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拱点

拱点（来自古希腊语 ἁψίς (hapsís)，意即：“arch, vault”; pl. apsides /ˈæpsɪˌdiːz/ AP-sih-deez）[1][2]是行星体在围绕其主体的椭圆轨道中，距离主体极端值的两个点。

拱点是指轨道上的行星体（2和3）相对于主天体（1）到达的最远（2）和最近（3）点。

例如，对于围绕太阳的轨道，最远和最近的极端点被称为“远日点”（英语：aphelion）和“近日点”（英语：perihelion）。月球环绕地球公转轨道的两个拱点，分别是“远地点”（英语：apogee）和“近地点”（英语：perigee）。地球环绕太阳公转轨道的两个拱点，离太阳最远和最近的两个极端点，就是前述的“远日点”和“近日点”。这两个术语，“远日点”和“近日点”，同样适用于木星和其它的行星，以及彗星、小行星和太阳系内所有绕太阳公转的天体。

概述

 
二体系统相互作用的椭圆轨道：较小的卫星体（蓝色）绕主体（黄色）运行；两者都在围绕它们的共同质心或重心（红+）的椭圆轨道上
∗近拱点和远拱点表示距离：轨道飞行器和其宿主之间的最小和最大距离。

在任何的椭圆轨道中都有两个拱点。每个拱点的名称在英文都是由词头“ap-”、“apo-”创建的（来自 ἀπ(ό), (ap(o)-)，意即：“远离”）表示最远的点，或“peri-”（来自 περί (peri-)，意即：“接近”）表示离主体最近的点。词尾描述主体，地球的词尾是“-gee”，所以两个拱点的名字是“apogee”（远地点）和“perigee”（近地点）。 对于太阳，词尾是“-helion”，因此名称是“aphelion”（远日点）和“perilion”（近日点）。

根据牛顿运动定律，所有的周期轨道都是椭圆。这两个天体的重心可能位于较大的天体内，例如地-月系统的重心大约是地球中心到其表面的75%。如果与较大的质量相比，较小的质量可以忽略不计（例如，对于卫星），则轨道参数与较小的质量无关。

当用作词尾时，也就是“-apsis”，该术语可以指当轨道物体位于拱点时，从主体到轨道物体的两个距离：1）在“periapsis”（近拱点），或2）在“poapsis”（远拱点，比较两个图形的第二个图）。拱点线表示连接轨道上最近点和最远点的线的距离；它还简单地指绕主体运行的物体的极限范围（见图的上图；与见第三图）。

在航天动力学，拱点在科技上是指中心体的质心与轨道物体质心之间量测的距离。然而，在航天器的情况下，这些术语通常用于指航天器在中心体表面上方的轨道高度（假设标准参考半径是恒定的）。

 
克卜勒的轨道根数：点F，轨道物体最近的接近点是轨道的近心点（也称为近拱点）；点H，轨道物体的最远点，是轨道的远心点（也称为远拱点）；它们之间的红线是连结拱点的线。

术语

单词“percenter”（近心点）和“apocenter”（远心点）经常出现，然而在科技用法上更倾向于使用“periapsis/apoapsis”（近拱点/远拱点）。

  • 对于未指定主轨道的一般情况，术语“近心点”和“远心点”用于命名轨道上的极值点（见表，上图）；“近拱点”和“远拱点”是等效的替代词。但这些术语也经常只距离，及轨道飞行器和其宿主之间的最小和最大距离periapsis”和“poapsis”（或“papsis”）是等效的替代品，但这些术语也经常指距离，即轨道飞行器与其宿主之间的最小和最大距离（见第二图）。
  • 对于绕太阳运行的天体，距离最小的点是“近日点”（/ˌpɛrɪˈhiːliən/），和距离最大的点是“远日点”（/æpˈhiːliən/）[3]。当讨论围绕其它恒星的轨道时，术语变成了“远星点”和“近星点”。
  • 当讨论地球的卫星，包括月球时，距离最小的点是“近地点”（perigee，/ˈpɛrɪdʒiː/），并且距离最大的点是“远地点”（apogee，源自 古希腊语：Γῆ（Gē），"土地"或"土壤"）[4]。
  • 对于月球轨道中的物体，距离最小的点被称为“近月点”（pericynthion，/ˌpɛrɪˈsɪnθiən/），和距离最大的点称为“远月点”（apocynthion，/ˌæpəˈsɪnθiən/）。术语“perilune”和“polune”，以及“perilene”和“poselene”也被使用[5]。由于月球没有天然卫星，这只适用于人造物体。

