Траектория движения луны вокруг солнца

Орбита Луны

Люди всегда с восторгом смотрели на соседний спутник, кажущийся чем-то божественным из-за своей яркости. Луна вращается по орбите вокруг Земли с момента создания, поэтому за ней наблюдали и первые люди. Любопытство и эволюция привели к тому, что появились вычисления и мы начали отмечать шаблоны поведения.

Вращение Луны по орбите

К примеру, ось вращения Луны совпадает с орбитальным. По сути, спутник расположен в гравитационном блоке, то есть, мы всегда смотрим на одну сторону (так возникла идея о загадочной обратной стороне Луны). Из-за эллиптического пути небесное тело периодически кажется больше или меньше.

Орбитальные параметры Луны

Средний лунный эксцентриситет составляет – 0.0549, а значит Луна не проходит вокруг Земли по идеальному кругу. Среднее расстояние от Луны до Земли – 384748 км. Но может меняться от 364397 км до 406748 км.

Сопоставление кажущегося лунного размера в перигее и апогее

Это приводит к перемене угловой скорости и наблюдаемого размера. В фазе полной Луны и на позиции перигелия (ближе всего) мы видим ее на 10% крупнее и на 30% ярче, чем в апогее (максимальная отдаленность).

Средний наклон орбиты по отношению к плоскости эклиптики – 5.155°. Совпадают сидерический период и осевой – 27.3 дней. Это именуют синхронным вращением. Именно поэтому появилась «темная сторона», которую мы просто не видим.

Земля также совершает обороты вокруг Солнца, а Луна вращается вокруг Земли за 29.53 дней. Это синодический период, который подвергается фазам.

Лунный цикл орбиты

Лунный цикл порождает фазы Луны — кажущаяся перемена внешнего вида небесного тела в небе из-за изменения количества освещенности. Когда звезда, планета и спутник выстраиваются в одну линию, то угол между Луной и Солнцем составляет 0 градусов.

В этом периоде лунная сторона, повернутая к Солнцу, получает максимум лучей, а обращенная к нам – темная. Далее идет проход и угол растет. После Новолуния объекты разделены на 90 градусов, и мы уже видим иную картину. На нижней схеме можно подробно изучить, как формируются лунные фазы.

Если они расположены в противоположных сторонах, то угол – 180 градусов. Лунный месяц длится 28 дней, во время которого спутник «растет» и «убывает».

При четверти Луна заполнена меньше чем наполовину и растет. Далее идет переход за половину, и она угасает. Мы встречаем последнюю четверть, где освещена уже другая сторона диска.

Будущее лунной орбиты

Мы уже знаем, что спутник постепенно отдаляется по орбите от планеты (1-2 см в год). И это влияет на то, что с каждым веком день у нас становится на 1/500 секунды длиннее. То есть, примерно 620 млн. лет назад Земля могла похвастаться лишь 21 часом.

Сейчас сутки охватывают 24 часа, но Луна не прекращает попыток сбежать. Мы привыкли к спутнику и грустно терять такого напарника. Но отношения между объектами меняются. Интересно лишь, как это отразится на нас.

Источник

Видимое движение и фазы Луны

Сидерический и синодический месяц — Движение Луны на небесной сфере — Смена лунных фаз

Сидерический и синодический месяцы

Луна является естественным спутником Земли и ближайшим к ней небесным те­лом. Она обращается вокруг Зе­мли по эллиптической орбите в том же направлении, что и Зем­ля вокруг Солнца. Среднее расстояние Луны от Земли равно 384 400 км. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эк­липтики на 5°09′.

Наклон орбиты Луны к плоскости эклиптики

Точки пересечения орбиты Луны с эклиптикой называются узлами лунной орбиты. Движение Лупы вокруг Земли для наблюдателя представляется как ви­димое ее движение по небесной сфере. Видимый путь Луны по небесной сфере называется видимой орбитой Луны.

За сутки Луна перемещается по видимой орбите относительно звезд примерно на 13,2°, а относительно Солнца на 12,2°, так как Солнце за это время тоже перемещается по эклиптике в среднем на 1°. Промежуток времени, в течение которого Луна со­вершает полный оборот по своей орбите относительно звезд, назы­вается звездным, или сидерическим месяцем. Его продолжительность равна 27,32 средних солнечных суток.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает пол­ный оборот по своей орбите относительно Солнца, называется синодическим месяцем. Он равен 29,53 средних солнечных су­ток.

Сидерический и синодический месяцы различаются примерно на двое суток за счет движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. На рисунке ниже показано, что при нахождении Земли на ор­бите в точке 1 Луна и Солнце наблюдаются на небесной сфере в одном и том же месте, например на фоне звезды К.

