Axiale Neigung – Wikipedia

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Winkel zwischen Rotationsachse und Orbitalachse eines Körpers

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In der Astronomie, Axiale Neigung, auch bekannt als Schräglage, ist der Winkel zwischen der Rotationsachse eines Objekts und seiner Orbitalachse oder äquivalent der Winkel zwischen seiner Äquatorialebene und seiner Orbitalebene.[1] Es unterscheidet sich von der Bahnneigung.

Bei einer Neigung von 0 Grad zeigen die beiden Achsen in die gleiche Richtung; dh die Rotationsachse steht senkrecht zur Orbitalebene. Die Schiefe der Erde schwingt zwischen 22,1 und 24,5 Grad[2] in einem 41.000-jährigen Zyklus. Basierend auf einer ständig aktualisierten Formel (hier Laskar, 1986, jedoch empfehlen IMCCE und IAU seit 2006 das P03-Modell), beträgt die mittlere Schiefe der Erde (ohne Berücksichtigung der Nutation in Schiefe) derzeit etwa 23°26′11,4″ (oder 23,4365°) und abnehmend; nach dem astronomischen Modell P03 betrug sein Wert (ohne Berücksichtigung der Nutation in Schräglage) 23° 26′ 11.570″ (23.4365472133°) am 1. Januar 2021, 0 TT.

Während einer Umlaufperiode ändert sich die Schiefe normalerweise nicht wesentlich und die Ausrichtung der Achse gegenüber dem Hintergrund von Sternen bleibt gleich. Dies führt dazu, dass ein Pol auf der einen Seite der Umlaufbahn stärker auf die Sonne ausgerichtet ist und der andere Pol auf der anderen Seite – die Ursache der Jahreszeiten auf der Erde.

Normen[edit]

Die axiale Neigung von Erde, Uranus und Venus

Das positiv Der Pol eines Planeten wird durch die Rechte-Hand-Regel definiert: Wenn die Finger der rechten Hand in Drehrichtung gewellt sind, zeigt der Daumen zum Pluspol. Die axiale Neigung ist definiert als der Winkel zwischen der Richtung des positiven Pols und der Normalen zur Orbitalebene. Die Winkel für Erde, Uranus und Venus betragen ungefähr 23°, 97° bzw. 177°.

Es gibt zwei Standardmethoden, um die Neigung eines Planeten anzugeben. Ein Weg basiert auf dem des Planeten Nordpol, definiert in Bezug auf die Richtung des Nordpols der Erde, und der andere Weg basiert auf der des Planeten Pluspol, definiert durch die Rechte-Hand-Regel:

  • Die IAU verwendet auch die Rechte-Hand-Regel, um a . zu definieren Pluspol[6] um die Orientierung zu bestimmen. Unter Anwendung dieser Konvention wird die Venus um 177° gekippt (“auf den Kopf gestellt”) und dreht sich prograde.

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Die axiale Neigung (Schiefe) der Erde beträgt derzeit etwa 23,4°.

Die Umlaufbahn der Erde ist als Ekliptikebene bekannt, und die Neigung der Erde ist Astronomen als . bekannt Schiefe der Ekliptik, ist der Winkel zwischen der Ekliptik und dem Himmelsäquator auf der Himmelskugel.[7] Es wird mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet ε.

Die Erde hat derzeit eine axiale Neigung von etwa 23,44°.[8] Dieser Wert bleibt relativ zu einer stationären Orbitalebene während der Zyklen der axialen Präzession ungefähr gleich.[9] Aber die Ekliptik (dh., Erdbahn) bewegt sich aufgrund von planetarischen Störungen, und die Schiefe der Ekliptik ist keine feste Größe. Derzeit nimmt sie mit einer Rate von etwa 46,8″ ab.[10] pro Jahrhundert (siehe Details in Kurzfristig unten).

Geschichte[edit]

Die Schiefe der Erde könnte bereits 1100 v. Chr. in Indien und China einigermaßen genau gemessen worden sein.[11] Die alten Griechen hatten gute Messungen der Schiefe seit etwa 350 v. Chr., als Pytheas von Marseille zur Sommersonnenwende den Schatten eines Gnomons maß.[12] Um 830 n. Chr. wies der Kalif Al-Mamun von Bagdad seine Astronomen an, die Schiefe zu messen, und das Ergebnis wurde viele Jahre in der arabischen Welt verwendet.[13] 1437 bestimmte Ulugh Beg die axiale Neigung der Erde mit 23°30′17′ (23.5047°).[14]

Im Mittelalter wurde allgemein angenommen, dass sowohl die Präzession als auch die Schiefe der Erde mit einer Periode von 672 Jahren um einen Mittelwert oszillierten, eine Idee, die als bekannt ist Angst der Tagundnachtgleichen. Vielleicht war Ibn al-Shatir im 14. Jahrhundert der erste, der erkannte, dass dies falsch war (in historischer Zeit).[15]

und der erste, der 1538 erkannte, dass die Schiefe relativ konstant abnimmt, war Fracastoro.[16] Die ersten genauen, modernen westlichen Beobachtungen der Schiefe waren wahrscheinlich die von Tycho Brahe aus Dänemark, um 1584,[17] obwohl Beobachtungen von mehreren anderen, darunter al-Ma’mun, al-Tusi,[18]Purbach, Regiomontanus und Walther hätten ähnliche Informationen liefern können.

