АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 1. Космографія

Розділ II. Рух небесних світил та основи практичної космографії

ТЕМА 1.2. ВИДИМІ РУХИ СВІТИЛ

§ 8. ВИДИМІ РУХИ СОНЦЯ, МІСЯЦЯ, ПЛАНЕТ

Люди помітили рух Місяця на тлі зір дуже давно - для цього достатньо спостерігати Місяць поспіль протягом кількох вечорів. Давнім є висновок і про те, що Сонце та планети також мають власний рух на небесній сфері.

1. Видимий річний рух Сонця.

Зміна вигляду нічного неба протягом року вказує на рух Сонця серед зір. У різні пори року опівночі небесний меридіан над точкою півдня послідовно перетинають зорі різних сузір'їв, а саме - тих сузір'їв, що в цей момент протилежні Сонцю. За 365,24 доби (рік) Сонце описує серед зір на небі повне коло, проходячи щодоби відрізок приблизно в два своїх кутових діаметри (0,5°). Цей відрізок стародавні астрономи називали «кроком» Сонця. Оскільки повне коло вміщує 360 таких «кроків», з часом закріпилося правило ділити його на 360 градусів (з лат. «градус» - «крок»).

Велике коло, по якому центр диска Сонця здійснює свій видимий річний рух на небесній сфері, називається екліптикою.

Слово «екліптика» походить від грецького «екліпто» - «затемнюю», бо коли Місяць у своєму русі навколо Землі перетинає екліптику в повню, настає затемнення Місяця, а якщо у фазі нового Місяця - затемнення Сонця (див. п. 2). Як і небесний екватор, велике коло, по якому площина земного екватора перетинається з небесною сферою, - екліптика є великим колом, по якому з небесною сферою перетинається площина земної орбіти.

Площина екліптики нахилена до площини небесного екватора під кутом ε = 23°26,5'. Екліптика перетинає небесний екватор у двох точках рівнодень: весняного і осіннього, позначені відповідно знакаи та . Точка весняного рівнодення — це точка небесного екватора, через яку центр диска Сонця 20—21 березня переходить з південної півкулі неба в північну. Через точку осіннього рівнодення центр диска Сонця 22—23 вересня переходить з північної півкулі неба в південну.

Астрономи давнього Вавилону розділили екліптику на 12 рівних відрізків по 30°. Кожний із цих відрізків, які називають знаками Зодіака, отримав назву зодіакального сузір'я, в межах якого він пролягав на той час.

Рис. 8.1. Екліптика на небесній сфері

Отже, знак Зодіака - це дуга екліптики протяжністю в 30°, що має назву відповідного їй зодікального сузір'я.

Знаки Зодіака відлічують уздовж екліптики на схід від точки весняного рівнодення. В середині І тис. до н.е. ця точка перебувала в сузір'ї Овна, тому її й позначають знаком цього сузір'я — , а відрізок у 30° на схід від неї називають знаком Зодіака Овен. Цей відрізок Сонце колись проходило з 21 березня по 21 квітня. Другим 30-градусним відрізком є знак Зодіака Телець, який Сонце проходило з 22 квітня по 21 травня, і так ще десять знаків до знаку Риб. Як бачимо, в кожному знаку Зодіака Сонце перебуває місяць.

Видимий діаметр сонячного диска також неоднаковий протягом року. Найбільший (32,5') він в січні, а найменший (31,5') - в липні. Це означає, що відстань до Сонця взимку менша, ніж улітку (§ 9).

Однак точка весняного (а отже, й осіннього) рівнодення не стоїть на місці. Вона повільно зміщується вздовж екліптики назустріч видимому річному руху Сонця на незначну величину в 50,29", тому Сонце щорік приходить в точку весняного рівнодення трохи раніше, ніж попереднього року. Отак Сонце поступово зміщується вздовж зодіакального сузір'я, проходячи весь Зодіак за 25 800 років. Це явище, відкрите Гіппархом ще в ІІ ст. до н.е., називають прецесією (з лат. praecessio aequinoctiorum — випередження рівнодення). Внаслідок прецесії знаки Зодіаку, що, як і раніше, є відрізками в 30° на схід від точками весняного рівнодення, вже давно не збігаються зі своїми сузір'ями на понад 37°. Приміром, знак Зодіаку Овен перебуває в сузір'ї Риб, а знак Зодіаку Скорпіон — у сузір'ї Терези.

Ще стародавні спостерігачі помітили нерівномірність видимого руху Сонця небесною сферою впродовж року. Восени і взимку Сонце рухається швидше, ніж навесні й влітку. Найшвидше Сонце рухається близько 3 січня (майже 1°1' за добу) а найповільніше - близько 4 липня (57' за добу). Тому весна й літо тривають 186 діб, а осінь і зима - 179 діб.

