论太阳和金星的运动规律
地球的“姐妹”——金星
在太阳系九大行星中，金星是除地球之外最熟悉的行星。金星在中国古代被称为太白。当它早上出现在东方时，它也被称为祁鸣、小星和星星。傍晚出现在西方时，又叫长庚、暮星。
金星是天空中除太阳和月亮之外最亮的天体，最亮的视星等可达-4.4，比人们用正常视力所能看到的最暗的恒星(约6)亮1万多倍。一方面，金星离太阳很近，平均距离只有1.1亿公里，它接受的太阳光比地球多1倍。另一方面，金星周围有厚厚的浅色云层，反照率高达0.76(地球和月球的反照率分别为0.39和0.07)。如果月球的反照率和金星一样高，那么人们就可以在满月下毫不费力地读书看报。金星在大小、质量、密度和内部结构上与地球非常相似。金星半径6050公里，只比地球小4%；质量为4.9×1024 kg，比地球小20%左右。平均密度为5.26 g/cm3，仅比地球低5%。金星有一个半径为365，438+000公里的铁镍内核，中间有一个主要由硅、氧、铁、镁等化合物组成的“地幔”，最外层表面有一个非常薄的主要由硅化合物组成的“壳”，与地球非常相似。正因如此，金星被称为地球的“孪生姐妹”。金星和水星是太阳系中仅有的两颗没有天然卫星的大行星。九大行星中，水星离太阳最近(平均距离5800万公里)，其次是金星。
然而，在运动特征上，金星与地球有很大不同。首先，金星在赤道上的自转速度只有1.8米/秒，自转一周需要243天。不仅如此，金星自东向西自转，与太阳系中除天王星以外的其他行星自转方向相反。因此，在金星上，太阳似乎从西边升起，在东边落下。金星绕太阳一周大约需要224.7天，其自转周期比公转周期长。但由于金星的自转方向与其公转方向相反，因此金星上的一昼夜大约相当于地球上的117天。在金星上看日出需要特别的耐心。太阳从金星地平线照射到完全暴露在地面至少需要6个小时，而在地球中纬度地区，这个过程通常需要3分钟以上。
金星的大气密度比地球高100倍，云层厚达数十公里。大气的主要成分是二氧化碳，大气压力超过9×106 Pa。金星表面的温度高达475℃，铅可以在这个温度下熔化。由于二氧化碳大气的温室效应，金星上没有昼夜温差，也没有冷热的季节变化。鉴于如此“恶劣”的条件，金星上不可能有任何生命存在。就金星表面的地形而言，由于有浓厚大气层的保护，相对平坦，不像月球、水星、火星的众多陨石坑结构。金星上有山有山，火山直径可达数百公里。
在天文学中，位于地球轨道以内的行星(即金星和水星)统称为内行星，位于地球轨道以外的行星(即火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星)称为外行星。从地球的角度来看，地球上行星的位置总是在太阳附近徘徊。金星(水星也是)有时在太阳之前升起，黎明时出现在东方地平线上，称为“晨星”；有时在太阳落山后的傍晚出现在西部低空，称为“晚星”。当金星在天空中离太阳最远时，金星与太阳的角距可达48°，而当水星离太阳较远时，金星与太阳的角距不超过28°，因此水星往往隐藏在太阳光中，不易被观测到。
金星作为内行星，和月亮一样有明显的相位变化，即在不同的时间，由于地球和金星的相对位置不同，金星的形状和大小也不同；但由于金星距离地球较远，肉眼无法发现这种变化。月相变化时，月球表面直径变化不明显，但金星在新月时看起来最大，因为此时离地球最近，约4000万公里；靠近圆的时候很小，两者相差可达6倍以上。此时金星距离地球超过2.5亿公里。公元1610年，伽利略首次用望远镜观测金星，发现了金星的相位和大小变化，成为哥白尼和日心说的有力证据。
金星太空探索的历史
人类对太阳系行星的太空探索始于金星。一方面，金星是太阳系中除月球外最靠近地球的主要天体；另一方面，金星表面被厚厚的云层包围，人们要想看到它的真实面貌，必须进行近距离的实地探测。1957年第一颗人造卫星发射后不久，苏联和美国在20世纪60年代后开始陆续探索太空中的金星。迄今为止，已有40多个探测器被送往或经过金星，获得了许多关于金星的有价值的科学信息。