Jahreszeiten[edit]

Die Erdachse bleibt in Bezug auf die Hintergrundsterne in derselben Richtung ausgerichtet, unabhängig davon, wo sie sich auf ihrer Umlaufbahn befindet. Der Sommer der nördlichen Hemisphäre tritt auf der rechten Seite dieses Diagramms auf, wo der Nordpol (rot) zur Sonne gerichtet ist, der Winter auf der linken Seite.

Die Erdachse bleibt ein Jahr lang in Bezug auf die Hintergrundsterne in dieselbe Richtung geneigt (unabhängig davon, wo sie sich auf ihrer Umlaufbahn befindet). Dies bedeutet, dass ein Pol (und die dazugehörige Erdhalbkugel) auf einer Seite der Umlaufbahn von der Sonne weg gerichtet wird und eine halbe Umlaufbahn später (ein halbes Jahr später) dieser Pol zur Sonne gerichtet ist. Dies ist die Ursache für die Jahreszeiten der Erde. Der Sommer tritt auf der Nordhalbkugel auf, wenn der Nordpol auf die Sonne gerichtet ist. Variationen der axialen Neigung der Erde können die Jahreszeiten beeinflussen und sind wahrscheinlich ein Faktor für den langfristigen Klimawandel (siehe auch Milankovitch-Zyklen).

Beziehung zwischen der axialen Neigung der Erde (ε) zu den tropischen und polaren Kreisen

Schwingung[edit]

Kurzfristig[edit]

Schiefe der Ekliptik für 20.000 Jahre, von Laskar (1986). Der rote Punkt steht für das Jahr 2000.

Der genaue Winkelwert der Schiefe wird durch die Beobachtung der Bewegungen von Erde und Planeten über viele Jahre hinweg gefunden. Mit zunehmender Genauigkeit der Beobachtung und zunehmendem Verständnis der Dynamik erzeugen Astronomen neue fundamentale Ephemeriden, und aus diesen Ephemeriden werden verschiedene astronomische Werte, einschließlich der Schiefe, abgeleitet.

Jährliche Almanache werden veröffentlicht, in denen die abgeleiteten Werte und Verwendungsmethoden aufgeführt sind. Bis 1983 wurde der Winkelwert der mittleren Schiefe des astronomischen Almanachs für ein beliebiges Datum basierend auf der Arbeit von Newcomb berechnet, der bis etwa 1895 die Positionen der Planeten analysierte:

ε = 23° 27′ 8,26″ − 46,845″ T − 0,0059″ T2 + 0,00181” T3

wo ε ist die Schräglage und T ist tropische Jahrhunderte von B1900.0 bis zum fraglichen Datum.[19]

Ab 1984 übernahm die DE-Serie computergenerierter Ephemeriden des Jet Propulsion Laboratory die grundlegende Ephemeride des astronomischen Almanachs. Obliquität basierend auf DE200, das Beobachtungen von 1911 bis 1979 analysierte, wurde berechnet:

ε = 23° 26′ 21,448″ − 46,8150″ T − 0,00059″ T2 + 0,001813” T3

wo danach T ist Julianische Jahrhunderte von J2000.0.[20]

Die grundlegenden Ephemeriden von JPL wurden ständig aktualisiert. Laut einer IAU-Resolution im Jahr 2006 zugunsten des astronomischen Modells P03 ist die Astronomischer Almanach für 2010 gibt an:[21]

ε = 23° 26′ 21.406″ − 46.836769” T − 0.0001831” T2 + 0,00200340” T3 − 5,76″ × 10-7T4 − 4,34″ × 10-8T5

Diese Ausdrücke für die Schiefe sind vielleicht für eine hohe Präzision über einen relativ kurzen Zeitraum gedacht ± einige Jahrhunderte.[22] J. Laskar hat einen Ausdruck zur Ordnung berechnet T10 gut bis 0,02″ über 1000 Jahre und mehrere Bogensekunden über 10.000 Jahre.

