Орбита луны вокруг земли. Удаление орбиты Луны
Землю нередко и не без основания называют двойной планетой Земля-Луна. Луна (Селена, в греческой мифологии богиня Луны), наша небесная соседка, первой подверглась непосредственному изучению.
Луна – природный спутник Земли, находящийся от нее на расстоянии 384 тыс. км (60 радиусов Земли). Средний радиус Луны 1738 км (почти в 4 раза меньше земного). Масса Луны составляет 1/81 массы Земли, что значительно больше, чем подобные отношения у других планет Солнечной системы (кроме пары Плутон–Харон); поэтому систему Земля–Луна считают двойной планетой. Она имеет общий центр тяжести – так называемый барицентр, который находится в теле Земли на расстоянии 0,73 радиуса от ее центра (1700 км от поверхности Океана). Вокруг этого центра вращаются оба составляющих системы, и именно барицентр совершает движение по орбите вокруг Солнца. Средняя плотность лунного вещества 3,3 г/см 3 (земного – 5,5 г/см 3). Объем Луны в 50 раз меньше Земли. Сила лунного притяжения в 6 раз слабее земного. Луна вращается вокруг своей оси, из-за чего немного сплюснута у полюсов. Ось вращения Луны составляет с плоскостью лунной орбиты угол 83°22". Плоскость орбиты Луны не совпадает с плоскостью орбиты Земли и наклонена к ней под углом 5°9". Места пересечения орбит Земли и Луны называют узлами лунной орбиты.
Орбита Луны представляет собою эллипс, в одном из фокусов которого находится Земля, поэтому расстояние от Луны до Земли меняется от 356 до 406 тыс. км. Период орбитального обращения Луны и соответственно одинакового положения Луны на небесной сфере называют сидерическим (звездным) месяцем (лат. sidus, sideris (род. п.) – звезда). Он составляет 27,3 земных суток. Сидерический месяц совпадает с периодом суточного вращения Луны вокруг оси из-за их одинаковой угловой скорости (ок. 13,2° в сутки), установившейся по причине тормозящего воздействия Земли. Из-за синхронности этих движений Луна обращена к нам всегда одной стороной. Однако мы видим почти 60% ее поверхности благодаря либрации – кажущемуся покачиванию Луны вверх-вниз (из-за несовпадения плоскостей лунной и земной орбит и наклона оси вращения Луны к орбите) и влево-вправо (ввиду того что Земля находится в одном из фокусов лунной орбиты, а видимое полушарие Луны смотрит в центр эллипса).
При движении вокруг Земли Луна занимает различные положения относительно Солнца. С этим связаны различные фазы Луны, т. е. разные формы ее видимой части. Основные четыре фазы: новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть. Линию на поверхности Луны, отделяющую освещенную часть Луны от неосвещенной, называют терминатором.
В новолуние Луна находится между Солнцем и Землей и обращена к Земле неосвещенной стороной, поэтому невидна. В первую четверть Луна видна с Земли на угловом расстоянии 90° от Солнца, а солнечные лучи освещают лишь правую половину обращенной к Земле стороны Луны. В полнолуние Земля находится между Солнцем и Луной, обращенное к Земле полушарие Луны ярко освещено Солнцем, и Луна видна как полный диск. В последнюю четверть Луна вновь видна с Земли на угловом расстоянии 90° от Солнца, а солнечные лучи освещают левую половину видимой стороны Луны. В промежутках между этими основными фазами Луна видна то в виде серпа, то как неполный диск.
Период полной смены лунных фаз, т. е. период возвращения Луны в первоначальное положение относительно Солнца и Земли, называют синодическим месяцем. Он составляет в среднем 29,5 средних солнечных суток. В течение синодического месяца на Луне один раз происходит смена дня и ночи, продолжительность которых =14,7 суток. Синодический месяц более чем на двое суток больше сидерического. Это результат того, что направление осевого вращения Земли и Луны совпадает с направлением орбитального движения Луны. Когда Луна за 27,3 суток совершит полный оборот вокруг Земли, Земля по своей орбите вокруг Солнца продвинется примерно на 27°, так как ее угловая орбитальная скорость около 1° в сутки. При этом Луна займет то же положение среди звезд, но не будет в фазе полнолуния, так как для этого ей надо продвинуться по своей орбите еще на 27° за «убежавшей» Землей. Поскольку угловая скорость движения Луны равна примерно 13,2° в сутки, она преодолевает это расстояние примерно за двое суток и дополнительно продвигается еще на 2° за движущейся Землей. В результате синодический месяц оказывается на двое с лишним суток больше сидерического. Хотя Луна движется вокруг Земли с запада на восток, видимое перемещение ее на небосводе происходит с востока на запад благодаря большой скорости вращения Земли по сравнению с орбитальным движением Луны. При этом во время верхней кульминации (высшей точки своего пути на небосводе) Луна показывает направление меридиана (север – юг), чем можно пользоваться для приблизительной ориентировки на местности. А так как верхняя кульминация Луны при разных фазах происходит в разные часы суток: при первой четверти – около 18 ч, во время полнолуния – в полночь, при последней четверти – около 6 ч утра (по местному времени), то этим можно пользоваться и для приблизительной оценки времени ночью.
Луна движется вокруг Земли. Средняя скорость движе-
ния Луны по орбите составляет 1,02 км/с, форма орбиты при-
ближается к эллипсу. Направление орбитального движения
Луны совпадает с направлением движения большинства пла-
нет Солнечной системы. Если за точку отсчета принять Север-
ный полюс мира, то можно сказать, что Луна движется против
часовой стрелки. (Напоминаем, что Северный полюс мира и
земной Северный полюс - абсолютно разные понятия. Север-
ный полюс мира - точка на небесной сфере, вокруг которой
происходит видимое суточное перемещение звезд, причем сама
она остается неподвижной. В Северном полушарии такая точ-
ка находится там, где мы видим Полярную звезду.) Большая
полуось орбиты Луны, определяемая как среднее расстояние
между центрами Земли и Луны, равна 384 400 км (что пример-
но в 60 раз больше радиуса Земли). Наименьшее расстояние
до Луны равно 356 400, наибольшее - 406 800 км. Время, за
которое Луна совершает полный оборот вокруг Земли, назы-
вается сидерическим (звездным) месяцем. Оно равно 27,32166
суток. Вследствие очень сложного движения Луны, на кото-
рое влияет притяжение Солнца, планет, а также форма Земли
(геоид), продолжительность сидерического месяца подвер-
жена небольшим колебаниям, кроме того, установлено, что
период обращения нашего спутника вокруг Земли медленно
уменьшается. Изучение движения Луны вокруг Земли явля-
ется одной из труднейших задач небесной механики. Эллип-
тическая орбита является лишь удобной математической аб-
стракцией, на самом деле на нее накладываются многие возму-
щения. Главнейшие из этих возмущений, или неравенств, были
открыты из наблюдений. После формулировки закона все-
мирного тяготения были теоретически выведены возмуще-
ния, приводящие к видимым отклонениям в орбитальном дви-
жении планет.
Луна притягивается Солнцем в 2,2 раза сильнее, чем Зем-
лей, так что теоретически наблюдатель с другой планеты или
планетной системы сказал бы, что видит движение Луны вок-
руг Солнца и возмущения этого движения Землей. Однако
мы наблюдаем движение Луны так, как это выглядит с Земли,
поэтому гравитационная теория, которую разрабатывали мно-
гие крупнейшие ученые начиная с И. Ньютона, рассматривает
движение Луны именно вокруг Земли. Наиболее детально те-
оретические основы такого изучения были разработаны аме-
риканским математиком Дж. Хиллом. На базе его разработок
американский астроном Э. Браун в 1919 году рассчитал воз-
можные математические значения, принимаемые функциями,
описывающими широту, долготу и параллакс Луны, причем
аргументом является время. Браун составил таблицы воз-
можных значений переменных.
