Лунные и солнечные затмения

Лунные и солнечные затмения

33

Введение

В очень далёкие времена, около 6000 лет назад, народы, населявшие обширные равнины вдоль великих рек Египта, Китая, Индии и Месопотамии, достигли в своём развитии высокой самобытной культуры.

Свободные от тяжёлого физического труда представители имущих классов и их окружение имели полную возможность заниматься развитием культуры и искусства, создавать силами рабов знаменитые сооружения - храмы, дворцы, усыпальницы, известные ныне как выдающиеся памятники древнего мира.

Они же вели наблюдения над явлениями природы, пока ещё примитивные, но всё же наблюдения, которые с появлением простейшей письменности фиксировались в летописях и, накапливаясь веками, составили впоследствии фундамент зарождавшихся наук, и одной из первых среди них была астрономия, наука о небесных светилах и явлениях. Заниматься наблюдениями природных явлений человечество заставила жизненная необходимость. Люди давно поняли, что их жизнь зависит от Солнца.

И всё же именно жрецам-астрологам принадлежит несомненная заслуга в накоплении простейших астрономических знаний. Эти астрологи были и первыми астрономами, изучавшими звёздное небо.

Длительные наблюдения звёздного неба и их обращения привели к открытию ряда закономерностей в природе. Было обнаружено суточное вращение звёздного неба, перемещение по нему Луны и строго периодическое измерение её вида (смена лунных фаз), регулярно повторяющееся изменение вида звёздного неба и годовое движение Солнца на фоне звёзд, подмечена связь между видом звёздного неба и сезонами года, в частности, наступлением разлива рек, увлажняющего обрабатываемые поля, что было особенно важно для выращивания обильного урожая.

Подмеченные в природе закономерности жрецы сохраняли в великой тайне и считали достоянием только своей касты. Даже разработанные ими календари не разглашались властителям и, тем более, народу.

В Древнем Египте в третьем тысячелетии до н.э. применялся солнечный календарь, согласованный с сезонами года. Сопоставляя на протяжении многих десятилетий вид предутреннего звёздного неба с днями наступления разливов реки Нила, египетские жрецы установили, что они наступают через несколько дней после первого утреннего (т.е. непосредственно перед восходом Солнца) появления самой яркой звезды неба. Эту звезду прозвали Изидой-Сотис, т.е. слезой богини плодородия Изиды: по древнеегипетскому поверью слёзы Изиды переполняли реки и вызывали их разлив. Началом года считался день утреннего появления на небе звезды Изиды-Сотис, и он приходился всегда на один и тот же сезон года.

В древних крупных централизованных государствах, при их правителях, были придворные жрецы-астрологи, которые были обязаны вести наблюдения за небом и по расположению светил предсказывать наступление небесных явлений, благоприятствующих или препятствующих жизни государства и действиям правителей.

Со временем, к началу V? в. до н.э., древние астрономы сумели установить причину солнечных затмений. Они обратили внимание на покрытия звёзд Луной при её движении по небу и на исчезновение Луны во время солнечных затмений, а отсюда пришли к выводу, что Луна встречается с Солнцем и заслоняет его.

Можно привести много примеров, когда вычисление обстоятельств и дат солнечных затмений позволило установить или уточнить не только даты исторических событий, но и системы древних летоисчислений.

Изучение древних солнечных затмений помогает науке уточнить многие даты исторических событий и даже внести коррективы в их последовательность. Но почему же при таких исследованиях отдаётся предпочтение полным или почти полным солнечным затмениям, а не лунным? Всё дело в том, что каждое полное солнечное затмение происходит в узкой и притом определённой полосе земной поверхности, а от года к году положение этой полосы значительно меняется, да и Солнце в разные месяцы года бывает в различных созвездиях. Поэтому, по местности, в которой происходит полное (или почти полное) солнечное затмение, можно вычислениями установить его точную дату.

