18. ДВИЖЕНИЕ ЛУНЫ И СПУТНИКОВ ПЛАНЕТ. ЗАТМЕНИЯ

1. Спутники планет и Луна.

У Меркурия и Венеры спутников нет. У остальных планет, за исключением Земли и Плутона, спутники неизмеримо меньше своих планет. У Земли имеется лишь один естественный спутник — Луна. Она меньше Земли по диаметру всего лишь в 4 раза. У Плутона обнаружен единственный спутник — Харон, который по размерам всего лишь вдвое меньше, чем сама планета. Самые крупные спутники: Титан (спутник Сатурна) и Ганимед (третий спутник Юпитера). Они в 1,5 раза больше Луны по диаметру и немного больше Меркурия. Титан — единственный спутник, обладающий мощной атмосферой. По температуре и содержанию различных газов атмосфера Титана значительно отличается от земной, хотя она также в основном состоит из азота.

С помощью автоматических межпланетных станций удалось получить с близкого расстояния четкие фотографии спутников Марса и многих спутников Юпитера и Сатурна. На них хорошо видны многочисленные детали поверхности: кратеры, трещины, отдельные неровности. Спутники Юпитера и более далеких планет покрыты слоем льда с пылью в десятки километров толщиной. На спутнике Юпитера — И о было сфотографировано несколько действующих вулканов. Кратерами, главным образом ударного (метеоритного) происхождения, оказались покрыты все спутники, даже столь малые, как спутники Марса размером около 20 км (рис. 56).

Все спутники, для которых удалось установить вращение вокруг оси, в том числе и Луна, повернуты к своей планете всегда одной и той же стороной. Поэтому их звездные периоды вращения равны периодам их обращения вокруг своих планет, вследствие чего ни с одной планеты нельзя видеть обратную сторону этих спутников.

Четыре наибольших спутника Юпитера иногда можно разглядеть даже в призменный бинокль. В телескоп за несколько часов можно проследить, как спутники заметно перемещаются (рис. 57), иногда проходят между Юпитером и Землей, а иногда уходят за диск Юпитера или в его тень. Наблюдая периодичность этих затмений спутников, Ремер в XVII в. открыл, что скорость распространения света конечна, и установил ее числовое значение.

Многие из спутников планет интересны своим движением; например, Фобос обращается вокруг Марса втрое быстрее, чем сама планета вращается вокруг оси. Поэтому для наблюдателя на Марсе он дважды в сутки восходит на западе и дважды полностью меняет все фазы, проносясь по небосклону навстречу суточному вращению звезд. Спутники Марса близки к его поверхности. Фобос находится от поверхности Марса на расстоянии меньшем, чем диаметр планеты.

Далекие спутники Юпитера и Сатурна очень малы, и некоторые из них обращаются в сторону, противоположную вращению самой планеты. У всех спутников Урана плоскости орбит почти перпендикулярные плоскости орбиты Урана и близки к плоскости экватора планеты.

Рис. 56. Фотография Фобоса — спутника Марса, сделанная с одного из искусственных спутников.

2. Движение Луны.

Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси.

Звездный, или сидерический, месяц — это период обращения «Пуны вокруг Земли относительно звезд; синодический месяц — это период обращения Луны вокруг Земли относительно Солнца. Синодический месяц — это промежуток времени между одинаковыми фазами Луны. Звездный месяц равен 27,3 сут, а синодический месяц - 29,5 сут.

Луна L (рис. 58) проходит за сутки по своей орбите 360°: 27,313°. За 27,3 сут Земля Т вместе с Луной пройдет по своей орбите относительно Солнца дугу почти 27°. Луне, следовательно, понадобится еще около 27°: 13° сут, чтобы прийти в прежнее положение относительно Земли и Солнца. Так и получается, что синодический месяц, иначе солнечные сутки Луны, составляет около 29,5 земных суток. Следовательно, на Луне продолжительность дня равна двум земным неделям и две наши недели составляют там ночь.

Ближайшая к Земле точка эллиптической лунной орбиты называется перигеем, а наиболее удаленная — апогеем.

Схема, поясняющая смену фаз Луны, показана на рисунке 59. Когда Луна видна нам как узкий серп, остальная часть ее диска тоже слегка светится. Это явление называется пепельным светом и объясняется тем, что Земля освещает ночную сторону Луны отраженным солнечным светом.

Рис. 57. Примеры изменения расположения четырех главных спутников Юпитера за три последующих дня.

Рис. 58. Различие между звездным месяцем и синодическим месяцем.

Легко понять, что фазы Земли и Луны взаимно противоположны.

Когда Луна почти полная, Земля с Луны видна как узкий серп. На рисунке 31 представлена фотография неба и лунного горизонта с Землей, у которой видна лишь ее освещенная часть — меньше полукруга.