Плоскость орбиты Луны не параллельна к эклиптике, а
наклонена к ней под углом 5°8’43"(эклиптика - линия, прохо-
дящая через точки, на которые последовательно проецирует-
ся Солнце при наблюдениях с Земли, то есть видимый годовой
путь Солнца на фоне зодиакальных созвездий). Из-за грави-
тационных возмущений этот угол подвержен небольшим ко-
лебаниям. Точки пересечения орбиты с эклиптикой называ-
ются восходящим и нисходящим узлами. Они смещаются от-
носительно нее в направлении, противоположном направле-
нию движения Луны по орбите, то есть имеют неравномерное
попятное движение. За 6794 суток (около 18 лет) узлы совер-
шают полный оборот но эклиптике. Луна находится в одном и
том же узле каждый драконический месяц. Так называют ин-
210 Астронемий
тервал времени – более короткий, чем сидерический месяц, и
в среднем равный 27,21222 суток. Продолжительность дра-
конического месяца определяет периодичность солнечных и
лунных затмений.
У Луны есть собственное движение вокруг оси, хотя с
Земли его нельзя наблюдать. Дело в том, что период суточно-
го вращения Луны вокруг оси, наклоненной к плоскости эк-
липтики под углом 88°28′, точно равен сидерическому меся-
цу. Луна совершает полный оборот вокруг оси за то же время,
что и полный оборот вокруг Земли, поэтому она повернута к
Земле всегда одной и той же стороной. Периоды вращения
вокруг оси и орбитального обращения совпадают вполне за-
кономерно. Они выровнялись в то время, когда Земля произ-
водила приливные возмущения в твердой или жидкой обо-
лочке Луны. Однако равномерное вращение Луны вокруг оси
сочетается с неравномерным движением по орбите. Поэтому
происходит периодическое отклонение направления видимой
части Луны к Земле, достигающее 7°54′ по долготе. В свою
очередь наклон оси вращения Луны к плоскости ее орбиты
дает отклонения до 6°50′ по широте. Наблюдатели давно оп-
ределили, что в разное время можно видеть с Земли разную по
площади часть лунной поверхности - максимально до 59%
всей поверхности Луны. Часть видимого лунного диска, рас-
положенная возле его краев, сильно искажена и видна в перс-
пективной проекции. Небольшое «качание» Луны относитель-
но ее среднего положения, наблюдаемое с Земли, называется
либрацией Луны (от латинского глагола, означающего «рас-
качивать»). Подробнее остановимся на разновидностях либ-
рации.
Либрация по долготе вызвана тем, что вращение Луны
вокруг оси практически равномерное, а обращение вокруг
Земли - неравномерное. Из-за этого с Земли можно наблю-
дать то западную, то восточную часть обратной стороны. Мак-
симальное значение либрации по долготе - 7°45′.
Либрация по широте происходит потому, что плоскость
лунного экватора наклонена к плоскости эклиптики под уг-
лом Г5′, а угол между лунной орбитой и эклиптикой добавля-
ет еще 5′. В результате сложения углов лунный экватор на-
клонен к лунной орбите под углом, близким к 6,5°. Пиэтому
при обращении вокруг Земли Луна слегка «поворачивается»
к наблюдателю то южным, то северным полюсом, и можно
частично видеть околополярные зоны обратного полушария.
Значение либрации по долготе достигает 6°4Г.
Точки пересечения плоскости экватора Луны, эклипти-
ки и лунной орбиты всегда лежат на одной прямой (закон
Кассини).
ФОРМА ЛУНЫ
Форма Луны (эллиптический селеноид) приближается
к шару. Лунный радиус составляет 1737,53 км, что равно
0,2724 экваториального радиуса Земли. Площадь поверхно-
сти Луны составляет 3,8-Ю7 км2, а объем 2,2-Ю25 см3. Масса
Луны равна 0,0123 земной массы, что составляет 7,35-Ю25 г.
Средняя плотность Луны равна 3,34 г/см3, или 0,61 средней
плотности Земли.
Форму Луны позволили уточнить исследования либра-
ции. Длительное изучение этого эффекта помогло оценить
размеры главных полуосей селеноида. Экваториальная ось,
направленная в сторону Земли, больше полярной оси на 700 м,
а экваториальная ось, перпендикулярная направлению к Зем-
ле, больше полярной на 400 м. Это значит, что Луна немного
вытянута в сторону Земли.
Приливные силы, создаваемые притяжением Земли, ста-
ли причиной возникновения твердых приливных волн на по-
верхности Луны. Эти волны образовали два «приливных гор-
ба» на двух полушариях Луны,
ЛИБРАЦИЯ ЛУНЫ: Луна совершает полный оборот вокруг Земли за 27,32166 суток. Точно за такое же время она совершает и оборот вокруг собственной оси. Это не случайное совпадение, а связано с влиянием Земли на свой спутник. Поскольку период обращения Луны вокруг своей оси и вокруг Земли одинаков, Луна должна быть обращена к Земле всегда одной стороной. Однако во вращении Луны и ее движении вокруг Земли существуют некоторые неточности.
Вращение Луны вокруг оси происходит весьма равномерно, но вот скорость обращения ее вокруг нашей планеты меняется в зависимости от расстояния до Земли. Минимальное расстояние от Луны до Земли 354 тыс. км, максимальное – 406 тыс. км. Точка лунной орбиты, ближайшая к Земле, называется перигеем от «пери» (peri) – вокруг, около, (возле и «re» (ge) – земля], точка максимального удаления – апогеем [от греч. «апо» (аро) – сверху, над и «re». На более близких расстояниях от Земли скорость движения Луны по орбите увеличивается, поэтому ее вращение вокруг своей оси несколько «отстает». В результате для нас становится видимой небольшая часть обратной стороны Луны, восточного ее края. На второй половине своей околоземной орбиты Луна замедляет свое движение, в результате чего она немного «спешит» с поворотом вокруг своей оси, и мы можем увидеть небольшую часть ее другого полушария с западного края. Человеку, который наблюдает за Луной в телескоп из ночи в ночь, кажется, что она медленно колеблется вокруг своей оси, сначала в течение двух недель в восточном направлении, а затем столько же – в западном. (Правда, такие наблюдения практически затруднены тем, что обычно часть поверхности Луны затеняется Землей. – Ред.) Рычажные весы тоже некоторое время колеблются около положения равновесия. По-латыни весы – «либра» (libra), поэтому кажущиеся колебания Луны, обусловленные неравномерностью ее движения по орбите вокруг Земли при равномерности вращения вокруг своей оси, называют либрацией Луны. Либрации Луны происходят не только в направлении восток-запад, но и в направлении север – юг, так как ось вращения Луны наклонена к плоскости ее орбиты. Тогда наблюдатель видит небольшой участок обратной стороны Луны в районах ее северного и южного полюсов. Благодаря обоим видам либрации с Земли можно видеть (не одновременно) почти 59 % поверхности Луны.
ГАЛАКТИКА
Солнце – одна из многих сотен миллиардов звезд, собранных в гигантское скопление, имеющее линзообразную форму. Диаметр этого скопления примерно втрое больше его толщины. Наша Солнечная система находится во внешнем тонком его крае. Звезды похожи на отдельные светлые точки, рассыпанные в окружающей темноте далекого космоса. Но если мы посмотрим вдоль диаметра линзы собранного скопления, то увидим неисчислимое количество других звездных скоплений, которые образуют мерцающую мягким светом ленту, протянувшуюся через весь небосвод.
Древние греки считали, что эта «дорожка» на небе образована каплями пролившегося молока, и назвали ее галактикой. «Галактикос» (galakticos) погречески млечный от «галактос» (galaktos), что означает молоко. Древние римляне называли ее «виа лактеа», что дословно означает Млечный Путь. Как только начались регулярные исследования с помощью телескопа, среди далеких звезд были обнаружены туманные скопления. Английские астрономы отец и сын Гершели, а также французский астроном Шарль Мессье были одними из первых, кто обнаружил эти объекты. Их назвали небулами от латинского «нэбуля» (nebula) туман. Это латинское слово было заимствовано из греческого языка В греческом «нефеле» (nephele) тоже означало облако, туман а богиню туч именовали Нефёла. Многие из обнаруженных туманностей оказались пылевыми облаками, которые закрывали некоторые участки нашей Галактики, не пропуская от них свет.