Лунные же затмения видны со всего ночного полушария Земли, и следовательно, даже за сравнительно небольшой промежуток времени в каждой местности может произойти несколько таких затмений, даты которых вычисляются тоже с большой точностью. Но установить соответствие одной из вычисленных дат определённому историческому событию бывает затруднительно, хотя и возможно.

Однако изучение древних солнечных затмений имеет не только исторических, но и астрономический интерес, так как путём сравнения перемещений лунной тени по земной поверхности можно установить естественную эволюцию движения Луны, и именно такое сравнение впервые навело на мысль о непрерывном (вековом) незначительном замедлении вращения Земли. Это замедление ныне окончательно обнаружено, хотя и составляет всего лишь 0,0014 сек за столетие.

Солнечные и лунные затмения принадлежат к таким же естественным явлениям, как и всё остальное в природе, и, изучив закономерности этих явлений, современная астрономия имеет возможность за много лет вперёд вычислять их наступление.

Однако ещё в глубокой древности астрономы-астрологи обязаны были предсказывать затмения и они, как правило, умели это делать, хотя и не знали истинных причин этих явлений. Просто из многовековых наблюдений затмений была обнаружена закономерность в их повторении, используя которую астрологи предсказывали наступление предстоящих затмений.

1. Движение тел солнечной системы

Если в ясную ночь пронаблюдать звёздное небо в течение нескольких часов, то легко заметить, что небесный свод, как одно целое, со всеми находящимися на нём светилами плавно вращается около некоторой воображаемой оси, проходящей через место наблюдения. Это вращение небесного свода и светил называется суточным движением, так как одно полное обращение совершается за сутки. Вследствие суточного вращения звезды и другие небесные тела непрерывно меняют своё положение относительно сторон горизонта.

Если наблюдать суточное движение звёзд в северном полушарии Земли (но не близко к её полюсу) и при этом стоять лицом к южной стороне горизонта, то их вращение происходит слева направо, т.е. «по часовой стрелке». На восточной стороне горизонта (если наблюдать не на полюсе Земли) звезды восходят, поднимаются выше всего над южной стороной горизонта и заходят на западной стороне. При этом каждая звезда всегда восходит в одной и той же точке восточной стороны горизонта и заходит всегда в одной и той же точке западной стороны. Максимальная высота над горизонтом для каждой данной звезды и для данного места наблюдения также всегда постоянна.

Если же стать лицом к северной стороне горизонта, о наблюдения покажут, что одни звёзды будут также восходить и заходить, а другие - описывать полные круги над горизонтом, вращаясь вокруг общей неподвижной точки. Эта точка называется северным полюсом мира.

Солнце и Луна, так же как и звёзды, восходят на восточной стороне, выше всего поднимаются над южной и заходят на западной стороне. Но, наблюдая восход и заход этих светил, можно заметить, что в разные дни года. Они восходят, в отличие звёзд, в разных точках восточной стороны горизонта и заходят также в разных точках западной стороны.

Так, Солнце в начале зимы восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Но с каждым днём точки его восхода и захода передвигаются к северной стороне горизонта. При этом с каждым днём Солнце в полдень поднимается над горизонтом всё выше и выше, день становится длиннее, ночь - короче.

В начале лета, достигнув некоторого предела на северо-востоке и на северо-западе, точки восхода и захода Солнца начинают перемещаться в обратном направлении, от северной стороны горизонта к южной. При этом полуденная высота Солнца и продолжительность дня начинают уменьшаться, а продолжительность ночи - увеличиваться. Достигнув некоторого предела в начале зимы, точки восхода и захода Солнца снова начинают передвигаться к северной стороне неба и все описанные явления повторяются.

Из элементарных и не очень продолжительных наблюдений легко заменить, что Луна не остаётся всё время в одном и том же созвездии, а передвигаясь с запада на восток примерно на 13? в сутки. Перемещаясь по 12 созвездиям, Луна обходит полный круг по небу за 27,32 суток.

