Размещено на http://www.allbest.ru/

История солнечных и лунных затмений

Представьте себе ясный солнечный день, на небе - ярко сияющий солнечный диск, природа живет своей обычной жизнью. Но вот на правом краю Солнца сначала постепенно появляется небольшой ущерб, затем он медленно увеличивается, а в результате еще недавно бывший круглым диск принимает форму серпа. Солнечный свет постепенно ослабевает, становится прохладнее. Образовавшийся серп делается совсем маленьким, и в конце концов за черным диском исчезают последние вспышки света. Ясный день моментально превращается в ночь, на потемневшем небе появляются звезды, со всех сторон вспыхивает лимонно-оранжевая заря, а на месте Солнца сияет черный круг, окруженный невнятным серебристым сиянием. Напуганные наступившей темнотой звери и птицы резко замолкают, и почти все растения свертывают листья. Но пройдет несколько минут, и Солнце снова явит миру свой торжествующий лик и природа оживет. На протяжении тысячелетий явление солнечного затмения внушало людям и страх, и благоговейный трепет.

Почему Солнце не затмевается каждое новолуние и почему Луна отнюдь не каждое полнолуние происходит через земную тень? Если бы орбиты Луны и Земли лежали в одной плоскости, то во время каждого новолуния и полнолуния Луна оказывалась бы точно на прямой линии, соединяющей Землю и Солнце, а значит, происходило бы либо солнечное, либо лунное затмение. Однако плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 5,9° и пересекает ее в двух противоположных точках (узлах лунной орбиты), а потому затмения случаются лишь тогда, когда в момент новолуния или полнолуния Луна проходит через один из своих узлов, и именно тогда Солнце, Земля и Луна "выстраиваются" в одну линию. Когда в такие моменты Луна оказывается в новолунии, происходит солнечное затмение, а когда в полнолунии - лунное.

Солнечные затмения видны отнюдь не из всех местностей дневного полушария Земли, так как из-за своих небольших размеров Луна не может скрыть Солнце от всего земного полушария. Ее диаметр меньше диаметра Солнца приблизительно в 400 раз, но при этом Луна по сравнению с Солнцем почти в 400 раз ближе к Земле, поэтому видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы, так что Луна, хоть и в очень ограниченной области, может закрывать от нас Солнце. Характер затмения зависит от удаленности Луны от Земли, причем, так как Орбита Луны не круговая, а эллиптическая, это расстояние меняется, а в зависимости от этого немного меняется и видимый размер Луны. Если в момент солнечного затмения Луна находится ближе к Земле, то лунный диск, будучи чуть больше солнечного, целиком закроет Солнце, а значит, затмение будет полным. Если же - дальше, то ее видимый диск будет меньше солнечного и Луна не сможет закрыть все Солнце - вокруг него останется светлый ободок. Такое затмение называется кольцеобразным. Освещаемая Солнцем Луна отбрасывает в пространство сходящийся конус тени и окружающей ее полутени. Когда эти конусы пересекаются с Землей, то лунная тень и полутень падают на нее. Пятно лунной тени диаметром около 300 км бежит по земной поверхности, оставляя след длиной 10-12 тыс. км, и там, где она проходит, происходит полное солнечное затмение, в области же, захваченной полутенью, - частное затмение, когда Луной закрыта лишь часть солнечного диска. Нередко бывает и так, что лунная тень минует Землю, а полутень частично захватывает ее, тогда происходят только частные затмения.

Так как скорость перемещения тени по поверхности Земли в зависимости от географической широты составляет от 2000 км/ч (вблизи экватора) до 8000 км/ч (около полюсов), полное солнечное затмение, наблюдаемое в одной точке, продолжается не более 7,5 минуты, причем максимальное значение достигается в очень редких случаях (ближайшее затмение продолжительностью 7 минут 29 секунд произойдет только в 2186 году). Солнечное затмение начинается в западных районах земной поверхности при восходе Солнца и заканчивается в восточных при его заходе. Общая продолжительность всех фаз солнечного затмения на Земле может достигать 6 часов. Степень покрытия Солнца Луной называется фазой затмения. Она определяется как отношение закрытой части диаметра солнечного диска ко всему его диаметру. При частных затмениях ослабления солнечного света не заметно (за исключением затмений с очень большой фазой), а потому фазы затмения можно наблюдать только через темный светофильтр.