词源学

“perihelion”（近日点）和“aphelion”（远日点）这两个字是约翰尼斯·克卜勒铸造的[6]，用来描述行星围绕太阳的轨道运动。这些单词由词首“peri-”（希腊语：περί，近）和“apo-”（希腊文：ἀπό，远离），附在希腊语中表示太阳的单词上，（ἥλιος，或hēlíos）[3]。

各种相关术语用于其他天体。词尾-gee、-helion、-astron和-galacticon，在天文学文献中经常使用，分别指地球、太阳、恒星和星系中心。词尾-jove偶尔会使用在木星，但在过去的50年里，词尾-saturnium很少使用在土星。-gee的形式也被用作为“任何行星”的术语，是最接近的通用方法，而不是仅适用于地球。

在阿波罗计画期间，“pericynthion”（近月点）和“apocynthion”（远月点）在提及绕月运行的月球轨道时会使用；他们是参考“Cynthia”（辛西娅，希腊月亮女神阿提米丝的另一个名字。）[7]。最近，在阿提米斯计画期间，使用了术语“perilune”和“polune”[8]。

关于黑洞，术语“peribothron”首先在J.Frank和M.J.Rees 1976年的一篇论文中使用[9]，他称赞W·R·斯托格建议用希腊语单词“bothron”来创造这一个术语。

物理学家和科幻小说作家杰弗里·兰迪斯在1998年发表的一篇文章中使用了术语“perimelasma”和“apomerasma”（源自希腊词根）[10]，因此是在2002年的科学文献中出现“perinigricon”和“aponigricon”（来自拉丁语）之前[11]。

术语总结

下面显示的前缀码（词首码）“peri-”和“apo-”可以添加到字首中，以形成所表示的宿主/母体系统轨道天体的的拱点之唯一名称。然而，常用这唯一词首码的只有地球、月球和太阳系。系外行星研究通常使用“-astron”做为词尾，而对于其它宿主系统，通常会使用通用词尾“-apsis”[12][与来源不符]。

太阳系中具有命名/可命名拱点的主体对象
宿主对象 词尾 名称来源
太阳 -helion Helios
水星 -hermion Hermes
金星 -cythe Cytherean（英语：Cytherean）
地球 -gee Gaia
月球 -lune[5]
-cynthion
-selene[5] 		Luna
Cynthia
Selene
火星 -areion Ares
谷神星 -demeter[13] Demeter
木星 -jove Zeus
Jupiter
土星 -chron[5]
-kronos
-saturnium
-krone[14] 		Cronos
Saturn
其它具有命名/可命名apsides的天体
天体
宿主 		词尾 名称来源
恒星 -astron stars
星系 -galacticon Gr: galaxias; galaxy
质心 -center
-focus
-apsis
黑洞 -melasma
-bothron
-nigricon 		Gr: melos; black
Gr: bothros（英语：bothros）; hole
Lat: niger; black
天体 近拱点 远拱点
银河系 近银心点 Perigalacticon 远银心点 Apogalacticon
恒星 近星点 Periastron 远星点 Apastron
黑洞 近黑点 Perimelasma/Peribothra/Perinigricon 远黑点 Apomelasma/Apobothra/Aponigricon
太阳 近日点 Perihelion 远日点 Aphelion [15]
水星 近水点 Perihermion 远水点 Apohermion
金星 近金点 Pericytherion/Pericytherean/Perikrition 远金点 Apocytherion/Apocytherean/Apokrition
地球 近地点 perigee 远地点 Apogee
月球 近月点 Periselene/Pericynthion/Perilune 远月点 Aposelene/Apocynthion/Apolune
火星 近火点 Periareion/Perimartian 远火点 Apoareion/Apomartian
木星 近木点 Perizene/Perijove 远木点 Apozene/Apojove
土星 近土点 Perikrone/Perisaturnium 远土点 Apokrone/Aposaturnium
天王星 近天点 Periuranion 远天点 Apouranion
海王星 近海点 Periposeidion 远海点 Apoposedion
冥王星 近冥点 Perihadion 远冥点 Apohadion

近日点和远日点

 
直接围绕太阳的天体轨道及其最近点（近日点）和最远点（远日点）的示意图。

近日点（q）和远日点（q）分别是直接围绕太阳的天体轨道的最近点和最远点。

将特定历元的吻切元素与不同时期的元素进行有效比较将产生差异。作为六个吻切元素之一的近日点通过时间不是使用全动力学模型对到太阳的实际最小距离的精确预测（除了通用二体模型）。对近日点通过的精确预测需要数值积分。