Ещё в глубокой древности среди звёзд зодиакальных созвездий было замечено пять небесных светил, внешне очень похожих на звёзды, но отличающихся от последних тем, что они не сохраняют одного и того же положения в созвездиях, а «блуждают» по ним подобно Солнцу и Луне. Эти тела были названы планетами, что значит «блуждающие светила». Древние римляне дали планетам имена своих богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В XVIII-XX вв. были открыты ещё три планеты: Уран (в 1781 г.), Нептун (в 1846 г.) и Плутон (в 1930 г.).

Планеты перемещаются по зодиакальным созвездиям большую часть времени с запада на восток, но часть пути и с востока на запад. Первое движение, т.е. такое же, как у Солнца и Луны, называется прямым, второе, с востока на запад, - попятным движением [5].

1.1 Законы Кеплера

Современник Галилея Иоганн Кеплер (1571-1630 гг.), прозванный «законодателем неба», родился в маленьком вюртембергском городке Вейле в бедной семье. Видимо его замечательные способности обратили на себя внимание, и он получил возможность поступить в университет. Плодом его девятилетней упорной работы явился его труд «Новая астрономия», изданный в 1609 г.

В этой книге Кеплер устанавливает такой кинематический закон: площади, описываемые радиус-вектором планеты, пропорциональны временам. Этот закон. Называемый законом площадей, есть коренное преодоление традиционного учения о равномерности планетных движений.

В 1619 г. появилось новое сочинение Кеплера: «Пять книг Иоганна Кеплера о гармониях мира».

В настоящее время три закона, установленные Кеплером, обычно формулируются следующим образом:

Первый закон. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых (общем для всех планет) находится Солнце.

Второй закон. Радиус-вектор планеты в равные времена описывает равные площади.

Третий закон. Квадраты времён сидерических обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит [2].

Так как площади, описываемые радиус-вектором в одинаковые промежутки времени, равны, то соответствующие им дуги орбиты неодинаковы и линейная скорость на орбите меняется - наибольшего значения она достигает в перигелии, наименьшего - в афелии.

Три закона Кеплера представляют собой кинематику так называемого невозмущенного движения планет.

1.2 Элементы эллиптической орбиты

Движение планеты будет вполне определено, если известны плоскость, в которой лежит её орбита, размеры и форма этой орбиты, её ориентировка в плоскости и, наконец, момент времени, в который планета находится в определённой точке орбиты. Величины, определяющие орбиты планеты, называются элементами её орбиты.

За основную плоскость, относительно которой определяется положение орбиты, принимается плоскость эклиптики.

Две точки, в которых орбита планеты пересекается с плоскостью эклиптики, называются узлами - восходящим и нисходящим. Восходящий узел тот, в котором планета пересекает эклиптику, удаляясь от её южного полюса.

Эллиптическую орбиту планеты определяют следующие 6 элементов:

1. Наклонение плоскости орбиты к плоскости эклиптики. Наклонение может иметь любые значения между 0 и 180?. Если 0<i<90?, то планета движется вокруг Солнца в том же направлении, что и Земля (прямое движение); если 90?<i<180?, то планета движется в противоположном направлении (обратное движение).

2. Долгота (гелиоцентрическая) восходящего узла ?, т.е. угол между направлениями из центра Солнца на восходящий узел ? и на точку весеннего равноденствия. Долгота восходящего узла может иметь любые значения от 0 до 360?. Долгота восходящего узла ? и наклонение определяют положение плоскости орбиты в пространстве.

3. Угловое расстояние ? перигелия от узла, т.е. угол между направлениями из центра Солнца на восходящий узел ? и на перигелий ?. Он отсчитывается в плоскости орбиты планеты в направлении её движения и может иметь любые значения от 0 до 360?. Угловое расстояние перигелия ? определяет положение орбиты в её плоскости.

4. Большая полуось эллиптической орбиты, которая однозначно определяет сидерический период обращения T планеты. Часто одновременно с ней даётся в качестве элемента среднее суточное движение , т.е. средняя угловая скорость планеты за сутки.

