对火星轨道变化问题的最后解释-《死在火星上》


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    2.4  Error  estimation

    2.4.1  Relative  errors  in  total  energy  and  angular  momentum

    According  to  one  of  the  basic  properties  of  symplectic  integrators,  which  conserve  the  physically  conservative  quantities  well  (total  orbital  energy  and  angular  momentum),  our  long-term  numerical  integrations  seem  to  have  been  performed  with  very  small  errors.  The  averaged  relative  errors  of  total  energy  (~10?9)  and  of  total  angular  momentum  (~10?11)  have  remained  nearly  constant  throughout  the  integration  period  (Fig.  1).  The  special  startup  procedure,  warm  start,  would  have  reduced  the  averaged  relative  error  in  total  energy  by  about  one  order  of  magnitude  or  more.

    Relative  numerical  error  of  the  total  angular  momentum  δA/A0  and  the  total  energy  δE/E0  in  our  numerical  integrationsN±  1,2,3,  where  δE  and  δA  are  the  absolute  change  of  the  total  energy  and  total  angular  momentum,  respectively,  andE0andA0are  their  initial  values.  The  horizontal  unit  is  Gyr.

    Note  that  different  operating  systems,  different  mathematical  libraries,  and  different  hardware  architectures  result  in  different  numerical  errors,  through  the  variations  in  round-off  error  handling  and  numerical  algorithms.  In  the  upper  panel  of  Fig.  1,  we  can  recognize  this  situation  in  the  secular  numerical  error  in  the  total  angular  momentum,  which  should  be  rigorously  preserved  up  to  machine-ε  precision.

    2.4.2  Error  in  planetary  longitudes

    Since  the  symplectic  maps  preserve  total  energy  and  total  angular  momentum  of  N-body  dynamical  systems  inherently  well,  the  degree  of  their  preservation  may  not  be  a  good  measure  of  the  accuracy  of  numerical  integrations,  especially  as  a  measure  of  the  positional  error  of  planets,  i.e.  the  error  in  planetary  longitudes.  To  estimate  the  numerical  error  in  the  planetary  longitudes,  we  performed  the  following  procedures.  We  compared  the  result  of  our  main  long-term  integrations  with  some  test  integrations,  which  span  much  shorter  periods  but  with  much  higher  accuracy  than  the  main  integrations.  For  this  purpose,  we  performed  a  much  more  accurate  integration  with  a  stepsize  of  0.125  d  (1/64  of  the  main  integrations)  spanning  3  ×  105  yr,  starting  with  the  same  initial  conditions  as  in  the  N?1  integration.  We  consider  that  this  test  integration  provides  us  with  a  ‘pseudo-true’  solution  of  planetary  orbital  evolution.  Next,  we  compare  the  test  integration  with  the  main  integration,  N?1.  For  the  period  of  3  ×  105  yr,  we  see  a  difference  in  mean  anomalies  of  the  Earth  between  the  two  integrations  of  ~0.52°(in  the  case  of  the  N?1  integration).  This  difference  can  be  extrapolated  to  the  value  ~8700°,  about  25  rotations  of  Earth  after  5  Gyr,  since  the  error  of  longitudes  increases  linearly  with  time  in  the  symplectic  map.  Similarly,  the  longitude  error  of  Pluto  can  be  estimated  as  ~12°.  This  value  for  Pluto  is  much  better  than  the  result  in  Kinoshita  &  Nakai  (1996)  where  the  difference  is  estimated  as  ~60°.

    3  Numerical  results  –  I.  Glance  at  the  raw  data

    In  this  section  we  briefly  review  the  long-term  stability  of  planetary  orbital  motion  through  some  snapshots  of  raw  numerical  data.  The  orbital  motion  of  planets  indicates  long-term  stability  in  all  of  our  numerical  integrations:  no  orbital  crossings  nor  close  encounters  between  any  pair  of  planets  took  place.

