Підручник з Астрономії. 11 клас. Сиротюк - Нова програма
§ 6. ВИДИМИЙ РУХ СОНЦЯ ТА МІСЯЦЯ
1. Видимий річний рух Сонця. За постійно змінними координатами Сонця δ і α на небесній сфері можна відзначити велике коло, що представляє видиму траєкторію центра сонячного диска протягом року. Це коло стародавні греки назвали екліптикою. Оскільки річний рух Сонця відображає реальний рух Землі по орбіті, екліптика є траєкторією від перетину небесної сфери площиною, паралельною площині земної орбіти. Цю площину називають площиною екліптики. Крім двох точок рівнодення, про які ми вже говорили, на екліптиці виділяють дві проміжні між ними й протилежні одна одній точки, у яких схилення Сонця буває найбільшим за абсолютним значенням. У точці літнього сонцестояння Сонце має максимальне схилення δ = +23°26' (близько 22 червня). У точці зимового сонцестояння Сонце має максимальне схилення δ = -23°26' (близько 22 грудня).
Сузір’я, через які проходить екліптика, називають екліптичними сузір’ями.
У стародавньому Межиріччі виник поділ екліптики разом з її сузір’ями на 12 частин. Цей пояс назвали Поясом зодіаку (від грец. Ζωδιακός κυκλος - «коло із зображень тварин»). Спочатку у Вавилоні зодіакальні знаки й екліптичні сузір’я збігалися, тому що точних меж сузір’їв не було. Пізніше, в епоху еллінізму, склалися дані про знаки зодіаку як про 12 рівних частин екліптики, що займають на небі по 30° дуги. Початок відліку знаків установлено від точки весняного рівнодення a.
На сьогодні зодіакальні знаки й екліптичні сузір’я не збігаються. Екліптичних сузір’їв 13. З них 12 (табл. 1.1) збігаються за назвами із зодіакальними знаками. Сузір’я Змієносця, що є екліптичним, не входить до числа знаків зодіаку. Різні сузір’я мають на небі різні величини. До того ж точка весняного рівнодення через прецесію (поворот земної осі) постійно зміщується. Наприклад, зодіакальний знак Овна перебуває в сузір’ї Риб.
У таблиці 1.1 подано зодіакальні сузір’я, їхні позначення та час перебування Сонця в знаках зодіаку.
Таблиця 1.1
2. Добовий рух Сонця на різних широтах. Ви вже знаєте, що річний рух Сонця серед зір по уявній лінії називають екліптикою. Усю екліптику (360°) Сонце проходить за один рік, однак цей рух уявний, тому що відбувається внаслідок обертання Землі навколо Сонця. Нагадаємо, що видимий рух світил (у тому числі й Сонця), що відбувається через власне обертання Землі навколо осі, називають добовим рухом.
Розглянемо добовий рух Сонця на різних широтах. У середніх широтах Сонце сходить завжди у східній частині неба, поступово піднімається над горизонтом, опівдні досягає найвищого положення на небі, потім починає опускатися до горизонту і заходить у західній частині неба. У Північній півкулі цей рух відбувається зліва направо, а в Південній - справа наліво. Спостерігач у Північній півкулі Землі при цьому буде бачити Сонце на півдні, а перебуваючи в Південній півкулі - на півночі. Денний шлях Сонця на небі симетричний щодо напрямку північ-південь.
За Полярним колом на Землі, де |φ| > 66,5°, добовий шлях Сонця практично паралельний горизонту. Сонце протягом півроку не заходить, описуючи кола над горизонтом. Це полярний день. Потім на півроку Сонце заходить і настає полярна ніч.
На екваторі Сонце, як й інші світила, сходить і заходить перпендикулярно до площини справжнього горизонту і видиме протягом половини доби.
3. Зміна добового шляху Сонця протягом року. Зміну добового шляху Сонця над горизонтом у різні пори року для середніх географічних широт Північної півкулі показано на малюнку 1.18. Визначаючи протягом року висоту Сонця опівдні, можна помітити, що двічі на рік воно буває на небесному екваторі. Це відбувається в дні весняного (близько 21 березня) і осіннього (близько 23 вересня) рівнодень. Площина горизонту ділить небесний екватор навпіл. Тому в дні рівнодень шляхи Сонця над горизонтом і під горизонтом рівні; відповідно тривалість дня і ночі однакова. Найкоротший день випадає на 22 грудня, а найдовший - на 22 червня.
