АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 1. Космографія

Розділ II. Рух небесних світил та основи практичної космографії

Тема 1.2. Видимі рухи світил

§ 8. Видимі рухи Сонця, Місяця, планет

Вступ

Окрім зір, на небесній сфері людина здавна спостерігала Сонце, Місяць і п’ять планет. Видимі рухи цих світил на тлі «нерухомих» зір дуже довго лишалися для неї таємницею. Намагання їх пояснити спонукали не лише до регулярних спостережень, але й привели до появи перших теоретичних уявлень в астрономії.

Цілі вивчення § 8

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти причини річного руху Сонця, видимих рухів Місяця і планет по небесній сфері; поняття екліптики; екліптичні (зодіакальні) сузір’я; різницю між зодіакальним сузір’ям і знаком Зодіака; фази Місяця та причину їх появи; причину місячних та сонячних затемнень; поділ планет Сонячної системи на нижні та верхні; назви планетних конфігурацій;

• уміти пояснювати особливості добового руху світил на різних географічних широтах; розрізняти небесні світила по їхньому вигляду на зоряному небі; пояснювати умови видимості планет у різних конфігураціях та видимий петлеподібний рух планет; показати планети Сонячної системи, видимі неозброєним оком;

• виявляти ставлення й оцінювати астрономічні явища, які можна спостерігати на небесній сфері.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Повторити поняття небесна сфера, згадати її лінії і точки, системи небесних координат. Повторити матеріал § 7 першої частини навчального посібника.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Найпомітніші для спостерігача небесні світила (Сонце, Місяць, планети) здійснюють рухи на небесній сфері, що приводить до появи різних явищ. Наприклад, затемнень Сонця і Місяця,

зміни місячних фаз, умов видимості планет тощо. Такі астрономічні явища треба вміти пояснювати кожній освіченій людині, але для цього треба знати причини, що їх викликають. Ці причини доволі прості і спричинені рухом Землі навколо Сонця, а також особливостями взаємного просторового розміщення небесних тіл, спостережуваними з поверхні Землі.

Пояснювальний текст

Вигляд зоряного неба від вечора до вечора невпинно змінюється. Зокрема, зорі, які навесні прямо після заходу Сонця сходили на сході, через три місяці на цю ж пору доби проходять через небесний меридіан в його південній частині. А ще через три місяці зникають у вечірній заграві на заході. Дуже давно люди помітили рух Місяця на тлі нерухомих зір — для цього достатньо спостерігати його поспіль протягом кількох вечорів. Давнім є висновок про те, що Сонце і планети також мають власний рух на небесній сфері. Особливо незрозумілими для наших пращурів були петлеподібні переміщення планет.

1. Видимий річний рух Сонця. Зміна вигляду нічного неба впродовж 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 у два своїх кутових діаметри (0,5°). Цей відрізок стародавні астрономи називали «кроком» Сонця. Враховуючи те, що таких «кроків» у повному колі вміщується приблизно 360, з часом закріпилося правило ділити коло 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 як тільки Місяць у своєму русі навколо Землі перетне екліптику в повню, настає затемнення Місяця. Якщо він перетинає екліптику у фазі нового Місяця, відбувається 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.

Рис. 8.1. Екліптика на небесній сфері.

На зоряному небі екліптика проходить через 13 сузір’їв (Додаток 1), які в давнину отримали переважно назви тварин (грецьке «зоон»). Тому весь пояс сузір’їв називають Зодіаком (до зодіакального кола не потрапив Змієносець, тринадцяте сузір’я, через яке також пролягає річний шлях Сонця небесною сферою).

Для зручності відліку положення Сонця на екліптиці (а також для визначення положень Місяця і планет) астрономи Давнього Вавилону розділили екліптику на 12 рівних відрізків по 30°. Кожний із цих відрізків, які називають знаками Зодіака, отримав назву того зодіакального сузір’я, в межах якого він пролягав на той час.

Отже, знак Зодіака — це дуга екліптики протяжністю в 30°, позначена назвою відповідного 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.

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.

