Движения Солнца, Луны и планет
Каждый день, поднимаясь из-за горизонта в восточной стороне неба, Солнце проходит по небу и вновь скрывается на западе.
В Северном полушарии это движение происходит слева направо, в Южном — справа налево. В полдень Солнце достигает наибольшей высоты, или, как говорят астрономы, кульминирует. Полдень — это верхняя кульминация, а бывает еще и нижняя — в полночь. В наших средних широтах нижняя кульминация Солнца не видна, так как она происходит под горизонтом. А вот за полярным кругом, где Солнце летом иногда не заходит, можно наблюдать и верхнюю, и нижнюю кульминации.
На географическом полюсе суточный путь Солнца практически параллелен горизонту. Появившись в день весеннего равноденствия, Солнце четверть года поднимается все выше, описывая круги над горизонтом. В день летнего солнцестояния оно достигает максимальной высоты (23,5°). Следующие четверть года, до осеннего равноденствия, Солнце спускается. Это полярный день. Затем на полгода наступает полярная ночь.
В дни равноденствий Солнце находится на небесном экваторе. В эти дни оно восходит в точке востока и заходит в точке запада. Следует учитывать, что вследствие рефракции (т. е. преломления световых лучей в земной атмосфере) видимая высота светила всегда больше истинной. Поэтому восход Солнца происходит раньше, а заход — позже, чем это было бы при отсутствии атмосферы.
Суточный путь Солнца представляет собой малый круг небесной сферы, параллельный небесному экватору. В то же время в течение года Солнце перемещается относительно небесного экватора то к северу, то к югу. Дневная и ночная части его пути неодинаковы. Они равны только в дни равноденствий, когда Солнце находится на небесном экваторе.
Солнце медленно, примерно на 1° за сутки, перемещается среди звезд налево, и можно проследить, как в течение года меняется вид звездного неба. Все это — следствия обращения Земли вокруг Солнца. Путь видимого годичного перемещения Солнца на фоне звезд именуется эклиптикой, а период оборота по эклиптике — звездным годом. Он равен 365 суткам 6 ч 9 мин 10 с, или 365,2564 средних солнечных суток.
Из четырех точек эклиптики главной является точка весеннего равноденствия. Именно от нее отсчитывается одна из небесных координат — прямое восхождение. Она же служит для отсчета звездного времени и тропического года — промежутка времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год определяет смену времен года на нашей планете. Так как точка весеннего равноденствия медленно перемещается среди звезд вследствие прецессии земной оси, продолжительность тропического года меньше продолжительности звездного. Она составляет 365,2422 средних солнечных суток.
Неравномерность движения Солнца по эклиптике, которая является следствием изменения скорости движения Земли по эллиптической орбите вокруг Солнца, приводит к разной длительности времен года. Для жителей Северного полушария весна и лето на шесть суток продолжительнее осени и зимы. Земля 2–4 июля расположена от Солнца на 5 млн километров дальше, чем 2–3 января, и движется по своей орбите медленнее в соответствии со вторым законом Кеплера. Летом Земля получает от Солнца меньше тепла, но зато лето в Северном полушарии продолжительнее зимы. Поэтому в Северном полушарии Земли теплее, чем в Южном.
Движение и фазы Луны
Известно, что луна меняет свой вид. Сама она не излучает света, поэтому на небе видна только освещенная Солнцем ее поверхность — дневная сторона. Перемещаясь по небу с запада на восток, Луна за месяц догоняет и перегоняет Солнце.
При этом происходит смена лунных фаз: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.
В новолуние Луну не разглядеть даже в телескоп. Она располагается в том же направлении, что и Солнце (только выше или ниже его), и повернута к Земле неосвещенным полушарием. Через один-два дня, когда Луна удалится от Солнца, узкий серп можно будет наблюдать за несколько минут до ее захода в западной стороне неба на фоне вечерней зари. Первое появление лунного серпа после новолуния греки называли неомения («новая Луна»). Этот момент у древних народов считался началом лунного месяца.
1 — новолуние: Луна не видна.
2 — молодая Луна: первое появление Луны на небе после новолуния в виде узкого серпа.
3 — четверть: освещена половина Луны.
4 — прибывающая Луна.
5 — полнолуние: освещена вся Луна целиком.
6 — убывающая Луна.
7 — последняя четверть Луны: снова освещена половина Луны.
8 — старая Луна.