Синодический и сидерический месяцы

Через 27,32 сут, т. е. когда Лупа сделает полный оборот вокруг Земли, она снова будет наблюдаться на фоне той же звезды. Но так как Земля вме­сте с Луной за это время переместится по своей орбите относитель­но Солнца примерно на 27° и будет находиться в точке 2, то Луне необходимо еще пройти 27°, чтобы занять прежнее положение от­носительно Земли и Солнца, на что понадобится около 2 сут. Та­ким образом, синодический месяц длиннее сидерического на отре­зок времени, который нужен Луне, чтобы переместиться на 27°.

Движение Луны на небесной сфере

Период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее об­ращения вокруг Земли. Поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Вследствие того, что Луна за одни сутки перемещается по небесной сфере с запада на восток, т. е. в сторо­ну, обратную суточному движению небесной сферы, на 13,2°, ее восход и заход ежесуточно запаздывают примерно на 50 мин.

Это ежедневное запаздывание приводит к тому, что Луна непрерывно меняет свое положение относительно Солнца, но через строго опре­деленный период времени вновь возвращается в исходное положе­ние. В результате движения Луны по видимой орбите происходит непрерывное и быстрое изменение ее экваториальных координат.

В среднем за сутки прямое восхождение Луны изменя­ется на 13,2°, а склонение — на 4°. Изменение экваториальных координат Луны происходит не только за счет ее быстрого дви­жения по орбите вокруг Земли, но и вследствие необычайной сложности этого движения. На Луну действуют многие силы, име­ющие различную величину и период, под влиянием которых все эле­менты лунной орбиты постоянно изменяются.

Наклон орбиты Луны к эклиптике колеблется в пределах от 4°59′ до 5°19′ за время, несколько меньшее полугода. Изменяются формы и размеры орбиты. Непрерывно с периодом 18,6 года меняется положение орбиты в пространстве, в результате чего происхо­дит перемещение узлов лунной орбиты навстречу движению Луны.
Это приводит к постоянному изменению угла наклона видимой ор­биты Луны к небесному экватору от 28°35′ до 18°17′. Поэтому пределы изменения склонения Луны не остаются постоянными. В некоторые периоды оно изменяется в пределах ±28°35′, а в дру­гие — ±18° 17′.

Смена лунных фаз во время движения на небесной сфере

Движение Луны на небесной сфере сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида. Происходит так называемая смена лунных фаз. Фазой Луны называется видимая часть лунной поверхности, освещенная солнечными лучами.

Рассмотрим, вследствие чего происходит изменение лунных фаз. Известно, что Луна светит отраженным солнечным светом- Половина ее поверхности всегда освещена Солнцем. Но вследствие различных взаимных положений Солнца, Луны и Земли освещен­ная поверхность представляется земному наблюдателю в разных видах. Принято разли­чать четыре фазы Луны: новолу­ние, первая четверть, пол­нолуние и последняя чет­верть.

Положения и фазы
Луны (1 – новолуние, 2 – первая четверть, 3 – полнолуние, 4 – последняя четверть)

Во время новолуния Луна про­ходит между Солнцем и Землей. В этой фазе Луна обращена к Зем­ле неосвещенной стороной, и поэто­му она не видна земному наблюда­телю.

В фазе первой четверти Луна находится в таком положении, что наблюдатель видит ее в виде поло­вины освещенного диска.

Во время полнолуния Луна находится в на­правлении, противоположном на­правлению на Солнце. Поэтому к Земле обращена вся освещенная сторона Луны и она видна в виде полного диска. После полнолуния видимая с Земли освещенная часть Луны постепенно уменьшается.

Когда Луна достигает фазы последней четверти, она снова видна в виде половины освещенного диска. В Северном полушарии в пер­вой четверти освещена правая половина диска Луны, а в послед­ней — левая.

В промежутке между новолунием и первой четвертью и в про­межутке между последней четвертью и новолунием к Земле обра­щена небольшая часть освещенной Луны, которая наблюдается в виде серпа. В промежутках между первой четвертью и полнолу­нием, полнолунием и последней четвертью Луна видна в виде ущербленного диска.

Полный цикл смены лунных фаз происходит в течение строго определенного периода времени. Его называют периодом фаз. Он равен синодическому месяцу, т. е. 29,53 сут.

Промежуток времени между основными фазами Луны равен примерно 7 сут. Количество дней, прошедших с момента новолу­ния, принято называть возрастом Луны. С изменением возраста изменяются и точки восхода и захода Луны.

Движение Луны вокруг Земли является причиной лунных и солнечных затмений – затмения происходят только тогда, когда Солнце и Луна одновременно располагаются вблизи узлов лунной орбиты. Солнечное затмение происходит, когда Луна находится ме­жду Солнцем и Землей, т. е. в период новолуния, а лунное — когда Земля находится между Солнцем и Луной, т. е. в период полно­луния.

