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月球轨道

月球轨道以27.32天完整的环绕地球一圈。地球和月球的质心在距离地心4,700公里(地球赤道半径的2/3)的地球内部,两者各自围绕着质心运转。月球与地球中心的平均距离是385,000公里,大约是地球半径的60倍。轨道的平均速度是1.023公里/秒,月球在恒星的背景之间大约每小时移动0.5°,这相当于月球的视直径。月球的轨道不同于大部分行星的天然卫星,它是接近黄道平面,而非地球的赤道平面。月球轨道面相对于黄道平面的倾斜只有5.1°,自转轴的倾角也只有1.5°。

近点月和远点月的大小比较。

月球的质量中心和地球的质量中心长期的平均距离大约是385,000 公里,相当于地球半径的60倍,或是地球直径的30倍。两者共同的质心大约离地球中心4,670公里,也就是在地表下约1,700 公里。地月直径比例为4:1,地月质量为81:1。

月球轨道的平均离心率是0.0549。非圆形的轨道导致从地球上观察月时,是直径的大小和角速度上都有着明显的改变。对一位虚构的在质心上的观测者而言,月球每天的平均角位移量是向东13. 176358°,轨道的指向在空间中并没有被固定住,而是随着时间不断的进动,其中一种是拱点线的进动:椭圆形的月球轨道慢慢的反时针方向转动,完整的旋转一圈是8.850年(3,233天)。另一种运动是轨道平面本身的轴垂直于黄道的顺时针进动。月球轨道与黄道的交点对时间的进动,完整的环绕一圈是18.6年(6,793天)。

月球轨道对黄道平面的倾角是5.145°。月球的自转轴并没有垂直于公转的轨道平面,所以月球赤道相对于轨道平面的倾角常数是6.688°。或许曾有人试图由月球轨道平面的进动,去解释月球赤道和黄道之间的倾角应该始终在这两个数值的合(11.833°)和差(1.543°)之间变化者。不过,在1721年贾可卡西尼已经解决了这个问题,因为月球进动轴的旋转与轨道平面有相同的速率,但是相位相差180°。因此,虽然月球的自转轴相对于恒星并没有固定,但是月球的赤道平面和黄道始终保持着在1.543°。

有许多种不同的方法可以定义月球完成一个轨道周期。恒星月是相对于遥远的恒星,大约是27.32天。在对照上,朔望月是月球回到原来月相的时间,大约是29.53天。朔望月比恒星月长,是因为地月系统在在有限的距离内绕者太阳运转,在经历一个恒星月的时间之后,还要更多的时间才能回到原来的几何对应位置。其他的定义还有从近地点至近地点(近点月)、从升交点再回到升交点(交点月)和在黄道坐标上再回到相同黄经(分至月)。由于缓慢的进动造成的影响,后面这三个月的长度都和恒星月有些微的差距,而历年的月长度大约是30.4天(1/12年)。

名称

数值(天)

定义

恒星月

27.321 661

相对于遥远的恒星(每年13.369个恒星月)

朔望月

29.530 589

相对于太阳(月球的相位,每年12.369 朔望月)

分至月

27.321 582

相对于春分点(进动 ~ 26,000儒略年)

近点月

27.554 550

相对于近地点(recesses in 3232.6 天 = 8.8504 儒略年)

交点月

27.212 221

相对于升交点(进动周期 6793.5 天 = 18.5996 儒略年

月球施加于地球的万有引力是造成海洋发生潮汐的起因。如果地球的海洋拥有全球一致的深度,月球将会使固体的地球(只有极小的改变量)和海洋都变型成为椭球型,最高点就直接出现在朝向月球和背对月球的一点。但是因为地球有着不规则的海岸线和多变化的海洋深度,就只能想像这种理想状态了。一般来说,潮流的涨落周期与月球环绕地球的轨道周期同步,但会随着月相变化。虽然很罕见,但在地球上有些地区每天只有一次的潮汐涨落。