При наблюдении они походили на черные объекты. Но многие «облака» расположены далеко за пределами Галактики и представляют собой скопления звезд, такие же большие, как и наш собственный космический «дом». Малыми они кажутся только из-за гигантских расстояний, которые разделяют нас. Самой ближней к нам галактикой является знаменитая туманность Андромеды. Такие далекие звездные скопления называют еще экстрагалактическими туманностями «экстра» (extra) по латыни означает приставку «вне», «сверх». Чтобы отличать их от относительно небольших по размеру пылевых образований внутри нашей Галактики. Существуют сотни миллиардов таких экстрагалактических туманностей – галактик, поскольку теперь говорят о галактиках во множественном числе. Более того: поскольку галактики сами образуют скопления в космическом пространстве, то говорят о галактиках галактик.
ИНФЛЮЭНЦА
Древние считали, что звезды оказывают влияние на судьбы людей, поэтому была даже целая наука, которая занималась определением того, как они это делают. Речь идет, конечно, об астрологии, название которой происходит от греческих слов «астер» (aster) – звезда и «логос» (logos) – слово. Другими словами, астролог – «говорящий о звездах». Обычно «-логия» служит непременной составляющей в названиях многих наук, однако астрологи настолько дискредитировали свою «науку», что для истинной науки о звездах пришлось подыскать другой термин: астрономия. Греческое слово «немейн» (nemein) означает распорядок, закономерность. Поэтому астрономия – наука, «упорядочивающая» звезды, исследующая законы их движения, возникновения и угасания. Астрологи считали, что звезды излучают загадочную силу, которая, стекая на Землю, управляет судьбами людей. По-латыни вливаться, стекать, проникать – «инфлюэре» (influere), это слово употребляли, когда хотели сказать, что звездная сила «вливается» в человека. В те дни истинных причин болезней не знали, и вполне естественно было услышать от врача, что и посетивший человека недуг – следствие влияния звезд. Поэтому одну из самых распространенных болезней, которая сегодня нам известна как грипп, назвали инфлюэнцей (дословно – влиянием). Это название родилось в Италии (ит. influenca).
Итальянцы обратили внимание на связь между малярией и болотами, но просмотрели комара. Для них он был всего лишь мелким досаждающим насекомым; реальную причину они видели в миазмах плохого воздуха над болотами (он несомненно был «тяжелым» из-за повышенной влажности и выделяемых распадающимися растениями газов). Итальянское слово для определения чего-то плохого – «мала» (mala), поэтому плохой, тяжелый воздух (aria) они называли «малариа» (malaria), что стало со временем общепринятым научным названием всем известной болезни. Сегодня по-русски никто, конечно, не назовет грипп инфлюэнцей, хотя поанглийски он так и называется, правда, в разговорной речи чаще всего сократившись до коротенького «флу» (flu).
Перигелий
Древние греки считали, что небесные тела движутся по орбитам, которые представляют собой идеальные окружности, потому как окружность – идеальная замкнутая кривая, а сами небесные тела совершенны. Латинское слово «орбита» (orbita) значит колея, дорога, но образовано оно от «орбис» (orbis) – круг.
Однако в 1609 г. немецкий астроном Иоганн Кеплер доказал, что каждая планета движется вокруг Солнца по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. А если Солнце находится не в центре окружности, то планеты в некоторых точках своей орбиты приближаются к нему больше, чем в других. Ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, обращающегося вокруг него, называется перигелием.
В греческом языке «пери-» (peri-) – часть сложных слов, означающая около, вокруг, а «гелиос» (hellos) – Солнце, так что перигелий можно перевести как «вблизи Солнца». Подобным образом точку наибольшего удаления небесного тела от Солнца греки стали называть «апгелиос» (арheliqs). Приставка «апо» (аро) означает вдали, от, поэтому это слово можно перевести как «вдали от Солнца». В русской передаче слово «апгелиос» превратилось в афелий: латинские буквы р и h рядом читаются как «ф». Эллиптическая орбита Земли близка к идеальной окружности (здесь греки были правы), поэтому у Земли разница между перигелием и афелием составляет всего 3 %. Термины для небесных тел, описывающих орбиты вокруг других небесных тел, были образованы аналогичным образом. Так, Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите, при этом Земля находится в одном из ее фокусов. Точку наибольшего приближения Луны к Земле назвали перигеем «re», (ge) по-гречески Земля, а точку наибольшего удаления от Земли – апогеем. Астрономам известны двойные звезды. В этом случае две звезды обращаются по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс под действием сил тяготения, причем, чем больше масса звезды-спутника, тем меньше эллипс. Точка наибольшего сближения обращающейся звезды с главной звездой называется периастром, а точка наибольшего удаления – апоастром от греч. «астрон» (astron) – звезда.
Планета - определение
Еще в далекой древности человек не мог не заметить, что звезды занимают постоянное положение на небе. Они двигались только группой и совершали лишь небольшие перемещения вокруг некой точки на северном небосклоне. Это было очень далеко от точек восхода и заката, где появлялись и исчезали Солнце и Луна.
Каждую ночь происходило неприметное смещение всей картины звездного неба. Каждая звезда всходила на 4 минуты раньше и на 4 минуты раньше по сравнению с предыдущей ночью заходила, поэтому на западе звезды постепенно уходили с горизонта, а на востоке появлялись новые. Через год круг замыкался, и картина восстанавливалась. Однако на небе наблюдалось пять похожих на звезды объектов, которые светились столь же ярко, а то и ярче, чем звезды, но не подчинялись общему распорядку. Один из таких объектов сегодня мог располагаться между двумя звездами, а завтра сместиться, еще через ночь смещение было еще большим и т.д. Три таких объекта (мы называем их Марс, Юпитер и Сатурн) тоже совершали полный круг на небесах, но довольно сложным путем. А два других (Меркурий и Венера) не отходили слишком далеко от Солнца. Другими словами, эти объекты «бродили» между звездами.
Греки называли своих бродяг «планэтэс» (planetes), вот и этих небесных бродяг они назвали планетами. В средние века к планетам причисляли Солнце и Луну. Но к XVII в. астрономы уже осознали тот факт, что Солнце является центром Солнечной системы, поэтому планетами стали называть небесные тела, которые обращаются вокруг Солнца. Солнце потеряло статус планеты, а Земля, наоборот, приобрела его. Луна тоже перестала быть планетой, потому что она вращается вокруг Земли и только вместе с Землей обходит Солнце.
ВНИМАНИЕ! Получить полную информацию о параметрах Луны (фаза, положение в зодиаке и на орбите) c 2016 до конца текущего года можно с помощью сервиса ЛУННЫЙ ФАКТОР в рамках проекта ЛАБОРАТОРИЯ ГЕОКОСМОСА .
Луна - довольно крупное небесное тело в ряду планет и спутников солнечной системы. Ее средний радиус равен 1737,1 км, что составляет примерно 27,3 % земного радиуса. Для наглядности на рис.1.1 Луна показана в сравнении с Меркурием, Венерой, Землей и Марсом, а также наиболее крупными спутниками планет-гигантов Юпитера и Сатурна.
Рис.1.1 Сопоставительные размеры Луны и других тел солнечной системы
Хорошо видно, что по величине она лишь немного уступает самой маленькой из планет - Меркурию, а также самым большим спутникам, «материнские» планеты которых примерно на порядок больше Земли, т.е. размер Луны по отношению к своей «материнской» планете для солнечной системы аномально высок. Средняя плотность Луны равна 3,346 г/см 3 , что на 70-80 % выше, чем у других крупнейших спутников (исключение составляет только Ио с плотностью 3,528 г/см 3), и приближается к плотности Марса (3,933 г/см 3).
Следствием относительно большого размера и плотности Луны является ее ощутимое гравитационное воздействие на Землю, проявляющееся, прежде всего, в виде приливов и отливов. Кроме того, Земля и Луна образуют единую систему масс, вращающуюся вокруг общего центра, смещенного относительно центра Земли на 4750 км. В результате Земля движется по орбите вокруг солнца не строго равномерно, а совершая колебательные движения.
Период обращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, в связи с чем Луна постоянно обращена к Земле одной стороной. Причиной этого является тормозящий эффект приливных волн в коре Луны, вызываемых мощным гравитационным полем Земли. Таким же свойством обладают и другие указанные на рис.1 спутники.
