Движение Луны. Солнечные и лунные затмения
6. Движение Луны. Солнечные и лунные затмения
1. Фазы Луны
Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Отображением этого движения, как мы знаем, 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 20.
Рис. 20. 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.
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.
Рис. 21. 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 o 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.
Легко понять что фазы Земли и Луны взаимно противоположны. Когда Луна почти полная, Земля с Луны видна как узкий серп. На рисунке 42 представлена фотография неба и лунного горизонта с Землей, у которой видна лишь ее освещенная часть — меньше полукруга.
2. Лунные и солнечные затмения
Земля и Луна, освещенные Солнцем (рис. 22), 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. Солнечные лучи, преломляясь в атмосфере Земли, попадают в конус земной тени. При этом атмосфера сильно поглощает голубые и соседние с ними лучи (см. рис. 40), а пропускает внутрь конуса преимущественно красные, которые поглощаются слабее. Вот почему Луна при большой фазе затмения окрашивается в красноватый цвет, а не пропадает совсем. В старину затмения Луны боялись как страшного предзнаменования, считали, что «месяц обливается кровью». Лунные затмения бывают до трех раз в году, разделенные почти полугодовыми промежутками, и, конечно, лишь в полнолуние.
Рис. 22. Схема затмений Луны и Солнца (масштаб рисунка не соблюдается)
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 (рис. 23).
Рис. 23. Перемещение пятна лунной тени по Земле
Там, где на Землю падает полутень Луны, наблюдается частное затмение Солнца (рис. 24).
Рис. 24. Последовательность фаз частного затмения Солнца
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.
Особый интерес для науки представляют полные затмения Солнца, наводившие ранее суеверный ужас на невежественных людей. Такие затмения считали предзнаменованием войны, конца света.
Астрономы предпринимают экспедиции в полосу полного затмения, чтобы в течение секунд, редко минут полной фазы изучать внешние разреженные оболочки Солнца, невидимые непосредственно вне затмения. Во время полного солнечного затмения небо темнеет, вдоль горизонта горит заревое кольцо — свечение атмосферы, освещенной лучами Солнца в местностях, где затмение неполное, вокруг черного солнечного диска простираются жемчужные лучи так называемой солнечной короны.
Если бы плоскость лунной орбиты совпадала с плоскостью, эклиптики, то в каждое новолуние происходило бы солнечное, а в каждое полнолуние — лунное затмение. Но плоскость лунной орбиты пересекает плоскость эклиптики под углом 5°9′. Поэтому Луна обычно проходит севернее или южнее плоскости эклиптики, и затмений не происходит. Лишь в течение двух периодов в году, разделенных почти полугодом, когда в полнолунии и новолунии Луна находится вблизи эклиптики, возможно наступление затмения.
Плоскость лунной орбиты вращается в пространстве (это один из видов возмущений в движении Луны, производимых притяжением Солнца)* и за 18 лет делает полный поворот. Поэтому периоды возможных затмений смещаются по датам года. Последовательность затмений повторяется почти точно в прежнем порядке через промежуток времени, который называется саросом. Сарос (египт. — повторение) был вычислен ещё в древности и составляет 18 лет и 11,3 суток.
В течение каждого сароса происходит 70 затмений, из них 41 солнечное и 29 лунных. 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 на узкой полосе. Полных солнечных затмений в течение сароса бывает 10, но их редко можно увидеть. В данной точке Земли солнечные затмения видны в среднем 1 раз в 200 — 300 лет.
Сарос был открыт вавилонянами не позднее 6 в до н. э. Клавдий Птолемей описал его в Альмагесте со ссылкой на вавилонских астрономов: «Древнейшие математики нашли из наблюдений лунных затмений, что за промежуток в 6585 1/3 дня заканчивается приблизительно 223 синодических месяца, 239 аномалистических, 242 возвращения по широте (драконических), 241 возвращение по долготе (сидерических) и сверх того 10 2/3 градусов, которые Солнце прошло за то же время сверх своих 18 оборотов, считая их по отношению к неподвижным звёздам; и они называли этот промежуток времени периодом, так как после него все эти движения возвращаются к исходному положению.» Авторами теории затмений в Вавилоне были астрономы Кидинну и Набу-риманну
Лунное затмение происходит, когда Луна в момент полнолуния пересекает плоскость эклиптики. Оно может длиться от 1,5 до 2 часов
Солнечное затмение наступает, если в момент новолуния Луна пересекает плоскость эклиптики и может длиться до 7,5 минут.