Для спостерігачів, які перебувають на земному екваторі, добові шляхи Сонця над горизонтом протягом року показано на малюнку 1.19.
4. Видимий рух і фази Місяця. Місяць - природний супутник Землі. Це найближче до Землі небесне тіло, він відбиває сонячне світло. Місяць рухається навколо Землі приблизно по еліптичній орбіті в той самий бік, у який Земля обертається навколо своєї осі. Тому ми бачимо, що Місяць переміщується серед зір назустріч обертанню неба. Напрямок руху Місяця завжди - із заходу на схід. Для спостерігача із Землі за добу Місяць переміщується на 13,2°.
Повний оберт по орбіті навколо Землі Місяць робить за 27,3 доби (сидеричний місяць). І за такий самий час він робить один оберт навколо своєї осі, тому до Землі завжди повернута та сама півкуля Місяця.
Мал. 1.18. Добові шляхи Сонця над горизонтом у різні пори року під час спостережень у середніх географічних широтах
Мал. 1.19. Добові шляхи Сонця над горизонтом у різні пори року під час спостережень на екваторі Землі
Рух Місяця навколо Землі дуже складний, і його вивчення становить одну з найважчих задач небесної механіки. Видимий рух Місяця супроводжується безперервною зміною його вигляду - зміною фаз. Відбувається це тому, що Місяць займає різні положення щодо Сонця і Землі (мал. 1.20).
Місячною фазою називають частину місячного диска, видиму в сонячному освітленні.
Розглянемо фази Місяця, починаючи з молодика. Ця фаза наступає, коли Місяць проходить між Сонцем і Землею та повернений до нас своїм темним боком (мал. 1.20, 1). Місяця зовсім не видно із Землі.
Через 1-2 дні у західній частині неба з’являється та продовжує рости вузький яскравий серп - «молодий» Місяць (мал. 1.20, 2). Іноді на фоні неба помітно й іншу частину тьмяного місячного диска. Явище тьмяного світла пояснюється тим, що місячний серп освітлюється безпосередньо Сонцем, а інша місячна поверхня - розсіяним сонячним світлом, відбитим Землею. Через 7 діб вже буде видно всю праву половину місячного диска - наступає фаза першої чверті (мал. 1.20, 3). У цій фазі Місяць сходить удень, до вечора його видно в південній частині неба, заходить він уночі. Далі фаза збільшується (мал. 1.20, 4), і через 14-15 діб після молодика Місяць приходить у протистояння із Сонцем (мал. 1.20, 5). Його фаза стає повного, наступає повня. Сонячні промені освітлюють усю місячну півкулю, повернену до Землі. Повний Місяць сходить під час заходу Сонця, заходить під час його сходу, а в середині ночі видно в південній частині неба.
Після повні Місяць поступово наближається до Сонця із заходу й освітлюється ним ліворуч (мал. 1.20, 6). Приблизно через тиждень наступає фаза третьої, або останньої, чверті (мал. 1.20, 7). При цьому Місяць сходить біля опівночі, до сходу Сонця з’являється в південній частині неба і заходить удень. При подальшому зближенні супутника Землі із Сонцем фази Місяця стають серпоподібними (мал. 1.20, 8). Місяць видно тільки під ранок, незадовго до сходу Сонця, а заходить він у світлий час доби, перед заходом Сонця. Вузький серп Місяця цього разу опуклістю повернений до сходу. Потім знову наступає молодик, і Місяць перестає бути видимим на небі.
Від одного молодика до наступного проходить близько 29,5 доби. Цей період зміни місячних фаз називають синодичним місяцем. Синодичний (або місячний місяць) триваліший від сидеричного (або зоряного) місяця, тому що Місяць і Земля рухаються в просторі в одному напрямку.
Мал. 1.20. Зміна фаз Місяця
5. Сонячні та місячні затемнення. Під час свого руху Місяць часто перекриває зорі зодіакальних сузір’їв. Значно рідше Місяць перекриває планети і Сонце. Перекривання Сонця Місяцем називають сонячним затемненням.
Сонячне затемнення має різний вигляд для різних точок земної поверхні, тому що діаметр Місяця в 400 разів менший за діаметр Сонця і Місяць приблизно в 400 разів ближчий до Землі, тому на небі Сонце і Місяць здаються дисками однакових розмірів. При повному сонячному затемненні Місяць може повністю закрити яскраву поверхню Сонця, залишаючи при цьому відкритою сонячну атмосферу.
