Видимое годовое движение Солнца

Земля, как и другие планеты солнечной системы, движется по орбите вокруг центрального тела системы – Солнца (среднее расстояние » 149,6 млн. км).

Ось Земли наклонена к плоскости ее орбиты на постоянный угол 66°33¢, чем объясняется смена времен года. На рис. 3.9, в центре которого находится Солнце С, показаны четыре положения Земли на ее орбите.

Рис. 3.9.

В положении I (21 марта) Солнце проектируется на экватор, оба полушария в течение полуоборота Земли освещены одинаково, от полюса до полюса. Во всех широтах день равен ночи. В северном полушарии весна.

В положении II (22 июня) Солнце проектируется на параллель ab с j=23°27¢N (Северный тропик), в северном полушарии лето, длинный день и короткая ночь.

В положении III (23 сентября) Солнце вновь проектируется на экватор, день и ночь везде равны. В северном полушарии осень.

В положении IV (22 декабря) Солнце проектируется на параллель cf = 23°27¢S (Южный тропик), в северном полушарии зима, короткий день и длинная ночь.

Если, находясь на Земле, наблюдатель будет в течение года наблюдать за Солнцем, то ему будет казаться, что не Земля вращается вокруг Солнца, а наоборот, это светило перемещается по большому кругу небесной сферы. Этот круг носит название эклиптики. В среднем за сутки Солнце проходит по эклиптике дугу в 1°.

Из положения I наблюдатель видит Солнце на сфере в точке Овна ¡, называемой точкой весеннего равноденствия (пересечение небесного экватора с эклиптикой под углом 23°27¢). Склонение Солнца равно 0°. Из положения II Солнце проектируется на сферу в точку летнего солнцестояния. Склонение Солнца равно 23°27¢N. В положении наблюдателя III Солнце усматривается в точке Весов, или точке осеннего равноденствия. Склонение Солнца опять равно 0° оно переходит в южное полушарие. Из положения IV Солнце проектируется в точку зимнего солнцестояния, его склонение равно 23°27¢S.

Дуга экватора, заключенная между точкой весеннего равноденствия и меридианом светила, называемая прямым восхождением светила. Прямое восхождение обозначается буквой a и считается от 0° до 360° в сторону, противоположную суточному движению. Вместо прямого восхождения часто удобнее применять звездное дополнение t = 360 - a.

У звезд, не имеющих собственного (годового) движения, прямое восхождение в течение года будет оставаться почти неизменным, очевидно, что Солнце должно изменять прямое восхождение в течение года на 360°, изменяясь в течение суток на величину немного менее 1°.

Прямое восхождение обычно выражается в часах (360° = 24 час.; 1 час = 15°; 1° = 4 мин. и т.д.); 21 марта a = 0 час.; 22 июня – 6 час. (90°); 23 сентября – 12 час. (180°); 22 декабря – 18 час. (270°).

Кеплер вывел законы движения планет, а Ньютон объяснил причину планетных движений своим знаменитым законом всемирного тяготения.

«Всякая частица материи притягивается всякой другой частицей с силой, прямо пропорциональной произведению масс частиц и обратно пропорциональной квадрату их взаимного расстояния».

Следствием этого закона являются три закона Кеплера:

1-й закон. Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2-й закон. Прямая, соединяющая планету с Солнцем, описывает равные площади в равные промежутки времени.

3-й закон. Квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца.

Допустим, что эллипс adcdef (рис. 3.10.) представляет собой орбиту Земли. Солнце находится в фокусе S. Ближайшая к Солнцу точка А называется перигелием, а наиболее отдаленная В – афелием.

Рис. 3.10.

В перигелии Земля бываем 2¸5 января, в афелии 1¸4 июля. В разных точках орбиты Земля движется с различной скоростью; относительная скорость Земли определяется вторым законом Кеплера. Заштрихованные участки Sab, Scd, пройденные прямой, соединяющей Солнце и Землю, равны по площади, как описанные в равные промежутки времени; отсюда делаем заключение, что с наибольшей угловой и линейной скоростью Земля движется в перигелии (61,2¢), наименьшей – в афелии (57,2¢ в сутки).