Добовий рух Сонця на різних широтах упродовж року, як і рух інших світил, відбувається по-різному. Розгляньмо особливості видимого руху Сонця на полярних колах і на тропіках (візьмемо для прикладу північне полярне коло й північний тропік - у південній півкулі Землі на цих широтах явища відбуваються так само).

На географічній широті північного полярного кола (φ = +66°33'), згідно з § 6, світила із схиленням δ > 90°- φ = 90°- 66°33' = +23°27' не заходять, а світила із схиленням δ < -23,5° не сходять. Але ці значення є найбільшим і найменшим з можливих схилень Сонця. Отже, на полярному колі Сонце в день літнього сонцестояння не заходить. Опівночі воно лише дотикається до горизонту в точці півночі. Натомість в день зимового сонцестояння воно не сходить, лише дотикаючись опівдні до горизонту біля точки півдня.

У місцях, що лежать між полярним колом і полюсом Землі, влітку тривалість полярного дня, коли Сонце не заходить, і взимку тривалість полярної ночі, коли Сонце не сходить, зростають в міру наближення до полюса.

Сонце на північному тропіку (географічна широта φ = +23°27') в день літнього сонцестояння проходить через зеніт. У місцях, що лежать між тропіками, Сонце буває в зеніті двічі на рік - у ті дні, коли його схилення дорівнює широті місця.

Зважаючи на це, географічні пояси мають чіткі астрономічні ознаки: в полярних поясах Сонце в певні дні не сходить і не заходить; у жарких

поясах двічі на рік буває в зеніті; у помірних поясах щодня сходить і заходить, але ніколи не буває в зеніті. Поділ земної кулі на географічні пояси пов'язаний з кількістю сонячного тепла, що потрапляє на поверхню Землі протягом року.

2. Видимий рух Місяця, затемнення Сонця та Місяця.

Уже кілька тисяч років тому було відомо, що Місяць рухається зоряним небом у тому напрямку, що й Сонце, - проти обертання небесної сфери, але швидше за нього. Було також відомо, що висота Місяця над горизонтом під час перетину ним меридіана змінюється впродовж року, і що рухається він серед зір по великому колу, нахиленому до екліптики під кутом 5,8°. Проміжок часу в 27,3 доби, за який Місяць робить на небесній сфері повний оберт, назвали сидеричним місяцем (з лат. sideris - зоря). Кутова швидкість видимого добового зміщення Місяця серед зір становить трохи більше 13°.

Рис. 8.2. Схема руху Місяця навколо Землі. Фази Місяця

Видима форма Місяця - його фази - змінюється періодично внаслідок зміни положення Місяця відносно Землі й Сонця. Цей період називають синодичним місяцем (від грец. synodos - збори, з'єднання). Він триває близько 29,53 доби.

Рухаючись навколо Землі й опиняючись між Землею і Сонцем, Місяць може закрити його собою, спричинивши сонячне затемнення. З іншого боку, коли Земля опиняється між Місяцем та Сонцем, Місяць може потрапити в тінь Землі, внаслідок чого настане місячне затемнення.

Якби орбіта Місяця лежала в площині орбіти Землі і він рухався б небом так само, як Сонце, вздовж екліптики, затемнення Сонця й Місяця відбувались би в кожну повню і в кожний новий місяць. Але через нахил площини місячної орбіти до площини земної орбіти Місяць не завжди перетинає лінію екліптики в тому місці, де міститься Сонце. Внаслідок цього сонячне або місячне затемнення може відбутися лише тоді, коли Місяць у фазі нового місяця або в повні перебуває в точці перетину своєї орбіти з орбітою Землі або близько до неї. Таких точок є дві, вони називаються вузлами місячної орбіти.

Рис. 8.3. Орбіти Землі та Місяця. Вузли місячної орбіти

Сонячне затемнення видно по-різному в різних точках земної поверхні. Диск Сонця буде повністю закритим (повне сонячне затемнення) тільки для спостерігача, який перебуває всередині місячної тіні. На ділянках земної поверхні, куди падає півтінь від Місяця, всередині конуса місячної півтіні, можна спостерігати часткове сонячне затемнення.

