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SRTP讲座报告 浅谈对“金星凌日”现象的认识 “仰望星空我的追星之旅及初识天文” 讲座听讲报告 蒋 琴 （ 东南大学机械工程学院 2012级 江苏 南京 211189 ） 摘要：本文简要介绍金星凌日现象的产生原理，讨论金星凌日的周期计算方法，金星凌日时的运行轨迹，并初步探讨该现象的科学研究价值。Abstract: This paper briefly introduces the principles of Venus, discussing the transit of Venus cycle calculation method, the orbit of Venus , and preliminary discuss the scientific research value of this phenomenon. 关键词：金星凌日、周期、轨迹、科学价值5一、引言 金星凌日是一种罕见的天文现象。金星轨道在地球轨道内侧，在某些特殊时刻，地球、金星、太阳会在一条直线上，这时从地球上可以看到金星就像一个小黑点一样在太阳表面缓慢移动，天文学称之为“金星凌日”。金星凌日的周期遵循一定的规律，发生金星凌日现象时，金星在太阳表面的运行轨迹会有所不同，科学家曾通过观测金星凌日现象计算日地距离，现已有研究表明金星凌日会对地球有一定影响，故研究金星凌日现象对天文科学研究有着重要意义。2、 正文1、 金星凌日现象概述 金星和地球都围绕太阳转，金星的轨道在地球轨道的内侧，在某些特殊时刻，地球、金星和太阳会出在一条直线上。这时候从地球上观测，金星就像一个小黑点镶嵌在太阳上，并且在太阳表面缓慢移动。天文学家称这种现象为“金星凌日”。该过程可分为五个阶段：凌始外切、凌始内切、凌甚、凌终内切、凌终外切。 金星凌日可分为两种：一种是降交点的金星凌日，它发生在6月8日前后。届时，金星由北往南经过日面（黄道)；一种是升交点的金星凌日，它发生在12月10日前后，届时，金星由南往北经过日面（黄道）。2、产生原理 金星凌日发生的原理与日食相似。当太阳、金星和地球排成一条直线，就有可能发生金星凌日。但由于金星和地球的绕日运行轨道不在同一个平面上，而是有一个3.4度的倾角，在大多数的情况下，太阳、金星和地球排列成一条直线时（下合日），金星不是在太阳的上面通过，就是在太阳的下面通过。地球每年6月8日和12月10日的前后分别经过金星轨道的降交点和升交点，如果此时日、金、地三者恰好排成一条直线，就会发生金星凌日。3、周期的计算 太阳角直径约为0.5度, 而金星轨道倾角 3.394度, 计算得从地球上看来金星离升降交点的角距离不能大于 0.25/tan(3.394) = 4.215度。因为此时, 金地距离为1-0.723=0.277AU, 而金日距离约为0.723AU。所以从太阳中心看(因为下面的角度分析都是以太阳中心为依据的), 金星离升降交点的角距离不能大于 4.215*0.277/0.723=1.615度 (2*1.615=3.23度的范围)。 假设金星凌日在某次会合时刻发生, 那么以后的每次会合位置就前进了0.5988265 圆周。这个数字乘以5得: 2.994133圆周, 几乎为整数3, 意谓着几乎回到了上次凌日的位置, 但这不是精确的原位置, 差多少呢? 差了360*(3-2.994133)=-2.11度, 就是说, 从上次凌日的位置上退了2度多一点儿. 而从上面我们知道凌日的范围是3.23度, 所以这次凌日是可以发生的. 这两次的凌日刚好差8年. 如果再一个8年, 回合位置又退了2度多一点儿, 总共就是4度多, 完全超过了3.23度的凌日范围, 这就是为什么绝对不可能有连续三个中间间隔8年金星凌日。如果我们计算0.5988265*81=48.50495圆周，这意谓着81个会合周期后，会合位置来到了另一个交点附近（两个交点差0.5个圆周），另一个金星凌日就发生了。稍微仔细一点的计算（考虑金星轨道平面的进动）可以发现应该是76或81个会合周期后，所以对应的时间是120或129年。这样8年和120年的周期交替发生，构成了金星凌日的规律。