Розглянемо схему повного сонячного затемнення (мал. 1.21). Проходячи між Сонцем і Землею, маленький за розмірами Місяць не може повністю закрити Землю. Диск Сонця буде закритий тільки для спостерігача А, який перебуває всередині конуса місячної тіні, максимальний діаметр якої на поверхні Землі не перевищує 270 км. Тільки звідси, із цієї порівняно вузької території земної поверхні, куди падає тінь від Місяця, буде видно повне сонячне затемнення. Там, де падає півтінь від Місяця, усередині так званого конуса місячної півтіні, буде видно (для спостерігачів В і С) часткове сонячне затемнення.
Якщо в момент затемнення Місяць, переміщаючись по еліптичній орбіті, буде перебувати на значній відстані від Землі, то видимий диск Місяця виявиться занадто малим, щоб повністю закрити Сонце. Тоді спостерігач А (мал. 1.22) зможе бачити навколо темного дискаМісяця яскраву частину сонячного диска. Це - кільцеподібне затемнення. Для спостерігачів В і С таке сонячне затемнення буде частковим.
За межами місячної півтіні затемнення взагалі не спостерігаються. Сонячне затемнення видно не на всій поверхні Землі, а тільки там, де проходить тінь і півтінь Місяця. Шлях місячної тіні по земній поверхні називають смугою повного сонячного затемнення.
Мал. 1.21. Схема повного сонячного затемнення (для спостерігачів А, В, С)
Мал. 1.22. Схема кільцеподібного сонячного затемнення (для спостерігачів А, В, С)
Місячні затемнення відбуваються тоді, коли Місяць потрапляє в земну тінь, що також має форму конуса, й оточений півтінню (мал. 1.23). Під час часткового входження Місяця в земну тінь місячне затемнення називають частково тіньовим, а під час повного входження - повним тіньовим затемненням. Якщо земна тінь спрямована в бік, протилежний до Сонця, Місяць може пройти крізь неї тільки в фазі повного Місяця. Місяць поступово входить у земну тінь своїм лівим краєм. Під час повного затемнення він стає бурим або темно-червоним (мал. 1.24), оскільки сонячне світло, заломлюючись у земній атмосфері, освітлює Місяць переважно червоними променями, які найменше розсіюються і послабляються земною атмосферою.
Мал. 1.23. Схема місячного затемнення. Розташування небесних тіл під час затемнення: A - Сонце; B — Земля; C - Місяць; D - напівтінь; E - повна тінь
Мал. 1.24. Вигляд Місяця під час повного місячного затемнення
Щорічно відбувається від двох до п’яти сонячних затемнень. У середньому в тому самому місці Землі повне сонячне затемнення можна спостерігати досить рідко - лише раз на 200-300 років, а тривалість повного сонячного затемнення не перевищує 7 хв 31 с. Тому астрономи ретельно готуються до спостережень затемнення, щоб протягом дуже короткого часу встигнути вивчити зовнішні розріджені оболонки Сонця.
Зазвичай, щорічно відбувається 1-2 місячних затемнення, але бувають роки, коли затемнень зовсім не буває.
Місячні затемнення видно з усієї нічної півкулі Землі, де в цей час Місяць перебуває над горизонтом. Тому в кожній даній місцевості вони спостерігаються частіше від сонячних затемнень, хоча відбуваються приблизно в 1,5 раза рідше. Максимальна тривалість місячного затемнення - 1 год 47 хв.
Ще в VI ст. до н. е. було встановлено, що приблизно через 18 років і 11,3 доби всі затемнення будуть повторюватися в одній і тій самій послідовності. Цей період (період між затемненнями) назвали саросом (від грец. σαρος - «період», «повторення»).
Під час саросу в середньому відбувається 70-71 затемнення, 42-43 з яких сонячних (14 - повних, 13-14 - кільцеподібних і 15 - часткових) і 28 - місячних.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
- 1. Які особливості добового руху Сонця на різних широтах? Чи може Сонце спостерігатися в зеніті в Україні, Австралії та Бразилії? Чому?
- 2. Чому Місяць повернений до Землі завжди одним і тим самим боком? Чи спостерігається в Місяця зворотний рух?
- 3. У чому відмінність сидеричного й синодичного місяців? Чим обумовлена їхня різна тривалість?
- 4. Що розуміють під місячною фазою? Опишіть фази Місяця.
- 5. Чому відбуваються сонячні й місячні затемнення?
- 6. Що таке сарос? Яка його періодичність?