§ 7. Видимое движение Солнца и Луны.
Затмения
1. Видимое годичное движение Солнца.
По непрерывно изменяющимся координатам Солнца δ и α на небесной сфере можно отметить большой круг, представляющий видимый путь центра солнечного диска в течение года. Этот круг древние греки назвали эклиптикой. Поскольку годичное движение Солнца отражает реальное обращение Земли по орбите, эклиптика является следом от сечения небесной сферы плоскостью, параллельной плоскости земной орбиты. Эта плоскость называется плоскостью эклиптики. Кроме двух точек равноденствия, о которых мы уже говорили в § 2, на эклиптике выделяются две промежуточные между ними и противо-положные друг другу точки, в которых склонение Солнца бывает наибольшим и наименьшим. В точке летнего солнцестояния Солнце имеет максимальное склонение δ = +23°26 (около 22 июня). В точке зимнего солнцестояния Солнце имеет минимальное склонение δ = –23°26 (около 22 декабря).Созвездия, через которые проходит эклиптика, называются эклиптическими созвездиями. В Древнем Междуречье возникло разделение эклиптики с окружающими её созвездиями на 12 частей. Этот пояс был назван Поясом Зодиака (греч. zodiakos — животное). Первоначально зодиакальные знаки и эклиптические созвездия совпадали, так как точных границ созвездий не было. Позднее, в эпоху эллинизма, сложилось представление о знаках зодиака как о 12 равных частях эклиптики, занимающих на небе по 30° дуги. Начало отсчёта знаков установлено от точки весеннего равноденствия. В настоящее время зодиакальные знаки и эклиптические созвездия не совпадают. Эклиптических созвездий 13. Из них 12 (см. табл. 1) совпадают по названиям с зодиакальными знаками. Созвездие Змееносца, являясь эклиптическим, не входит в число знаков зодиака. Эклиптика, проходя через созвездия, имеет в каждом из них участки не равной длины. К тому же, точка весеннего равноденствия из-за прецессии постоянно перемещается. Поэтому зодиакальный знак Овна сейчас находится в созвездии Рыб.
2. Суточное движение Солнца на различных широтах.
В § 2 мы уже вели речь о годичном движении Солнца среди звёзд по воображаемой линии, называемой эклиптикой. Всю эклиптику (360°) Солнце проходит за один год, однако это движение кажущееся, так как происходит вследствие обращения Земли вокруг Солнца. Рассмотрим суточное движение Солнца на различных широтах. В средних широтах Солнце восходит всегда в восточной стороне неба, постепенно поднимается над горизонтом, в полдень достигает наивысшего положения на небе, затем начинает опускаться к горизонту и заходит в западной части неба. В Северном полушарии это движение происходит слева направо, а в Южном — справа налево. Наблюдатель в Северном полушарии Земли при этом будет видеть Солнце на юге, а находящийся в Южном полушарии — на севере. Дневной путь Солнца на небе симметричен относительно направления север — юг. За полярным кругом на Земле, где ϕ > 66,5°, суточный путь Солнца почти параллелен горизонту. На самом полюсе Солнце в течение полугода не заходит, описывая круги над горизонтом. Это полярный день. Затем на полгода Солнце заходит и наступает полярная ночь. На экваторе продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи и Солнце, как и другие светила, восходит и заходит перпендикулярно плоскости истинного горизонта.
3. Изменение суточного пути Солнца в течение года.
Изменение суточного пути Солнца над горизонтом в разные времена года для средних географических широт Северного полушария показано на рисунке 29. Определяя в течение года высоту Солнца в полдень, можно заметить, что дважды в году оно бывает на небесном экваторе. Это происходит в дни весеннего (около 21 марта) и осеннего (около 23 сентября) равноденствий. Плоскость горизонта делит небесный экватор пополам. Поэтому в дни равноденствий пути Солнца над горизонтом и под горизонтом равны; соответственно, продолжительность дня и ночи одинакова. Самый короткий день выпадает на 22 декабря, а самый длинный — на 22 июня. Для наблюдателей, находящихся на земном экваторе, суточные пути Солнца над горизонтом в течение года показаны на рисунке 30.
