【地科小擂台】帕克的軌跡

林彥興

出題篇

大家還記得上個月我們報導過，「帕克太陽探測器 PSP」成為首個「觸碰太陽」的人造物體嗎？小編在蒐集資料的時候，在維基百科上看到了一張 Phoenix7777 製作的，帕克自 2018 升空以來的相對於太陽的距離與速度圖。

仔細一看發現，哼哼......這圖其實相當有趣，是測試太空迷們對軌道力學認識的絕佳教材。於是小編花了一點時間，去把原始資料挖出來重新畫了一次，而本次小擂台給各位的挑戰如下：

1. 分辨哪一條線是距離，哪一條線是速度（黃色或藍色）？
2. 解釋為什麼兩條線會長成這個形狀？
3. 如何用這張圖解釋克卜勒行星運動定律？
4. 解釋為甚麼藍色的線會出現奇怪的不連續區段（短時間內突然增加或下降），以及這對黃色的線有什麼影響？

答案將在一周內公布，留下你的想法與大家討論吧！

解答篇

公布解答的時候到啦！
禮拜天，我們給大家介紹了一張帕克太陽探測器 2018 年至今相對於太陽的距離與速度，這張圖上究竟藏了多少關於軌道力學的有趣知識呢？

首先，圖中一黃一藍兩條曲線，哪條是距離、哪條是速度呢？
正如其名，帕克是一個探測太陽的探測器。想要觸碰太陽，探測器就要不斷地煞車煞車再煞車，消耗自己的力學能，才能夠降低軌道前往內太陽系。因此帕克最初發射的時候，就是朝著地球公轉的相反方向加速的。因此我們可以判斷，黃色的線是距離，藍色的線則是速度。

再來，這張圖漂亮的展示了克卜勒行星運動三定律。首先，帕克的軌道是橢圓形（第一定律），而且距離越小、速度越快（第二定律），因此距離與速度的曲線才會長成一端尖、一端鈍的形狀。再來，如果你仔細看軌道的遠日（黃線最高點）和近日點（黃線最低點），你會發現他們相加起來越大（即軌道的半長軸越長），每個軌道的週期（橫向間隔）就越久，也就是克卜勒第三運動定律。

最後，速度線上的那些不連續面是怎麼回事呢？
答：那些是帕克飛過金星時，重力助推造成的減速。為了讓帕克在盡可能減少推進劑消耗的情況下接近太陽，任務團隊為帕克精心安排了七次金星飛掠。每一次飛掠，都讓金星的重力拉帕克一把，降低它的速度，讓它在下一次的軌道中，可以更靠近太陽。於是我們看到，僅憑高中物理的知識，就能在一張圖中挖出如此多的亮點，是不是相當有趣呢？