Видимый угловой диаметр Луны (29"24" - 33"40") весьма близок к угловому диаметру Солнца (31"29" - 32"31"). Следствием этого является возможность возникновения такого уникального оптического явления, как полное затмение Солнца, при котором солнечный диск почти один в один перекрывается лунным, оставляя видимой солнечную корону.
На рис.1.2а приведена схема движения Луны вместе с Землей, если смотреть со стороны северного полюса. Обратите внимание - все на этой схеме вращается в одну сторону: Луна вокруг своей оси, Луна вокруг Земли, Земля вокруг своей оси и Земля вокруг Солнца.
Луна делает полный оборот по орбите вокруг Земли за 27,32166 земных суток (27 дней 7 часов 43 минуты 12 секунд). Этот период называется сидерическим лунным месяцем (от лат. sideris - звездный), поскольку изначально измерялся по изменению положения Луны относительно звезд.
В большинстве источников фигурирует одна и та же формулировка сидерического месяца, как периода, по истечениии которого «Луна возвращается в ту же точку звездного неба». Такая трактовка неверна, т.к. из-за постоянного смещения относительно небесного экватора, обусловленного наклонением орбит Земли и Луны и прецессией их осей (см. последующие параграфы) Луна в ту же точку после полного оборота попасть не может. Поэтому правильно говорить не о вовзращении к той же точке относительно звезд, а о возвращении к тому же небесному меридиану, от которого начинался отсчет.
Орбита Луны имеет форму эллипса, в одном из фокусов которого находится Земля. По этой причине расстояние от Луны до Земли непостоянно и в перигее (наинизшей точке орбиты) равно 363104 км, а в апогее (наивысшей точке орбиты) - 405696 км. Эти цифры являются средними, их текущие значения меняются с периодом около 207 дней по весьма сложным зависимостям. Природа данных колебаний определяется множеством различных факторов и до конца не изучена, поэтому мы ее здесь рассматривать не будем. Отметим также, что вследствие непостоянства расстояния до Луны ее видимый угловой диаметр изменяется примерно на ± 6,7% от среднего значения. Это явление называется либрацией .
Точки перигея и апогея находятся на одной линии с центром Земли, которая называется линией апсид (апсида в переводе с греческого - дуга). Эта линия совпадает с большой осью эллипса. Она тоже медленно вращается в ту же сторону (см. рис.1.2б), что и другие компоненты рассматриваемой схемы, делая полный оборот за 8,85 лет.
Период между прохождениями Луной перигея называется аномалистическим месяцем. Он длится 27 суток 13 часов 18 минут и 33 секунды, что несколько превышает длительность сидерического месяца по причине постоянного «убегания» перигея от Луны вследствие упомянутого вращения лини апсид.
Рис.1.2 Вид и параметры лунной орбиты
Плоскость лунной орбиты расположена под небольшим углом по отношению к плоскости земной орбиты, которая называется также плоскостью эклиптики (см. рис. 1.2в). Этот угол называется наклонением орбиты и находится в диапазоне (периодически изменяется) от 4°59" до 5°19". Точка пересечения лунной орбиты с плоскостью эклиптики при восходящем движении Луны называется восходящим узлом (обозначается Ω). Этот узел перемещается в направлении, противоположном всем другим описанным вращениям, совершая полный оборот за 18,6 лет. Причиной этого перемещения является прецессия лунной орбиты, т.е. изменение направления оси вращения, при котором она описывает конус (как, например, у волчка или упавшей монеты). Поскольку этот узел перемещается навстречу движению Луны, то повторное прохождение Луной восходящего узла происходит быстрее, нежели она совершает полный оборот по орбите. Этот интервал получил название драконического месяца. Он чуть короче сидерического и равен 27,2 суток.
Кроме упомянутых сидерического, аномалистического и драконического месяцев есть еще тропический , определяемый, как период прохождения Луной одной и той же долготы в системе эклиптических координат, например, долготы точки весеннего равноденствия. Его величина всего на несколько секунд меньше длительности сидерического месяца из-за влияния прецессии земной оси. Иногда эти понятия и их величины путают, но для целей нашего исследования эта разница непринципиальна.
Ось вращения самой Луны отклонена от вертикали на 1,5424°, и, соответственно, имеет наклон по отношению к плоскости собственной орбиты. В связи с этим по мере обращения вокруг Земли Луна немного поворачивается к земному наблюдателю разными боками, позволяя заглянуть на небольшой ободок своей обратной стороны. Т.о., несмотря на то, что Луна обращена к нам постоянно одной стороной, для наблюдения доступно немногим более 50% ее площади.
Как видно, Луна движется вокруг Земли по весьма непростой траектории с большим числом параметров, в т.ч. переменных. Полное и точное математическое описание этого движения является очень сложной задачей.
Мы видим только ту часть Луны, которая обращена к нам и при этом освещена солнцем. Очевидно, что она определяется не только положением Луны относительно Земли при ее движении по орбите, но и положением системы Земля - Луна относительно Солнца. Форма и ориентация видимой нам в конкретный момент освещенной части Луны, для которой мы применяем общеизвестные названия типа «полная луна», «молодая луна», «старая луна», «лунная четверть» и пр., на языке астрономов и астрологов именуется ее фазой . В связи с изменением взаимного положения Луны, Земли и Солнца фазы нашего ночного светила последовательно сменяют друг друга и этот процесс непрерывно повторяется с периодом, называемым синодическим лунным месяцем. Данный механизм показан рис.1.3.
Рис.1.3. Механизм формирования лунных фаз
Синодический лунный месяц принято определять как период от новолуния до новолуния. Собственно, сам термин происходит от греческого синодос , что означает «соединение», поскольку в новолунение Луна как бы соединяется с Солнцем. Синодический месяц на пару с небольшим суток длиннее сидерического месяца, о котором мы говорили выше. Это объясняется тем, что за время полного оборота Луны по своей орбите Земля проходит некоторое расстояние по своей орбите, вследствие чего Солнце смещается по эклиптике, «убегая» от Луны, и Луне требуется сделать чуть больше полного оборота, чтобы его «догнать» (см. рис.1.4).
Рис.1.4. Синодический месяц
Вследствие влияния сочетания множества факторов длительность синодического месяца непостоянна. Его среднее значение равно 29,530588 суток (29 суток 12 часов 44 минуты и 2,8 секунды), а отклонение от среднего значения достигает примерно ± 13 часов. Именно синодический месяц является основной единицей большинства лунных календарей, т.к. он, в отличие от других лунных периодов, отмеряется путем наблюдения за фазами луны невооруженным глазом. Но об этом мы поговорим в следующей главе, а пока продолжим разбор лунной небесной механики.
Прежде, чем говорить о движении Луны по небесной сфере, остановимся на самой этой сфере. Когда мы смотрим на небо и видим перемещение светил, нам кажется, будто они вращаются вокруг нас. Такой точки зрения, т.е. геоцентрической, люди придерживались с древних времен, до появления в средние века гелиоцентрической системы Коперника. И теперь каждый знает, что светила движутся по небу потому, что вращается Земля. Однако для целей небесной картографии удобнее придерживаться старой, ненаучной схемы с неподвижным наблюдателем в центре вращающейся небесной сферы. На рис.1.5 показан один из таких вариантов.
Рис.1.5. Геометрия небесной сферы и механика видимого движения светил
Небесная сфера поделена на две полусферы горизонтом наблюдателя, вследствие чего для наблюдения доступна только верхняя полусфера. На горизонте имеются стороны света - север, юг, восток и запад, соответствующие реальным. Небесная сфера имеет самую высокую точку - зенит, противоположную ей - надир, а также ось мира , вокруг которой она вращается по часовой стрелке и которая совпадает с осью вращения Земли. Точки небесной сферы, через которые проходит ось мира, именуются полюсами мира - северным и южным. Угол между осью мира и горизонтом равен широте местности, на которой находится земной наблюдатель - в нашем примере это примерно 50-60°, что соответствует средней полосе России.