Последовательно снятые фазы кольцеобразного солнечного затмения 16 февраля 1999 года

Последовательно снятые фазы полного лунного затмения 9 декабря 1992 года Делавер США.

Если бы полные солнечные затмения были видимы в каждой местности достаточно часто, к ним привыкли бы так же быстро, как и к изменениям фазы Луны. Но они случаются настолько редко, что далеко не каждому поколению местных жителей удается увидеть их хотя бы раз - в одной точке земной поверхности полные солнечные затмения можно наблюдать только раз в 300-400 лет. Лунных затмений, особенно полных, боялись не менее солнечных. Ведь это ночное светило порой совершенно исчезало с небесного свода, а затемненная часть Луны довольно скоро принимала серый с красноватым отблеском цвет, становящийся все более и более кроваво-темным. В давние времена лунным затмениям приписывалось особое зловещее влияние на земные события. Древние полагали, что Луна в этот момент обливается кровью, что сулит человечеству великие бедствия. Первое лунное затмение, зарегистрированное в древних китайских летописях, относится к 1 136 году до н.э.

Солнечные затмения: чтобы понять причину солнечных и лунных затмений, жрецы веками вели счет полным и частным затмениям. Сначала было замечено, что лунные происходят только в полнолуние, а солнечные только в новолуние, затем - что не при каждом новолунии происходят солнечные затмения и не при каждом полнолунии - лунные, а еще - что затмений Солнца не случалось, когда была видна Луна. Даже во время солнечного затмения, когда свет совершенно мерк, а звезды и планеты начинали проглядывать сквозь неестественно темные сумерки, Луны нигде не было видно. Это возбуждало любопытство и давало повод к тщательному исследованию того места, в котором должна была находиться Луна сразу после окончания солнечного затмения. Вскоре было обнаружено, что в ночь, следующую за днем солнечного затмения, Луна всегда находилась в своем нарождающемся виде очень близко к Солнцу.3аметив местонахождение Луны перед солнечным затмением и тотчас после него, определили, что во время самого затмения Луна действительно проходила от западной к восточной стороне места, занимаемого Солнцем, а сложные вычисления показали, что совпадение Луны и Солнца на небе совершалось именно в то время, когда Солнце затмевалось. Вывод стал очевиден: Солнце заслоняется от 3емли темным телом Луны.

После выяснения причин солнечного затмения перешли к разгадке тайны лунного. Хотя в данном случае найти удовлетворительное объяснение было гораздо труднее, так как свет Луны не заслонялся никаким непрозрачным телом, становившимся между ночным светилом и наблюдателем. Наконец, было замечено, что все непрозрачные тела отбрасывают тень в направлении, противоположном источнику света. Было высказано предположение, что, возможно, 3емля, освещенная Солнцем, и дает ту тень, доходящую даже до Луны. Необходимо было либо подтвердить, либо опровергнуть эту теорию. И вскоре было доказано, что лунные затмения бывают только во время полной Луны. Это подтверждало предположение о том, что причиной затмения является тень от 3емли, падающая на Лyнy, - как только 3емля становилась между Луной и источником света - Солнцем, свет Луны в свою очередь становился невидимым и происходило затмение.

Лунные затмения: во время полной фазы Луна кажется медно-красной, особенно, когда проходит к центральной области тени. Такой ее цвет обуславливается тем, что солнечные лучи, касательные к земной поверхности, пронизывая ее атмосферу, рассеиваются и попадают в тень Земли сквозь толщу воздуха. Лучше всего это удается сделать красным и оранжевым лучам, а потому именно они и окрашивают диск Луны в багровый, кирпичный или медный цвета, в зависимости от состояния земной атмосферы. Лунные затмения происходят тогда, когда Луна в полнолуние проходит вблизи узлов своей орбиты. В зависимости от того, частично или полностью она погружается в земную тень, происходят как частные, так и полные теневые лунные затмения. Вблизи лунных узлов, в пределах 17° в обе стороны от них, существуют зоны лунных затмений. Чем ближе к лунному узлу происходит затмение, тем больше его фаза, определяемая долей лунного диаметра, покрытого земной тенью. Вступление Луны в тень или полутень Земли обычно происходит незаметно. Полному затмению предшествуют частные фазы, и в момент окончательного погружения Луны в земную тень оно и наступает, продолжаясь около двух часов. Частота лунных затмений для какого-либо определенного места Земли выше частоты солнечных только потому, что они видны со всего ночного полушария Земли. При этом продолжительность полной фазы солнечного затмения на Луне может достигать 2,8 часа. Наблюдения полных лунных затмений позволяет изучать структуру и оптические свойства земной атмосферы, а также тепловые свойства различных участков лунной поверхности, в том числе и изменение их температуры при разных фазах затмения.

