03. Движение Солнца, Земли и Луны

Суточное и годовое движение Солнца

 Всем привет! Представьте, что вы катаетесь на карусели и из-за того, что движетесь, в ваших глазах движется всё вокруг. Но движется не одинаково. Чтобы заметить то, что друг ходит рядом с каруселью, а не стоит на месте, придётся присмотреться. Тогда мы отделим два движения. Всё вокруг мелькает, потому что мы вращаемся, и друг тоже мелькает, но при этом ещё и смещается. При каждом обороте мы сможем увидеть его в разных местах, конечно, относительно фона.

Наша планета вращается вокруг своей оси, этим она похожа на большую карусель. Только период этого вращения сутки, и голова у нас от этого не кружится. Но нам так же, как и на карусели, кажется, что всё вокруг вращается, пусть и медленно.

Мы уже обсуждали, что звёзды находятся далеко от нас, поэтому их движения друг относительно друга незаметны. Самолёт, который летит со скоростью 800 км в час высоко в небе, при беглом взгляде тоже кажется почти неподвижным.

А вот небесные тела в пределах Солнечной системы подобны другу, который ходит вокруг карусели. Они все, как нам кажется, вращаются вокруг нас, но их движения относительно звёзд можно заметить, если присмотреться.

Давайте рассмотрим два самых заметных небесных тела, которые оказывают наибольшее влияние на Землю, — Солнце и Луну. Используем модель, которую мы уже ввели на предыдущих уроках.

Солнце, Луна и другие сравнительно близкие к нам объекты вращаются вместе с небесной сферой в суточном вращении, но кроме того они движутся и относительно звёзд. Эти перемещения являются периодическими, потому что связаны с вращением тел. Вокруг своей оси, по почти круговой орбите, вокруг Солнца, если речь о планете, или вокруг планеты, если речь о спутнике.

Одновременно в суточном вращении вокруг своей оси Земля вращается по орбите вокруг Солнца с периодом в год, что приводит к изменениям в расположении светила на небосводе в течение года.

Оказывается, если в течение нескольких месяцев каждую ночь в одно и то же время наблюдать один и тот же участок небосвода, то обнаружится, что на нём, видимо, и будут разные созвездия. Давайте отследим, в каких участках небесной сферы, то есть созвездиях, видно Солнце в разное время на протяжении года.

1 июня — Солнце находится в созвездии Тельца, 1 июля — в созвездии Близнецов, 1 августа — в созвездии Рака, ну и так далее. Таким образом, Солнце перекрывает нам участки разных созвездий каждый месяц. Если бы Солнце не было таким ярким, мы могли бы видеть его каждый месяц на фоне нового созвездия. В старину считалось, что Солнце движется вокруг Земли по небесной сфере от одного зодиакального созвездия к другому.

В системе отчёта, связанной с Землёй, это так и выглядит. Посмотрим на относительное движение Земли и Солнца со стороны.

Земля движется вокруг Солнца с периодом 1 год. Орбита Земли — это эллипс, почти окружность. В одном фокусе этого эллипса находится Солнце. Если продолжить плоскость этой орбиты, она пересекает небесную сферу по линии, которую назвали эклиптикой.

Двенадцать созвездий, расположенных приблизительно на равных угловых расстояниях — подчёркиваю: угловых расстояниях, — на небесной сфере в районе эклиптики, образуют зодиакальный пояс. Дословно с греческого — это круг из животных. «Зодио» — это уменьшительная форма слова zoon — животное. Многие из созвездий классического греческого зодиака названы в честь животных.

На рисунке указана часть небесной сферы вблизи эклиптики. Теперь видно, что по мере продвижения Земли по орбите вокруг Солнца его проекция на небесную сферу попадает в область разных созвездий. С Земли это выглядит так, будто Солнце поочередно проходит на небесной сфере 12 зодиакальных созвездий, лежащих в узкой полосе возле эклиптики. Не стоит путать это движение с суточным движением Солнца.

