§ 12.   СИСТЕМА «ЗЕМЛЯ — ЛУНА»

1. Основные движения Земли. Земля — это третья по удаленности от Солнца планета. Она движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца по эллиптической   орбите, мало отличающейся от окружности. Одно из доказательств обращения Земли вокруг Солнца — кажущееся (парал­лактическое) смещение ближайших к нам звезд. Впервые такие смещения удалось обнаружить лишь в 30-х гг. XIX в.

Второе основное движение Земли — вращение вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты под углом 66˚34'.

При движении Земли вокруг Солнца ось ее остается параллельной самой себе. Из курсов природоведения и есте­ствознания вы знаете, что смена времен года на Земле как раз и является следствием указанных трех причин: обраще­ния Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты и сохранения направления оси в пространстве.

Кроме того, Земля движется в пространстве вместе со всей Солнечной системой и участвует во многих других дви­жениях.

2. Форма Земли. Лишь в грубом приближении к действительности можно считать, что Земля — это шар, радиус которого определяется по формуле (21) методом, описанным в § 11.4. Однако геодезические измерения показали, что длина дуги 1° меридиана около экватора равна110,6 км, а вблизи полюсов —111,7 км, следовательно, Земля не шар, ее экваториальный   радиус больше полярного.

Объясняется это тем, что Земля вследствие своего вра­щения вокруг оси сжата у полюсов и по форме близка к эллипсоиду вращения. Сжатие эллипсоида может быть вычислено по формуле:

 

,                                                                                     (24)

 

где ε — сжатие Земли; — большая полуось земного эллип­соида; — его малая полуось. Данные, основанные на на­блюдениях движения искусственных спутников Земли, по­зволили уточнить результаты наземных геодезических изме­рений сжатия Земли.

Поскольку различие в экваториальном (6378,140 км) и полярном (6356,755 км) радиусах Земли небольшое (21,385 км), то при решении многих астрономических задач Землю можно считать шаром со средним радиусом, равным6371 км.

Зная средний радиус Земли и ее массу (как найти массу Земли, вы знаете из курса физики), легко вы­числить среднюю плотность нашей планеты (5,5·103 кг/м3).

3. Луна — спутник Земли. Луна — ближайшее к Земле небесное тело. Радиус Луны примерно в 4 раза, а масса в 81  раз  меньше  соответственно радиуса и  массы  Земли.   По этим физическим характеристикам естественный спутник на­шей планеты нельзя считать маленьким по сравнению с Землей. Строго говоря, по эллиптической орбите вокруг Солнца движется общий центр масс системы «Земля — Луна», находящийся внутри Земли. Систему «Земля — Луна» часто называют «двойной планетой».

Луна — не самосветящееся тело; она светит отраженным солнечным светом. В зависимости от положения, которое Луна занимает по отношению к Земле и Солнцу, мы видим то полную Луну (полнолуние), то половину видимого диска (первая или последняя четверть), то совсем не видим Луны (новолуние).

Рис. 28. Фазы луны.

Наблюдаемая с Земли освещенная часть лунного диска называется фазой Луны. Проследить смену лунных фаз можно по рисунку 28. В новолунии Луна бывает в то время, когда она располагается между Землей и Солнцем; в полно­лунии Луна находится за Землей. После новолуния Луна «растет» от узкого серпа (направленного выпуклостью вправо) до полудиска (первая четверть) и далее до полного диска (полнолуние). После полнолуния Луна «убывает» до полуди­ска (выпуклость направлена влево, наступает последняя чет­верть), затем становится узким серпом и перестает быть ви­димой в новолунии. Полный цикл смен лунных фаз (сино­дический месяц) составляет примерно 29,5 сут (29,5д ).

Угловой диаметр Луны на небесной сфере около 0,5° (≈30'). Но он не остается постоянным, а изменяется из-за эллиптичности орбиты (примерно 33' в перигее и 29' в апо­гее). Эксцентриситет лунной орбиты е = 0,05, а большая по­луось эллипса —384400 км (среднее расстояние Луны от Земли). Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27,3 сут (27,Зд, сидерический месяц). За это же время Луна делает оборот вокруг своей оси, поэтому к Земле всегда обращено одно и то же полушарие Луны.

Как и все другие небесные тела, Луна участвует в суточ­ном вращении небесной сферы. Но в отличие от планет и Солнца, более удаленных от Земли, Луна быстро перемеща­ется на фоне звездного неба (13° за сутки) с запада на вос­ток, т. е. в направлении, противоположном суточному вра­щению небесной сферы. Этим объясняется явление, которое вы сами можете обнаружить. Каждый вечер, отмечая по ча­сам моменты верхней кульминации Луны, вы убедитесь, что Луна приходит к небесному меридиану с опозданием при­мерно на 50 мин (т. е. кульминирует сегодня на 50 мин позже, чем вчера).