5. Эксцентриситет орбиты, где и - полуоси эллиптической орбиты. Большая полуось и эксцентриситет определяют размеры и форму орбиты.

6. Момент прохождения через перигелий, или положение планеты на орбите в какой-нибудь определённый момент времени.

Часто вместо элемента ?, т.е. расстояния перигелия от узла, берут элемент , называемый долготой перигелия. Часто также вместо элемента T пользуются углом между направлением на перигелий и радиус-вектором, направленным к планете, в заданный момент времени

Все планеты движутся только по эллиптическим орбитам. Гиперболические и (условно) параболические орбиты бывают у комет и метеорных тел [5].

1.3 Движение Земли

Так как наблюдатель вместе с Землёй движется в пространстве вокруг Солнца почти по окружности, то направление с Земли на близкую звезду должно меняться и близкая звезда должна казаться описывающей на небе в течение года некоторый эллипс. Этот эллипс, называемый параллактическим, будет тем более сжатым, чем ближе звезда к эклиптике и тем меньшего размера, чем дальше звезда от Земли.

Движение Земли вокруг Солнца происходит в том направлении, что и вращение Земли вокруг оси, и неравномерно. При этом ось вращения Земли всегда наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 66?33'. Поэтому нам и кажется, что Солнце так же неравномерно перемещается по небесному своду среди звёзд, так же с запада на восток, но по окружности (эклиптике), плоскость которой наклонена к плоскости небесного (и земного) экватора под углом 23?27'= 90? - 66?33' [5].

У звезды, находящейся в полюсе эклиптики, эллипс превратиться в малый круг, а у звезды, лежащей на эклиптике, - в отрезок дуги большого круга, который земному наблюдателю кажется отрезком прямой. Большие полуоси параллактических эллипсов равны годичным параллаксам звёзд.

Следовательно, наличие годичных параллаксов у звёзд является доказательством движения Земли вокруг Солнца.

Вторым доказательством движения Земли вокруг Солнца является годичное аберрационное смещение звёзд, открытое ещё в 1728 г. английским астрономом Брадлеем при попытке определить годичный параллакс звезды ? Дракона.

Наблюдатель, находящийся на поверхности Земли, участвует в двух её основных движениях: в суточном вращении вокруг оси и в годичном движении Земли вокруг Солнца. Поэтому различают суточную и годичную аберрации.

Суточная аберрация есть следствие сочетания скорости света со скоростью суточного вращения наблюдателя, а годичная - со скоростью его годичного движения.

Различие между параллактическим и аберрационным смещением заключается в том, что первое зависит от расстояния до звезды, второе только от скорости движения Земли по орбите.

Большие полуоси параллактических эллипсов различны для звёзд, находящихся на разных расстояниях от Солнца, и не превосходят 0'', 76, тогда как большие полуоси аберрационных эллипсов для всех звёзд, независимо от расстояния, одинаковы и равны 20'', 50.

Кроме того, параллактическое смещение звезды происходит в сторону видимого положения Солнца, аберрационное же смещение направлено не к Солнцу, а к точке, лежащей на эклиптике, на 90? западнее Солнца [5].

1.4 Движение Луны

Движение Луны является одним из самых трудных для исследования по двум причинам:

1) Возмущения в движении Луны очень велики;

2) Луна близка к Земле, и поэтому в её движении заметны такие отклонения, которые ускользают при наблюдении более далеких небесных тел.

Видимое движение Луны на фоне звёзд есть следствие действительного движения Луны вокруг Земли. Оно сопровождается непрерывным изменением её внешнего вида, характеризуемого фазой Луны. В некоторые дни Луна совсем не видна на небе.

С незапамятных времён люди знали, что Луна перемещения по звёздному небу в том же направлении, что и Солнце, т.е. в сторону, противоположную видимому вращению небесной сферы, но значительно быстрее Солнца. Наблюдения привели к точному установлению видимого пути Луны на небе. Оказалось, что плоскость, в которой движется Луна, наклонена к плоскости эклиптики под углом 5?8'.