Рис. 8.2. Проходження Сонця сузір’ями Зодіаку.

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 (близько 1°1' за добу) а найповільніше — близько 4 липня (57' за добу). Тому весна і літо тривають 186 діб, а осінь і зима — 179 діб

Видимий діаметр сонячного диска також неоднаковий протягом року. Найбільший (32,5') він тоді, коли швидкість Сонця найбільша, тобто в січні, а найменший (31,5') — в липні. Це означає, що відстань до Сонця взимку менша, ніж улітку.

Зміна відстані від Землі до Сонця протягом року вказує на те, що Сонце міститься не в центрі земної орбіти. Насправді орбіта Землі — не коло, а еліпс, і Сонце лежить в одному з його фокусів. Рух Землі по орбіті не рівномірний: він тим швидший, що ближча Земля до Сонця. Точку, в якій Земля перебуває найближче до Сонця, називають перигелієм. Цю точку Земля проходить 3 січня. Протилежну точку, в якій Земля перебуває найдалі від Сонця, називають афелієм. Через афелій Земля проходить 4 липня.

Внаслідок гравітаційних збурень точки перигелію й афелію дещо зміщуються вздовж орбіти Землі, тому вказані дати проходження Землі через перигелій і афелій є тільки середніми для нашої епохи. Моменти мінімальної відстані Землі до Сонця в різні роки припадають на дні з 2 по 5 січня, а моменти найбільшої відстані — з 1 по 5 липня.

Добовий рух Сонця на різних широтах упродовж року, як і рух інших світил (ч. 1, § 6, п. 1), відбувається по-різному. На полюсах Сонце перебуває над горизонтом увесь той час, поки воно лежить над небесним екватором. Наприклад, на північному полюсі Сонце сходить близько 21 березня, досягає найбільшої висоти (23°27') 22 червня і близько 23 вересня заходить Таким чином, на полюсі півроку триває день і півроку ніч. При цьому внаслідок добового руху воно весь час описує кола, майже паралельні горизонту, отже, його видимий шлях по небу за півроку має вигляд гвинтової лінії з дуже малим кроком — три місяці Сонце щодня піднімається над обрієм на 7,7', а наступні три місяці щодня опускається на таку саму величину.

На екваторі Землі всі світила, зокрема й Сонце, перебувають 12 годин над горизонтом і 12 годин під горизонтом. Отже, там день завжди дорівнює ночі. Двічі на рік, 21 березня і 23 вересня, Сонце опівдні буває в зеніті. На найменшій полуденній висоті 90° - 23°27' = 66°33' Сонце буває 22 червня (на північ від зеніту) і 22 грудня (на південь від зеніту).

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. Загалом поділ земної кулі на географічні пояси пов’язаний з кількістю сонячного тепла, що потрапляє на поверхню Землі протягом року.

Рис. 8.3. Видимий річний рух Сонця — це відображення руху Землі навколо Сонця.

Проблемне питання

Особливості добового руху Сонця на різних широтах, розглянуті вище, мають місце якщо припустити, що Сонце — світна точка, а не диск, і що земна атмосфера не заломлює внаслідок явища рефракції (з лат. refractio — заломлення) й не відбиває світлових променів, тобто атмосфера фактично відсутня. Але Земля має атмосферу, а спостерігач на поверхні Землі бачить Сонце у вигляді диска.

Заломлення світлових променів в атмосфері (а надто біля горизонту) приводить до того, що світила видно вище від їх справжнього положення. Наприклад, Сонце на полюсі сходить на кілька днів раніше, ніж настає 21 березня, і заходить на кілька днів пізніше, ніж настає 23 вересня. Так само на полярних колах Сонце в дні сонцестоянь опівдні (зимове сонцестояння) й опівночі (літнє сонцестояння) перебуває над горизонтом (у північній півкулі), хоча має лише дотикатися до нього. Крім того, Сонце — диск, і за момент його сходу й заходу природно вважати появу і зникнення верхнього краю диска Сонця, а не його центра. Тому світловий день є трохи довшим, ніж насправді.