Промежуток между солнечным и лунным затмением составляет примерно 2 недели (т. е. от новолуния до полнолуния).
Упражнение
Опровергните мнение «мы видим только 1 полушарие Луны потому, что Луна не вращается вокруг своей оси» Что такое фаза Луны, объясните причину смены лунных фаз? Что такое Синодический месяц? Чему он равен? Что такое сидерический месяц? Чему он равен? Почему различаются два периода? При каком условии происходит лунное затмение? При каком условии происходит солнечное затмение? Какое максимальное количество затмений может произойти в год? Что такое сарос? На флаге Турции изображена Луна в последней четверти и звезда. В чём несостоятельность этого рисунка как астрономического явления?
Источник
Солнечное затмение — виды, периодичность и продолжительность
Сущность и виды затемнений
День затмения Солнца всегда приходится на новолуние, когда Луна обращена к Земле неосвещенной стороной. Его тип зависит от того, каким образом лунная тень, расположенная между Землей и Солнцем, попадает на поверхность нашей планеты.
Ширина тени Луны не превышает 270 км, причем она может варьироваться от максимального значения до нуля. Эта величина зависит от размера верхушки теневого конуса, достигающей поверхности Земли. Существует следующая классификация солнечного затмения:
- Полное. Если в какой-либо точке на земную поверхность падает пятно лунной тени, то находящийся там наблюдатель видит, что солнечный диск полностью закрыт Луной. Небо становится темным, на нем видны звезды и планеты. Вокруг диска появляется голубоватая корона, невидимая при ярком дневном свете. Скорость движения лунного пятна по Земле — около 1 км в секунду, и продолжительность затмения для неподвижных наблюдателей не превышает несколько минут. Космонавты на земной орбите видят тень от Луны, бегущую по земной поверхности. 30 марта 2033 года произойдет полное затмение, которое можно будет наблюдать в России и США.
- Частное. Такую картинку наблюдают люди, находящиеся поблизости от лунного пятна (в полутени). Они видят, как тень от Луны движется не по центру солнечного диска и закрывает лишь часть Солнца. Небо в этом случае темнеет не полностью, звезды не видны. Частное затмение можно наблюдать в радиусе до 2000 км от зоны лунного пятна.
- Кольцеобразное. Солнечное затмение этого типа видно, когда спутник Земли находится на значительном расстоянии от светила, и вершина конуса лунной тени не доходит до земной поверхности. В этом случае наблюдатели видят, что Луна не полностью закрывает солнечный диск, и вокруг черного круга видно ярко светящееся кольцо. В этом случае небо бывает светлым, солнечной короны и звезд не видно. Это самый редкий вид затмения, его частота составляет не более 5% от общего количества.
- Гибридное. Такое название носит затмение, которое в одних частях света наблюдается как полное, а в других — как кольцеобразное. Последнее явление такого рода произошло 3 ноября 2013 года.
Момент, когда наблюдатель видит, что край лунной тени касается солнца, называется касанием.
Существует 4 вида касаний:
- Передний край Луны касается передней границы Солнца.
- Задний край Луны касается переднего края Солнца.
- Передний край диска спутника касается заднего края Солнца.
- Лунная тень полностью покидает светила, и задний край Луны касается заднего края Солнца.
Полное солнечное затмение происходит между вторым и третьим касанием.
Частота явления
Еще в древности астрологи Египта и Греции знали о существовании периода, в течение которого из-за взаимного расположения спутника Земли и Солнца повторяемость лунных и солнечных затемнений постоянна. Он приблизительно равен 18 годам и 10 1/3 дням (или 11 1/3 в зависимости от количества високосных лет в периоде). Этот период называется Сарос, или драконический. Древние астрологи могли составлять месячное расписание затмений.
Во время Сароса бывает 43 солнечных и 28 лунных затемнения. Они повторяются в одной и той же последовательности. Периодичность этих явлений можно предсказывать, используя схему солнечных затмений Сароса, хотя точно узнать места наблюдения и время начала не удастся.