Мы видим суточное вращение всей небесной сферы, и Солнце вращается вместе с неподвижными звёздами, при этом совсем немного смещаясь относительно звёзд. И на протяжении недель и месяцев это смещение становится заметным. Его мы и обсудили.

На наблюдениях за годовым движением Солнца основывалась предшественница астрономии — астрология. О ней немного подробнее в ответвлении.

Астрология

В астрологии предполагается, что судьба человека зависит от того, в каком зодиакальном созвездии находилось в момент его рождения Солнце. И сейчас многие люди знают свой знак зодиака, а в газетах и журналах печатают гороскопы. Убедительных научных доказательств такой связи нет. Странно предполагать, что приблизительно 1/12 части всех людей сегодня повезёт только потому, что они родились с 22 мая по 21 июня.

К тому же на протяжении дня с человеком происходит много событий, и среди них с большой вероятностью будут те, которые можно трактовать как везение. Однако среди моделей, разработанных в рамках астрологии, были и научные. Рассмотрим их. Разглядеть созвездие, на фоне которого находится Солнце, невооружённым глазом невозможно, мешает его свет. Поэтому положение созвездия определяют с помощью вычислений по составленным картам звёздного неба.

Ещё одна задача, которая решалась в рамках астрологии, — это составление календарей. Люди того времени научились связывать положение Солнца в зодиакальном поясе с временем года. Время, на протяжении которого Солнце находится в каждом зодиакальном созвездии, обозначили как месяц, и он приблизительно совпал с периодом вращения Луны вокруг Земли. Так были построены первые календари. С современными, точнейшими на данный момент наблюдениями было доказано, что зодиакальный пояс вращается относительно эклиптики с периодом в 26 тысяч лет.

Поэтому приблизительно за 2 тысячи лет, прошедших со времени присвоения астрологами имён зодиакальным созвездиям, все они сдвинулись в западном направлении на 1/12, то есть на одно созвездие. Так что если модель, по которой по знаку зодиака можно сделать предсказание, считать верной, то непонятно, к чему привязываться: к точке эклиптики или к созвездию?

Например, сейчас созвездие Овен занимает положение, изначально занимавшееся Рыбами.

Движение Солнца определяет не только продолжительность дня и ночи.

От Солнца посредством электромагнитного излучения поступает энергия, и её распределение определяет погоду и климат, смену времён года. Давайте рассмотрим эти закономерности.

Проведём ось вращения Земли вокруг Солнца, то есть нормаль к плоскости эклиптики. Оказывается, ось собственного вращения Земли ориентирована под углом к оси вращения вокруг Солнца. Этот угол постоянный, направление земной оси всегда сохраняется.

Рис. 13. Небесная сфера

То есть Земля ведёт себя как огромный гироскоп. Угол наклона оси собственного вращения Земли равен 23 градусам 26 минутам и 14 секундам. Из уроков геометрии мы помним, что угловая минута — это обозначение одной шестидесятой части градуса, а угловая секунда — одна шестидесятая часть угловой минуты. Поэтому величину 23 градуса 26 минут 14 секунд можно для удобства считать равной приблизительно 23 с половиной градуса.

Вспомните из уроков геометрии, что представляет собой угол между плоскостями. Постройте рисунок и убедитесь, что экваториальная плоскость и плоскость эклиптики пересекаются под тем же углом. Помним, что ось собственного вращения Земли перпендикулярна экваториальной плоскости, а ось вращения Земли вокруг Солнца — плоскости эклиптики. Так вот, из-за этого наклона в некоторых положениях Земли на её орбите Северное полушарие освещено большую часть суток, а в некоторых Южное.

Распространённое заблуждение о временах года

Часто ошибочно предполагают, что смена сезонов определяется эллиптичностью орбиты Земли. Летом в Северном полушарии тепло, потому что Земля ближе к Солнцу, а зимой холодно, потому что дальше. Если бы так было на самом деле, вся Земля летом получала бы больше тепла, и лето было бы на всей Земле одновременно. Однако, когда в Северном полушарии лето, в Южном зима, и наоборот. Так что дело не в получении большего или меньшего количества энергии от Солнца, а в её распределении между полушариями.