Звезды жестко «закреплены» на небесной сфере и вращаются вместе с ней по видимым орбитам, паралелльным друг другу и небесному экватору , плоскость которого совпадает с плоскостью земного экватора. В отличие от звезд, Cолнце не привязано жестко к небесной сфере. Его проекция на звезды вследствие вращения Земли по орбите медленно движется по траектории, называемой эклиптикой . Ее плоскость совпадает с плоскостью орбиты Земли и вследствие наклона земной оси образует с плоскостью небесного экватора угол около 23,5° Из-за этого угла высота солнца в наивысшей точке над горизонтом меняется в течение года. Также меняется и время восхода и захода нашего светила. Именно поэтому зимой холодно и дни короче, хотя в это время Земля на орбите расположена к Солнцу ближе, чем летом (парадокс!).
Из-за движения по эклиптике солнце постоянно смещается по отношению к звездам на восток, т.е. отстает от них примерно на 1° (примерно на два своих угловых диаметра) в сутки. Суточное смещение относительно небесного экватора несколько меньше, особенно вблизи точек солнцестояния, поэтому в течение дня солнце движется почти параллельно звездам. Карта расположения эклиптики на звездном небе приведена на рис.1.6.
Рис.1.6. Эклиптика на карте звездного неба
(В.П.Чехович. Что и как наблюдать на небе. М., Наука, 1984, рис.29)
На данной карте прямая линия - это линия небесного экватора, а линия, похожая на синусоиду, это и есть линия эклиптики. Точки пересечения эклиптики с экватором есть точки равноденствия, а точки экстремумов есть точки солнцестояния. Обратите внимание - Солнце движется по эклиптике с запада на восток, т.е. справа налево, в отличие от привычных синусоид на графиках процессов! Также надо иметь в виду, что карта эклиптики лишь показывает траекторию, которую прочерчивает на фоне звезд Солнце за один оборот Земли, но не дает информации о том, в какой именно ее точке в конкретный момент времени оно находится, поскольку оно движется по эклиптике неравномерно, а Земля совершает полный оборот не за целое число дней. Для определения точного положения надо пользоваться эфемеридами - таблицами координат и параметров небесных объектов, которые расчитываются и издаются различными научными организациями и энтузиастами (см., например, астрономический ежегодник РАН). Кроме того, положение может быть расчитано с помощью специальных компьютерных программ.
Двигаясь по эклиптике, Солнце попадает в созвездия, которые именуют зодиакальными . Именно положение Солнца в этих созвездиях является главной основой для расчетов во всевозможных гороскопах. Однако следует заметить, что общепринятые даты прохождения Солнца по зодиакальным созвездиям были актуальны пару-тройку тысяч лет назад, когда зарождались астрономия и астрология. В настоящий момент, вследствие перемещения солнца относительно звезд линия эклиптики сместилась по Зодиаку в сторону отставания примерно на один знак. При этом вместе с экватором она сместилась еще и к зениту, в результате чего в ряду зодиакальных созвездий появилось тринадцатое - Змееносец. Как это отразилось на астрологии, мы рассмотрим в другой публикации. Сейчас же нам надо посмотреть, как движется по небесной сфере Луна. Обратимся к схеме рис.1.7.
Рис.1.7. К движению Луны по небесной сфере
Для упрощения исключим из схемы горизонт и привяжем координаты Луны к эклиптике. В таком случае движение Луны по небесной сфере будет складываться из движения эклиптики и движения Луны относительно эклиптики. Максимально отклонение Луны от эклиптики при этом будет равно наклонению лунной орбиты, т.е. примерно 5°, а в лунных узлах траектория будет с эклиптикой пересекаться. При этом надо учитывать, что узлы лунной орбиты смещаются навстречу движению Луны, т.е. к западу, примерно на 1,5° за один оборот, и линия движения Луны будет все время деформироваться, завершая полный цикл движения узлов за 18,6 лет (см. выше), но при этом все время оставаясь в «трубке» вокруг эклиптики шириной ±5°. Кроме того, при этом будет меняться амплитуда колебаний траектории относительно экватора от 28,5° до 18,5°, поскольку угол наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики будет суммироваться с углом наклона последней к экватору с разными знаками и коэффициентами.
Для прогнозирования координат Луны на нужную дату требуется еще более сложный и громоздкий расчет, чем для Солнца. Это связано с тем, что на движение Луны оказывает влияние исключительно большое число переменных параметров. Существует несколько математических моделей движения луны по небесной сфере и так же, как для Солнца, издаются ежегодники эфемерид.
Для примера на рис.1.8 показано несколько траекторий движения Луны по небесной сфере, построенных по таблицам эфемерид, взятых на сайте NASA . Обратите внимание - Луна, как и Солнце, движется по карте с запада на восток, т.е. справа налево, в отличие от привычных синусоид на графиках процессов! Кроме того, как и в случае с Солнцем, данные траектории не дают точной информации о том, в какой точке находится Луна в конкретный момент времени. И еще надо иметь в виду, что Солнце проходит свой путь по эклиптике за один оборот Земли, т.е примерно за один календарный год, а Луна проходит каждую свою траекторию вдоль эклиптики всего за один лунный сидерический месяц. Иными словами, все эти картинки - это не реальное совместное движение Солнца и Луны, а лишь звездные маршруты, по которым им предписано двигаться.
Рис.1.8. Траектории движения Луны на карте звездного неба
В своем суточном движении Луна отстает от звезд еще больше, чем Солнце - примерно на 13° в сутки, что равно примерно 26 (двадцати шести!) видимым лунным диаметрам. Это заметно на глаз. За сутки Луна также существенно (в максимуме до 5-6°, т.е. до 10-12 диаметров) смещается и относительно небесного экватора. Вследствие этого спиральный характер у лунных траекторий гораздо более заметен, чем у солнечных.
Примечание. Все приведенные выше графики движения Солнца и Луны справедливы для наблюдателя, находящегося в точке, совпадающей с центром Земли. Для наблюдателя, находящегося на поверхности земного шара, появляется дополнительная составляющая смещения, обусловленная параллаксом , т.е. изменением положения Солнца и Луны относительно бесконечно удаленной сферы за счет изменения положения наблюдателя. В нашем случае положение наблюдателя изменяется как при изменении широты местности, так и по причине вращения Земли. Вследствие параллакса отклонение видимого положения Луны (от расчитанного для центра Земли) может достигать 2-х градусов, т.е. до 4-х видимых лунных диаметров. Это весьма существенно, особенно применительно к солнечным и лунным затмениям.
Про солнечные и лунные затмения и их природу должны знать все. Здесь лишь добавим, что солнечное затмение происходит строго в момент новолуния, при этом для полного солнечного затмения Луна должна находиться в плоскости эклиптики, т.е. в одном из своих узлов, причем для конкретной местности еще и с учетом параллакса, о котором мы только что говорили выше, а видимый угловой диаметр Луны должен быть больше или равен угловому диаметру Солнца. Сочетание таких параметров бывает не часто, поэтому полное солнечное затмение для конретной местности - чрезвычайно редкое явление. Частные затмения, когда Луна не закрывает солнечный диск полностью, случаются чаще, но все равно не каждый год.
Лунные затмения, в противоположность солнечным, можно наблюдать только в моменты, близкие к новолунию, но поскольку теневой конус от Земли, в который попадает Луна, имеет в 2,5 раза больший телесный угол, чем видимый угловой диаметр Луны, наблюдать полное затмение можно практически с любой точки ночной стороны Земли и они гораздо более длительные. По этой причине лунные затмения в конкретной местности происходят чаще солнечных. Следует отметить, что во время лунного затмения Луна полностью не исчезает, что объясняется ее подсветкой солнечными лучами, огибающими Землю за счет эффекта преломления в атмосфере.
Лунные и солнечные затмения, безусловно, значимые природные явления, неординарно воспринимаемые даже животными, не говоря уже о людях. Но они случаются крайне редко и говорить о каком-либо систематическом их влиянии на живую и неживую природу не приходится. По этой причине далее мы их рассматривать не будем.
Подводя итог, просуммируем:
1. Луна является аномально крупным спутником и может оказывать весьма ощутимое гравитационное влияние.
2. Видимый угловой диаметр Луны незначительно меняется и может совпадать с видимым угловым диаметром Солнца.