В течение одного года на Земле, как правило, наблюдается 2−5 затмений Солнца, причем полными и кольцеобразными бывают не больше 2. Обычно после солнечного через двухнедельный промежуток наступает затмение Луны. Специалисты составили календарь солнечных затмений на 2019 год. Его краткое содержание:
- 6 января, частное. Наблюдалось в Монголии, Китае, Корее и Японии. На территории России — Дальний Восток, Камчатка, юг Восточной Сибири.
- 02 июля, полное. Видно в Южной и Центральной Америке, на юге Тихого океана. В России не наблюдается.
- 26 декабря, кольцеобразное. Последнее в году затемнение наблюдается в Индии, Шри-Ланке, Индонезии и Малайзии. В России — в Забайкалье и Приморье.
В летописях различных государств часто упоминаются затмения Солнца. Особенно много списков этих явлений имеется в античных хрониках и европейских анналах. Большое число описаний приводится в арабских и русских летописях, книгах по астрологии Восточной Азии. Благодаря этой теме часто можно уточнить даты приведенных в них событий.
Легенды и предания
С этим удивительным явлением связано множество легенд. Жители Китая думали, что исчезновение солнца на небе предвещает страшные катастрофы. Китайские астрономы верили, что светило пожирает ужасный дракон. Чтобы чудовище поскорее выплюнуло Солнце, люди выносили на улицу зеркала.
Существует предание о том, что во время правления династии Чжун придворные астрономы чрезмерно предавались обжорству и утехам, из-за чего забыли вынести на улицу зеркала. Из-за этой ужасной оплошности затмение продолжалось дольше, чем обычно. Возмущенный император приказал отрубить нерадивым астрологам головы. За 200 лет до нашей эры китайские ученые выяснили причины затмений, но все равно их считали предвестием бедствий.
В Древней Индии также верили, что Луну и солнце пожирает чудовище. С ним была связана следующая легенда: демон Раху украл у богов напиток бессмертия. Солнце и Луна заметили это и пожаловались Богу Вишну. Разъяренное верховное божество отрубило жулику голову, но тот уже успел выпить глоток и стать бессмертным. Пришлось ему жить дальше с отрубленной головой. Теперь Раху периодически глотает Солнце и Луну, но они вываливаются из разрубленной шеи.
В скандинавских верованиях считалось, что светила пожирают 2 волка. Чтобы отогнать их, древние викинги шумели, били в барабаны и пускали трещотки. Они верили, что в день Рагнарека, когда наступит «гибель богов», огромный волк Фенрир проглотит Луну и солнце.
Племена аборигенов Австралии придерживаются противоположного мнения. У них солнечное затмение символизирует не гибель, а любовь. По их мнению, муж-Луна посещает жену-Солнце. Чтобы остаться наедине и предаться страсти, они загораживаются ширмой.
Интересные факты
Солнечное затмение — это великолепное зрелище. Оно сопровождается множеством удивительных эффектов:
- Бриллиантовое кольцо — яркая вспышка на краю лунного диска, когда через него проходят солнечные лучи за мгновение до начала полной фазы затемнения или сразу после его окончания.
- Четки Бейли — яркие рубиново-красные точки по краям лунного диска. Они возникают сразу после второго или перед третьим касанием. Их образуют солнечные лучи, проходящие через промежутки между ближними горами и кратерами на краях лунного диска.
- Снижение освещенности во время затемнения происходит не так, как это бывает вечером, во время заката. Цвет солнечных лучей не меняется, лишь резко уменьшается их интенсивность. Также понижается температура окружающей среды.
Есть интересная легенда о том, как Христофор Колумб сумел заключить выгодную сделку с племенами Америки. Мореплаватель сумел рассчитать дату грядущего затмения и пригрозил индейцам, что если они не согласятся на его условия, он погасит солнце. На следующий день, как он и рассчитывал, произошло затмение. Испуганные аборигены тут же заключили сделку.
Во время затмения Солнца было сделано немало интересных открытий. Так, 17 мая 1882 года в Египте была открыта комета, пролетающая возле солнечного диска.
При наблюдении за затмением нельзя забывать о том, что Солнце — очень яркий источник света. Хотя вопреки распространенному мнению, если смотреть прямо на затмение, ослепнуть невозможно, но можно нанести ощутимый вред здоровью. Это природное явление нужно наблюдать через солнцезащитные очки.
Затмения Солнца с древности интересуют людей. Сегодня их исследованиями занимаются ученые, школьники составляют проекты по их изучению. В этой области предстоит сделать еще немало открытий.
Источник