从地球上看，水星和金星这两颗内行星围绕太阳的运动就是从太阳的一边到另一边。它们与太阳的视距离在任何时候都叫作距角（elongation）。
水星的大距通常为25°，因其轨道偏心率较大，这个数值有时大一些有时小一些。金星的大距近似45°。
当这两颗行星的其中一颗在太阳东边时，我们会在日落后的西方天空上看到这颗星；而在太阳西边时，我们会在早晨的东方天空看到它。因为这两颗行星与太阳的距离从不会超过上述范围，所以在夜晚的东方天空或者早晨的西方天空永远不会看到水星和金星。
没有两颗行星的轨道完全在同一个平面上。也就是说，如果将任意一颗行星的轨道视为水平，那么其他所有行星的轨道都会向一边或另一边有所倾斜。天文学家发现将地球轨道也就是黄道视为水平或者作为标准较为方便一些。因为每一颗行星的轨道都以太阳为中心，所以都会有两个点和地球轨道在同一个水平面上。更确切地说，这些点就是那些行星的轨道与黄道面相交的点，叫作交点（nodes）。
行星轨道与黄道面形成的夹角叫作二者的轨道交角（inclination）。水星轨道的倾斜度最大，超过6°；金星轨道的倾斜度是3°24′。所有外行星轨道的倾斜角度都比较小，从天王星的0°46′到土星的2°30′不等。
行星的距离
除了海王星以外，其他行星的距离基本上遵循波德定律（Bode’s Law），该定律是以首先提出这一定律的天文学家的名字命名的。定律内容是：取0、3、6、12等数字，每个数字比前一个加倍，然后在每个数字上加4，于是便得到除海王星以外每个行星与太阳的大致距离，具体如下：
关于这些实际距离我们要说的是，天文学家没有采用英里或其他地面上的量度来表示天体之间的距离是基于两个原因。首先，地面上的量度太短了，应用于天体距离就好比用厘米表示两个城市之间的距离；其次，地面采用的量度不能精确地丈量宇宙空间的距离。如果将太阳到地球的距离作为衡量标准，就可以精确地测量其他行星之间的距离。如此，要得到行星到太阳距离的天文学量度，需要用上表中最后一个数值除以10，或者在每一个数值的最后一个数字前加上小数点。
在上列数据中我们并没有用不必要的小数点分散读者的注意力。实际上，水星的距离是0.387，其他行星的距离不一一列举；我们只算作0.4再乘以10，从而得到一个近似值用以和波德定律相比较。
开普勒定律
行星在轨道上的运动遵循一定的规律，这个规律由开普勒发现，因而叫作开普勒定律（Kepler’s Law）。这个定律的第一条已经讲过，即行星的轨道都是椭圆形的，太阳在椭圆形其中一个焦点上。
定律的第二条是，行星离太阳越近，运行速度越快。从数学上更准确地说，即行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。
定律的第三条是，行星与太阳的平均距离的立方与行星公转周期的平方成正比。这条定律需要一些说明。假设一颗行星到太阳的距离是另一颗行星到太阳距离的4倍，那么其围绕太阳的运行周期将是另一颗行星运行周期的8倍。这个数值是这样求得的：4的立方等于64，然后再求平方根便是8。
天文学家用来表示太阳系中距离的量度单位是地球和太阳之间的平均距离，由此得出的内行星的平均距离是小数，而外行星的距离在火星的1.5到海王星的30之间不等。那么，所有行星的距离取立方值以后再求平方根便得到行星以年为单位的公转周期。
外行星公转周期较长，不仅因为其路线长，也因为其本身运行速度更慢。假设一颗外行星到太阳的距离是原来的4倍，那么其运行速度将只有原来的一半，因此其公转周期是原来的8倍。地球的公转速度大约为18.6英里/秒。而海王星的公转速度只有大约3.5英里/秒，其轨道长度是地球的30倍，因此海王星要历经160多年才能完成一圈公转。