3. Луна постоянно обращена к Земле одной стороной.
4. Параметры лунной орбиты циклически изменяются с разными периодами.
5. Траектории движения Луны относительно звезд располагаются вблизи эклиптики и с каждым оборотом видоизменяются, повторяясь через 18,6 лет.
6. В зависимости от выбора параметра для отсчета выделяются несколько типов лунных месяцев:
- сидерический (по прохождению небесного меридиана);
- аномалистический (по прохождению перигея);
- драконический (по прохождению восходящего узла);
- тропический (по прохождению долготы эклиптики);
- синодический (по повторению лунной фазы).
Луна - единственное небесное тело, которое обращается вокруг Земли, если не считать искусственных спутников Земли, созданных человеком за последние годы.
Луна непрерывно перемещается по звездному небу и по отношению к какой-нибудь звезде за сутки смещается навстречу суточному вращению неба приблизительно на 13°, а через 27,1/3 суток возвращается к тем же звездам, описав по небесной сфере полный круг. Поэтому промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот вокруг Земли по отношению к звездам, называется звездным (или сидерическим ) месяцем; он составляет 27,1/3 суток. Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите, поэтому расстояние от Земли до Луны изменяется почти на 50 тыс. км. Среднее расстояние от Земли до Луны принимают равным 384 386 км (округленно - 400 000 км). Это в десять раз больше длины экватора Земли.
Луна сама не излучает света, поэтому на небе видна только освещенная Солнцем ее поверхность- дневная сторона. Ночная же, темная, не видна. Перемещаясь по небу с запада на восток, Луна за 1 ч сдвигается на фоне звезд примерно на пол градуса, т. е. на величину, близкую к ее видимому размеру, а за сутки-на 13º. ЗА месяц Луна на небе 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 ночным полушарием. Через два дня, когда Луна удалится от Солнца, узкий серп можно увидеть 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»), С этого момента начинается лунный месяц.
Через 7 суток 10 ч после новолуния наступает фаза называемая первой четвертью . За это время Луна удалилась от Солнца на 90º. С Земли видна только правая половина лунного диска, освещенная Солнцем. После захода Солнца Луна находится в южной стороне неба и заходит около полуночи. Продолжая перемещаться от Солнца все левее. Луна с вечера оказывается уже на восточной стороне неба. Заходит она уже после полуночи, с каждым днем все позднее и позднее.
Когда Луна оказывается в стороне, противоположной Солнцу (на угловом расстоянии 180 от него), наступает полнолуние . С момента новолуния прошло 14 суток 18 ч. После этого Луна начинает приближаться к Солнцу справа.
Происходит уменьшение освещения правой части лунного диска. Угловое расстояние между ней и Солнцем уменьшается от 180 до 90º. Опять видна только половина лунного диска, но уже левая его часть. После новолуния прошло 22 дня 3 ч. Наступила последняя четверть . Луна восходит около полуночи и светит в течение всей второй половины ночи, к восходу Солнца оказываясь в южной стороне неба.
Ширина лунного серпа продолжает уменьшаться, а сама Луна постепенно приближается к Солнцу с правой (западной) стороны. Появляясь на восточном небосклоне, с каждыми сутками все позднее, лунный серп становится совсем узким, но рогами повернут вправо и похож на букву «С».
Говорят, Луна старая. Виден пепельный свет на ночной части диска. Угловое расстояние между Луной и Солнцем уменьшается до 0º. 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 29,53 суток. Этот период называется синодическим месяцем (от греч. sy" nodos-соединение, сближение).
Синодический период связан с видимым на небе расположением небесного тела относительно Солнца. Лунный синодический месяц -это промежуток времени между последовательными одноименными фазами Луны.
Свой путь на небе относительно звезд Луна совершает за 27 суток 7 ч 43 мин 11,5 с (округленно - 27,32 суток). Этот период называется сидерическим (от лат. sideris-звезда), или звездным месяцем .
№7 Затмение Луны и Солнца, их анализ.
Солнечные и лунные затмения - интереснейшее явление природы, знакомое человеку с древнейших времен. Они бывают сравнительно часто, но видны не из всех местностей земной поверхности и поэтому многим кажутся редкими.
Солнечное затмение происходит, когда наш естественный спутник - Луна - в своем движении проходит на фоне диска Солнца. Это всегда происходит в момент новолуния. Луна расположена ближе к Земле, чем Солнце, почти в 400 раз, и в тоже время ее диаметр меньше диаметра Солнца также приблизительно в 400 раз. Поэтому видимые размеры Земли и Солнца почти одинаковые, и Луна может закрыть собою Солнце. Но не каждое новолуние происходит солнечное затмение. Из-за наклона орбиты Луны к земной орбите Луна обычно немного "промахивается" и проходит выше или ниже Солнца в момент новолуния. Однако не менее 2-х раз в году (но не более пяти) тень Луны падает на Землю и происходит солнечное затмение.
Лунная тень и полутень падают на Землю в виде овальных пятен, которые со скоростью 1 км. в сек. пробегают по земной поверхности с запада на восток. В районах, оказавшихся в лунной тени видно полное солнечное затмение, то есть Солнце полностью закрыто Луной. В местностях, покрытых полутенью происходит частное солнечное затмение, то есть Луна закрывает лишь часть солнечного диска. За границей полутени затмения вообще не происходит.
Наибольшая продолжительность полной фазы затмения не превышает 7 мин. 31 сек. Но чаще всего это две - три минуты.
Солнечное затмение начинается с правого края Солнца. Когда Луна полностью закроет Солнце наступает полумрак, как в темные сумерки, и на потемневшем небе появляются самые яркие звезды и планеты, а вокруг Солнца видно красивое лучистое сияние жемчужного цвета - солнечная корона, представляющая собой внешние слои солнечной атмосферы, не видимые вне затмения из-за их небольшой яркости в сравнении с яркостью дневного неба. Вид короны из года в год меняется в зависимости от солнечной активности. Над всем горизонтом вспыхивает розовое заревое кольцо - это в местность, покрытую лунной тенью проникает солнечный свет из соседних зон, где полного затмения не происходит, а наблюдается только частное.
СОЛНЕЧНЫЕ И ЛУННЫЕ ЗАТМЕНИЯ
Солнце, Луна и Земля в стадии новолуния и полнолуния редко лежат на одной линии, т.к. лунная орбита лежит не точно в плоскости эклиптики, а под наклоном к ней в 5 градусов.
Солнечные затмения новолуния . Луна загораживает от нас Солнце.
Лунные затмения . Солнце, Луна и Земля лежат на одной линии в стадии полнолуния . Земля загораживает Луну от Солнца. Луна при этом становится кирпично-красной.
Каждый год в среднем происходит по 4 солнечных и лунных затмения. Они всегда сопровождают друг друга. Скажем, если новолуние совпадает с солнечным затмением, то лунное затмение наступает через две недели, в фазе полнолуния.
Астрономически солнечные затмения происходят, когда Луна при своем движении вокруг Солнца полностью или частично заслоняет Солнце. Видимые диаметры Солнца и Луны почти одинаковы, поэтому Луна заслоняет Солнце полностью. Но видно это с Земли в полосе полной фазы. По обе стороны полосы полной фазы наблюдается частное солнечное затмение.
Ширина полосы полной фазы солнечного затмения и его продолжительность зависят от взаимных расстояний Солнца, Земли и Луны. В следствии изменения расстояний видимый угловой диаметр Луны тоже меняется. Когда он чуть больше солнечного, полное затмение может длиться до 7,5 мин, когда равен, то одно мгновение, если же он меньше, то Луна вообще не закрывает Солнца полностью. В последнем случае происходит кольцеобразное затмение: вокруг темного лунного диска видно узкое яркое солнечное кольцо.
Во время полного солнечного затмения Солнце имеет вид черного диска, окруженного сиянием (короной). Дневной свет настолько ослабевает, что иногда можно видеть на небе звезды.
Полное лунное затмение происходит, когда Луна попадает в конус земной тени.
Полное лунное затмение может длиться 1,5-2 часа. Его можно наблюдать со всего ночного полушария Земли, где Луна в момент затмения находилась над горизонтом. Поэтому в данной местности полные лунные затмения удается наблюдать значительно чаще солнечных.