Источник

Траектория Луны относительно Солнца

Со школы мы все знаем, что Луна движется вокруг Земли, а Земля – вокруг Солнца, при этом траектории этих движений являются примерно круговыми. В связи с этим возникает любопытный вопрос: а как выглядит траектория Луны в гелиоцентрической системе отсчета (то есть в системе отсчета, связанной с Солнцем)?

На первый взгляд, можно подумать (а многие так и думают), что движение Луны относительно Солнца напоминает своеобразные “завитушки”:

В действительности, такая “интуитивная” траектория является неверной.

Для быстрого объяснения можно вспомнить, что линейная скорость движения Земли по ее орбите – около 30 км/с, а Луны по ее орбите – всего 1 км/с. Таким образом, Луна никаким образом не может двигаться в “противоположную” сторону по сравнению с Землей (по правилу сложения скоростей). Если же быть точнее, то необходимо рассчитать силы притяжения Луны со стороны Земли и Солнца. При этом радиус кривизны траектории будет направлен в ту сторону, где сила притяжения больше. В нашем случае Луна притягивается сильнее к Солнцу ( что, опять же, противоречит “здравому смыслу” ), поэтому никаких “завитушек” в ее траектории быть не может (для тренировки предлагаем читателям сделать расчет для спутника Юпитера Ио – есть ли в его траектории “завитушки” или нет).

Чтобы полностью закрыть вопрос с траекторией Луны, сделаем ее расчет с помощью компьютерной программы. Мы будем использовать язык программирования javascript, а рисование выполнять посредством технологии canvas. Такой подход удобен тем, что для просмотра результатов достаточно обычного браузера.

При отрисовке траектории мы уменьшим все размеры и расстояния в 30 тысяч раз (то есть 1 пиксель = 30000 км). Но, даже при таком масштабе, размеры анимации будут составлять 10000*10000 пикселей (используйте полосы прокрутки и масштабирование, чтобы увидеть общую картину):

Естественно, при таком уменьшении размеры Земли и Луны становятся меньше 1 пикселя (первая изображена синими точками, вторая – черными).

Для отрисовки мы выбрали промежуток времени в 1 год, который поделен на 8760 промежутков. Другими словами, между двумя соседними положениями Земли и Луны проходит ровно один час. Для простоты расчетов мы полагаем орбиты Земли и Луны круговыми. В этом случае координаты Земли можно вычислить через синус и косинус относительно неподвижного Солнца (желтый круг в центре анимации). Координаты Луны тоже вычисляются через синус и косинус, но уже относительно движущейся Земли, и со своим периодом.

Как мы видим, Луна совершает небольшие колебания относительно Земли, находясь то с одной, то с другой стороны – в полном соответствии с тем, что нам предсказывала теория.

Фрагмент изображения орбиты можно скачать по этой ссылке.

Источник

Как вращаются Земля, Луна и Солнце

Луна, Земля, Солнце — три важнейших небесных тела, определяющих существование человечества. Первое поддерживает стабильность вращения нашей планеты, влияет на приливы и отливы, второе — наш родной дом, а третье обеспечивает поступление к нам тепла и света.

Размеры Солнца и Луны

Для понимания природы солнечных затмений нужно знать, во сколько раз Луна меньше Солнца. Диаметр центральной звезды нашей системы составляет 1,4 млн км, аналогичный параметр земного спутника — почти 3,5 тыс. км, разница составляет примерно 400 раз.

В то же время Луна находится ближе к Земле, почти в те же 400 раз (при нахождении этих объектов в некоторых точках относительно планеты): на расстоянии около 385 тыс. км, в то время как дистанция от нас до центра Солнечной системы равна 150 млн км.

И хотя светило расположено от нас намного дальше, чем спутник, земному наблюдателю они часто кажутся на небе равными по величине.

Это и есть объяснение солнечных затмений: спутник полностью или частично перекрывает собой Солнце.

Смена лунных фаз

В разных положениях Солнца, Земли и Луны относительно друг друга светлую часть нашего спутника мы видим по-разному.

Части, освещенные светом центральной звезды, называются лунными фазами, это:

• новолуние;
• первая четверть;
• полнолуние;
• последняя четверть.

Иногда выделяют 2 промежуточные фазы: растущую (молодую) и убывающую (стареющую) луну.

Во время новолуния спутник земному наблюдателю не виден, потому что находится между планетой и Солнцем, и к планете обращена его темная сторона, не освещенная звездой. Некоторое свечение лунного диска в этот период все же можно заметить, оно имеет характерный пепельный оттенок, который небесному телу придает солнечный свет, отраженный от Земли.