Циклы затмений: в результате длительных наблюдений выяснилось, что и лунные, и солнечные затмения неизбежно повторяются в прежнем порядке по истечении того промежутка времени, через который повторяется взаимное положение Солнца, Луны и узлов лунной орбиты.

1 - Буквально за 2-3 мин до наступления полной фазы затмения вспыхивают яркие точки - это свет пробивающийся через долины и ущелья между лунными горами.

2 - Солнечная корона при затмении 26.02.1998. Различные цвета - снижение яркости короны, мелкие пятна - потоки разогретого до млн градусов газа.

Этот промежуток древние греки назвали саросом. Он составляет 223 оборота Луны, то есть 18 лет, 11 дней и 8 часов. По истечении сароса все затмения повторяются, но уже в несколько иных условиях, так как за 8 часов Земля поворачивается на 120°, а потому лунная тень пойдет по 3емле па 120° западнее, чем это было 18 лет назад. Древние египтяне, вавилоняне, халдеи и другие "культурные" народы еще за 2 500 лет до нашей эры, не зная причин затмения, умели предсказывать их наступление с точностью до 1-2 суток в пределах своей ограниченной территории. Но так как они не могли располагать результатами наблюдений на всем земном шаре, они использовали для расчетов утроенный, или большой, сарос, содержащий целое число суток. Последовательность солнечных и лунных затмений по истечении утроенного сароса повторяется па той же географической долготе. Считается, что большой сарос - а именно 19 756 суток - впервые был вычислен древне вавилонскими астрономами жрецами. Установление сароса было одним из величайших открытий древности, поскольку оно привело к нахождению истинной причины затмений уже в VI веке до н.э.

Самое раннее письменное свидетельство солнечного затмения относится к 22 октября 2137 года до н.э. Причем затмение это не было предсказано придворными астрономами, а потому ужас перед неожиданно наступившей ночью был крайне велик. Однако тех древних астрономов вряд ли можно было обвинить в нерадивости, так как по тем временам предвидение подобных явлений в каком-либо определенном месте было делом совсем непростым. По саросу нельзя сделать точного прогноза затмения, можно было указать лишь приблизительную дату и область его видимости. Точно же вычислить время наступления затмения, а также условия его видимости было трудной задачей. И чтобы решить ее, астрономы изучали движение 3емли и Луны н течение нескольких столетий. В настоящее время затмения с высокой степенью точности вычислены как на тысячи лет назад, так и на сотни лет вперед. Изучение древних солнечных затмений помогает современным ученым корректировать даты многих исторических событий и даже вносить изменения в их последовательность. Ведь каждое полное солнечное затмение происходит в определённой и достаточно узкой полосе земной поверхности, положение которой меняется от года к году. А потому по той местности, где оно происходило, можно с помощью вычислений абсолютно точно выяснить их дату. Помимо этого, путем сравнения перемещений лунной тени по земной поверхности можно установить естественную эволюцию движения Луны. Именно такое сравнение впервые навело ученых на мысль, о вековом замедлении вращения Земли, которое составляет 0,0014 секунды за столетие.

Полное солнечное затмение - это уникальная возможность для исследования внешних слоев атмосферы Солнца - хромосферы и короны.

Прохождение тени Луны по поверхности планеты при солнечном затмении. В 1715 г Эдмунд Галлей точно предсказал время и районы полного солнечного затмения 3 мая 1715 года, а также составил карту, обозначив размеры лунной тени (295 км).