Во время полного лунного затмения Луны лунный диск остается видимым, но приобретает темно-красный оттенок.
Солнечное затмение происходит в новолуние, а лунное - в полнолуние. Чаще всего в году бывает два лунных и два солнечных затмения. Максимально возможное число затмений - семь. Через определенный промежуток времени лунные и солнечные затмения повторяются в том же порядке. Этот промежуток был назван саросом, что в переводе с египетского означает - повторение. Сарос составляет примерно 18 лет, 11 дней. В течении каждого сароса происходит 70 затмений, из них 42 солнечных и 28 лунных. Полные солнечные затмения с определенной местности наблюдаются реже, чем лунные, один раз в 200-300 лет.
УСЛОВИЯ ДЛЯ ЗАТМЕНИЯ СОЛНЦА
Во время солнечного затмения между нами и Солнцем проходит Луна и скрывает его от нас. Рассмотрим подробнее условия, при которых может наступить затмение Солнца.
Наша планета Земля, вращаясь в течение суток вокруг своей оси, одновременно движется вокруг Солнца и за год делает полный оборот. У Земли есть спутник - Луна. Луна движется вокруг Земли, и полный оборот совершает за 29 1/2 суток.
Взаимное расположение этих трех небесных тел все время меняется. При своем движении вокруг Земли Луна в определенные периоды времени оказывается между Землей и Солнцем. Но Луна - темный, непрозрачный твердый шар. Оказавшись между Землей и Солнцем, она, словно громадная заслонка, закрывает собой Солнце. В это время та сторона Луны, которая обращена к Земле, оказывается темной, неосвещенной. Следовательно, солнечное затмение может произойти только во время новолуния. В полнолуние Луна проходит от Земли в стороне, противоположной Солнцу, и может попасть в тень, отбрасываемую земным шаром. Тогда мы будем наблюдать лунное затмение.
Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,5 млн. км,а среднее расстояние от Земли до Луны - 384 тыс. км.
Чем ближе предмет, тем большим он нам кажется. Луна по сравнению с Солнцем ближе к нам почти: в 400 раз, и в то же время ее диаметр меньше диаметра Солнца также приблизительно в 400 раз. Поэтому видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы. Луна, таким образом, может закрыть от нас Солнце.
Однако расстояния Солнца и Луны от Земли не остаются постоянными, а слегка изменяются. Происходит это потому, что путь Земли вокруг Солнца и путь Луны вокруг Земли - не окружности, а эллипсы. С изменением расстояний между этими телами изменяются и их видимые размеры.
Если в момент солнечного затмения Луна находится в наименьшем удалении от Земли, то лунный диск будет несколько больше солнечного. Луна целиком закроет собой Солнце, и затмение будет полным. Если же во время затмения Луна находится в наибольшем удалении от Земли, то она будет иметь несколько меньшие видимые размеры и закрыть Солнце целиком не сможет. Останется незакрытым светлый ободок Солнца, который во время затмения будет виден как яркое тоненькое кольцо вокруг черного диска Луны. Такое затмение называют кольцеобразным.
Казалось бы, солнечные затмения должны случаться ежемесячно, каждое новолуние. Однако этого не происходит. Если бы Земля и Луна двигались видной плоскости, то в каждое новолуние Луна действительно оказывалась бы точно на прямой линии, соединяющей Землю и Солнце, и происходило бы затмение. На самом деле Земля движется вокруг Солнца в одной плоскости, а Луна вокруг Земли - в другой. Эти плоскости не совпадают. Поэтому часто во время новолуний Луна приходит либо выше Солнца, либо ниже.
Видимый путь Луны на небе не совпадает с тем путем, по которому движется Солнце. Эти пути пересекаются в двух противоположных точках, которые называются узлами лунной о р б и т ы. Вблизи этих точек пути Солнца и Луны близко подходят друг к другу. И только в том случае, когда новолуние происходит вблизи узла, оно сопровождается затмением.
Затмение будет полным или кольцеобразным, если в новолуние Солнце и Луна будут находиться почти в узле. Если же Солнце в момент новолуния окажется па некотором расстоянии от узла, то центры лунного н солнечного дисков не совпадут и Луна закроет Солнце лишь частично. Такое затмение называется частным.
Луна перемещается среди звезд с запада на восток. Поэтому закрытие Солнца Луной начинается с его западного, т. е. правого, края. Степень закрытия называется у астрономов фазой затмения.
Вокруг пятна лунной тени располагается область полутени, здесь затмение бывает частным. Поперечник области полутени составляет около 6-7 тыс. км. Для наблюдателя, который будет находиться вблизи края этой области, лишь незначительная доля солнечного диска покроется Луной. Такое затмение может вообще пройти незамеченным.
Можно ли точно предсказать наступление затмения? Ученые еще в древности установили, что через 6585 дней и 8 часов, что составляет 18 лет 11 дней 8 часов, затмения повторяются. Происходит это потому, что именно через такой промежуток времени расположение в пространстве Луны, Земли и Солнца повторяется. Этот промежуток был назван саросом, что значит повторение.
В течение одного сароса в среднем бывает 43 солнечных затмения, из них 15 частных, 15 кольцеобразных и 13 полных. Прибавляя к датам затмений, наблюдавшихся в течение одного сароса, 18 лет 11 дней и 8 часов, мы сможем предсказать наступление затмений и в будущем.
В одном и том же месте Земли полное солнечное затмение наблюдается один раз в 250 - 300 лет.
Астрономы вычислили условия видимости солнечных затмений на много лет вперед.
ЛУННЫЕ ЗАТМЕНИЯ
К числу «необыкновенных» небесных явлений относятся также лунные затмения. Происходят они так. Полный светлый круг Луны начинает темнеть у своего левого края, на лунном диске появляется круглая бурая тень, она продвигается все дальше и дальше и примерно через час покрывает всю Луну. Луна меркнет и становится красно-бурого цвета.
Диаметр Земли больше диаметра Луны почти в 4 раза, а тень от Земли даже на расстоянии Луны от Земли более чем в 2 1/2 раза превосходит размеры Луны. Поэтому Луна может целиком погрузиться в земную тень. Полное лунное затмение гораздо продолжительнее солнечного: оно может длиться 1 час 40 минут.
По той же причине, по которой солнечные затмения бывают не каждое новолуние, лунные затмения происходят не каждое полнолуние. Наибольшее число лунных затмений в году - 3, но бывают годы совсем без затмений; таким был, например, 1951 год.
Лунные затмения повторяются через тот же промежуток времени, что и солнечные. В течение этого промежутка, в 18 лет 11 дней 8 часов (сарос), бывает 28 лунных затмений, из них 15 частных и 13 полных. Как видите, число лунных затмений в саросе значительно меньше солнечных, и все же лунные затмения можно наблюдать чаще солнечных. Это объясняется тем, что Луна, погружаясь в тень Земли, перестает быть видимой на всей не освещенной Солнцем половине Земли. Значит, каждое лунное затмение видно на значительно большей территории, чем любое солнечное.
Затмившаяся Луна не исчезает совершенно, как Солнце во время солнечного затмения, а бывает слабо видимой. Происходит это потому, что часть солнечных лучей приходит сквозь земную атмосферу, преломляется в ней, входит внутрь земной тени и попадает на Луну. Так как красные лучи спектра менее всего рассеиваются и ослабляются в атмосфере. Луна во время затмения приобретает медно-красный или бурый оттенок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Трудно представить себе, что солнечные затмения происходят так часто: ведь каждому из нас наблюдать затмения приходится чрезвычайно редко. Объясняется это тем, что во время солнечного затмения тень от Луны падает не на всю Землю. Упавшая тень имеет форму почти круглого пятна, поперечник которого может достигать самое большее 270 км. Это пятно покроет лишь ничтожно малую долю земной поверхности. В данный момент только на этой части Земли и будет видно полное солнечное затмение.
Луна движется по своей орбите со скоростью около 1 км/сек, т. е. быстрее ружейной пули. Следовательно, ее тень с большой скоростью движется по земной поверхности и не может надолго закрыть какое-то одно место на земном шаре. Поэтому полное солнечное затмение никогда не может продолжаться более 8 минут.