 На рисунке указаны четыре даты и положение Земли в эти дни.

21 декабря — день зимнего солнцестояния. Это день, когда земная ось пересекает ось вращения Земли вокруг Солнца со стороны Южного полушария.

20 марта — день весеннего равноденствия. В этот день оси лежат в максимально удалённых друг от друга параллельных плоскостях.

21 июня — день летнего солнцестояния. Оси пересекаются со стороны Северного полушария.

22 сентября — день осеннего равноденствия. Оси снова лежат в максимально удалённых параллельных плоскостях. В дни весеннего и осеннего равноденствия Земля проходит точки пересечения экваториальной плоскости и плоскости эклиптики.

Рассмотрим, как это выглядит при наблюдении с Земли, и станет понятно, почему эти даты так назвали.

Эти названия возникли в культуре людей, населявших Северное полушарие, а это касается и современной России. Поэтому возьмём точку наблюдения в Северном полушарии.

Вот как освещается Земля, когда в Северном полушарии зима, вблизи дня зимнего солнцестояния. На рисунке видно, что Северное полушарие, то, что выше экватора, получает меньше солнечного света, чем Южное.

За северным полярным кругом Солнца не видно, это полярная ночь. В областях немного южнее продолжительность ночи превышает продолжительность дня. Свет падает на земную поверхность под большим углом, поэтому Северное полушарие получает меньше энергии и нагревается меньше. Южная полярная область в это время всегда освещена, это полярный день. А во всём Южном полушарии — лето. Летом, вблизи 21 июня, картина обратная.

В Южном полушарии холоднее, а в Северном теплее. Кроме того, зимой в Северном полушарии дни короче, а летом длиннее. В Южном полушарии наоборот.

В горизонтальной системе координат, связанной с наблюдателем, который находится на северной широте приблизительно в 40 градусов, суточное движение Солнца выглядит так, как показано на рисунке. Отметим точки кульминации Солнца летом и зимой. Когда Земля ориентирована вот так, солнечные лучи будут под максимальным за год углом горизонта, а когда вот так — под минимальным.

И если продолжить из этих точек суточный путь Солнца на небесной сфере, получаются вот такие окружности. Теперь вы можете объяснить, почему летом дни длиннее и Солнце поднимается выше. Обратите также внимание, куда смещаются точки восхода и заката Солнца зимой и летом. Так что утверждения «Солнце восходит на востоке и заходит на западе» не совсем точные.

Они справедливы только в дни весеннего и осеннего равноденствия. Наблюдая за закатами и рассветами из одной точки с фиксированными ориентирами, например из окна квартиры, вы заметите это смещение точек восхода и заката. Весной и осенью оба полушария получают приблизительно равное количество солнечной энергии, а длительности ночи и дня приблизительно равны.

Поэтому 20 марта и 22 сентября называются днями равноденствия. Кстати, обратите внимание, что в день летнего солнцестояния точка кульминации Солнца находится под максимальным углом к горизонту.

Параллель, где Солнце в этот момент находится в зените, назвали Северным тропиком. Это самая северная точка, в которой Солнце можно наблюдать в зените. Аналогичное место есть и в Южном полушарии. Это Южный тропик.

По рисунку определите географическую широту тропиков.

Движение Луны

Перейдём к рассмотрению второго, самого заметного с Земли небесного тела — Луны. Как известно, Луна не излучает свет сама по себе, а отражает солнечный свет. Поэтому мы видим только освещённую Солнцем часть Луны. Луна всегда ориентирована так, что Солнце освещает только одну половину Луны, другая сторона остаётся тёмной.