苏联率先在太空探索金星。从1961-1969，先后发射了探测器“巨人”和“金星1”到“金星6”，但由于种种原因未能探测到金星表面。1970 17年8月，“金星7号”在金星表面进行了首次软着陆，并对金星表面温度和大气压力进行了测量。1972“金星8号”到达金星表面，测试土壤，并电视转播阳光和云层的强度。
1975—1984是苏联探索金星的高潮，* * *从金星9号到金星16发射了8个探测器。“金星9”和“金星10”于1975+00年6月到达金星，成为金星的两颗卫星。1978年9月相继发射的“金星11”和“金星12”成功实现软着陆；6月1981和6月11发射的金星13和金星14分别钻探了金星表面，采集了岩石样本。1983年6月发射，“金星15”和“金星16”于同年6月相继抵达金星，成为金星的卫星。这两个探测器每24小时环绕金星一周，成功绘制了分辨率为1 ~ 2 km的金星表面地形图。1984年2月发射的“金星-哈雷”探测器于次年6月加入金星，并释放充氦气球和着陆舱，对金星的云和土壤进行探测分析。探测器在完成对金星的一系列访问后，利用金星的引力改变轨道，飞向哈雷彗星。
在太空探索落后于苏联的情况下，美国一方面全力实施登月计划，另一方面积极开展金星探索。1961 7月22日，美国发射了Mariner 1，但由于发射后不久偏离了原定轨道，不得不自爆。水手2号，1962年8月27日发射，1962年2月24日从金星上空飞过3500公里。虽然一些仪器出现故障，但它首次测量了金星大气层的温度，并拍摄了金星的全景照片。后来的“水手5号”、“水手10”和几次“先锋-金星”探测都取得了成功。他们有的成为金星的卫星，研究金星的大气和表面磁场，有的释放着陆舱，多方面考察金星的地形地貌，发回大量珍贵的图片和数据。
金星太空探索计划中最值得关注的是麦哲伦探测器，它由美国亚特兰蒂斯号航天飞机于1989年5月4日发射升空。探测器重3365公斤，造价413万美元。经过15个月的飞行，于8月1990日到达金星，次日成为金星的卫星。麦哲伦探测器利用先进的雷达探测技术，详细勘测了金星的全貌和地质结构，包括在金星表面拍摄和绘制了大量清晰的照片和图像，发现了许多火山、熔岩流、地壳断层、陨石坑等。，并测量金星大气的活动、成分、表面温度和磁场。经过四年多的工作，麦哲伦探测器于5438+0994年6月+12年2月在金星大气中焚毁，获得巨大成功。
虽然太阳系行星探索的重点最近已经转移到火星，但对金星的太空探索并没有停止。日本计划在2007年发射金星探测器，预计在2009年到达金星。探测器将携带五个特殊的红外相机和紫外相机，可以穿透金星的大气层，探测金星的大气和地质结构。
金星凌日的原理和定律
当月球运行到地球和太阳之间，并与地球和太阳成一条直线时，月球的影子会扫过地球表面，在地球的某些区域可以观测到日环食。对于地面上的观测者来说，月食看起来像是月亮遮住了太阳。月亮遮住了所有的太阳，这就是日全食；只有太阳的一部分被遮住，称为日偏食。
凌日的原理本质上和日食是一样的。地球上的行星(即水星和金星)在运动过程中有时会位于地球和太阳之间。当它们与地球和太阳在一条直线上时，就会发生凌日现象。虽然金星和水星比月球大，但它们离地球远得多，看起来也比地球上的月球小得多，所以当凌日发生时，地球上的观测者只能看到一个小黑点在太阳表面缓慢移动。凌日现象只发生在地球的行星上，所以凌日只有两种:水星凌日和金星凌日。
地球围绕太阳运行的轨道平面称为黄道面。只有当本地行星位于地球和太阳之间，且其轨道平面与黄道平面相交时，才会发生凌日。所以凌日现象的出现是很有规律的。水星凌日必须发生在165438+10月18或5月8日前后，平均每100年发生13次，其中165438+10月9次，5月4次。