Понятие о прецессии. Из механики известно, что ось свободного гироскопа сохраняет неизменное положение в мировом пространстве.

Если же к гироскопу приложить внешнюю силу, у оси гироскопа появится движение, которое называется прецессионным. Особенность этого движения заключается в том, что ось гироскопа движется не в направлении приложенной силы, а в направлении, перпендикулярном к ней (рис. 3.11.).

Землю можно рассматривать подобной гироскопу. На Землю действуют силы притяжения Луны и Солнца, которые вызывают прецессионное движение земной оси. Своим прецессионным движением земная ось, а следовательно, и ось мира, описывают около неподвижной оси эклиптики коническую поверхность.

Сферический радиус кругов, описываемых полюсами мира и полюсами Земли, равен 23°27¢.

Рис. 3.11.

Обращение оси мира около эклиптики влечет за собой перемещение на небесной сфере и экватора. Экватор, пересекая эклиптику перемещает точки равноденствий навстречу собственному годовому движению Солнца. Из наблюдений выяснено, что движение это очень медленное, около 50¢¢,2 в год.

Следовательно, точка весеннего равноденствия передвигается навстречу Солнцу за год на 50¢¢,2.

Полный период обращения оси мира около неподвижной оси эклиптики произойдет через 360° : 50¢¢,2 = 25 800 лет.

Описанное явление называется прецессией, что означает "предварение". Предварение равноденствия – Солнце приходит в точку ¡ раньше, чем опишет полный круг по эклиптике, так как точка весеннего равноденствия передвинется на 50¢¢,2 навстречу годовому движению Солнца.

Прецессия вызывает изменение склонений, долгот и прямых восхождений звезд. Вследствие перемещения полюсов роль Полярной звезды (ближайшей к полюсу) в разные эпохи выполняют разные звезды.

В настоящее время ближайшая к полюсу звезда a Малой Медведицы (a Ursae Minoris); 4000 лет назад название Полярной звезды должна была иметь звезда созвездия Дракона (a Draconis). Через 6000 лет Полярной звездой будет a Cephei.

Обозначение точки весеннего равноденствия знаком Овна ¡ и осеннего равноденствия знаком Весов W сохранилось старое.

В этих созвездиях находились точки равноденствий во II веке до нашей эры. С того времени точки равноденствий переместились на 50¢¢,2 х 2150 лет = 30° и находятся: точка весеннего равноденствия в созвездии Рыб и точка осеннего равноденствия – в созвездии Девы.

Звездный год – время, в течение которого Солнце описывает эклиптику. Звездный год равен 365,25637 средним суткам.

Тропический год – промежуток времени, за который Солнце, двигаясь по эклиптике, вновь займет первоначальное положение относительно точки весеннего равноденствия. Вследствие прецессии точка весеннего равноденствия перемещается на 50¢¢,2 навстречу годовому движению Солнца, а поэтому тропический год короче звездного и равен 365,2422 средним суткам.

Гражданский год – 3 года считаются простыми по 365 средних суток, четвертый високосный – 366 суток. При таком летосчислении каждые четыре года будет накапливаться ошибка:

(365 х 3 + 366) – 365,2422 х 4 = 0,03112 суток.

За 400 лет гражданский календарь (Юлианский, или старый стиль) отстает на 3,112 суток. Чтобы избежать ошибки на протяжении 400 лет, три каких-либо високосных года надо считать простыми. Принято простыми годами считать те годы, кратные 100, число сотен в номере которых не делится на 4. Например, 1700, 1800, 1900, 2100, 2200 – годы простые, 1600, 2000, 2400 – високосные.

При таком счете ошибка в календаре за 400 лет достигает всего 0,112 суток, следовательно, ошибка в одни сутки – через 3600 лет. Такой способ летосчисления называется григорианским календарем или новым стилем. Он был введен в странах Западной Европы в 1582 г.