4. Видимое движение и фазы Луны.
Луна — естественный спутник Земли. Это ближайшее к Земле небесное тело, которое светит отражённым солнечным светом. Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Поэтому мы видим Луну перемещающейся среди звёзд навстречу вращению неба. Направление движения Луны всегда одно и то же — с запада на восток. Для наблюдателя с Земли за сутки Луна перемещается на 13,2°. Полный оборот по орбите вокруг Земли Луна совершает за 27,3 суток (сидерический месяц). И за такое же время она делает один оборот вокруг своей оси, поэтому к Земле всегда обращено одно и то же полушарие Луны. Движение Луны вокруг Земли очень сложное, и его изучение составляет одну из труднейших задач небесной механики. Видимое движение Луны сопровождается непрерывным изменением её вида — сменой фаз. Различные формы видимой освещённой части Луны называются её фазой. Смена фаз Луны обусловлена переменами в условиях освещения Солнцем Луны при её движении по орбите (рис. 31). Рассмотрим основные фазы Луны, начиная с новолуния. Эта фаза наступает, когда Луна проходит между Солнцем и Землёй и обращена к нам своей тёмной стороной (см. рис. 31, положение 1). Луна совсем не видна с Земли.
Спустя один-два дня в западной части неба появляется и продолжает расти узкий яркий серп «молодой» Луны (положение 2). Иногда на фоне неба заметна (благодаря тусклому сероватому свечению — так называемому пепельному свету Луны) и остальная часть лунного диска. Явление пепельного света объясняется тем, что лунный серп освещается непосредственно Солнцем, а остальная лунная поверхность — рассеянным солнечным светом, отражённым Землёй. Спустя 7 суток уже будет видна вся правая половина лунного диска — наступает фаза первой четверти (положение 3). В этой фазе Луна восходит днём, к вечеру видна в южной области неба и заходит ночью. Далее фаза увеличивается (положение 4), и через 14—15 суток после новолуния Луна приходит в противостояние с Солнцем (положение 5). Её фаза становится полной, наступает полнолуние. Солнечные лучи освещают всё лунное полушарие, обращённое к Земле. Полная Луна восходит при заходе Солнца, заходит при его восходе, а в середине ночи видна в южной стороне неба. После полнолуния Луна постепенно приближается к Солнцу с запада и освещается им слева (положение 6). Примерно через неделю наступает фаза третьей, или последней, четверти (положение 7). При этом Луна восходит около полуночи, к восходу Солнца оказывается в южной стороне неба и заходит днём. При дальнейшем сближении спутника Земли с Солнцем убывающие фазы Луны становятся серповидными (положение 8). Луна видна только под утро, незадолго до восхода Солнца, а заходит в светлое время суток, перед заходом Солнца. Узкий серп Луны на этот раз выпуклостью обращён к востоку. Затем снова наступает новолуние, и Луна перестаёт быть видимой на небе. От одного новолуния до следующего проходит около 29,5 суток. Этот период смены лунных фаз называют синодическим месяцем.
5. Солнечные и лунные затмения.