内行星和外行星

下面的两张图显示了太阳系行星的轨道，轨道交点，以及近日点（q）和远日点（Q）的位置 [16]，如同从地球黄道面的北极上方看到的，它与地球轨道面共面。行星绕太阳逆时针运行，对于每颗行星，其轨道的蓝色部分在黄道面以北运行，粉红色部分在南面运行，圆点标记近日点（绿色）和远日点（橙色）。

第一张图片（左下）展示了位于太阳外侧的“内部”行星，包括水星、金星、地球和火星。“参考”的地球轨道是黄色的，代表轨道参考平面。春分时，地球在图的底部。第二张图片（右下）显示了“外部”行星，即木星、土星、天王星和海王星。

轨道交点是“交点线”的两个端点：行星的倾斜轨道与参考平面相交[17]；在这里，它们可能被“视为”轨道的蓝色部分与粉红色部分相遇的点。

  •  
    太阳系内行星的近日点（绿色）和远日点（橙色）。
  •  
    太阳系外行星的近日点（绿色）和远日点（橙色）。

拱线

该图表显示了太阳系的几个天体轨道的极端范围——从最近点（近日点）到最远点（远日点）：行星，已知的矮行星，包括谷神星和哈雷彗星。 水平条的长度对应于所指示天体围绕太阳的轨道极端范围。这些极端距离（近日点和远日点之间）是宿主周围各种物体轨道的“拱线”。

天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位哈雷彗星太阳阋神星鸟神星妊神星冥王星谷神星海王星天王星土星木星火星地球金星水星天文单位天文单位矮行星矮行星彗星行星

太阳系中所选择的天体与太阳的距离。每个条形的左右边缘分别对应于天体近日点和远日点，长条表示高的轨道离心率。太阳的半径约70万公里，木星（最大的行星）约7万公里，都太小，在这个图像中显示不出来。

更近的视角

将距离缩小到只有八大行星与哈雷彗星的范围：

天文单位天文单位天文单位天文单位天文单位哈雷彗星太阳谷神星海王星天王星土星木星火星地球金星水星天文单位天文单位主小行星带彗星行星

若将视野缩得更小，只限于内行星的范围：

主小行星带主小行星带天文单位天文单位天文单位太阳谷神星木星火星地球金星水星Astronomical unitAstronomical unit主小行星带行星


地球的近日点和远日点

现时，地球在1月初到达近日点，大约在12月至日后14天。在近日点，地球的中心与太阳中心的距离大约是0.98329天文单位（AU）或147,098,070 km（91,402,500 mi）。相较之下，地球现时在7月初到达远日点，大约在六月至日后14天。地球和太阳中心之间的远日点距离现时约为1.01671 AU或152,097,700 km（94,509,100 mi）.

近日点和远日点的日期随著时间的推移而变化，这是由于岁差和其他轨道因素，这些因素遵循被称为米兰科维奇循环的周期性模式。在短期内，这些日期可能因年份而异，最多可以有2天的变化[18]。这种显著的变化是由于月球的存在：当地月质心在围绕太阳的稳定轨道上移动时，地球中心的位置与质心的平均距离约为4,700千米（2,900英里），并可能移动在质心的任何方向——这会影响太阳和地球中心之间实际最接近的时间（这反过来又定义了给定年份中近日点的时间）[19]。

由于远日点距离的增加，使得落在地球表面给定区域的太阳辐射量只有近日点的93.55%，但这并不能解释季节，与地球轨道垂直平面的23.4°地轴倾斜，才是季节的成因[20]。事实上，在近日点和远日点，地球在一个半球是夏天，而在另一个半球则是冬天。无论地球与太阳的距离如何，冬天落在阳光倾斜照射的半球，夏天落在阳光能垂直照射的半球。

在北半球，此时太阳辐射量最低，夏季与远日点同时发生。尽管如此，北半球的夏天平均来说比南半球的夏天热2.3 °C（4 °F）。这是因为北半球有更多的陆地，比海洋更容易加热[21]。

然而，近日点和远日点确实对季节有间接影响：因为地球的轨道速度在远日点是最小的，在近日点是最大的。所以从6月至9月分至点的轨道运行时间比从12月至3月分至点的时间要长。因此，北半球的夏季持续时间（93日）比南半球的夏季持续时间（89日）长[22]。

天文学家通常不用日和小时来表示相对于春分点的近日点的时间差，而是用轨道位移的角度来表示，即所谓的近心点经度（也称为近心经度）。在2010年，这一数值已经增加了一些，达到约283.067°[23]。