Таким образом, лунная тень, двигаясь по Земле, описывает узкую, но длинную полосу, па которой последовательно наблюдается полное солнечное затмение. Протяженность полосы полного солнечного затмения достигает нескольких тысяч километров. И все же площадь, покрываемая тенью, оказывается незначительной по сравнению со всей поверхностью Земли. Кроме того, в полосе полного затмения часто оказываются океаны, пустыни и малонаселенные районы Земли.
Последовательность затмений повторяется почти точно в прежнем порядке через промежуток времени, который называется саросом (сарос – египетское слово, означающее «повторение»). Сарос, известный ещё в древности, составляет 18 лет и 11,3 суток. Действительно, затмения будут повторяться в прежнем порядке (после какого-либо начального затмения) спустя столько времени, сколько необходимо, чтобы та же фаза Луны случилась на том же расстоянии Луны от узла её орбиты, как и при начальном затмении.
В течение каждого сароса происходит 70 затмений, из них 41 солнечное и 29 лунных. Таким образом, солнечные затмения происходят чаще лунных, но в данной точке на поверхности Земли чаще можно наблюдать лунные затмения, так как они видны на целом полушарии Земли, тогда как солнечные затмения видны лишь в сравнительно узкой полосе. Особенно редко удаётся видеть полные солнечные затмения, хотя в течение каждого сароса их бывает около 10.
№8 Земля, как шар, эллипсоид вращения, 3-хосный эллипсоид, геоид.
Предположения о шарообразности земли появились в VI веке до нашей эры, а с IV века до нашей эры были высказаны некоторые из известных нам доказательств, что Земля имеет форму шара (Пифагор, Эратосфен). Античными учеными доказательства шарообразности Земли основывались на следующих явлениях:
- кругообразный вид горизонта на открытых пространствах, равнинах, морях и т.д.;
- круговая тень Земли на поверхности Луны при лунных затмениях;
- изменение высоты звезд при перемещении с севера (N) на юг (S) и обратно, обусловленное выпуклостью полуденной линии и др. В сочинении «О небе» Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) указывал, что Земля не только шарообразна по форме, но и имеет конечные размеры; Архимед (287 – 212 г.г. до н.э.) доказывал, что поверхность воды в спокойном состоянии является шаровой поверхностью. Ими же введено понятие о сфероиде Земли, как геометрической фигуре, близкой по форме к шару.
Современная теория изучения фигуры Земли берет начало от Ньютона (1643 – 1727 г.г.), открывшего закон всемирного тяготения и применившего его для изучения фигуры Земли.
К концу 80-х годов XVII века были известны законы движения планет вокруг Солнца, весьма точные размеры земного шара, определенные Пикаром из градусных измерений (1670 г.), факт убывания ускорения силы тяжести на поверхности Земли от севера (N) к югу (S), законы механики Галилея и исследования Гюйгенса о движении тел по криволинейной траектории. Обобщение указанных явлений и фактов привели ученых к обоснованному взгляду о сфероидичности Земли, т.е. деформации ее в направлении полюсов (сплюсности).
Знаменитое сочинение Ньютона – «Математические начала натуральной философии» (1867 г.) излагает новое учение о фигуре Земли. Ньютон пришел к выводу о том, что фигура Земли должна быть по форме в виде эллипсоида вращения с небольшим полярным сжатием (этот факт обосновывался им уменьшением длины секундного маятника с уменьшением широты и уменьшением силы тяжести от полюса к экватору из-за того, что «Земля на экваторе немного выше»).
Исходя из гипотезы, что Земля состоит из однородной массы плотности, Ньютон теоретически определил полярное сжатие Земли (α) в первом приближении равном, примерно, 1: 230. На самом деле Земля неоднородна: кора имеет плотность 2,6 г/см3, тогда как средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см3. Неравномерное распределение масс Земли продуцирует обширные пологие выпуклости и вогнутости, которые сочетаясь образуют возвышенности, углубления, впадины и другие формы. Заметим, что отдельные возвышения над Землей достигают высот более 8000 метров над поверхностью океана. Известно, что поверхность Мирового океана (МО) занимает 71 %, суша – 29 %; средняя глубина МО (Мирового океана) 3800м, а средняя высота суши – 875 м. Общая площадь земной поверхности равна 510 х 106 км2. Из приведенных данных следует, большая часть Земли покрыта водой, что дает основание принять ее за уровенную поверхность (УП)и, в конечном итоге, за общую фигуру Земли. Фигуру Земли можно представить, вообразив поверхность, в каждой точке которой сила тяжести направлена по нормали к ней (по отвесной линии).
Сложную фигуру Земли, ограниченную уровенной поверхностью, являющуюся началом отчета высот, принято называть геоидом. Иначе, поверхность геоида, как эквипотенциальная поверхность, фиксируется поверхностью океанов и морей, находящихся в спокойном состоянии. Под материками поверхность геоида определяется как поверхность, перпендикулярная силовым линиям (рис. 3-1).
P.S. Название фигуры Земли – геоид – предложено немецким ученым –физиком И.Б. Листигом (1808 – 1882 г.г.). При картографировании земной поверхности, на основании многолетних исследований ученых, сложную фигуру геоида без ущерба для точности, заменяют математически более простой – эллипсоидом вращения
. Эллипсоид вращения
– геометрическое тело, образующееся в результате вращения эллипса вокруг малой оси.
Эллипсоид вращения близко подходит к телу геоида (уклонение не превышает 150 метров в некоторых местах). Размеры земного эллипсоида определялись многими учеными мира.
Фундаментальные исследования фигуры Земли, выполненные русскими учеными Ф.Н. Красовским и А.А. Изотовым, позволили развить идею о трехосном земном эллипсоиде с учетом крупных волн геоида, в результате были получены его основные параметры.
В последние годы (конец XX и начало XXI в.в.) параметры фигуры Земли и внешнего гравитационного потенциала определены с использованием космических объектов и применением астрономо–геодезических и гравиметрических методов исследований так надежно, что теперь речь идет об оценке их измерений во времени.
Трехосный земной эллипсоид, характеризующий фигуру Земли, подразделяют на общеземной эллипсоид (планетарный), подходящий для решения глобальных задач картографии и геодезии и референц – эллипсоид, который используют в отдельных регионах, странах мира и их частях. Эллипсо́ид враще́ния (сферо́ид) - это поверхность вращения в трёхмерном пространстве, образованная при вращении эллипса вокруг одной из его главных осей. Эллипсоид вращения – геометрическое тело, образующееся в результате вращения эллипса вокруг малой оси.
Геоид - фигура Земли, ограниченная уровенной поверхностью потенциала силы тяжести, совпадающей в океанах со средним уровнем океана и продолженной под континенты (материки и острова) так, что эта поверхность всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида более сглажена, чем физическая поверхность Земли.
Форма геоида не имеет точного математического выражения, и для построения картографических проекций подбирается правильная геометрическая фигура, которая мало отличается от геоида. Лучшим приближением геоида служит фигура, получающаяся в результате вращения эллипса вокруг короткой оси (эллипсоид)
Термин «геоид» был предложен в 1873 году немецким математиком Иоганном Бенедиктом Листингом для обозначения геометрической фигуры, более точно, чем эллипсоид вращения, отражающей уникальную форму планеты Земля.
Крайне сложная фигура - геоид. Она существует лишь теоретически, однако на практике ее нельзя ни пощупать, ни увидеть. Можно представить себе геоид в виде поверхности, сила земного притяжения в каждой точке которой направлена строго вертикально. Если бы наша планета была правильным шаром, заполненным равномерно каким-либо веществом, то отвес в любой ее точке смотрел бы в центр шара. Но ситуация осложняется тем, что неоднородной является плотность нашей планеты. В одних местах имеются тяжелые горные породы, в других пустоты, горы и впадины разбросаны по всей поверхности, так же неравномерно распределены равнины и моря. Все это меняет в каждой конкретной точке гравитационный потенциал. В том, что форма земного шара - геоид, виноват также эфирный ветер, который обдувает нашу планету с севера.