你离太阳越近，发生凌日的几率就越大。金星比水星离太阳更远，所以凌日的几率比水星小很多。金星凌日必然发生在12年6月7日或2月9日左右，其中6月7日左右凌日机会略多。金星绕太阳公转周期为224.705438+0天，地球公转周期为365.246天，因此两者交会周期为583.92天。一般来说，两次凌日的间隔是8年，105.5年，8年，121.5年，如此循环往复，是243年的周期，也是金星凌日最基本最稳定的周期。在243年中，金星凌日可能发生五次。严格来说，金星凌日有8年、243年和251年的周期。8年周期相当于8个地球年，13个金星年和5个交会周期，243年周期相当于243个地球年，395个金星年和152个交会周期，251年周期相当于251个地球年，408个金星年和157。但是具体情况比较复杂。如果上次凌日金星的路径刚好经过太阳圆形表面的中心附近，那么8年后金星的路径就刚好在太阳圆形表面的边缘之外，所以8年后不会出现金星连续两次凌日的情况。
金星凌日的观测历史
人类对金星的观察可以追溯到很久以前。大约在公元前3000年，古巴比伦人观察到了金星。17世纪，开普勒在日心说的基础上首次预言金星凌日将发生在1631年。但由于凌日在欧洲不可见，没有人目击到这一现象，开普勒本人也未能预测到金星凌日现象会在8年后的1639再次出现。
人们第一次看到金星凌日是在1639年，预言金星凌日的是英国人j·霍罗克斯。虽然从未接受过正规的天文学教育，但他通过多年对金星、太阳等行星的观测，准确预测了1639 165438+10月24日金星凌日，并观测到金星在太阳圆面上缓慢通过的全过程，从而成为历史上预测并成功观测金星凌日现象的第一人。
哈雷在1677年观测到水星凌日后，意识到可以通过金星凌日来测量日地距离，并预测了1761年金星凌日。1761年6月6日，天文学家根据哈雷预测的合适观测点，分别观测到金星凌日。约70个点的观测数据证实了哈雷的预测，首次精确确定了地球到太阳的距离，即天文单位的长度。然而，由于一些观测点的天气条件不尽如人意，天文学家无法精确测量当时观测点的经度，哈雷的计算也不完美，因此在他预期的一些观测点上无法看到金星凌日。
6月3日金星凌日1769只有在太平洋和北美西部才能看到。* * * 77个点有151个观测者，众多天文爱好者参与。j·库克船长在南太平洋的塔希提岛观测到了这一罕见的天文现象，所有的观测都非常成功。金星凌日在19世纪发生过两次，分别是1874年2月9日、1882年2月6日和1882年2月6日。美国国会分别拨款175000美元和85000美元用于观察活动。在整个20世纪的100年里，没有一次金星凌日。在人类历史上，包括2004年6月8日的凌日在内，金星凌日这种天文现象一共见过6次，可以说金星凌日现象是罕见的。
金星凌日的观测内容
金星凌日的全过程取决于金星凌日时的运行轨迹。路径越靠近太阳圆形表面的中心，凌日过程就越长。2004年的凌日，整个过程持续了6个多小时。金星凌日过程有五个特殊时刻:当金星与太阳外切时，称为凌日外切，标志着凌日过程的开始；金星圆与太阳圆内接时，称为灵石内接。从这个时候开始，整个金星圈进入太阳圈。金星圆面中心最靠近太阳圆面中心的时刻称为陈玲，在凌日中没有特殊意义。当金星圆和太阳圆再次内接时，称为终接圆；最后金星的圆面和太阳的圆面再次外切，称为终外切面。在这五个特殊瞬间中，无法直接获得凌的瞬间，也很难记录凌的外切瞬间。能记录的比较准确的有凌氏内切，凌氏内切，凌氏外切。凌最后切出来之后就看不到金星了。
2004年金星凌日，在我国西部和北部地区进行观测较为有利，但在上海，凌日结束前太阳已经落山，无法观测到凌日的内外切。在上海，石林外切发生时间为13:12:13，石林内切发生时间为13:31:09。你可以看到北京中转的全过程。凌日时段是13:13:15-19:18:53，但是凌日结束时太阳在天空中的位置已经很低了。尽管6月8日上海的天气不利于观测，但天文爱好者和媒体记者仍然兴致勃勃，做好了充分准备。结果，好事多磨。下午4点左右，一场大雨过后，由局部多云转多云。目测、摄影、录像、投影观测都很成功，观测工作一直持续到太阳下山。笔者也有幸看到了这一罕见的天文现象。在这次凌日期间，金星在太阳表面的运行路径从太阳的左下位置开始，向右下移动。但是经过大约3个小时的凌日，也就是下午4点左右，观测者的总体印象是整个运行轨迹位于太阳圆形表面的中心左侧，它是从上往下运动的。这是因为预测的金星路径图是在太阳正南时设定的，所以太阳的赤道面几乎与南方地平线平行，也就是在正的东西方向。但实际上，在凌日过程中，由于地球自转，太阳从靠近南方的位置向西移动，下午4点左右位于西方向。此时，太阳赤道面与西方地平线之间的角度变得非常大。因此，金星在太阳表面的运动方向是从上到下。