Через 7 суток 10 ч после новолуния наступает фаза, именуемая первой четвертью. За это время Луна удалилась от Солнца на 90°. Теперь солнечные лучи освещают только правую половину лунного диска. После захода Солнца Луна находится в южной стороне неба и заходит около полуночи. Продолжая перемещаться от Солнца все дальше к востоку, Луна с вечера появляется на восточной стороне неба. Заходит она уже после полуночи, причем каждые сутки все позднее и позднее.
Когда наш спутник оказывается в стороне, противоположной Солнцу (на угловом расстоянии 180° от него), наступает полнолуние. Полная Луна светит всю ночь. Она восходит с вечера и заходит под утро. Спустя 14 суток 18 ч с момента новолуния Луна начинает приближаться к Солнцу справа. Освещенная доля лунного диска уменьшается. Все позднее восходит Луна над горизонтом и к утру уже не заходит. Расстояние между Луной и Солнцем уменьшается со 180° до 90°. Опять становится видна только половина лунного диска, но это уже левая его часть. Наступает последняя четверть. А через 22 дня 3 ч после новолуния Луна в последней четверти восходит около полуночи и светит в течение всей второй половины ночи. К восходу Солнца она оказывается в южной стороне неба.
Ширина лунного серпа продолжает уменьшаться, а сама Луна постепенно приближается к Солнцу с правой (западной) стороны. Бледный серп появляется на восточном небосклоне под утро, с каждыми сутками все позднее. Опять виден пепельный свет ночной Луны. Угловое расстояние между Луной и Солнцем уменьшается от 90° до 0°. Наконец Луна догоняет Солнце и снова становится невидимой. Наступает следующее новолуние. Лунный месяц закончился. Прошло 29 дней 12 ч 44 мин 2,8 с, или почти 29,5 суток.
Промежуток времени между последовательными одноименными фазами Луны называется синодическим месяцем. Таким образом, синодический период связан с видимым на небе расположением небесного тела (в данном случае Луны) относительно Солнца.
Свой путь вокруг Земли относительно звезд Луна совершает за 27 суток 7 ч 43 мин 11,5 с. Этот период называется сидерическим (oт лат. sideris — звезда), или звездным, месяцем. Таким образом, сидерический месяц немного короче синодического. Чтобы объяснить этот факт, рассмотрим движение Луны от новолуния до новолуния. Луна, совершив оборот вокруг Земли за 27,3 суток, возвращается на свое место среди звезд. Но Солнце за это время уже переместилось по эклиптике к востоку, и только когда Луна догонит его, наступит следующее новолуние. А для этого ей потребуется еще примерно 2,2 суток.
Лунные затмения
Лунное затмение — одно из немногих небесных явлений, доступных любительским средствам фотосъемки. Во время лунного затмения на край серебристого диска полной Луны в течение часа постепенно накатывает что-то круглое и красное, словно большой диск окрашенного стекла, пока все светило не скроется в этой красноте. Луна долго остается в таком виде, а затем красный круг начинает сползать с ее правого края.
Причина лунных затмений стала в какой-то степени понятна уже восточным мудрецам много тысяч лет назад. Но, как и все важные знания о небе, она была жреческой тайной. Греческие ученые осмыслили и рассекретили халдейские премудрости.
Аристотель четко сформулировал эту истину и сделал очень важный вывод: раз конус тени во всякое затмение имеет круглое сечение, значит, и Земля наша округла и может быть только шаром. Это было первое (но не единственное) доказательство шарообразности Земли.
Если бы плоскость орбиты Луны совпадала с плоскостью земной орбиты (плоскостью эклиптики), то затмения Луны повторялись бы каждое полнолуние, т. е. регулярно через 29,5 суток. Но месячный путь Луны наклонен к плоскости эклиптики на 5°, и Луна дважды в месяц лишь пересекает «круг затмений» в двух «рискованных» точках. Эти точки называются узлами лунной орбиты. Следовательно, для того чтобы произошло лунное затмение, необходимо совпадение двух независимых условий: должно быть полнолуние и Луна в это время должна пребывать в узле своей орбиты или где-то рядом.
В зависимости от того, насколько близко Луна окажется к узлу орбиты в час затмения, она может пройти через середину конуса тени, и затмение будет максимально продолжительным, а может пройти краем тени, и тогда мы увидим частное лунное затмение. Конус земной тени окружен полутенью. В эту область пространства попадает лишь часть солнечных лучей, не заслоненная Землей. Поэтому бывают полутеневые затмения. О них тоже сообщается в астрономических календарях, но эти затмения неразличимы для глаза, только фотоаппарат и фотометр способны отметить помрачение Луны во время полутеневой фазы или полутеневого затмения. Когда же полнолуние случается далеко от узлов лунной орбиты, Луна проходит выше или ниже тени и затмения не происходит.