И хотя их наблюдения проводятся повседневно, этого оказывается недостаточно. Корона видна только во время полного солнечного затмения, так как яркость света короны в миллион раз меньше яркости света диска. Кроме того, свет от диска Солнца рассеивается атмосферой Земли и яркость этого рассеянного света близка к яркости короны. Самая яркая часть Солнца, та, что кажется нам желтой, называется фотосферой. Во время полного затмения лунный диск полностью покрывает фотосферу. Только после того, как фотосфера скрывается за Луной, на недолгое время можно увидеть хромосферу в виде клочковатого кольца красного цвета, окружающего черный диск.

Солнечная корона простирается далеко от Солнца - до орбит Юпитера и Сатурна. В течение 11-летнего цикла солнечной активности меняются как форма короны, так и общая ее яркость. Чрезвычайно интересными оказались спектры короны, снятые вблизи солнечного диска. На фоне непрерывного спектра были видны яркие эмиссионные линии, которые в течение многих лег являлись для науки одной из величайших загадок. Она была разрешена только в 40-х годах ХХ века. Оказалось, что эти линии излучают сильно ионизованные атомы железа и кальция, для существования которых необходимы температуры, доходящие до миллиона градусов.

Большую роль в прояснении физических условий, существующих в солнечной короне, сыграли так называемые затменные наблюдения, в частности радиоастрономические. На сегодняшний день одной из главных задач является исследование инфракрасного излучения межпланетной пыли. В ходе затмений выполняются также фотометрические, колориметрические, спектрофотометрические и поляриметрические наблюдения. Не вызывает сомнения и тот факт, что затменные наблюдения Солнца внесли неоценимый вклад в представление ученых о Солнце и межзвездной среде. Чтобы плодотворно использовать те немногие минуты, во время которых происходит затмение, астрономы готовятся к нему долгие месяцы, делая точные вычисления полосы затмения, изучая сводки погоды в полосе затмения и занимаясь поисками оптимального для наблюдений места.

Солнечное затмение и лунное

Одновременно с этим решаются вопросы транспортировки и обеспечения необходимыми средствами обслуживания, такими как электроэнергия и вода, параллельно происходит составление программ наблюдений, конструирование соответствующих инструментов. Чем недоступнее место наблюдения, тем более необходимо застраховать себя от разных случайностей.

Наблюдение за солнечным затмением может быть с успехом использовано и для исследования земной атмосферы. С этой целью ведутся наблюдения изменения температур, давления, влажности, ветра, образования облачности, фотометрические наблюдения яркости и цвета неба и так далее. Во время затмений также становится возможно распознать отклонения в движении Луны и вращении Земли. Производимое же во время затмений исследование ионосферы с помощью радиоволн позволяет изучить влияние Солнца на верхние слои земной атмосферы.

Значительным достижением наблюдателей затмений по праву можно считать проверку эффекта гравитационного воздействия массивных космических объектов (в частности, Солнца) на световые лучи, предсказанного в рамках теории относительности Эйнштейна. Для этого необходимо было посредством одного и того же телескопа сделать снимки звезд, находящихся как можно ближе к краю Солнца во время затмения, а через несколько месяцев эти же звезды снять уже на ночном небе. После измерений относительных положений изображений этих звезд на двух фотографиях можно было судить о том, сместились ли они. Впервые этот эксперимент был проведен в 1919 году, подтвердив справедливость выводов теории Эйнштейна.

