Видимое движение Солнца и Луны. Солнечные и лунные затмения.
Солнце и Луна меняют высоту, на которой они кульминируют, их положение относительно звезд (склонение) изменяется. Земля движется вокруг Солнца, а Луна вокруг Земли. Проследим, как меняется вследствие этого положение обоих светил на небе.
В первом приближении орбита Земли может быть принята за плоскую кривую - эллипс. Вследствие годового движения Земли вокруг Солнца в направлении с Запад на а Восток нам кажется, что Солнце перемещается среди звезд в направлении с Запад на Восток по большому кругу небесной сферы, которой является эклиптикой. Соответственно плоскость эклиптики — плоскость обращения Земли вокруг Солнца
В сферической астрономии принято говорить о видимом годичном движении Солнца.
Экли́птика (от лат. (linea) ecliptica, от др.-греч. ἔκλειψις — затмение) — большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца (земной орбиты).
Годовое движение Солнца (https://www.liveinternet.ru/users/alisa67/post188919391/?aid_refresh=yes)
Угол наклона оси вращения Земли с плоскостью орбиты Земли составляет 66 °33', следовательно, угол между плоскостью орбиты Земли и плоскостью земного экватора составляет 23 °26'. Эклиптика - это проекция плоскости земной орбиты на небесную сферу. Т.к. плоскость небесного экватора - это продолжение земного экватора, а плоскость эклиптики - это плоскость орбиты Земли, то плоскость эклиптики составляет с плоскостью небесного экватора угол = 23 °27'.
Определяя высоту Солнца в полдень, заметили, что дважды в году оно бывает на небесном экваторе, в так называемых равноденственных точках. Это происходит в дни весеннего и осеннего равноденствий (около 21 марта и около 23 сентября). Плоскость горизонта делит небесный экватор пополам. Поэтому в дни равноденствий пути Солнца над и под горизонтом равны, следовательно, равны продолжительности дня и ночи.
В точку весеннего равноденствия Солнце приходит 21 марта. Прямое восхождение и склонение Солнца б равны нулю.
С 21 марта Солнце перемещается по эклиптике в сторону точки летнего солнцестояния. Прямое восхождение α и склонение Солнца беспрерывно увеличиваются. В северном полушарии наступает астрономическая весна, а в южном — осень. (Прямое восхождение отсчитывают по дуге небесного экватора от точки весеннего равноденствия против хода часовой стрелки, если смотреть с северного полюса).
Двигаясь по эклиптике, Солнце 22 июня отходит дальше всего от небесного экватора в сторону северного полюса мира (на 23°27'). В полдень для северного полушария Земли оно выше всего над горизонтом (на эту величину выше небесного экватора). День самый длинный, он называется днем летнего солнцестояния. Прямое восхождение Солнца α = 90°, a склонение б = 23°27'N.
В северном полушарии наступает астрономическое лето (самые длинные дни и короткие ночи), а в южном—зима (самые длинные ночи и короткие дни).
При дальнейшем движении Солнца его северное склонение начинает уменьшаться, а прямое восхождение по-прежнему увеличивается.
Примерно еще через три месяца, 23 сентября, Солнце приходит в точку осеннего равноденствия. Прямое восхождение Солнца α = 180° , а склонение б=0° . Так как б=0 ° (как и 21 марта) день будет равен ночи. В северном полушарии наступает астрономическая осень, а в южном — весна. При дальнейшем перемещении Солнца по эклиптике к точке зимнего солнцестояния склонение и прямое восхождение увеличиваются.
22 декабря Солнце приходит в точку зимнего солнцестояния. Прямое восхождение α = 270 ° и склонение б=23°27'S. В северном полушарии наступает астрономическая зима, а в южном — лето.
Примерно через 3 месяца, 21 марта, Солнце, совершив полный оборот по эклиптике, возвращается в точку Овна.
Суточные пути Солнца над горизонтом в разные времена года при наблюдениях: а - в средних географических широтах; б - на экваторе Земли
Видимое годовое движение Солнца
Путь Солнца пролегает через 12 созвездий, называемых зодиакальными (от греческого слова зоон - животное), а их совокупность называется поясом зодиака. В него входят следующие созвездия: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей. Каждое зодиакальное созвездие Солнце проходит около месяца. Точка весеннего равноденствия (одно из двух пересечений эклиптики с небесным экватором) находится в созвездии Рыб.
Видимое движение Луны, которая обращается вокруг Земли, и Солнца, вокруг которого обращается Земля, обнаруживается и описывается одинаково. И на основе только этих наблюдений нельзя решить, движется ли Солнце вокруг Земли или Земля вокруг него.