Уже несколько столетий Солнце проходит по зодиакальным созвездиям совсем не в то время, которое значится в таблицах древних астрономов:

В период с 29 ноября по 18 декабря (т.е. в течение 20 дней) Солнце находится в созвездии Змееносца (тринадцатое).

В поясе Зодиака располагаются также орбиты Луны и большинства планет.

Движение Солнца по эклиптике называется видимым годовым движением. То, что Солнце, кроме суточного, имеет свое собственное годовое движение, является причиной изменения его координат – склонения dQ и прямого восхождения aQ.

Так как Солнце движется по эклиптике неравномерно, а также из-за наклона эклиптики к экватору суточные изменения aQ в течение года колеблются от 53¢,8 до 66¢,6. В среднем DaQ = 1°, или 4^м. Суточное изменение dQ колеблется в течение года от 0 до 0°,4. Наибольшая скорость изменения склонения соответствует дням равноденствия, а наименьшая – солнцестояния. Принимают, что DdQ в среднем составляет 0°,4 за месяц до и после равноденствия; 0°,3 – во второй месяц до и после равноденствий; 0°,1 – за месяц до и после солнцестояний. При пересечении Солнцем экватора меняется наименование dQ .

Кроме собственного годового движения, Солнце, как и все светила, имеет суточное движение, которое является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Совместное годовое и суточное движение Солнца происходит по спирали.

Крайнюю северную параллель – тропик Рака – Солнце опишет 22.VI, после чего начнет вновь приближаться к экватору. После 23.IX Солнце переходит в южное полушарие. Крайнюю южную параллель, называемую тропиком Козерога, оно опишет 22.XII.

Заметим, что из-за наличия у Солнца собственного годового движения, направленного против суточного, промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Солнца на меридиане наблюдателя приблизительно на 4 мин больше, чем у неподвижных звезд. Действительно, за одни сутки Солнце отходит в собственном движении назад на 1° (4^м) и, следовательно для завершения полного оборота в суточном движении требуется такое же дополнительное время.

Изменение склонения Солнца от 23°27¢N до 23°27¢S приводит к тому, что на протяжении года в данном месте Земли ежедневно изменяются точки восхода и захода Солнца, продолжительность пребывания его над горизонтом и меридиональные высоты. Эти явления зависят от соотношения между широтой наблюдателя j и склонением Солнца d. В различных широтах возможные соотношения j и d будут разными, что определяет особенности в движении Солнца и, как следствие, климатические особенности на поверхности Земли. По последнему признаку земной шар разделен на тропический, умеренные и полярные пояса (j = 66°33¢N или S называются Северным или Южным полярным кругом).

Видимое движение Луны и Планет

Луна вращается вокруг Земли по эллиптической орбите, совершая в собственном движении полный оборот за один месяц (среднее расстояние » 385 тыс. км). Плоскость ее орбиты составляет с плоскостью эклиптики угол, равный 5°08¢. В течение суток Луна перемещается по орбите против суточного вращения сферы примерно на 13,2°. Поэтому суточное изменение прямого восхождения a составляет в среднем 13,2° и колеблется от » 10° до » 17° в сутки; суточные изменения склонения d колеблются от долей градуса до » 7°, а наибольшее изменение за месяц достигает » 5-7°. Вследствие влияния Земли период обращения Луны вокруг Земли примерно равен периоду вращения ее вокруг оси и поэтому Луна к Земле обращена одной стороной. Кроме собственного движения, у Луны, как и у всех светил, наблюдается суточное движение, являющееся следствием вращения Земли вокруг своей оси. Совместное собственное и суточное движение Луны происходит по спиралям.