由于地球的自转,潮汐的突起会略为超前地月系统的轴线一些,这是海水在海底的移动和在海湾的出海口进出造成摩擦和能量散逸的直接结果。每个凸出部份都会对月球施加少量的引力,因为地球带动这凸出物向前运动,与月球最接近的凸起部分会沿着月球轨道轻微的拉扯月球向前;背向月球那一侧的凸起物则产生相反的效应。但是较靠近月球的凸起物因为距离较近,对月球的影响也较大,因此结果是地球的转动惯量逐渐的转移到月球轨道的转动惯量。这使得月球的轨道慢慢的逐渐远离地球,每年移动的量大约是3.8厘米。为了维持角动量守恒,地球的转速正逐渐减慢,使得地球的一天每年延长约17微秒(这个数字会使地球日每60,000年增加一秒钟,每400万年增加一分钟,十亿年增加4小时。往回推算,当6,500万年前恐龙在地球上出没时,一天的长度是23小时。)。参考潮汐加速有更详细的说明和参考资料。

所以月球正逐渐远离地球,并进入较高的轨道中,而依据计算(根据NASA和喷射推进实验室(JPL))认为这个过程将再持续大约20亿年。届时,地球和月球的轨道将成为"自转轨道共振",月球大约每47天绕地球公转一圈(目前是27.32天),并且地球和月球的自转也是相同的这个周期,即两者始终以相同的一面互相环绕者。除此之外,很难说地月系统还会发生什么样的改变。

月球是同步自转,意味着它永远以同一面朝向地球转动着,但因为月球轨道的离心率,事实上这也只是一种平均的现象。这是环绕地球的轨道角速度会变化,因而不能与不变的自转速度相等的结果。当月球在近地点时,它的自转速相对于轨道速度是最慢的,这使得我们可以看见偏东(右边)达到8度的经度的背面区域。反过来,当月球在远地点时,它的自转相对于轨道速度是最快的,因此可以看见背面偏西8度的经度。这就是经度天秤动 。

因为月球轨道对地球运行的黄道倾斜5.1°,所以轨道的自转轴再环绕地球一周时会朝向与远离地球,这种变化称为纬度天秤动,可以在纬度上跨越极区,在两极各看见背面7°的区域。最后,因为月球与地球的距离只有60倍的地球半径,造成周日天秤动可以在经度上再多看一度的区域。同样的理由,由两极的视差也可以多看纬度的一度。

地球和月球一起绕着太阳的轨道

在说明太阳系时,总是将地球描述成在轨道上环绕太阳的一个点,月球则是在轨道上环绕地球的一个点。这可能会给人月球是绕着地球运转的概念,但从太阳的位置观察时,则是月球有时会落后或超前地球,因为相对于地球每秒1公里的轨道速度,与地球在轨道上绕着太阳每秒30公里的速度,是不容易察觉的。

半长轴 ~384 748 公里

近地点距离 ~364 397 公里

远地点距离 ~406 731 公里

平均离心率 0.0549006

(0.044 0.067)

平均轨道倾角(对黄道) 5.145°

平均转轴倾角(对赤道) 6.688°

平均转轴倾角(对黄道) 1.543°

交点退行周期 18.5996 年

拱点线退行周期 8.8504 年

月球表面重力加速度约为地球表面的1/6,且月球重力场分布非常不均匀,在一些月海盆地内存在重力异常,称之为质量瘤(mascons)。月球重力场的异常对长期运行的绕月航天器轨道造成影响。

月球异常复杂的重力场使得月球卫星的运行轨道与地球卫星轨道相比具有不同的特性。月球上空没有大气,卫星轨道不会因大气阻力而衰减,但是在较低圆轨道上运行的月球卫星在重力影响下经过一段时间后仍可能坠落到月球。月球重力场影响会导致其卫星轨道偏心率变大,意味着卫星轨道变扁 [1]


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