ε = 23° 26′ 21.448″ − 4680.93″ t − 1,55″ t2 + 1999,25″ t3 − 51,38″ t4 − 249,67″ t5 − 39,05″ t6 + 7,12″ t7 + 27,87″ t8 + 5,79″ t9 + 2,45″ t10

wo hier t ist ein Vielfaches von 10.000 Julianischen Jahren von J2000.0.[23]

Diese Ausdrücke sind für das sogenannte bedeuten Schiefe, d. h. die Schiefe, die frei von kurzfristigen Schwankungen ist. Periodische Bewegungen des Mondes und der Erde in seiner Umlaufbahn verursachen viel kleinere (9,2 Bogensekunden) kurzperiodische (etwa 18,6 Jahre) Schwingungen der Rotationsachse der Erde, bekannt als Nutation, die der Schiefe der Erde eine periodische Komponente hinzufügen.[24][25] Das wahr oder augenblickliche Schiefe schließt diese Nutation ein.[26]

Langfristig[edit]

Mit numerischen Methoden zur Simulation des Verhaltens des Sonnensystems wurden langfristige Veränderungen der Erdbahn und damit ihrer Schiefe über einen Zeitraum von mehreren Millionen Jahren untersucht. In den letzten 5 Millionen Jahren variierte die Schiefe der Erde zwischen Earth 22° 2′ 33″ und 24° 30′ 16″, mit einer mittleren Laufzeit von 41.040 Jahren. Dieser Zyklus ist eine Kombination aus Präzession und dem größten Term in der Bewegung der Ekliptik. Für die nächsten 1 Million Jahre wird der Zyklus die Schiefe zwischen 22° 13′ 44″ und 24° 20′ 50″.[27]

Der Mond hat eine stabilisierende Wirkung auf die Schiefe der Erde. Eine 1993 durchgeführte Frequenzkartenanalyse deutete darauf hin, dass sich die Schiefe in Abwesenheit des Mondes aufgrund von Bahnresonanzen und chaotischem Verhalten des Sonnensystems schnell ändern könnte und in nur wenigen Millionen Jahren bis zu 90° erreichen könnte (siehe auch Umlaufbahn des Mondes).[28][29]

Neuere numerische Simulationen[30] aus dem Jahr 2011 wies darauf hin, dass die Schiefe der Erde selbst in Abwesenheit des Mondes möglicherweise nicht ganz so instabil ist; nur um etwa 20-25° variieren. Um diesen Widerspruch aufzulösen, wurde die Diffusionsrate der Schiefe berechnet, und es wurde festgestellt, dass es mehr als Milliarden von Jahren dauert, bis die Schiefe der Erde annähernd 90° erreicht.[31] Die stabilisierende Wirkung des Mondes wird weniger als 2 Milliarden Jahre anhalten. Wenn sich der Mond aufgrund der Gezeitenbeschleunigung weiter von der Erde entfernt, können Resonanzen auftreten, die große Schwingungen der Schiefe verursachen.[32]

Langfristige Schieflage der Ekliptik. Links: für die letzten 5 Millionen Jahre; Beachten Sie, dass die Schiefe nur von etwa 22,0° bis 24,5° variiert. Recht: für die nächsten 1 Million Jahre; beachte die ca. 41.000 Jahre Variationsperiode. In beiden Grafiken steht der rote Punkt für das Jahr 1850. (Quelle: Berger, 1976).

Körper des Sonnensystems[edit]

Vergleich der Rotationsperiode (10 000 Mal beschleunigt, negative Werte bedeuten retrograd), Abflachung und axiale Neigung der Planeten und des Mondes (SVG-Animation)

Alle vier der innersten Gesteinsplaneten des Sonnensystems können in der Vergangenheit große Variationen ihrer Schiefe gehabt haben. Da Schiefe der Winkel zwischen der Rotationsachse und der Richtung senkrecht zur Bahnebene ist, ändert sie sich, wenn sich die Bahnebene aufgrund des Einflusses anderer Planeten ändert. Die Rotationsachse kann sich aber auch bewegen (axiale Präzession), aufgrund des Drehmoments, das die Sonne auf die äquatoriale Ausbuchtung eines Planeten ausübt. Wie die Erde zeigen alle Gesteinsplaneten eine axiale Präzession. Wenn die Präzessionsrate sehr schnell wäre, würde die Schiefe tatsächlich ziemlich konstant bleiben, selbst wenn sich die Bahnebene ändert.[33] Die Rate variiert unter anderem aufgrund der Gezeitendissipation und der Kern-Mantel-Interaktion. Wenn sich die Präzessionsrate eines Planeten bestimmten Werten nähert, können Orbitalresonanzen große Veränderungen der Schiefe verursachen. Die Amplitude des Beitrags mit einer der Resonanzraten wird durch die Differenz zwischen der Resonanzrate und der Präzessionsrate geteilt, so dass sie groß wird, wenn die beiden ähnlich sind.[33]