Так как за одни сутки Луна отходит в собственном движении назад, против суточного движения, на 13,2°, то моменты кульминации Луны по отношению к звездам ежесуточно запаздывают на 53 мин. Ежесуточное отставание Луны от Солнца составляет 12,2°, и, следовательно, период одного суточного оборота Луны вокруг Земли на 49 мин больше, чем у Солнца.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает в собственном движении полный оборот по орбите относительно неподвижных звезд, называют звездным или сидерическим месяцем. Его продолжительность составляет » 27,32 сут.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот относительно Солнца, также имеющего собственное движение, называется лунным или синодическим месяцем. Его продолжительность » 29,53 сут.

Фазы и возраст Луны. Луна – темное тело и способно лишь отражать свет солнечных лучей. В зависимости от положения Луны по отношению к Земле и Солнцу наблюдатель будет видеть большую или меньшую часть освещенной поверхности Луны. Поэтому принято говорить, что Луна находится в различных фазах (рис. 3.12.), граница освещенности называется терминатором.

Различают четыре основные фазы Луны:

· новолуние: Луна в положении Л₁; Солнце освещает ее обратную сторону, земной наблюдатель Луны не видит;

· первая четверть: Луна в положении Л₃; наблюдатель видит полудиск, обращенный выпуклостью вправо;

· полнолуние: Луна в положении Л₅; наблюдатель видит вест диск;

· последняя четверть: Луна в положении Л₇; наблюдатель видит полудиск, обращенный выпуклостью влево.

Рис. 3.12.

Луна проходит через все фазы за 29,53 сут. Количество дней, прошедших от новолуния до данной фазы, называют возрастом Луны (В). В ежедневных таблицах МАЕ на каждый день года указывается возраст Луны с точностью до 0^д,1, а фазы изображаются для трехсуточного интервала одним из восьми различных значков, показывающих величину освещенной части лунного диска.

Фазы новолуние и полнолуние в судовождении называют также сизигиями (В » 0 и 15), а фазы первой и последней четверти – квадратурами (В » 7 и 22).

Взаимным движением Луны вокруг Земли, а Земли вокруг Солнца объясняется возможность лунных и солнечных затмений.

И Земля и Луна, как тела темные, отбрасывают от себя в мировое пространство конус тени. Очевидно, что конус тени Земли будет значительно больше конуса тени Луны (диаметр Луны примерно равен ¼ диаметра Земли).

Затмение Луны бывает тогда, когда Луна в своем собственном движении попадает в конус тени Земли (фаза полнолуния).

Затмение Солнца бывает тогда, когда конус тени Луны покрывает тот или иной участок Земли (фаза новолуния).

Рис. 3.13 поясняет простейшие из возможных лунных и солнечных затмений. S – солнечные лучи, конус лунной тени покрывает участок Земли ab, L – положение Луны в конусе тени Земли.

Рис. 3.13.

Как видно из рисунка солнечное затмение может наблюдаться лишь на небольшом участке земной поверхности; затмение же Луны видно для наблюдателей всего земного полушария, обращенного к Луне.

Если бы плоскость орбиты Луны всегда совпадала с плоскостью земной орбиты и при этом расстояние Луны от Земли оставалось неизменным, то каждое полнолуние мы наблюдали бы затмение Луны, а каждое новолуние ряд наблюдателей мог бы видеть затмение Солнца.

В действительности такое положение является для взаимного движения этих светил только частным случаем и относительно редким. Вообще же орбиты Луны и Земли не совпадают (угол наклона 5°8¢), а расстояния до Луны колеблются от 59 до 61 земного радиуса.

Поэтому в общем случае солнечное и лунное затмения – явления очень сложные и имеют разнообразную форму. Их может и вовсе не быть, если Луна проходит вне конуса тени Земли, а конус тени Луны не попадает на Землю. Солнечное затмение может быть полным, но может быть и частичным, когда только часть солнечного диска будет покрыта тенью Луны; оно может быть и кольцевым, когда тень Луны закроет только центральную часть солнечного диска, и внешние его края останутся освещенными.

Видимое движение планет по небесной сфере

Планеты, обращающиеся подобно Земле вокруг Солнца, будут иметь видимые перемещения, отсюда они и получили свое название «блуждающие звезды».