Восточные жрецы, еще не очень четко все это понимая, веками вели упорный счет полным и частным затмениям. На первый взгляд в расписании затмений не обнаруживается никакого порядка. Бывают годы, когда случается три лунных затмения, а бывает, что и ни одного. К тому же лунное затмение видно только с той половины земного шара, где Луна в этот час находится над горизонтом, так что с любого места на Земле, например из Египта, можно наблюдать только чуть больше половины всех лунных затмений.
Но упорным наблюдателям небо открыло наконец великую тайну: за 6585,3 суток (так называемый сарос) по всей Земле в среднем происходят 28 лунных затмений. В следующие 18 лет 11 дней 8 ч (а это и составляет названное число суток) все затмения будут повторяться по тому же расписанию. Остается только ко дню каждого затмения прибавить 6585,3 дня. Так вавилонские астрономы научились предсказывать затмения через «повторение». По-гречески это «сарос». Сарос позволяет рассчитывать затмения на сотни лет вперед.
Когда движение Луны по орбите было изучено более точно, астрономы научились вычислять не только день затмения, как это делалось по саросу, но и точное время его начала.
Солнечные затмения
Луна в 400 раз меньше Солнца и в 400 раз ближе него, поэтому на небе Солнце и Луна кажутся дисками одинакового размера. Так что при полном солнечном затмении Луна целиком заслоняет яркую поверхность Солнца, оставляя при этом открытой всю солнечную атмосферу.
Чтобы понять, где и как протекает солнечное затмение, надо посмотреть на Землю и Луну со стороны. Проходя между Солнцем и Землей, маленькая Луна не может полностью затенить Землю. Короткая лунная тень притемняет на Земле лишь небольшой кружок. Только здесь можно в этот момент наблюдать полное затмение Солнца. Но Луна движется по орбите, и Земля вращается под тенью. Поэтому тень как бы прочерчивает на Земле полосу полного затмения шириной не более 270 км. Если теневая дорожка пройдет от нас в 3–4 тыс. километров или дальше, то мы не увидим никакого затмения. А если мы окажемся вблизи полосы полного затмения, в области полутени, для нас только часть Солнца заслонится Луной и будет наблюдаться частное затмение.
В некоторые новолуния острие лунной тени проходит мимо земного шара, а на Землю падает только полутень. Тогда календари объявляют о частном затмении Солнца.
Если в день затмения Луна, перемещаясь по своей вытянутой орбите, будет находиться на значительном удалении от Земли, то видимый диск ее окажется мал и не сможет полностью покрыть Солнце. Поэтому в середине затмения края Солнца будут выглядывать из-за Луны, мешая видеть и фотографировать корону. Это — кольцеобразное затмение.
В наше время затмения с большой точностью вычислены на тысячи лет назад и сотни лет вперед. Затмения, рассчитанные для далекого прошлого, позволяют историкам совершенно точно датировать события, произошедшие в день и год затмения.
Хотя в целом на Земле солнечные затмения случаются чаще, чем лунные, в какой-то определенной местности полные затмения Солнца наблюдаются крайне редко: в среднем раз в 300 лет. Например, за всю историю Москвы ее «посетили» четыре полных солнечных затмения: в 1140, 1450, 1476 и 1887 гг. Следующее полное затмение москвичи увидят 16 октября 2126 г. Астрономические календари публикуют карты полосы полного затмения и прилегающих зон частного затмения. Так что специалисты и астрономы-любители могут не «ждать милости от природы», а заранее выбрать удобное место для экспедиции.
Солнечное затмение — это уникальное явление, во время которого между Солнцем и наблюдателем на Земле появляется Луна. Проще говоря, это тень Луны на поверхности Земли.
Полное затмение — лучшее время для изучения солнечной атмосферы: серебристой короны и более низкого слоя — красной хромосферы, над которой вздымаются огненные фонтаны протуберанцев. Правда, астрономы ухитряются все это видеть и в обычный солнечный день, устраивая заслонку солнечному диску прямо в трубе телескопа.
Даже во время полного солнечного затмения спрятавшееся за лунный диск Солнце освещает атмосферные слои вблизи горизонта. Возникает явление, сходное с тем, что происходит, когда Солнце только что зашло или вот-вот взойдет, — заря. Только на этот раз она охватывает практически весь горизонт — «заревое кольцо».
Фотографирование солнечных затмений затруднено большой разницей в освещенности во время частной и полной фаз, а также малой продолжительностью полной фазы — не более нескольких минут.
Видимые движения планет
Луна — это первое небесное тело, перемещение которого на фоне постоянного узора созвездий было отмечено людьми, ведь движется она довольно быстро, так что ее движение можно заметить буквально в течение одной ночи.