Merkur und Venus wurden höchstwahrscheinlich durch die Gezeitenableitung der Sonne stabilisiert. Die Erde wurde, wie oben erwähnt, durch den Mond stabilisiert, aber auch die Erde könnte vor ihrer Entstehung Zeiten der Instabilität durchgemacht haben. Die Schiefe des Mars ist über Millionen von Jahren ziemlich variabel und kann sich in einem chaotischen Zustand befinden; sie schwankt in Abhängigkeit von den Störungen der Planeten über mehrere Millionen Jahre hinweg um 0° bis 60°.[28][34] Einige Autoren bestreiten, dass die Schiefe des Mars chaotisch ist, und zeigen, dass die Gezeitendissipation und die viskose Kern-Mantel-Kopplung ausreichend sind, um einen vollständig gedämpften Zustand ähnlich wie bei Merkur und Venus zu erreichen.[4][35]

Die gelegentlichen Verschiebungen der axialen Neigung des Mars wurden als Erklärung für das Auftauchen und Verschwinden von Flüssen und Seen im Laufe der Existenz des Mars vorgeschlagen. Eine Verschiebung könnte einen Ausbruch von Methan in die Atmosphäre verursachen und eine Erwärmung verursachen, aber dann würde das Methan zerstört und das Klima würde wieder trocken werden.[36][37]

Die Schrägen der äußeren Planeten gelten als relativ stabil.

Achse und Drehung ausgewählter Körper des Sonnensystems
Körper NASA, J2000.0[38] IAU, 0. Januar 2010, 0h TT[39]
Axiale Neigung
(Grad) 		Nordpol Drehung
(Std) 		Axiale Neigung
(Grad) 		Nordpol Drehung
(Grad/Tag)
RA (Grad) Dez. (Grad) RA (Grad) Dez. (Grad)
Sonne 7,25 286.13 63,87 609.12B 7,25EIN 286,15 63,89 14.18
Merkur 0,03 281.01 61,42 1407.6 0,01 281.01 61.45 6.14
Venus 2.64 272.76 67,16 −5832,6 2.64 272.76 67,16 −1,48
Erde 23.44 0,00 90,00 23.93 23.44 undef. 90,00 360,99
Mond 6.68 — — 655.73 1,54C 270,00 66,54 13.18
Mars 25.19 317.68 52,89 24.62 25.19 317.67 52,88 350.89
Jupiter 3.13 268,05 64,49 9,93D 3.12 268.06 64,50 870.54D
Saturn 26.73 40,60 83,54 10,66D 26.73 40,59 83,54 810.79D
Uranus 82,23 257.43 −15,10 −17,24D 82,23 257.31 −15,18 −501,16D
Neptun 28.32 299,36 43,46 16.11D 28.33 299,40 42,95 536,31D
PlutoE 57.47 (312.99) (6.16) −153,29 60,41 312.99 6.16 −56,36
EIN in Bezug auf die Ekliptik von 1850
B auf 16° Breite; die Rotation der Sonne variiert mit dem Breitengrad
C in Bezug auf die Ekliptik; die Mondbahn ist 5,16° zur Ekliptik geneigt
D vom Ursprung der Funkemissionen; die sichtbaren Wolken rotieren im Allgemeinen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
E Die NASA listet die Koordinaten von Plutos Pluspol auf; Werte in (Klammern) wurden neu interpretiert, um dem Nord-/Minuspol zu entsprechen.

Die stellare Schräglage ψso, dh die axiale Neigung eines Sterns gegenüber der Bahnebene eines seiner Planeten, wurde nur für wenige Systeme bestimmt. Aber für 49 Sterne (Stand heute) ist die vom Himmel projizierte Spin-Bahn-Fehlausrichtung λ wurde beobachtet,[40] die als untere Grenze für dient ψso. Die meisten dieser Messungen beruhen auf dem Rossiter-McLaughlin-Effekt. Bisher war es nicht möglich, die Schiefe eines extrasolaren Planeten einzuschränken. Aber die Rotationsabflachung des Planeten und das Gefolge von Monden und/oder Ringen, die mit hochpräziser Photometrie, z. B. durch das weltraumgestützte Weltraumteleskop Kepler, nachvollziehbar sind, könnten Zugang zu ψp in naher Zukunft.

Astrophysiker haben Gezeitentheorien angewandt, um die Schiefe extrasolarer Planeten vorherzusagen. Es hat sich gezeigt, dass die Schrägen von Exoplaneten in der bewohnbaren Zone um Sterne mit geringer Masse dazu neigen, in weniger als 10 . erodiert zu werden9 Jahre,[41][42] was bedeutet, dass sie keine Jahreszeiten wie die Erde haben würden.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

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Externe Links[edit]

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