金星凌日很少见，但我们必须提前做好充分准备，才能成功观测到凌日现象。首先，一定要注意保护眼睛。千万不要用普通太阳镜直接观察太阳，无论采取什么方法，都不要长时间盯着太阳看。另外，最好使用专门的日食观测卡，使用前仔细检查观测卡的膜层是否完好。也可以用焊接防护玻璃、被烟完全熏黑的普通玻璃、几层过曝膜来充分减弱进入眼睛的阳光。如果用望远镜观察，要注意望远镜不要长时间对着太阳，保护镜头。同时，物镜前必须加上镀有高反射膜的滤光片。因为太阳光强烈，直径5 ~ 6厘米的望远镜就够了。为了准确确定金星与太阳相切的时间，望远镜的放大倍数应为100 ~ 150倍。除了目测，还可以用投影法观察。因为金星在进入太阳圈之前是看不到的，所以我们必须根据预测的极线时刻和金星在该时刻的位置角度，耐心等待金星极线切线的出现。
在金星凌日的过程中，要努力观测到两个有趣的现象:“黑降”和“晕”。黑滴和光晕都出现在进入凌后和离开凌前的瞬间。黑滴效应(black drop effect)是金星凌日过程中与太阳表面相切时，金星边缘与太阳边缘被油滴阴影“粘”在一起的现象，是由大气的宁静、光的衍射和望远镜分辨率有限造成的。在进入和退出阶段，有时金星圆形表面的边缘会镶嵌一层微小的晕圈或光晕，这是由金星大气层顶部对太阳光的反射和散射形成的。
金星凌日2012
下一次金星凌日将发生在2012年6月6日。对于中国大部分地区，包括上海和北京，凌日发生在早上，人们可以看到凌日的全过程。整个过程的长度与2004年几乎相同，但在我国西部地区，凌日过程已经在日出时开始(称为“随凌日出来”)。从全球来看，整个凌日过程可以在北美西北部、西太平洋(包括夏威夷)、亚洲北部、中国东部和北部、日本、朝鲜半岛、菲律宾、澳大利亚东部和新西兰看到。在北美大部分地区、加勒比海和南美西北部，凌日过程并没有在日落时结束(称为“无冰取冰”)；中亚、中东、欧洲和东非正在崛起；完全看不到的地区是葡萄牙、西班牙南部、西非和南美东南部，南美东南部约占南美的三分之二。
接下来的几次金星凌日事件将依次发生在2117，11，2125，11，2247年6月。天文学家可以对1000年甚至更长时间的日食、月食、金星凌日做出准确的预测。
自从1639以来，人们已经观察金星凌日超过300年了。早期天文学家通过观察这种现象来测量天文单位的千米数。今天，人们只是将金星凌日作为一种罕见的天文现象来观看，凌日本身并没有多少科学研究意义。然而，这一现象为天文学家寻找太阳系外其他恒星的行星提供了重要途径。因为恒星距离地球非常遥远，即使有行星围绕，用现在的技术也无法直接观测到，必须用间接的方法，其中之一就是观测“凌星”现象。因为行星围绕恒星旋转，但行星并不发光，当一颗遥远恒星周围的行星位于恒星和地球之间时，会遮挡恒星的部分星光。这就是凌星，它的原理和地球上的行星凌日现象是一样的。从地球上看，当凌星发生时，恒星的星光会减弱，从地球上可以观测到。通过分析凌星过程中星光衰减的规律，可以计算出行星围绕恒星的轨道和质量。这种方法被称为“凌星法”。
只有当恒星周围行星的轨道平面与地球上观测者的视线一致时，才能使用凌日法寻找外行星。至今只观测到一颗恒星的凌星现象，发现其周围行星的质量是木星的0.67倍。2007年，美国国家航空航天局将发射第一个太空探测器“开普勒”,致力于探索外星球。它将围绕太阳运行，计划在4年内探索4万颗恒星，寻找恒星周围存在行星的迹象，探测器的工作原理是“凌日法”。