Статистика затмений

Из-за наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики (плоскости, в которой расположена орбита Земли), затмения могут происходить только в тех случаях, когда в момент новолуния и полнолуния Луна находится вблизи одного из двух узлов своей орбиты (это точки пересечения лунной орбиты с плоскостью эклиптики). Луна проходит через этот узел своей орбиты каждые 27,2 суток (драконический месяц), а новолуния и полнолуния повторяются каждые 29,5 суток (синодический месяц). Солнце же проходит через один и тот же узел лунной орбиты за 346,6 суток (драконический год). Из-за того, что этот период не равен году (времени оборота Земли вокруг Солнца), число солнечных и лунных затмений в течение года меняется год от года. Тем не менее 242 драконических месяца равны 223 синодическим месяцам и 19 драконическим годам. Этот промежуток - 6 585,36 суток. Однако в силу приблизительности этих равенств количество затмений также неодинаково и на протяжении разных саросов. В среднем происходит 2-3 лунных и 2-3 солнечных затмения в год, причем полных из них около трети. Если говорить о статистике, то, например, в XIX веке произошло 242 солнечных затмения (из них 63 полных), 70 раз в течение года происходило два затмения,19 раз - три, 10 раз - четыре и один раз (в 1805 году) - пять солнечных затмений. Лунных затмений произошло 252 (из них 63 полное), 67 раз в течение года произошло два затмения, 15 раз - три, 17 раз - четыре, а на протяжении 1879 года - пять лунных затмений. На протяжении XX века произошло 228 солнечных затмений (из них 71 полное), 79 раз в течение года происходило два затмения, 15 раз - четыре и один раз (в 1935 году) - пять солнечных затмений. Лунных затмений произошло 230 (из них 81 полное), 78 раз в течение года произошло два затмения, 14 раз три и 8 раз - 4 лунных затмения.

Видимое движение Солнца. Эклиптика

Наблюдая из ночи в ночь за звездным небом, можно заметить, что в каждую последующую полночь кульминируют все новые и новые звезды. Это объясняется тем, что вследствие годового движения земного шара по орбите происходит движение Солнца среди звезд. Оно совершается в том же направлении, в каком вращается Земля, т.е. с запада на восток. Путь видимого движения Солнца среди звезд называется эклиптикой. Он представляет собой на небесной сфере большой круг, плоскость которого наклонена к плоскости небесного экватора под углом 23°27' и пересекается с небесным экватором в двух точках. Это точки весеннего и осеннего равноденствий. В первой из них Солнце бывает около 21 марта, когда оно переходит из южного небесного полушария в северное. Во второй точке оно находится около 23 сентября, когда переходит из северного полушария в южное. Зодиакальные созвездия. Двигаясь по эклиптике, Солнце в течение года последовательно перемещается среди следующих 12 созвездий, расположенных вдоль эклиптики и составляющих пояс зодиака

Видимое перемещение Солнца по зодиакальным созвездиям.

Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. (Строго говоря, Солнце проходит и через 13-е созвездие - Змееносец. Это созвездие было бы даже более правильно считать зодиакальным, чем такое созвездие, как Скорпион, в котором Солнце находится менее продолжительное время, чем в каждом из остальных созвездий.) Эти созвездия, названные зодиакальными, свое общее название получили от греческого слова "зоон" - животное, так как многие из них еще в глубокой древности были названы именами животных.

В каждом из зодиакальных созвездий Солнце бывает в среднем около месяца. Поэтому еще в древности каждому месяцу соответствовал определенный знак зодиака. Март, например, был обозначен знаком Овна, так как в этом созвездии около двух тысяч лет назад находилась точка весеннего равноденствия и, следовательно, Солнце в марте проходило это созвездие. На рисунке видно, что когда Земля переместится по своей орбите и перейдет из положения III (март) в положение IV (апрель), то Солнце перейдет из созвездия Овна в созвездие Тельца, а когда Земля окажется в положении V (май), то Солнце из созвездия Тельца переместится в созвездие Близнецов и т.д. Однако точка весеннего равноденствия не сохраняет неизменного положения на небесной сфере. Ее перемещение, открытое еще во II в. до н.э. греческим ученым Гиппархом, получило название прецессии, т.е. предварения равноденствия. Оно вызывается следующей причиной. Земля имеет форму не шара, а сфероида, сплюснутого у полюсов. На разные части сфероидальной Земли по-разному действуют силы притяжения от Солнца и Луны. Эти силы приводят к тому, что при одновременном вращении Земли и движении ее вокруг Солнца ось вращения Земли описывает конус около перпендикуляра к плоскости орбиты. Вследствие этого полюсы мира перемещаются среди звезд по малому кругу с центром в полюсе эклиптики, находясь от него на расстоянии около 23¹/₂^°. Вследствие прецессии точка весеннего равноденствия перемещается вдоль эклиптики к западу, т.е. навстречу видимому движению Солнца, на величину 50",3 в год. Поэтому полный круг она сделает примерно за 26 000 лет.

