1700938370
既然天文学家用地日平均距离来作为太阳系尺度中的距离单位，那么内行星的平均距离必定是小数（如上述），而外行星就要由1.5的火星到30的海王星了。如果我们求出这些距离的立方数再求出其平方根，我们就可得到以年为单位的它们的公转周期了——有兴趣的读者可以很方便地用上面给出的资料来算出每颗行星的公转周期。
1700938371
1700938372
我们还可看出越外层的行星，绕行轨道的周期就越长，不仅是因为路程更远，还因为它们走得更慢。再照前面例子来说，假定一颗外层行星距太阳远了4倍，它运动速率也就减了一半，因此绕上一圈才加上8倍。地球在轨道中运动速率是每秒钟29.8千米，海王星的速率每秒钟却只有5.6千米，而它的路程要远上足足30倍。这就是它要160多年才能绕太阳一周的原因了。
1700938373
1700938374
值得一提的是，开普勒三定律是在第谷留下的资料的基础上，花费了开普勒无数的精力，单纯由观测和猜测得来的，并最终发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。而这个结论到了一个世纪后，却被牛顿从另外一个途径独立地得到了——任何一个高中生都可以运用引力定律的知识，纯粹从数学上得到这3条结论。
1700938375
1700938376
通俗天文学：和大师一起与宇宙对话（全彩四色珍藏版） [:1700937106]
1700938377
第二章 水星
1700938378
1700938379
我们现在要依照距太阳远近的次序，开始叙述我们所知的大行星的一切了。第一个轮到的就是水星，这不仅是一颗离太阳最近的行星，而且是八大行星中最小的一颗——如果不是因为它地位的缘故，我们几乎不能将它列在大行星中。它的直径只比月亮大出50%，但其体积是与其直径的立方成比例的，因此它比月亮的体积大了3倍多。
1700938380
1700938381
水星要算是大行星中轨道偏心率最大的一颗——虽然有些小行星在这方面要超过它（下面就要叙及）。因此它离太阳的远近也有很大的变化，在近日点上这距离不到4 700万千米；在远日点上其距离竟大于6 900万千米。它绕日的公转周期不到3个月——更确切些说，88日，因此它在一年之中绕太阳4次有余。
1700938382
1700938383
在地球绕太阳一次的时间中水星绕了4次有余，水星与太阳的“合”也依照一个虽不一致却很规则的周期。为了表明其视运动的规律，且假设图31中的内圆代表水星轨道而外圆代表地球轨道。当地球在E点而水星在M点时，水星正与太阳在下合点上。3个月之后它又回到M点，但这时却并无下合，因为同时地球也在轨道中运动了。当地球到达F点而水星到了N点时，又有了下合。这种由一个下合到另一下合的周期运动叫做行星的“会合周”（synodic revolution）。水星的会合周比实际公转周期多出1/3不到一点；这就是说，MN弧略小于圆周的1/3。
1700938384
1700938385
1700938386
1700938387
1700938388
图31 水星合日
1700938389
1700938390
现在再假定，在图32中地球在E点，水星不在M点，却几乎到了最高处的A点上。这时从地球的角度看来，它在离太阳视在距离最远的一点上——用术语来说，在“大距”上。如果水星在太阳之东，就会在太阳之后沉没，我们可以在日落后半小时至一小时内在西天的薄霭中看到它明亮的身影。在相反方向的C点附近，那就到了太阳之西。于是在日出前升起，这时候，水星就会闪耀在东天的晨曦中。所以，当作昏星来看时，最好在东大距时（春季）；当作晨星来看，水星在西大距时（秋季）就更利于观测。
1700938391
1700938392
1700938393
1700938394
1700938395
图32 水星的距角
1700938396
1700938397
水星的外观
1700938398
1700938399
用望远镜观测水星的最佳时刻，是春季和暖的傍晚，或者在秋天清凉的黎明。假定它在太阳之东，一般在下午任何时候都可用望远镜看见它，但这时空气通常都被太阳强烈的光线搅乱了，因此很难作出令人满意的观测。下午晚些时候空气较稳定，就比较利于观测了。可是到了日落之后，它却又是在不断增厚的大气之中，也越来越模糊。正因为这种种不利因素，水星成了很难如意观测的行星，而观测者所描述的水星表面也就千差万别了。
1700938400
1700938401
在历史上很长的一个时期内，几乎所有的观测者都认为水星的自转周期是无法确定的。到了1889年，在意大利北部美丽的天空中，斯基亚帕瑞利（Schiaparelli）用精巧的望远镜对水星做了细致的观测，结果说该行星的状貌天天毫无变化。他因此得到结论，以为水星永远以同一面对着太阳，正如月亮之于地球一样。在亚利桑那（Arizo na）的弗拉格斯塔夫亚天文台（Elagstaff Observatory），罗尼尔（Lowell）的观测也得到了同样的结论。但到了1965年，当时最先进的多普勒雷达表明，这种理论实际上是错误的。现在我们认为水星在公转两周的同时自转三周。
1700938402
1700938403
因为水星对太阳的位置常有变换，它就也像月亮一样有圆缺的位相变化。我们能看到被太阳照耀的那半球，可背向太阳的黑暗面却是我们看不到的。当水星上合时（太阳在地球与水星之间），明半球完全对着我们，这颗行星的表面就犹如满月般的圆盘。随后它经由东大距移向下合，向着我们的暗半球部分就越来越多，明半球部分则越来越少。但由于它离我们越来越近，所以我们反而可以更好地观测仍然明亮的部分。到了下合的时候，暗半球完全对着我们，如同新月一样，在它应该出现的位置上，只留下了一个无法观测的黑暗阴影。在通过黑暗的下合期之后，水星经由西大距返回上合的位置，重新成了一轮“满月”。
1700938404
1700938405
1700938406
1700938407
1700938408
图33 信使号水星探测器拍摄的水星
1700938409
1700938410
很久以来，人们都认为水星上没有大气。因为我们根本就观测不到其对日光的折射效果。可现在的研究表明，水星拥有稀薄得几乎不存在的大气层，由太阳风带来的原子构成。水星温度被太阳烤得如此之高，使得这些原子迅速地逃逸到太空中。于是，与地球和金星稳定的大气相比，水星的大气频繁地被补充更换。
1700938411
1700938412
水星凌日
1700938413
1700938414
仔细想象一下水星的运行情况，我们就会明白，假如内行星和地球在同一平面上绕太阳而行，那么每次下合时我们都能看到其从太阳表面经过。但事情并不是如此简单，因为两颗行星不是在同一平面上旋转的。在所有大行星中，水星轨道对地球轨道的偏斜最大，因此我们常常看到它在南边或北边与太阳擦肩而过。如果它在下合时正好接近了地球与水星轨道的一交点，我们就可以从望远镜中看到一粒黑点经过太阳表面。这种现象叫做“水星凌日”（Transit of Mercury），其相隔时间从3年到13年不等。由于可以极准确地测定其进入和离开太阳圆盘的时刻，并可以通过这时刻推导出这行星的运动规律，所以天文学家对这种现象都有很大兴趣。
1700938415
1700938416
加桑迪（Gassendi）在1631年11月7日第一次观测到了水星凌日。可是由于他的工具非常简陋，观测结果已毫无科学价值了。较好的观测结果是哈雷（Halley）1677年在圣海伦岛（St.Helena）上得到的。从此以后，这种凌日的观测就很有规律地继续了下来。
1700938417
1700938418
1937年5月11日，水星擦过太阳南部边缘。在欧洲南部可见，但在美洲却在日出之前。
1700938419