Через два дня наступает фаза растущей луны, или неомения — это первое после новолуния появление объекта на небе, когда он имеет вид узкого серпа. С каждым днем он увеличивается в размерах и через 7 суток принимает вид полукруга, появляющегося вскоре после заката на западе или юго-западе.

Относительно светила Луна в этой фазе расположена на 90° в восточном направлении, ее видно только вечером и в первой половине ночи.

Через 2 недели после начала лунного цикла наступает полнолуние: Луна расположена в противостоянии с нашей звездой, в сторону Земли обращено все ее освещенное полушарие. Она восходит в момент захода солнца, видна всю ночь и заходит на рассвете.

Еще через неделю начинается фаза последней четверти: спутник имеет вид полукруга, видимого в восточной части неба во второй половине ночи и перед восходом.

Он будет постепенно уменьшаться в размерах и в последние дни примет вид тонкой буквы «С».

Все указанное справедливо для наблюдения из северного полушария Земли. В южном полушарии положения серпа и полукруга противоположные: букву «С» напоминает не убывающий, а растущий месяц.

Совсем иной вид спутник в разных фазах имеет на экваторе, там положение его освещенной части не вертикальное, а горизонтальное. Например, стареющая луна имеет вид узкой лодки, расположенной в нижней половине диска.

Для расчетов принята продолжительность каждой из 4 основных лунных фаз в 7,38 земных дней, но их фактическая длительность постоянно немного меняется из-за вытянутости орбиты спутника и непостоянства его орбитальной скорости.

Так как лунный месяц короче большинства земных (29,5 дней вместо 30 или 31), 1 раз в год в календарном месяце может случиться второе полнолуние. Это явление получило название «Голубая Луна».

Такое наименование обусловлено не изменением оттенка земного спутника, а происхождением из английского фразеологизма «Однажды при голубой луне», смысл которого можно трактовать как «После дождичка в четверг», т. е. никогда. Голубой цвет сателлит может принимать, но это явление крайне редкое и объясняется оптическим эффектом.

Орбитальные характеристики Луны, Земли и Солнца, схема взаимного вращения

Луна совершает 3 вида движений:

• вращается вокруг своей оси, совершая полный оборот примерно за 27,3 земных дней;
• обращается вокруг нашей планеты по эллиптической орбите с точно таким же (27,3 суток) периодом;
• обращается вокруг Солнца в связке «Земля-Луна».

Равенство периодов собственного вращения и обращения Луны вокруг Земли объясняет, почему она всегда повернута к нам одной стороной.

Земля совершает 2 вида движения: вокруг своей оси и вокруг Солнца. В первом случае движение происходит в направлении с запада на восток, и это явление объясняет смену времени суток. На освещенной половине земного шара наблюдается день, а на обратном — ночь.

Каждый такой оборот называется сутками, он длится 23 часа 56 минут и несколько секунд, но для расчетов длительность этого периода принята равной 24 часа.

Вращение планеты вокруг Солнца происходит по эллиптической орбите, среднее расстояние от центральной звезды — около 149,6 млн км, орбитальная скорость — в среднем 29,8 км/с. При этом в перигелии (ближайшей к светилу точке) Земля движется быстрее, со скоростью более 30 км/с, а в самой удаленной позиции (афелии) — медленнее 29,3 км/с.

За время 1 полного витка вокруг Солнца планета делает 365,25 собственных оборотов — это количество дней в 1 астрономическом году. Календарный аналогичный период, в котором сутки приняты равными 24 часам, длится 365 дней, но через каждые 3 годовых срока в календарь добавляется четвертый особый — високосный, с дополнительным 366-м днем.

Солнце неподвижно относительно Земли, но оно также не стоит на месте, а вращается вокруг центра галактики, и 1 такой оборот занимает 220-230 млн лет.

За время своего существования светило успело совершить только 20 полных витков вокруг Млечного Пути.

Ученые отводят нашей звезде срок жизни от сегодняшнего дня 7 млрд лет, за которые она сделает еще примерно 30 таких оборотов.

Линейная скорость движения Солнца в пространстве — 200-220 км/с. Направление его пути называется апекс, оно перемещается в направлении созвездия Геркулес.

Кроме того, светило вращается вокруг собственной оси, ученые определили это по изменению положения пятен на нем. Передвигается оно не как твердая модель: вращение на экваторе быстрее, по направлению к полюсам движение замедляется. Это касается лишь поверхности и массы, близкой к ней.

Внутренние слои и солнечное ядро при вращении ведут себя как классическое твердое тело. Похоже вращаются газовые гиганты Сатурн и Юпитер. Один полный виток вокруг оси Солнце совершает за 25,4 земных дней, его ось не вертикальная, а наклонена на 7°.

Источник