Обратите внимание, Солнце освещает только одну половину Луны, но главное, что это всегда происходит с разных сторон, и бывает, что нам видна почти вся освещённая половина Луны, а бывает, что только часть. Так что есть обратная сторона Луны, которую нам со стороны Земли никогда невозможно увидеть, а есть тёмная сторона Луны, не освещённая Солнцем. Но она может быть повёрнута к Земле, вся или её часть, и мы её можем увидеть невооружённым глазом еле-еле, а с помощью приборов получше.

Видимая сторона Луны

Часто ошибочно предполагают, что смена сезонов определяется эллиптичностью орбиты Земли. Летом в Северном полушарии тепло, потому что Земля ближе к Солнцу, а зимой холодно, потому что дальше. Если бы так было на самом деле, вся Земля летом получала бы больше тепла и лето было бы на всей Земле одновременно. Однако, когда в Северном полушарии лето, в Южном зима, и наоборот. Так что дело не в получении большего или меньшего количества энергии от Солнца, а в её распределении между полушариями.

Вращения Луны вокруг Земли и вокруг своей оси синхронизированы с конечной точностью. Луна вращается вокруг Земли не по круговой орбите, а по эллиптической, и Земля находится в одном из фокусов эллипса.

Получается, что расстояние от Луны до Земли меняется, и при этом, по законам Кеплера, меняется скорость движения Луны. Вращение Луны вокруг Земли то немного отстаёт от вращения вокруг своей оси, то опережает его. Таким образом, видимая сторона Луны немного поворачивается.

Ещё один фактор, который мы сначала не учли: ось вращения Луны не точно перпендикулярна плоскости её орбиты. Поэтому Луна немного поворачивается к Земле то верхней, то нижней стороной, как Земля к Солнцу при смене времён года, только не на такой большой угол.

Если всё это учесть, видимая нам сторона Луны окажется не совсем фиксированной. Но для многих случаев описания фаз Луны этими явлениями можно пренебречь и использовать простой метод.

В течение месяца видимая нам освещённая половина Луны изменяется регулярным образом. Это называется циклом лунных фаз. Лунной фазой называется вид Луны на небе. Длительность цикла смены фаз 29,5 суток. Начнём отсчёт с невидимого состояния.

С этого момента Луна сначала растёт, прибывает. Эта фаза называется новолунием, до формы полумесяца, затем до выпуклой формы, когда освещённая часть больше тёмной и в конце становится полностью освещённым диском. Фаза называется полнолунием. В течение второй половины цикла освещённая часть Луны уменьшается до полностью тёмной, наступает следующее новолуние. Луна вращается вокруг Земли по орбите ABCDEFGH, а рядом показан вид Луны на небе, фазы Луны.

Это сторона, которая в данной точке орбиты повёрнута к Земле. В положениях А — новолуние и Е — полнолуние Луна, Земля и Солнце находятся почти на одной прямой. В положениях С — первая четверть и G — третья четверть мы видим ровно половину освещённой части Луны.

Период времени 29,5 суток от новолуния до новолуния называют синодическим месяцем, от греческого синодос — соединение, так как в новолуние Луна и Солнце соединяются на небесной сфере. Во время новолуния к Земле повёрнута тёмная неосвещённая сторона Луны. Когда Луна передвинется в положение B, то с правой стороны лунного диска появится узкая полоска света, Луна будет выглядеть как узкий серп с выпуклостью справа. Про такую Луну говорят «молодая» или «растущая».

Она появляется на небе вечером после захода Солнца. Через неделю после новолуния у Луны освещена вся правая половина. Имеется в виду, что мы будем видеть половину освещённой стороны Луны, и она будет находиться для наблюдателя справа. Эта фаза C называется первой четвертью. В течение следующей недели освещённая часть Луны увеличивается, и в конце недели наступает полнолуние. Затем Луна начинает убывать, стареть, часть светлого полушария отворачивается от нас, с правой стороны видимого диска появляется некий ущерб.