Скорость видимого суточного движения Луны среди звёзд равна 360?: 27,32, т.е. 13?, 18, так как Луна завершает своё обращение от какой-либо звезды до той же звезды приблизительно в 27,32 сут. Это так называемое звёздное или сидерическое время обращения Луны или сидерический (звёздный) месяц. Он представляет собой среднее значение периода обращения Луны вокруг Земли.

Фазы Луны постепенно переходят одна в другую в следующей последовательности: новолуние - на небе всю ночь совершенно не видно Луны; первая четверть - Луна видна в виде полукруга выпуклостью вправо; полнолуние - виден полный круг Луны; последняя четверть - Луна видна опять в виде полукруга, обращенного выпуклостью влево.

Промежуток времени между двумя соседними новолуниями называется синодическим месяцем. Вследствие эксцентриситета лунной и земной орбит продолжительность синодического месяца может меняться в пределах 13 ч. Среднее её значение равно 29,53 сут (приблизительно).

То, что синодический месяц длиннее сидерического, объясняется так: за то время, в течение которого Луна обойдёт вокруг Земли, сама Земля переместиться по своей орбите относительно Солнца и взаимное расположение этих трёх тел будет иное.

2. Солнечные затмения

Наши предки во время солнечного затмения приходили в ужас, но теперь-то мы знаем, что ничего страшного в этом нет: затмение Солнца - это явление кратковременной проекции диска Луны на видимый диск Солнца, при котором тень, отброшенная Луной, перемещается по земной поверхности.

В далёкие от нас времена солнечные затмения вызывали у людей суеверный ужас. Не зная причин затмений, невежественные люди дорисовывали наблюдаемую картину своим воображением.

Одни полагали, что солнечные затмения представляют собой особые знамения, которыми боги выражают свой гнев, вызванный неблаговидными поступками народов, целых государств или их правителей, и предрекают многие несчастья - голод, разорение, нападение сильных и жестоких врагов, потоп, массовые болезни, вымирание и другие тяжёлые невзгоды или даже конец мира.

Другие видели в этом явлении нападение на Солнце огромного чудовища - дракона, пытающегося сожрать небесное светило. Малодушные в панике разбегались, стремясь укрыться от солнечного затмения и гнева богов, а более храбрые, стремясь спасти Солнце от дракона, быстро вооружались подручными средствами - бубнами, барабанами, кастрюлями, сковородками, луками со стрелами, копьями и камнями, словом, всем тем, что сразу попадалось под руку, и, подняв невообразимый шум, метали стрелы, копья и камни в чудовище.

И к радости своей скоро обнаруживали, как из-за чёрной круглой заслонки на небе снова появляется узкий солнечный серп, исчезают звёзды и лучистое сияние, быстро светлеет и наконец, Солнце снова принимает свой обычный вид.

В своём движении вместе с Землёй вокруг Солнца Луна часто заслоняет (покрывает) звёзды зодиакальных созвездий. Значительно реже происходят покрытия Луной планет, оказавшихся на небе в непосредственной близости к лунному пути.

Периодически Луна частично или полностью заслоняет Солнце - происходят солнечные затмения [7, стр. 4].

Рис. 1. Полное солнечное затмение

2.1 Причины наступления солнечных затмений

Освещаемая Солнцем Луна отбрасывает в пространство сходящийся конус тени и окружающий его расходящийся конус полутени. Когда лунная тень и полутень падают на земную поверхность, на ней происходит солнечное затмение [1].

Рис. 2. Схема солнечного затмения

Из мест, оказавшихся в лунной тени (А на рис. 2), видно полное солнечное затмение (Солнце полностью закрыто Луной).

В местностях, покрытых лунной полутенью (В и С на рис. 2), происходит частное солнечное затмение (солнечный диск заслонён Луной не полностью): из южной зоны (С) полутени видна закрытой северная (верхняя) часть солнечного диска, а из северной зоны (В) - южная (нижняя) его часть.

Страницы: 1, 2