    3.1  General  description  of  the  stability  of  planetary  orbits

    First,  we  briefly  look  at  the  general  character  of  the  long-term  stability  of  planetary  orbits.  Our  interest  here  focuses  particularly  on  the  inner  four  terrestrial  planets  for  which  the  orbital  time-scales  are  much  shorter  than  those  of  the  outer  five  planets.  As  we  can  see  clearly  from  the  planar  orbital  configurations  shown  in  Figs  2  and  3,  orbital  positions  of  the  terrestrial  planets  differ  little  between  the  initial  and  final  part  of  each  numerical  integration,  which  spans  several  Gyr.  The  solid  lines  denoting  the  present  orbits  of  the  planets  lie  almost  within  the  swarm  of  dots  even  in  the  final  part  of  integrations  (b)  and  (d).  This  indicates  that  throughout  the  entire  integration  period  the  almost  regular  variations  of  planetary  orbital  motion  remain  nearly  the  same  as  they  are  at  present.

    Vertical  view  of  the  four  inner  planetary  orbits  (from  the  z  -axis  direction)  at  the  initial  and  final  parts  of  the  integrationsN±1.  The  axes  units  are  au.  The  xy  -plane  is  set  to  the  invariant  plane  of  Solar  system  total  angular  momentum.(a)  The  initial  part  ofN+1  (  t  =  0  to  0.0547  ×  10  9  yr).(b)  The  final  part  ofN+1  (  t  =  4.9339  ×  10  8  to  4.9886  ×  10  9  yr).(c)  The  initial  part  of  N?1  (t=  0  to  ?0.0547  ×  109  yr).(d)  The  final  part  ofN?1  (  t  =?3.9180  ×  10  9  to  ?3.9727  ×  10  9  yr).  In  each  panel,  a  total  of  23  684  points  are  plotted  with  an  interval  of  about  2190  yr  over  5.47  ×  107  yr  .  Solid  lines  in  each  panel  denote  the  present  orbits  of  the  four  terrestrial  planets  (taken  from  DE245).

    The  variation  of  eccentricities  and  orbital  inclinations  for  the  inner  four  planets  in  the  initial  and  final  part  of  the  integration  N+1  is  shown  in  Fig.  4.  As  expected,  the  character  of  the  variation  of  planetary  orbital  elements  does  not  differ  significantly  between  the  initial  and  final  part  of  each  integration,  at  least  for  Venus,  Earth  and  Mars.  The  elements  of  Mercury,  especially  its  eccentricity,  seem  to  change  to  a  significant  extent.  This  is  partly  because  the  orbital  time-scale  of  the  planet  is  the  shortest  of  all  the  planets,  which  leads  to  a  more  rapid  orbital  evolution  than  other  planets;  the  innermost  planet  may  be  nearest  to  instability.  This  result  appears  to  be  in  some  agreement  with  Laskar's  (1994,  1996)  expectations  that  large  and  irregular  variations  appear  in  the  eccentricities  and  inclinations  of  Mercury  on  a  time-scale  of  several  109  yr.  However,  the  effect  of  the  possible  instability  of  the  orbit  of  Mercury  may  not  fatally  affect  the  global  stability  of  the  whole  planetary  system  owing  to  the  small  mass  of  Mercury.  We  will  mention  briefly  the  long-term  orbital  evolution  of  Mercury  later  in  Section  4  using  low-pass  filtered  orbital  elements.

    The  orbital  motion  of  the  outer  five  planets  seems  rigorously  stable  and  quite  regular  over  this  time-span  (see  also  Section  5).

    3.2  Time–frequency  maps

    Although  the  planetary  motion  exhibits  very  long-term  stability  defined  as  the  non-existence  of  close  encounter  events,  the  chaotic  nature  of  planetary  dynamics  can  change  the  oscillatory  period  and  amplitude  of  planetary  orbital  motion  gradually  over  such  long  time-spans.  Even  such  slight  fluctuations  of  orbital  variation  in  the  frequency  domain,  particularly  in  the  case  of  Earth,  can  potentially  have  a  significant  effect  on  its  surface  climate  system  through  solar  insolation  variation  (cf.  Berger  1988).