Через неделю после полнолуния наступает третья четверть, когда мы видим освещённую левую половину лунного диска. Затем Луна принимает форму серпа, обращённого выпуклостью влево. Такую Луну называют старой, она видна на небе в утренние часы перед восходом Солнца. Можно легко запомнить, как направлен серп старой и растущей Луны.

В фазе старой Луны серп ориентирован как буква «С». С неё начинается слово «старая». А если к серпу растущей Луны добавить вертикальную черту, получим букву «Р» — растущая.

В день полнолуния и вблизи него, когда Луна почти полная, для земного наблюдателя Луна находится в направлении, противоположном направлению на Солнце. Поэтому практически всю ночь Луна видна на небе. Причём она встаёт на востоке тогда, когда Солнце заходит на западе, и заходит на западе, когда Солнце встаёт на востоке. Мы видим их на противоположных сторонах небесной сферы.

В день новолуния и вблизи него, когда Луна видна как тонкий серп, для земного наблюдателя направление на Луну и Солнце практически совпадает. Поэтому такая Луна не видна на небе большую часть ночи. Ночью Солнце за горизонтом и, следовательно, Луна тоже.

Луну в виде узкого серпа можно видеть только на закате и восходе Солнца, но очень бледной на фоне светлого неба. Аналогичное рассуждение о видимости Луны возможно и для других фаз. Удобно это делать, воспользовавшись представленным рисунком. В центре рисунка наблюдатель, который глядит на небо 5 раз в день. На орбите Луны указаны 7 её положений в цикле фаз, дни отчитываются от новолуния.

Различие между сидерическим и синодическим месяцами

Период обращения Луны относительно звёзд, то есть время прохождения зодиакального круга созвездий, 27,3 суток, это сидерический месяц.

Полный цикл смены фаз Луны занимает 29,5 суток, это синодический месяц. Разницу приблизительного 2 дня можно понять из следующего рисунка.

В новолуние Луна находится на одной линии с Солнцем и некоторой звездой с зодиакального созвездия. Через 27,3 суток Луна для наблюдателя с Земли вновь ориентирована на звезду, прошёл сидерический месяц, но не на Солнце, так как Земля прошла некоторый путь по орбите.

Поэтому ещё не новолуние, виден узкий серп старой Луны. Ещё через 2,2 суток, то есть через 29,5 суток после начала наблюдения, Луна ориентирована на Солнце, как и в начале наблюдения, то есть прошёл синодический месяц. Но на звезду, с которой мы начали наблюдение, она уже не ориентирована.

Затмения

Наблюдатель каждый раз видит то, что выше его горизонта. Орбита Луны лежит практически в плоскости эклиптики, то есть Луна и Солнце движутся практически в одной плоскости, а в моменты новолуния и полнолуния Луна, Земля и Солнце располагаются практически на одной линии. Если бы они располагались строго на одной прямой, Луна и Солнце, каждый раз выстраиваясь вдоль одной линии с Землёй, загораживали бы друг друга.

Но так как от этой линии есть отклонения, в полнолуние и новолуние Луна и Земля могут частично загораживать солнечный свет. Иногда больше, иногда меньше.

В полнолуние Земля находится между Солнцем и Луной, поэтому Луна может оказаться в тени Земли и её будет плохо видно с Земли.

Это явление называется лунным затмением. В новолуние Луна находится между Землёй и Солнцем и закрывает Солнце для наблюдателей на Земле. Это солнечное затмение.

Рассмотрим затмение подробнее и начнём с лунного затмения.

Земная тень больше Луны, поэтому Луна может находиться в области тени достаточно долго, около часа. Сначала затмение неполное, в тень попадает только часть Луны, затем она оказывается полностью в тени, и это уже полное затмение.

Наконец Луна покидает тень, постепенно становится видимой. Вот как видно с Земли полное лунное затмение.