Планеты, орбиты которых лежат внутри земной, называются нижними планетами и могут занимать следующие характерные относительно Земли положения (рис. 3.14): нижнее соединение (точка а) между Солнцем и Землей; верхнее соединение (точка b) "за Солнцем". Элонгация (западная в точке с и восточная в точке d) – это наибольшее угловое удаление планеты от Солнца (для Венеры не более 48°, Меркурия 28°).

Рис. 3.14. Рис. 3.15.

Планеты, орбиты которых лежат вне орбиты Земли, называются верхними планетами и могут занимать следующие положения (рис. 3.14.): противостояние n¢, когда Земля находится между Солнцем и планетой (если расстояние минимально, противостояние называется великим); соединение b¢, когда планета находится «за Солнцем»; квадратуры К и К¢, когда разность долгот Солнца и планеты равна 90°.

Если по результатам наблюдений получить a и d планеты и нанести ее видимый путь на сферу или карту, то получим кривую, близкую к эклиптике, но имеющую более сложный характер, часто с петлями и зигзагами.

Видимое движение планет по сфере объясняется движением их по орбитам в одну и ту же сторону, но с различными скоростями. При движении нижней планеты ее освещенная часть то поворачивается к Земле, то от Земли, т.е. планета аналогично Луне видна в различных фазах; у верхних планет смены фаз не наблюдается.

Для морских наблюдений используются только четыре наиболее яркие планеты: Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Яркости и условия видимости этих так называемых "навигационных" планет меняются в зависимости от расстояния до Земли, фазы Венеры и положения их на сфере.

Нижняя планета Венера в верхнем и нижнем соединениях теряется в лучах Солнца и с Земли не видна. В положении с – западной элонгации – Венера видна утром перед восходом Солнца; в восточной элонгации d – вечером перед заходом Солнца. Наибольшей яркости – около –4^m,2 – Венера достигает в фазе 0,25, когда видна четверть диска, так как в этом положении она находится значительно ближе к Земле, чем в фазе полного диска.

Наиболее яркие планеты – Венера и Юпитер – видны на небе даже при Солнце, но только в астрономическую трубу секстана. В это время можно осуществить определение места по одновременным наблюдениям, например, Венеры и Солнца.

Верхние планеты – Марс, Юпитер и Сатурн – бывают невидимы только вблизи соединения, когда они теряются в лучах Солнца. Яркости этих планет меняются в широких пределах. Так, Марс имеет обычно яркость около 1^m, а во время великого противостояния яркость его возрастает до – 2^m,5. Яркость Юпитера колеблется от – 2,5 до – 1^m,5.

"Навигационные" планеты можно опознать сравнительно легко. Венера всегда близка к Солнцу, поэтому видима лишь как яркая белая "вечерняя или утренняя звезда". Марс имеет красновато- оранжевый цвет, Юпитер – желтоватый, а Сатурн – белый. Для всех планет характерно отсутствие мерцания, заметного даже у самых ярких звезд. Условия видимости планет на каждый месяц данного года указаны в ежегодниках.

Измерение времени

Время обладает важной особенностью – необратимостью, поэтому для его измерения можно применить только периодические природные процессы, длительность которых достаточно постоянна. Издавна человеку казалось наиболее постоянным движение небесных тел, по периодам в этих движениях и были установлены основные единицы измерения времени. Суточное движение звезд и Солнца дало единицу "сутки" и доли суток – часы, минуты, секунды"; месячное движение Луны – единицу "месяц" и годовое движение Солнца – "год".

Кроме движения светил, для измерения времени можно применить постоянные физические колебательные процессы в веществах. В настоящее время используются: колебательный процесс, возникающий в пластинах кварца под воздействием электрического поля и реализованный в кварцевых часах, и колебательные процессы, происходящие в молекулах и атомах, обладающие высокой стабильностью и реализованные в атомных часах.