Планеты перемещаются на фоне звездного неба более сложным образом. Они движутся то в одну, то в другую сторону, иногда медленно выписывая петли. Это обусловлено сочетанием их истинного движения с движением Земли. На звездном небе планеты (в переводе с древнегреческого "блуждающие") не занимают постоянного места, так же как Луна и Солнце. Поэтому на карте звездного неба положение Солнца, Луны и планет можно указать лишь для определенного момента.
Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Отображением этого движения, является видимое перемещение Луны на фоне звезд навстречу вращению неба. Каждые сутки Луна смещается к востоку относительно звезд примерно на 13°, а через 27,3 сут возвращается к тем же звездам, описав на небесной сфере полный круг.
Период обращения Луны вокруг Земли относительно звезд (в инерциальной системе отсчета) называется звездным или сидерическим (от лат. sidus - звезда) месяцем. Он составляет 27,3 сут.
Видимое движение Луны сопровождается непрерывным изменением ее вида - сменой фаз. Происходит это оттого, что Луна занимает различные положения относительно освещающего ее Солнца и Земли. Схема, поясняющая смену фаз Луны, показана на рисунке.
Смена лунных фаз (солнечные лучи падают слева, вверху изображены лунные фазы, видимые с Земли)
Когда Луна видна нам как узкий серп, остальная часть ее диска тоже слегка светится. Это явление называется пепельным светом и объясняется тем, что Земля освещает ночную сторону Луны отраженным солнечным светом.
Фазы Луны (Tomruen - Oct_2007. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10200976)
Промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны называется синодическим месяцем (от греч. synodos - соединение); это период обращения Луны вокруг Земли относительно Солнца. Он равен (как показывают наблюдения) 29,5 сут.
Таким образом, синодический месяц длиннее сидерического. Это легко понять, зная, что одинаковые фазы Луны наступают при одинаковых ее положениях относительно Земли и Солнца. На рисунке 21 взаимное расположение Земли Т и Луны L соответствует моменту новолуния. Луна L через 27,3 сут, сделав полный оборот, займет прежнее положение относительно звезд. Земля Т за это время вместе с Луной пройдет по своей орбите относительно Солнца дугу ТТ1, равную почти 27°-, так как каждые сутки она смещается примерно на 1°. Чтобы Луна L1 заняла прежнее положение относительно Солнца и Земли Т1 (пришла в новолуние), потребуется еще двое суток. Действительно, Луна проходит за сутки 360°:27,3 сут = 13°/сут, чтобы пройти дугу в 27°, ей необходимо. 27°: 13°/сут=2 сут. Так и получается, что синодический месяц Луны составляет около 29,5 земных суток.
Различие между звездным и синодическим месяцем
Мы видим всегда только одно полушарие Луны. Это иногда воспринимается как отсутствие ее осевого вращения. На самом деле это объясняется равенством периодов вращения Луны вокруг оси и ее обращения вокруг Земли.
Проверьте это, обводя вокруг себя предмет и одновременно поворачивая его вокруг оси с периодом, равным периоду обвода.
Вращаясь вокруг оси, Луна попеременно обращает к Солнцу разные свои стороны. Следовательно, на Луне происходит смена дня и ночи, и солнечные сутки равны синодическому периоду (ее обороту относительно Солнца). Таким образом, на Луне продолжительность дня равна двум земным неделям и две наши недели составляют там ночь.
Земля и Луна, освещенные Солнцем, отбрасывают конусы тени (сходящиеся) и конусы полутени (расходящиеся). Когда Луна попадает в тень Земли полностью или частично, происходит полное или частное затмение Луны. С Земли оно видно одновременно отовсюду, где Луна над горизонтом. Фаза полного затмения Луны продолжается, пока Луна не начнет выходить из земной тени, и может длиться до 1 ч 40 мин.
Полное затмение 04.04.2015
Солнечные лучи, преломляясь в атмосфере Земли, попадают в конус земной тени. При этом атмосфера сильно поглощает голубые и соседние с ними лучи, а пропускает внутрь конуса преимущественно красные, которые поглощаются слабее. Вот почему Луна при большой фазе затмения окрашивается в красноватый цвет, а не пропадает совсем.
Необходимыми условиями наступления лунного затмения являются полнолуние и близость Луны к узлу её орбиты (т. е. к точке, где орбита Луны пересекает плоскость эклиптики); лунное затмение происходит, когда выполняются одновременно оба эти условия.
В связи с несовпадением плоскостей лунной и земной орбит, далеко не каждое полнолуние сопровождается лунным затмением, и далеко не каждое лунное затмение — полное.
Максимальное количество лунных затмений за год — 4 (например,
это произойдёт в 2020 и 2038 годах), минимальное количество лунных затмений —
два в год.
Лунное затмение 3 марта 2007 (Thomas Knoblauch - https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1794968)
Солнечное затмение как полное видно только там, где на Землю падает пятно лунной тени. Диаметр пятна не превышает 250 км, и поэтому одновременно полное затмение Солнца видно лишь на малом участке Земли.