对于地球围绕太阳的轨道，经过远地点的时间通常用相对于季节的时间来表示，因为这决定了椭圆轨道对季节变化的贡献。季节的变化主要由太阳仰角的年度周期控制，这是从黄道面测量地轴倾斜的结果。地球的偏心率和其它轨道元素都不是恒定的，会由于太阳系中行星和其它天体的扰动效应而缓慢变化（米兰科维奇循环）。

在很长的时间尺度上，近日点和远日点的日期随著季节的变化而变化，它们在22,000到26,000年内形成一个完整的周期。从地球上看，恒星的位置有著相应的运动，称为拱线进动。（这与轴向进动密切相关。）下表列出了过去和未来几年的近日点和远日点的日期和时间[24]：

年 近日点 远日点
日期 时间（UT） 日期 时间（UT）
2010 1月3日 00:09 7月6日 11:30
2011 1月3日 18:32 7月4日 14:54
2012 1月5日 00:32 7月5日 03:32
2013 1月2日 04:38 7月5日 14:44
2014 1月4日 11:59 7月4日 00:13
2015 1月4日 06:36 7月6日 19:40
2016 1月2日 22:49 7月4日 16:24
2017 1月4日 14:18 7月3日 20:11
2018 1月3日 05:35 7月6日 16:47
2019 1月3日 05:20 7月4日 22:11
2020 1月5日 07:48 7月4日 11:35
2021 1月2日 13:51 July 5 22:27
2022 1月4日 06:55 7月4日 07:11
2023 1月4日 16:17 7月6日 20:07
2024 1月3日 00:39 7月5日 05:06
2025 1月4日 13:28 7月3日 19:55
2026 1月3日 17:16 7月6日 17:31
2027 1月3日 02:33 7月5日 05:06
2028 1月5日 12:28 7月3日 22:18
2029 1月2日 18:13 7月6日 05:12

其它行星

下表显示了行星和矮行星在近日点和远日点与太阳的距离[25]。

天体类型 天体 近日点距离 远日点距离 差异（%） 太阳辐照度（英语：Solar irradiance）
差异（%）
行星 水星 46,001,009 km（28,583,702 mi） 69,817,445 km（43,382,549 mi） 34% 57%
金星 107,476,170 km（66,782,600 mi） 108,942,780 km（67,693,910 mi） 1.3% 2.8%
地球 147,098,291 km（91,402,640 mi） 152,098,233 km（94,509,460 mi） 3.3% 6.5%
火星 206,655,215 km（128,409,597 mi） 249,232,432 km（154,865,853 mi） 17% 31%
木星 740,679,835 km（460,237,112 mi） 816,001,807 km（507,040,016 mi） 9.2% 18%
土星 1,349,823,615 km（838,741,509 mi） 1,503,509,229 km（934,237,322 mi） 10% 19%
天王星 2,734,998,229 km（1.699449110×109 mi） 3,006,318,143 km（1.868039489×109 mi） 9.0% 17%
海王星 4,459,753,056 km（2.771162073×109 mi） 4,537,039,826 km（2.819185846×109 mi） 1.7% 3.4%
矮行星 谷神星 380,951,528 km（236,712,305 mi） 446,428,973 km（277,398,103 mi） 15% 27%
冥王星 4,436,756,954 km（2.756872958×109 mi） 7,376,124,302 km（4.583311152×109 mi） 40% 64%
妊神星 5,157,623,774 km（3.204798834×109 mi） 7,706,399,149 km（4.788534427×109 mi） 33% 55%
鸟神星 5,671,928,586 km（3.524373028×109 mi） 7,894,762,625 km（4.905578065×109 mi） 28% 48%
阋神星 5,765,732,799 km（3.582660263×109 mi） 14,594,512,904 km（9.068609883×109 mi） 60% 84%

公式

描绘轨道的近拱点和远拱点的公式如下：

  • 近拱点：在最短的距离处有最快的速度

 

 

  • 远拱点：在最远的距离上有最慢的速度

 

 

此处，它符合克卜勒行星运动定律（角动量守恒）和能量守恒，在一条给定的轨道上测量都是定值：

此处：

  •   指半主轴(semi-major axis)。
  •   指比较相对角动量(specific relative angular momentum)。
  •   指比较轨道能量(specific orbital energy)。
  •   指标准重力参数值(standard gravitational parameter)。
  •   指轨道离心率，定义为：

 

相关条目

注解和参考资料

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外部链接

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