Луна не исчезает полностью даже в момент полного затмения, так как в тень Земли проникает свет, рассеянный атмосферой. Рассеивается в основном свет красно-оранжевой части спектра, поэтому Луна во время затмения красная, как небо на заре. С поверхности Луны в это время можно было бы пронаблюдать что-то вроде зари, но только Солнце скрыто не за горизонтом, а за Землёй.

Рассмотрим, как протекает солнечное затмение.

Ввиду большой разницы в размерах Солнца и Луны конус лунной тени сужается сильнее, чем конус земной тени. К тому же Земля больше Луны, поэтому она в такой суженный конус полностью попасть не может. У поверхности Земли тень Луны мала по сравнению с Землёй. То есть Луна перекрывает Солнце для наблюдателей на небольшом участке поверхности Земли.

Поэтому полное солнечное затмение видно только в небольшой области. На небольшом удалении от этой области затмение не полное, Луна закрывает только часть солнечного диска. Солнечное затмение длится, как и лунное, около часа. Луна постепенно закрывает солнечный диск, сначала край, потом всё больше и больше, Солнце становится ярким полумесяцем и, наконец, закрывается Луной полностью.

Ненадолго становится темно, почти как ночью, и даже видны яркие звёзды. Потом начинается обратный процесс, Солнце постепенно возвращается к обычному виду. Мы описали локальный процесс, так обстоит дело в месте, где находится определённый наблюдатель. На самом деле область полного солнечного затмения скользит по поверхности Земли из-за движения Луны.

Поэтому солнечное затмение можно наблюдать вдоль длинной, в тысячи километров, полосы, но в разное время.

На фотографии видна солнечная корона, светящаяся атмосфера из раскалённых газов.

Видимые угловые размеры Луны и Солнца близки, но не совпадают, Солнце чуть больше. Поэтому при некоторых условиях Солнце во время полного затмения видится как узкое кольцо. Движения Луны и Солнца по небесной сфере периодичны, а значит, поддаются предсказанию.

Значит, солнечные и лунные затмения принципиально предсказуемы. Расчёты осложняются тем, что плоскость орбиты Луны немного не совпадает с плоскостью эклиптики. Угол между этими плоскостями около 5 градусов, и он сохраняется. Если бы этот угол был равен нулю, затмения происходили бы каждый раз в точках новолуния и полнолуния, т. е. дважды за лунный цикл, 29,5 дней.

А из-за небольшого наклона плоскостей в новолуние или в полнолуние Луна, Земля и Солнце могут не лежать на одной прямой, Луна может быть выше или ниже плоскости эклиптики.

На рисунке Луна представлена в фазах новолуния или полнолуния, то есть когда затмения возможны в принципе, но Земля и Солнце находятся в одной плоскости, в плоскости эклиптики, а Луна в другой плоскости, наклонённой к плоскости эклиптики. Встретиться они могут только тогда, когда Луна, Земля и Солнце лежат на линии пересечения этих двух плоскостей.

Это случается два раза в год, но не в фиксированные даты. Эти периоды называются сезонами затмений. Их даты зависят как от положения Земли на орбите, так и от лунного цикла.

До сих пор, для простоты изложения, мы считали, что ориентация орбиты Луны относительно звёзд всегда сохраняется. Это не совсем так. У плоскости орбиты Луны имеется прецессия с периодом 18,6 года, то есть с таким периодом вращается линия пересечения этой плоскости с плоскостью эклиптики.

Это приводит к тому, что сезоны затмений сдвигаются каждый год приблизительно на 20 дней вперёд. Всё перечисленное осложняет расчёты, но они тем не менее с хорошей степенью точности позволяют предсказать времена затмений и места, где они будут наблюдаться полными. Оказывается, что каждый год происходит 2-3 затмения, лунных и солнечных.

Даже в старину учёные делали довольно точные, удивлявшие обывателей предсказания затмений. Это также достигалось довольно простыми расчётами и использованием статистики прежних наблюдений.

Список использованных источников:
Рис. 1–49. Моушн-дизайнер Лопатин М. С.