По этой же причине северный полюс мира, находящийся в наше время вблизи Полярной звезды, 4000 лет назад находился вблизи Дракона, а через 12 000 лет будет вблизи Веги (б Лиры).

Вследствие прецессии точка весеннего равноденствия за последние две тысячи лет переместилась вдоль эклиптики почти на 30° и перешла из созвездия Овна в созвездие Рыб. В наше время Солнце бывает в созвездии Овна не в марте, а в апреле, в Тельце - не в апреле, а в мае и т.д.

Помещенные на рис. ниже рядом с названиями созвездий знаки представляют собою остатки изображений символических фигур созвездий, которыми они обозначались. Зодиакальные созвездия были хорошо известны древним астрономам. У многих народов древности находят их изображения. Так, на рис. показан древний арабский зодиак.

Древний арабский зодиак.

В основе современного календаря лежит периодическая смена времен года. Мы уже знаем, что Солнце движется по эклиптике и в дни весеннего (около 21 марта) и осеннего (около 23 сентября) равноденствий пересекает небесный экватор. Так как плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора под углом 23°27', то Солнце может отойти от экватора не больше чем на этот угол. Такое положение Солнца наступает около 22 июня, в день летнего солнцестояния, который и принимается за начало астрономического лета в северном полушарии, и около 22 декабря, в день зимнего солнцестояния, когда в северном полушарии наступает астрономическая зима.

Перемещение северного полюса мира среди звезд за 26 000 лет.

Видимое движение Луны

Луна движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть против часовой стрелки, если смотреть на орбиту Луны со стороны Северного полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равная среднему расстоянию между центрами Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Вследствие эллиптичности орбиты и возмущений расстояние до Луны колеблется между 356 400 и 406 800 км. Период обращения Луны вокруг Земли, так называемый сидерический (звездный) месяц равен 27,32166 суток, но подвержен небольшим колебаниям и очень малому вековому сокращению. Движение Луны вокруг Земли очень сложно, и его изучение составляет одну из труднейших задач небесной механики.

Однако, поскольку исследователя интересует движение Луны, каким оно видно с Земли, гравитационная теория, которую разрабатывали многие крупнейшие ученые, начиная с И. Ньютона, рассматривает движение Луны именно вокруг Земли. В 20 веке пользуются теорией американского математика Дж. Хилла, на основе которой американский астроном Э. Браун вычислил (1919) математические, ряды и составил таблицы, содержащие широту, долготу и параллакс Луны. Аргументом служит время.

Плоскость орбиты Луны наклонена к эклиптике под углом 58”43”, подверженным небольшим колебаниям. Точки пересечения орбиты с эклиптикой, называются восходящим и нисходящим узлами, имеют неравномерное попятное движение и совершают полный оборот по эклиптике за 6794 суток (около 18 лет), вследствие чего Луна возвращается к одному и тому же узлу через интервал времени - так называемый драконический месяц, - более короткий, чем сидерический и в среднем равный 27.21222 суток, с этим месяцем связана периодичность солнечных и лунных затмений. Луна вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости эклиптики под углом 88°28', с периодом, точно равным сидерическому месяцу, вследствие чего она повернута к Земле всегда одной и той же стороной.

солнечное лунное затмение сарос

Такое совпадение периодов осевого вращения и орбитального обращения не случайно, а вызвано трением приливов, которое Земля производила в твердой или некогда жидкой оболочке Луны. Однако сочетание равномерного вращения с неравномерным движением по орбите вызывает небольшие периодические отклонения от неизменного направления к Земле, достигающие 7° 54' по долготе, а наклон оси вращения Луны к плоскости ее орбиты обусловливает отклонения до 6°50' по широте, вследствие чего в разное время с Земли можно видеть до 59 % всей поверхности Луны (хотя области близ краев лунного диска видны лишь в сильном перспективном ракурсе); такие отклонения называются либрацией Луны. Плоскости экватора Луны, эклиптики и лунной орбиты всегда пересекаются по одной прямой (закон Кассини).

Размещено на Allbest.ru