金星凌日有着8年、243年和251年的周期。8年的周期等到于8个地球年(365.256天)、13个金星年（224.701天_）和5个会合周期(583.92天)。243年的周期等于243个地球年、408个金星年和157个会合周期。任意选取8年，可得两次金星凌日，如1874年至1882年。任意选取243年， 可得5次金星凌日，如1874年至2117年，任意选取251年,可得6次金星凌日，如1874年至2117年 。两次金星凌日的间隔时间分别是：8年、121.5年、8年、105.5年、8年、121.5年、8年、10 5.5年，这样依次地排列下去。其中8、121.5、8、105.5之和等于243是金星凌日最基本和最稳定的周期。从金星凌日的长周期可看出，金星降交点（升交点）是自西向东移动的。2004的 6月8日金星凌日比1761年6月6日金星凌日推迟了两天，即在243年中，金星的降交点向前（向 东）移动了两天。4、运行轨迹探讨 我们知道,地球绕太阳公转，公转平面并不与赤道重合，而是会形成一个2326的夹角，即为黄赤交角。金星公转轨道位于地球内侧，公转平面与地球公转平面也不重合。当发生金星凌日时，金星的运行速度比地球大，故从凌入时，会渐渐相对地球向西运动；同时人们在地球上某一固定观测点观测时，在不同时刻，因地球的自转会使视角形成一个角度，所以金星相对太阳的运动轨迹在我们看来就会有一个上下的偏移；而升交点和降交点的金星凌日因切入点不同，轨迹的分别位于上半圆和下半圆；此外，因金星公转轨道平面与地球公转轨道平面形成一个夹角，再加上地球自转的原因，轨迹有时在凌终内切之后，会沿太阳边缘循行到与凌入时相同的高度，再凌出太阳表面。5、科学研究价值5.1 利用金星凌日测日地距离。 知道了地球的公转周期，那只需要知道地球公转的速度，就可以求出地球的轨道半径了。金星凌日，就可以利用金星为媒介，测定出地球的公转速度 首先我们要计算金星的轨道半径和地球的轨道半径之比，只要观测到金星会和周期（比如两次东大距的时间差），就可以知道金星的公转周期，再有开普勒第三定律，就可以知道金星和地球的轨道半径之比了。（金星的轨道半径是0.723天文单位）。 然后我们计算地球的公转速度，金星凌日时，在地球上两个距离很远的点同时观测，假设他们的距离为，观测到金星入凌的时间差为。那金星的影锥在地球上投影的速度就是。 那怎么把影锥速度和地球公转速度联系起来呢？首先把金星公转速度和地球公转速度联系起来。因为两者轨道都接近正圆，万有引力=向心力，就可以求出公转速度和轨道半径之比。求出。三者满足关系式：。 知道了地球的公转速度和公转周期，就能推算地球轨道的周长，进而就可以求出公转半径，即日地距离。5.2 金星凌日对地球的影响 地球表层系统是一个具有复杂“耗散结构”、充满活力的非平衡态的开放系统。地球表层巨系统与地内、外环境之间，不断地交换物质、信息和能量。输入地球表层的太阳辐射形成负熵流，抵消了巨系统不可避免的熵产生，从而降低系统的总熵。 太阳总辐射的能量中22亿分之一给了地球表面。金星作为太阳系中的近地行星，作为地球的兄弟，金星运行在太阳与地球之间时，便自然截流了一部分原本输向地球的太阳辐射能量。“金星凌日”，作为远离热力学平衡态物体的一个“小扰动”，会使地球表层系统产生巨大的涨落，造成大气环流状态异常，在地球表面局部地区产生气候反常和降水突变。6、 结语 本次杨昌炽老师关于“仰望星空我的追星之旅及初识天文”所做的精彩演讲，大大开阔了我的知识视野。杨昌炽老师的讲座分为4个部分：农历与日食现象的联系，星座认识，大陆生看台湾，以及美丽的极光现象。老师尽管已头发花白，可明亮的双眸依然显示出对星空的崇仰与热爱，这种精神不仅深深地打动了我，更激发了我对天文学的热爱。从老师那幽默而富有哲理的话语中，我感受到了天文学的无穷魅力，也深深叹服与宇宙与大自然的神奇。 这次讲座中，最令我感兴趣的话题当属金星凌日现象，金星凌日与日食的产生原理类似，是一个世纪只会发生两次的罕见天文奇观，通过查阅相关资料及自己的思考计算，我对该现象有了一个更详细的认识，在此浅显的谈了一下自己的理解，通过这个学习思考的过程，我一方面认识到此类科学研究所具有的重要价值，另一方面更叹服于自然科学的奇妙与无穷魅力！七、参