У різних точках Землі сонячне затемнення настає в різний час. Внаслідок руху Місяця навколо Землі та обертання Землі навколо осі тінь від Місяця зміщується по земній поверхні приблизно із заходу на схід, утворюючи смугу в кілька тисяч кілометрів завдовжки і найбільше в 270 км завширшки. Повна фаза затемнення, коли диск Місяця повністю закриває Сонце, триває не більше 7,5 хв. Кожного року на земній кулі обов'язково відбувається два сонячних затемнення. Загалом їх може бути п'ять. Що ж до місячних затемнень, їх може бути два чи три, а може й зовсім не бути. Отже, мінімальна кількість затемнень на рік - два (обидва сонячні), максимальна - сім (п'ять сонячних і два місячних або чотири сонячних і три місячних).

3. Видимі рухи планет. Верхні та нижні планети.

Видимі рухи планет складніші за рухи Сонця та Місяця, бо деякі планети рухаються то проти добового обертання небесноїх сфери, то за ним. Рух проти добового обертання називають прямим, рух у напрямі добового обертання - зворотним. При цьому планети описують петлі на зоряному небі. Змінюючи прямий рух на зворотний і навпаки, планета наче зупиняється - таке її положення називають стоянням.

Рис. 8.4. Конфігурації нижньої планети

Зважаючи на видимий рух планет на небесній сфері їх поділяють на верхні й нижні. Нижніми планетами є Меркурій і Венера. їх можна спостерігати тільки вранці перед сходом Сонця в східній ділянці неба або увечері після його заходу в західній. Видиму кутову віддаль на небі між планетою й Сонцем називають елонгацією (від лат. elongo - віддаляюся, віддалення). Вона може бути західною - планету видно вранці, і вона лежить на захід від Сонця, і східною - планету видно увечері на схід від Сонця. Елонгаця Меркурія та Венери змінюється в певних межах: найбільші значення для Меркурія коливаються від 18° до 28°, а для Венери - від 43° до 48°.

Рис. 8.5. Видимий рух верхньої планети на зоряному небі

Видимі рухи верхніх планет (Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун), а також астероїдів, бачимо інакше. З певного моменту схід кожної з цих планет настає дедалі раніше, ніж схід Сонця, бо Сонце рухається серед зір швидше, ніж вони. Уповільнюючи свій рух відносно зір, верхня планета зупиняється, настає її стояння. Потім вона починає рухатись у зворотному напрямку, нарощуючи швидкість, а її віддалення від Сонця збільшується. Коли воно досягає максимального значення, настає протистояння планети по відношенню до Сонця.

У цьому положенні планета сходить близько моменту заходу Сонця, кульмінує опівночі і всю ніч перебуває над горизонтом. Цей час є найсприятливішим для її спостережень.

Після протистояння зворотний рух планети починає уповільнюватись, аж поки знову не настане її стояння. Після стояння вона знову починає рухатись серед зір, нарощуючи швидкість, але вже прямим рухом. Сонце поступово «наздоганяє» планету, і згодом настає період її невидимості, бо вона опиняється за Сонцем. Коли Сонце «переганяє» планету, через певний час вона з'являється вранці на сході і потім з кожним днем сходить дедалі раніше, ніж Сонце. Далі цикл повторюється.

Типова задача

Визначте широти географічних паралелей де: а) Сонце 21 березня і 23 вересня опівдні буває в зеніті; б) полуденна висота Сонця 22 червня і 22 грудня становить 90°; в) Сонце опівдні 22 грудня з'являється на горизонті (h = 0°).

Відповідь: Скористаємося формулою h = δ + (90° - φ) з § 6. Для умови а) схилення δ_ΘСонця в дні рівнодення дорівнює 0°, а висота h — 90°, тому 90° = 0° + (90° - φ), звідки φ = 0°. Для умови б) h = 90°, а δ_Θ= ε = ±23°26,5', тому 90° = 23°26,5' + (90 ° - φ), звідки φ = 23°26,5' для дати літнього сонцестояння і φ = -23°26,5' для дати зимового сонцестояння. Для умови в) h = 0°, δ = ε = -23°26,5', тому 0° = -23°26,5' + (90° - φ). Звідки φ = 66°33,5'.

Таким чином: а) 0°; б) 23°27'; - 23°27'; в) 66°33,5'.

НАВЧАЛЬНІ ЗАВДАННЯ

• Чому на Землі повне сонячне затемнення можна спостерігати лише у вузькій смузі?

• Скільки затемнень Сонця й Місяця упродовж року спостерігали б на Землі, якби орбіта Місяця лежала у площині орбіти Землі?

• Поясніть за допомогою малюнка петлеподібний рух планети на небесній сфері.

ВИСНОВКИ

Видимі рухи Сонця, Місяця і планет на небесній сфері зумовлені обертаннями Землі навколо осі та навколо Сонця. Просторовим розміщенням Землі, Місяця й Сонця пояснюються місячні та сонячні затемнення.