Каждый час Луна смещается относительно звезд на величину своего поперечника, разумеется участвуя вместе с ними и в суточном вращении вокруг полюса мира. Направление перемещения среди звезд противоположно направлению ее суточного вращения.
Труднее заметить подобное движение Солнца — ведь оно светит днем, а фон дневного неба слишком ярок, чтобы на нем можно было заметить слабые источники света — звезды (хотя они там присутствуют). Поэтому и нельзя прямо наблюдать перемещение Солнца среди них. Однако, наблюдая сезонные изменения ночного неба, люди поняли, что Солнце тоже перемещается относительно звезд — в ту же сторону, что и Луна, но гораздо медленнее.
Еще до этого открытия были обнаружены светила, и притом весьма яркие, чье движение среди звезд было несомненным. Их назвали планетами. Уже в римскую эпоху они получили имена богов и богинь римского пантеона — в полном соответствии с особенностями своего облика и движения.
Движение планет среди звезд выглядит более сложным, чем перемещение Солнца и Луны. Двигаясь в том же направлении, что и наши главные светила, через некоторое время планета замедляет ход, затем останавливается, смещается в обратном направлении и после очередной остановки снова меняет направление движения на первоначальное. Движение с запада на восток называется прямым, с востока на запад — попятным, а моменты смены направления — стояниями. Если нанести этот путь на карту, получится петля.
Для объяснения таких необычных движений в свое время были придуманы весьма сложные механические системы. Над умами долго довлели религиозно-философские идеи об устройстве мира и его гармонии. В частности, совершенным движением, единственно достойным приложения к небесным объектам, считалось равномерное движение по окружности. Поэтому система александрийца Клавдия Птолемея, господствовавшая в науке много столетий, пыталась описать видимые движения планет как комбинацию таких равномерных движений по окружности. К тому же система эта была геоцентрической: в центре Вселенной помещалась неподвижная Земля; вокруг нее вращались даже не планеты, а центры окружностей, по которым равномерно двигались планеты. Но такая схема не могла точно описать видимое движение планет, и ее пришлось усложнять введением новых кругов. Потребовался гений Коперника и Кеплера, чтобы описать истинные движения планет вокруг Солнца.
Таким образом, когда Венера и Земля находятся примерно на одной прямой с Солнцем и по одну сторону от него, Венера обгоняет Землю в орбитальном движении и на небе Земли перемещается среди звезд попятным движением. Когда в такой ситуации оказываются Земля и Марс, уже Земля обгоняет своего внешнего соседа, и тот получает попятное движение на небе.
Размеры петли зависят от расстояния между планетой и Землей: чем оно больше, тем петля меньше. Отметим еще, что планеты описывают петли, а не просто движутся туда-обратно по одной линии исключительно из-за того, что плоскости их орбит не совпадают с плоскостью эклиптики (т. е. плоскостью земной орбиты).
Прецессия земной оси
Круговое покачивание оси вращения твердого тела физики называют прецессией. Прецессия земной оси вызывается притяжением Солнца и Луны, которые стремятся повернуть ее, а Земля этому сопротивляется и прецессирует. Земля совершает 365 оборотов в год и прецессионный тур за 26 тыс. лет. При этом ее ось описывает среди созвездий окружность радиусом 23,5° с центром в полюсе эклиптики, который находится в созвездии Дракон. Цикл прецессии земной оси издавна назывался платоническим годом (тем самым древние астрономы отдали дань уважения Платону, который еще в IV в. до н. э. утверждал, что «существуют кроме земного другие годы»). За такой год полюс мира прогуливается по шести созвездиям: Малой Медведице, Цефею, Лебедю, Лире, Геркулесу и Дракону, «выбирая» из дюжины попутных звезд на должность очередной полярной ту или иную звезду, желательно поярче. Например, к концу XIII тысячелетия до новой эры полярной звездой уже в пятый раз была Вега (по пять раз становились полярными α Малой Медведицы и Денеб), а в шестой раз на памяти «человека разумного» Вега станет полярной в 13 000 г.
Если полюс мира «гуляет» по созвездиям, значит, вместе с ним изменяют свое положение среди звезд и небесный экватор, и точка весеннего равноденствия, от которой астрономы отсчитывают небесные координаты. Во II в. до н. э. Гиппарх измерил координаты около 900 звезд, составил звездный каталог, а потом сличил свои наблюдения с каталогом столетней давности. Гиппарх обнаружил, что координаты звезд немного поменялись, словно все небо съехало набок. Так была открыта прецессия.