(см. скан)

3. Лунные и солнечные затмения.

Земля и Луна, освещенные Солнцем, отбрасывают конусы тени (сходящиеся) и конусы полутени (расходящиеся). Они изображены на рисунке 60. Когда Луна попадает в тень Земли полностью или частично, происходит полное или частное затмение Луны. С Земли оно видно одновременно отовсюду, где Луна над горизонтом. Фаза полного затмения Луны продолжается, пока Луна не начнет выходить из земной тени, и может длиться до 1 ч 40 мин. Солнечные лучи, преломляясь в атмосфере Земли, попадают в конус земной тени. При этом атмосфера сильно поглощает голубые и соседние с ними лучи (вспомните спектр), а пропускает внутрь конуса преимущественно красные лучи, которые она поглощает слабее. Вот почему Луна при большой фазе затмения окрашивается в красноватый цвет, а не пропадает совсем. В старину затмения Луны боялись как страшного предзнаменования, считали, что «месяц обливается кровью». Лунные затмения бывают до трех раз в году, разделенные почти полугодовыми промежутками, и, конечно, лишь в полнолуние.

Солнечное затмение как полное видно только там, где на Землю падает пятно лунной тени. Диаметр пятна не превышает 250 км, и поэтому одновременно полное затмение

Рис. 59. Смена лунных фаз (солнечные лучи падают снизу, вверху изображены лунные фазы, видимые с Земли).

Рис. 60. Схема затмений Луны и Солнца (масштаб рисунка не соблюдается).

Солнца видно лишь на малом участке Земли. Когда Луна перемещается по своей орбите, ее тень движется по Земле с запада на восток, вычерчивая последовательно узкую полосу полного затмения (рис. 61).

Там, где на Землю падает полутень Луны, наблюдается частное затмение Солнца (рис. 62).

Вследствие небольшого изменения расстояний Земли от Луны и Солнца видимый угловой диаметр Луны бывает то больше, то меньше солнечного, то равен ему. В первом случае полное затмение Солнца длится до 7 мин 40 с, в третьем — только одно мгновение, а во втором случае Луна вообще не закрывает Солнца целиком, наблюдается кольцеобразное затмение! Тогда вокруг темного диска Луны виден сияющий ободок солнечного диска.

На основе точного знания законов движения Земли и Луны вычислены на сотни лет вперед моменты затмений и то, где и как они будут видны. Составлены карты, на которых показаны полоса полного затмения, линии, где затмение будет видно в одинаковой фазе (изофазы), и линии, относительно которых для каждой местности можно отсчитать моменты начала, конца и середины затмения. Солнечных затмений в году для Земли может быть от двух до пяти, в последнем случае непременно частных. В среднем в одном и том же месте полное солнечное затмение бывает видно чрезвычайно редко — лишь однажды в течение 200—300 лет.

Особый интерес для науки представляют полные затмения Солнца, наводившие ранее суеверный ужас на невежественных людей. Их считали предзнаменованием войны, конца света.

Астрономы предпринимают экспедиции в полосу полного затмения, чтобы в течение секунд, редко минут полной фазы изучать внешние разреженные оболочки Солнца, невидимые непосредственно вне затмения. Во время полного солнечного затмения небо темнеет, по горизонту горит заревое кольцо — свечение атмосферы,

Рис. 61. Перемещение пятна лунной тени по Земле.

Рис. 62. Последовательность фаз частного затмения Солнца (снизу вверх из ряда в ряд).

освещенной лучами Солнца в местностях, где затмение неполное, вокруг черного солнечного диска простираются жемчужные лучи так называемой солнечной короны (см. рис. 76).

Если бы плоскость лунной орбиты совпадала с плоскостью эклиптики, каждое новолуние происходило бы солнечное, а каждое полнолуние — лунное затмение. Но плоскость лунной орбиты пересекает плоскость эклиптики под углом Поэтому Луна обычно проходит севернее или южнее плоскости эклиптики, и затмений не происходит. Лишь в течение двух периодов в году, разделенных почти полугодом, когда в полнолунии и новолунии Луна находится вблизи эклиптики, возможно наступление затмения.

Дело осложняется тем, что плоскость лунной орбиты вращается в пространстве (это один из видов возмущений в движении Луны относительно Земли, производимых притяжением Солнца). За 18 лет плоскость лунной орбиты делает полный поворот и периоды возможных затмений смещаются по датам года. Ученые древности подметили периодичность в затмениях, связанную с этим 18-летним периодом, и могли поэтому приближенно предсказывать наступление затмений. Сейчас ошибки предвычисления моментов затмений составляют менее 1 с.

Сведения о предстоящих затмениях и об условиях их видимости даются в «Школьном астрономическом календаре».

(см. скан)