В своём движении Луна часто заслоняет (или, как говорят астрономы, покрывает) звёзды зодиакальных созвездий. Значительно реже происходят покрытия Луной планет и Солнца. Покрытие Солнца Луной называется солнечным затмением. Солнечное затмение имеет различный вид для разных точек земной поверхности. Так как диаметр Луны в 400 раз меньше диаметра Солнца и Луна примерно в 400 раз находится ближе к Земле, то на небе Солнце и Луна кажутся дисками одинакового размера. Поэтому при полном солнечном затмении Луна может целиком покрыть яркую поверхность Солнца, оставляя при этом открытой солнечную атмосферу (см. рис. 118, с. 143). Рассмотрим схему полного солнечного затмения (рис. 32). Проходя между Солнцем и Землёй, маленькая по размерам Луна не может полностью затенить Землю. Диск Солнца будет целиком закрыт только для наблюдателя А, находящегося внутри конуса лунной тени, максимальный диаметр которой на поверхности Земли не превышает 270 км. Только отсюда, с этой сравнительно узкой области земной поверхности, куда падает тень от Луны, будет видно полное солнечное затмение. Там же, куда падает полутень от Луны, внутри так называемого конуса лунной полутени, будет видно (для наблюдателей В и С) частное солнечное затмение. Если в момент затмения Луна, перемещаясь по своей эллиптической орбите, будет находиться на значительном удалении от Земли, то видимый диск Луны окажется слишком малым, чтобы полностью покрыть
Солнце. Тогда наблюдатель А (рис. 33) сможет видеть вокруг тёмного диска Луны сияющий ободок солнечного диска. Это кольцеобразное затмение. Для наблюдателей В и С такое солнечное затмение будет частным. За пределами лунной полутени затмения вообще не наблюдаются. Солнечное затмение видно не на всей поверхности Земли, а только там, где пробегают тень и полутень Луны. Путь лунной тени по земной поверхности называется полосой полного солнечного затмения. Лунные затмения происходят тогда, когда Луна попадает в земную тень, которая также имеет форму конуса и окружена полутенью (рис. 34). При частичном погружении Луны в земную тень лунное затмение называется частным теневым, а при полном погружении — полным теневым затмением. Так как земная тень направлена в сторону, противоположную Солнцу, Луна может пройти сквозь неё только в полнолуние. Луна
Ппостепенно погружается в земную тень своим левым краем. При полном затмении она становится бурого или тёмно-красного цвета (рис. 35), поскольку солнечный свет, преломляясь в земной атмосфере, освещает Луну преимущественно красными лучами, которые менее всего рассеиваются и ослабляются земной атмосферой. Ежегодно происходит от двух до пяти солнечных затмений. В среднем в одном и том же месте Земли полное солнечное затмение можно наблюдать чрезвычайно редко — лишь раз в 200—300 лет, а продолжительность полного солнечного затмения не превышает 7 мин 31 с. Поэтому астрономы тщательно готовятся к наблюдениям затмения, чтобы в течение очень короткого времени успеть изучить внешние разреженные оболочки Солнца. Как правило, ежегодно происходит одно-два лунных затмения, но выдаются годы, когда затмений совсем не бывает. Лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли, где в это время Луна находится над горизонтом. Поэтому в каждой данной местности они наблюдаются чаще солнечных затмений, хотя происходят примерно в 1,5 раза реже. Максимальная продолжительность лунного затмения достигает 1 ч 47 мин.
Ещё в VI в. до н. э. было установлено, что примерно через 18 лет и 11,3 суток все затмения будут повторяться в одной и той же последовательности. Этот период между затмениями назвали саросом (греч. saros — период, повторение). Во время сароса в среднем происходит 70—71 затмение, из которых 42—43 — солнечных (14 — полных, 13—14 — кольцеобразных и 15 — частных) и 28 — лунных. Почему солнечные и лунные затмения бывают не каждый месяц? С чем связано явление сароса? Казалось бы (см. рис. 32—34), затмения должны происходить при каждом обороте Луны вокруг Земли. На самом деле такого не случается, так как плоскость лунной орбиты не совпадает с плоскостью эклиптики, а наклонена под углом 5°09. Поэтому Луна во время новолуния или полнолуния может находиться далеко от плоскости эклиптики, и тогда её диск (диаметром 0,5°) пройдёт выше или ниже диска Солнца или конуса тени Земли. Затмения же наступают только тогда, когда Луна находится вблизи точек пересечения лунной орбиты с эклиптикой (рис. 36). Видно, что в новолуние тень Луны не всегда падает на Землю.
- 1. На эклиптике выделяют четыре основные точки: весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний.
- 2. Суточные пути Солнца в течение года зависят от географической широты места наблюдения.
- 3. Освещённая часть лунного диска (лунная фаза) зависит от взаимного расположения Солнца и Луны для наблюдателя с Земли.
- 4. Явление покрытия Луной Солнца называется солнечным затмением.
- 5. Явление прохождения Луны через земную тень называется лунным затмением.
- 6. Промежуток времени (сарос), через который в определённом порядке повторяются солнечные и лунные затмения, равен 18 годам и 11,3 суток.