Когда Луна перемещается по своей орбите, ее тень движется по Земле с запада на восток, вычерчивая последовательно узкую полосу полного затмения.
Там, где на Землю падает полутень Луны, наблюдается частное затмение Солнца.
Перемещение пятна лунной тени по Земле
Вследствие небольшого изменения расстояний Земли от Луны и Солнца видимый угловой диаметр Луны бывает то немного больше, то немного меньше солнечного, то равен ему. В первом случае полное затмение Солнца длится до 7 мин 40 с, в третьем - только одно мгновение, а во втором случае Луна вообще не закрывает Солнца целиком, наблюдается кольцеобразное затмение. Тогда вокруг темного диска Луны виден сияющий ободок солнечного диска.
На основе точного знания законов движения Земли и Луны вычислены на сотни лет вперед моменты затмений и то, где и как они будут видны. Составлены карты, на которых показаны полоса полного затмения, линии (изофазы), где затмение будет видно в одинаковой фазе, и линии, относительно которых для каждой местности можно отсчитать моменты начала, конца и середины затмения.
Солнечных затмений в году для Земли может быть от двух до пяти, в последнем случае непременно частных. В среднем в одном и том же месте полное солнечное затмение бывает видно чрезвычайно редко - лишь однажды в течение 200-300 лет.
Солнечное затмение 1994 года в Боливии
Задачи.
1. Определите полуденную высоту Солнца в Архангельске и в Ашхабаде в дни летнего и зимнего солнцестояния.
Дано: Решение:
φ1 = 650 Значение широты Архангельска и Ашхабада находим по
δл = 23,30 географической карте. Склонение Солнца в дни летного и зимнего
δз= - 23,30 солнцестояния известны.
h1Л -? h2Л -? По формуле h = 900 – φ + δ, находим hmax = 90° —j + 23° 27
h1З -? h2З -? hmin = 90° — j — 23° 27’
h1Л = 48,50 h2Л =75,50 h1З =1,50 h2З =28,50
2. На какой географической широте Солнце в день летнего солнцестояния кульминирует в зените?
3. Определите географическую широту пункта, в котором в день зимнего солнцестояния кульминация Солнца происходит в точке юга.
Дано:
Контрольные вопросы:
1.Каково склонение Солнца в дни равноденствий? (равно нулю)
2. Чему равно склонение Солнца в дни летнего и зимнего солнцестояния? (23 °27', - 23 °27')?
3. Чему равно прямое восхождения Солнца в день весеннего равноденствия? (00)
4. В какие дни года Солнце достигает зенита для наблюдателя, находящегося на земном экваторе? (в дни равноденствия)
5. Найдите 12 зодиакальных созвездий на звездной карте. Пользуясь подвижной картой звездного неба, определите, какие из них будут видны над горизонтом в вечер наблюдения.
6. Вчера было полнолуние. Может ли быть затмение Солнца завтра? через неделю?
(Новолуние будет через 2 недели. Значит ни завтра, ни через неделю затмения Солнца быть не может).
7. Можно ли с Северного полюса Земли видеть лунные затмения, происходящие в июне и ноябре? (На Северном полюсе в ноябре будет полярная ночь, а в июне полярный день. Поэтому лунные затмения можно видеть в ноябре)
8. Как отличить фазу затмения Луны от одной из ее обычных фаз? (Луна во время затмения светит красным светом).
6. Для каких географических широт Солнце наблюдается в зените? (Солнце наблюдается в зените в поясе, ограниченном следующим интервалом географической широты: −23°27′≤φ≤23°27′)
7. В чём состоит отличие сидерического и синодического месяцев? (Синодический месяц — это промежуток времени между двумя последовательными одноимёнными фазами Луны (например, новолуниями), и он длится 29.5 сут. Сидерический месяц — это период обращения Луны по орбите вокруг Земли относительно звёзд, и он длится 27.3 сут)
8. Почему солнечные затмения происходят не каждое новолуние, а лунные — не каждое полнолуние? (Этого не случается, т.к. плоскость лунной орбиты не совпадает с плоскостью эклиптики).
Домашнее задание:
Задача
1. На какой географической широте Солнце кульминирует в день летнего солнцестояния на высоте +72°50’ над точкой севера? Чему равна полуденная и полуночная высота Солнца на той же широте в дни равноденствий и зимнего солнцестояния?
Задание: Подготовить сообщение по одной из тем
1. Охарактеризуйте полные, частные и кольцеобразные солнечные затмения.
2. Почему происходят солнечные и лунные затмения?
3. Серп Луны обращён выпуклостью вправо и близок к горизонту. В какой стороне горизонта он находится? (Луна наблюдается в западной части горизонта).
4. Что понимают под лунной фазой? Опишите фазы Луны.
5. Каковы особенности суточного движения Солнца на различных широтах?