4. Солнечные и лунные затмения. Когда Луна при своем движении вокруг Земли полностью или частично за­слоняет Солнце, происходят солнечные затмения. Во время полного солнечного затмения (рис. 29) Луна закрывает весь диск Солнца (это возможно благодаря тому, что видимые диаметры Луны и Солнца почти одинаковы). Полное солнечное затмение можно наблюдать лишь из тех точек земной поверхности, где проходит полоса полной фазы. Так называется полоса, которую как бы прочерчивает по земной поверхности сходящийся конус лунной тени (см. рис. 29).

Рис. 29. Схема полного затмения Солнца.

По обе стороны полосы полной фазы происходит частное затмение Солнца, во время которого Луна за­слоняет не весь солнечный диск, а лишь часть его. Наблю­дается частное солнечное затмение из тех мест земной поверхности, которые охватывает расходящийся конус лунной полутени (см. рис.  29).

Ширина полосы полной фазы солнечного затмения и его продолжительность зависят от взаимных расстояний Солнца, Земли и Луны. Вследствие изменения расстояний видимый угловой диаметр Луны тоже изменяется. Когда он чуть больше солнечного, полное затмение Солнца может длиться до 7,5 мин, когда равен, то одно мгновение, если же он меньше, то Луна вообще не закрывает Солнце полностью. В последнем случае происходит кольцеобразное затмение: вокруг темного лунного диска видно узкое яркое солнечное кольцо.

Полное солнечное затмение — очень красивое явление. Во время затмения Солнце имеет вид черного диска, окру­женного нежным сиянием (короной). Дневной свет на­столько ослабевает, что иногда можно видеть на небе яркие звезды и планеты.

Полное солнечное затмение, которое можно было наблю­дать с территории России (в некоторых ее южных районах) произошло 29 марта2006 г.

Когда при движении вокруг Земли Луна попадает в ко­нус земной тени, которую отбрасывает освещаемый Солнцем земной шар, происходит полное лунное затме­ние (рис. 30). Если же в тень Земли погружается лишь часть Луны, то происходит частное затмение Луны.

Рис. 30. Схема полного затмения Луны.

Полное лунное затмение может длиться примерно 1,5 — 2 ч (столько времени, сколько требуется Луне, чтобы пере­сечь конус земной тени). Его можно наблюдать со всего ночного полушария Земли, где Луна в момент затмения на­ходится над горизонтом. Поэтому в данной местности пол­ные лунные затмения удается наблюдать значительно чаще солнечных.

Во время полного лунного затмения Луны лунный диск остается видимым, но он приобретает обычно темно-красный оттенок.  Это  явление объясняется преломлением  солнечных лучей в земной атмосфере. Проходя через земную атмос­феру, солнечные лучи рассеиваются и преломляются. При­чем рассеивается в основном коротковолновое излучение (со­ответствующее синему и голубому участкам спектра, чем и обусловлен голубой цвет нашего дневного неба), а преломля­ется длинноволновое (соответствующее красному участку спектра). Преломляясь в земной атмосфере, длинноволновое солнечное излучение попадает в конус земной тени и осве­щает Луну.

Легко сообразить, что солнечное затмение происходит, когда Луна бывает в новолунии, а лунное когда в полно­лунии. Однако далеко не в каждое новолуние и полнолуние происходят затмения. Дело в том, что плоскость, в которой Луна движется вокруг Земли, наклонена к плоскости эклип­тики под углом примерно 5°. Чаще всего в году бывает только два солнечных и два лунных затмения. В1982 г. было семь затмений — четыре частных солнечных и три полных лунных (это максимально возможное число затме­ний в год).

Еще древние астрономы заметили, что через определен­ный промежуток времени лунные и солнечные затмения по­вторяются в определенном порядке. Этот промежуток времени был назван сáросом (в переводе с египетского — повторение). Существование сароса объясняется зако­номерностями, наблюдаемыми в движении Луны. Сарос со­ставляет 6585,32 сут (≈18 лет 11 дней). В течение каждого сароса происходит 70 затмений, из них 42 солнечных и 28 лунных. Однако в данном месте Земли лунные затмения на­блюдаются чаще, чем солнечные, так как лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли. Полные солнеч­ные затмения в данной точке земной поверхности видны не чаще одного раза в 200—300 лет.

Зная продолжительность сароса, можно приближенно предсказывать время наступления затмений. В настоящее время разработаны очень точные методы предсказания сол­нечных и лунных затмений. Астрономы неоднократно помо­гали историкам уточнять даты исторических событий, кото­рые,  по свидетельству летописей, совпадали с затмениями. В Москве  очередное  полное  солнечное  затмение  будет на­блюдаться 16 октября 2126 г.

В прошлом необычный вид Луны и Солнца во время затмений приводил людей в ужас. Жрецы, зная о повторяе­мости этих явлений, использовали их для подчинения и устрашения людей, приписывая затмения сверхъестествен­ным силам. Давно уже перестала быть тайной причина за­тмений.  Наблюдения  затмений  позволяют ученым  получать важные сведения об атмосферах Земли и Солнца, а также о движении Луны. Во время полных затмений Солнца созда­ются условия, благоприятные для наблюдения отклонения луча света звезды в поле тяготения Солнца. Это позволяет получить одно из важнейших доказательств теории тяготе­ния Эйнштейна (общей теории относительности).