    To  give  an  overview  of  the  long-term  change  in  periodicity  in  planetary  orbital  motion,  we  performed  many  fast  Fourier  transformations  (FFTs)  along  the  time  axis,  and  superposed  the  resulting  periodgrams  to  draw  two-dimensional  time–frequency  maps.  The  specific  approach  to  drawing  these  time–frequency  maps  in  this  paper  is  very  simple  –  much  simpler  than  the  wavelet  analysis  or  Laskar's  (1990,  1993)  frequency  analysis.

    Divide  the  low-pass  filtered  orbital  data  into  many  fragments  of  the  same  length.  The  length  of  each  data  segment  should  be  a  multiple  of  2  in  order  to  apply  the  FFT.

    Each  fragment  of  the  data  has  a  large  overlapping  part:  for  example,  when  the  ith  data  begins  from  t=ti  and  ends  at  t=ti+T,  the  next  data  segment  ranges  from  ti+δT≤ti+δT+T,  where  δT?T.  We  continue  this  division  until  we  reach  a  certain  number  N  by  which  tn+T  reaches  the  total  integration  length.

    We  apply  an  FFT  to  each  of  the  data  fragments,  and  obtain  n  frequency  diagrams.

    In  each  frequency  diagram  obtained  above,  the  strength  of  periodicity  can  be  replaced  by  a  grey-scale  (or  colour)  chart.

    We  perform  the  replacement,  and  connect  all  the  grey-scale  (or  colour)  charts  into  one  graph  for  each  integration.  The  horizontal  axis  of  these  new  graphs  should  be  the  time,  i.e.  the  starting  times  of  each  fragment  of  data  (ti,  where  i=  1,…,  n).  The  vertical  axis  represents  the  period  (or  frequency)  of  the  oscillation  of  orbital  elements.

    We  have  adopted  an  FFT  because  of  its  overwhelming  speed,  since  the  amount  of  numerical  data  to  be  decomposed  into  frequency  components  is  terribly  huge  (several  tens  of  Gbytes).

    A  typical  example  of  the  time–frequency  map  created  by  the  above  procedures  is  shown  in  a  grey-scale  diagram  as  Fig.  5,  which  shows  the  variation  of  periodicity  in  the  eccentricity  and  inclination  of  Earth  in  N+2  integration.  In  Fig.  5,  the  dark  area  shows  that  at  the  time  indicated  by  the  value  on  the  abscissa,  the  periodicity  indicated  by  the  ordinate  is  stronger  than  in  the  lighter  area  around  it.  We  can  recognize  from  this  map  that  the  periodicity  of  the  eccentricity  and  inclination  of  Earth  only  changes  slightly  over  the  entire  period  covered  by  the  N+2  integration.  This  nearly  regular  trend  is  qualitatively  the  same  in  other  integrations  and  for  other  planets,  although  typical  frequencies  differ  planet  by  planet  and  element  by  element.

    4.2  Long-term  exchange  of  orbital  energy  and  angular  momentum

    We  calculate  very  long-periodic  variation  and  exchange  of  planetary  orbital  energy  and  angular  momentum  using  filtered  Delaunay  elements  L,  G,  H.  G  and  H  are  equivalent  to  the  planetary  orbital  angular  momentum  and  its  vertical  component  per  unit  mass.  L  is  related  to  the  planetary  orbital  energy  E  per  unit  mass  as  E=?μ2/2L2.  If  the  system  is  completely  linear,  the  orbital  energy  and  the  angular  momentum  in  each  frequency  bin  must  be  constant.  Non-linearity  in  the  planetary  system  can  cause  an  exchange  of  energy  and  angular  momentum  in  the  frequency  domain.  The  amplitude  of  the  lowest-frequency  oscillation  should  increase  if  the  system  is  unstable  and  breaks  down  gradually.  However,  such  a  symptom  of  instability  is  not  prominent  in  our  long-term  integrations.
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