关于自然卫星的运动介绍

[拼音]：ziran weixing de yundong

[外文]：motion of natural satellite

自 1610年意大利天文学家伽利略发现木星的4颗卫星以来，三百多年中一共发现了大行星的卫星34颗，它们分别环绕着除水星、金星以外的 7颗大行星运动。近年来，人们还发现了若干小行星的卫星。卫星是太阳系天体中的一个重要层次。人造卫星发射以来，人们也把这种天然的卫星称为自然卫星。

运动概述

十七世纪以来，卫星的运动一直是天体力学中一个受人重视的研究课题。卫星的轨道多种多样：有顺行的，有逆行的；其公转周期有的比行星自转周期长，有的则比行星的自转周期短；有的轨道偏心率很小，有的则很大；有的轨道与椭圆相差无几，有的则不能用椭圆来作为近似。这就使卫星的运动成为检验天体力学中各种理论的广阔领域。许多摄动理论也都以能否应用于卫星运动，作为检验其是否正确的一种标志。有的卫星系统，例如木卫系统，已确定的成员就有13个之多，再加上木星环，可以看成是太阳系的缩影。这13颗卫星按它们的运动特性又大致可以分为三类:最内侧的5颗属一类，它们的轨道倾角和偏心率都特别小；其次是中间的4颗，公转周期大致相近，轨道倾角都是20多度，偏心率则略大于前者；第三类是外侧的4颗，它们的轨道都是逆行的，公转周期在600～700天左右，轨道比前两类大。对卫星系统运动的分析有助于太阳系动力演化的研究。

实用意义

从伽利略卫星被发现时起，卫星就以其突出的实用意义受到人们的注意。伽利略一开始就意识到：不同地区（东西方向）观测者共同观测木星对其卫星的掩食可以测定观测者的经度。根据伽利略的思想，G.D.卡西尼（见卡西尼家族）精心设计了一个利用伽利略卫星的掩食观测绘制世界地图的方案。1668年，在他的指导下组织了一次全球性的木卫掩食观测，据此绘出了第一幅较准确的世界地图。长期以来，行星和卫星的质量以及行星的扁率主要是依靠对卫星运动的分析来测定的。卫星的星像比行星小，而且也更清楚，因此卫星是行星际航行的优良的导航目标。行星际探测器在飞越木星时就是用伽利略卫星导航的。

各种摄动力

自然卫星除了受母行星的万有引力作用以外，还受各种摄动力的影响。

太阳对卫星运动的影响情况比较复杂，大致可以分为两类：一类是太阳的摄动力还不及主行星引力的百分之一，这时卫星的运动特性基本上与椭圆运动相近。月球的运动就是这类典型，木星的伽利略卫星、木卫六、木卫七、木卫十、木卫十三以及土卫五、土卫六、土卫八的运动也都属于这一类。用通常的摄动理论就能处理这些卫星的运动。太阳对它们摄动的主要后果是，使它们的轨道绕行星的主轴转动；再加上行星扁率的摄动使卫星轨道绕位于黄道面和行星赤道面之间的所谓拉普拉斯不变平面进行极进动。

另一类是远离主行星的木卫八、木卫九、木卫十一、木卫十二和处在本卫星系统最外侧的土卫九和海卫二的运动，太阳对它们的摄动非常强。它们的轨道与椭圆相差较远，已无法应用通常的摄动理论。特别是木卫八、木卫九、木卫十一和木卫十二4颗卫星，它们的平运动与太阳平运动之间还有1:6和1:7的通约存在，这更增加了问题的复杂性。从二十世纪初起，F.E.罗斯等许多天文学家就试图用德洛内方法来研究这类卫星的运动，结果都失败了。科瓦列夫斯基对木卫八建立了一个半数值理论，其精度只有1┡～2┡。对研究这类卫星的运动来说，至今最有效的方法还是数值积分，其精度可达几角秒。

4颗伽利略卫星中除木卫二外，其他3颗的质量都超过月球，因此卫星之间的相互摄动起着十分重要的作用。卫星平均运动之间的通约状态引起许多天体力学家的兴趣。除了几个质量大的伽利略卫星之外，卫星之间相互吸引所产生的短周期摄动，在目前的技术条件下还难于观测到；只有通约状态引起的长周期项才对卫星的运动有显著的影响。其中最著名的是木卫一、木卫二、木卫三这 3颗伽利略卫星之间的双重共振，这是太阳系中最复杂的运动状态之一。在这3颗伽利略卫星的平运动之间有n1－3n2＋2n3≈0的关系;不但如此，在它们的平经度之间还有l1－3l2＋2l3≈π的关系，这就是著名的拉普拉斯关系。根据这个关系可以得出一个很有意义的结论:这3颗伽利略卫星不可能同时被木星掩食。

在土星的卫星系统中，卫星之间的共振状态也有几个例子。土卫六和土卫七的平运动之比为4:3;土卫二和土卫四之比为2:1；土卫一和土卫三赤存在有2:1共振。十九世纪末，纽康曾认为土卫七是当时天体力学中最有意义的研究对象之一。纽康曾证明：当两颗卫星的平运动之比为(n+1)/n时，它们的黄经之间将有约束关系。土卫七的邻居土卫六是土星卫星中最重的一颗。在土卫六的强烈摄动下，土卫七只有在“远土点”时才能与土卫六会合。同样，土卫一和土卫三总是在它们两个轨道升交点的中点附近会合。土卫二只有在近土点附近才能与土卫四会合。

共振状态不仅约束了两颗卫星之间的相对位置，同时也给测定卫星质量的工作提供了方便。至今卫星质量绝大多数是借助于对卫星相互摄动的分析测得的。

卫星对母行星的潮汐作用是影响近距卫星轨道演化的一个主要因素。行星不是一个完全d性体，因此潮汐使一部分机械能转化成热能。另一方面，潮汐使行星变形，从而改变行星的引力场，也就影响到卫星的运动，以及卫星的形状。当卫星的公转周期大于行星的自转周期时，潮汐使卫星运动的能量及角动量不断增加，卫星轨道变大；反之，如卫星公转周期小于行星自转周期，潮汐则使卫星的运动能量及角动量减小，最后卫星陨落于行星大气之中。对于后一类卫星，潮汐的作用使其轨道愈来愈圆，这说明了为什么近距卫星的偏心率一般都比较小。伯恩斯认为:正是由于潮汐的作用，水星、金星的卫星──如果它们曾经有过的话──一个个都陨落了，所以如今水星、金星都没有卫星；同样，也是由于潮汐的作用，木星和土星的卫星一对对地都演化到了共振状态。

除了上述几种摄动力以外，还有行星际物质阻尼、太阳辐射压和坡印廷－罗伯逊效应。行星际物质阻尼使卫星能量不断下降，但作用很小;太阳辐射压只使卫星轨道产生周期性振荡;坡印廷-罗伯逊效应则使卫星轨道不断收缩，但以横向速度与光速之比为因子，故此量甚小。

卫星既暗，又与行星靠得紧，所以较难进行光学观测，这就使天体力学的研究缺少必要的观测资料。目前射电观测技术，特别是空间观测技术的发展正在大力推动卫星运动理论的进展。“先驱者”10号发回的观测资料大大促进了伽利略卫星的研究工作。