Після заходу Сонця ніч починається не одразу, а настають лише присмерки. Повна темрява настає, коли Сонце опускається під горизонт приблизно на 17°. Явище присмерків пов’язане з тим, що Земля має атмосферу і є кулею, тобто її поверхня опукла. Тому Сонце, що зайшло для спостерігача, ще освітлює верхні шари земної атмосфери, подовжуючи денну частину доби за рахунок нічної. З тієї ж причини настають і ранкові присмерки.

2. Видимий рух Місяця, затемнення Сонця та Місяця. Найяскравіше світило нічного неба — Місяць. І вже кілька тисяч років тому було відомо, що Місяць рухається зоряним небом у тому ж напрямку, що й Сонце, — проти обертання небесної сфери, але швидше за нього. Було також відомо, що висота Місяця над обрієм під час перетину ним меридіана змінюється впродовж року, і що рухається він серед зір по великому колу, нахиленому до екліптики під кутом майже 6°. Проміжок часу в 27,3 доби, за який Місяць завершує по небу повний оберт, назвали сидеричним місяцем (з лат. sideris — зоря). Кутова швидкість видимого добового зміщення Місяця серед зір становить трохи більше 13°.

Спостерігаючи рух Місяця, легко помітити, як змінюється його видима форма — фази. Така зміна є наслідком того, що змінюється положення Місяця відносно Землі й Сонця. Фази Місяця поступово переходять одна в одну в такій послідовності: новий Місяць (знак — Місяця на небі не видно; перша чверть (знак — Місяць має вигляд півкруга опуклістю на захід; повня (знак — Місяць видно як повний круг; остання чверть (знак — Місяць має вигляд півкруга опуклістю на схід). Проміжок часу, за який змінюються всі фази Місяця, називається синодичним місяцем (від грец. synodos — збори, з’єднання). Він триває близько 29,53 доби.

Рис. 8.4. Рух Місяця навколо Землі. Фази Місяця.

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. Насправді через нахил площини місячної орбіти до площини земної орбіти Місяць не завжди перетинає лінію екліптики у тому ж 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. 8.6. Смуга повного сонячного затемнення на поверхні Землі.

Сонячне затемнення відбувається тоді, коли тінь від Місяця потрапляє на поверхню Землі. Його спостерігають по-різному в різних точках земної поверхні. Диск Сонця буде повністю закритим тільки для спостерігача, який перебуває всередині місячної тіні, середнє значення діаметра якої на поверхні Землі — 100 км. У цій вузькій зоні можна спостерігати повне сонячне затемнення (рис. 8.6).

Рис. 8.5. Орбіти Землі та Місяця. Вузли місячної орбіти.

На ділянках земної поверхні, куди падає півтінь від Місяця, всередині конуса місячної півтіні, можна спостерігати часткове сонячне затемнення.

Орбіта Землі Орбіта Місяця

Рис. 8.7. Схема сонячного затемнення (а) та тінь і півтінь сонячного затемнення на поверхні Землі (б).

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 з заходу на схід, утворюючи смугу в кілька тисяч кілометрів завдовжки і найбільше в 270 км завширшки. Повна фаза затемнення, коли Сонце повністю закрите диском Місяця, триває не більше 7,5 хв. Кожного року на земній кулі обов’язково відбувається два сонячних затемнення. За хорошого збігу обставин їх може бути навіть 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. Якщо Сонце й Місяць зміщуються серед зір у напрямку, протилежному до видимого добового обертання небесної сфери, то деякі планети рухаються то проти добового обертання, то за ним. Рух проти добового обертання називають прямим, рух у напрямі добового обертання називають зворотним. При цьому планети описують петлі на зоряному небі. Змінюючи прямий рух на зворотний і навпаки, планета наче зупиняється — таке її положення називають стоянням.

Відповідно до видимого руху планет на небесній сфері їх поділяють на верхні й нижні. Нижніми планетами є Меркурій і Венера. Їх можна спостерігати тільки вранці перед сходом Сонця у східній частині неба або увечері після його заходу у західній частині. Видиму кутову віддаль на небі між планетою й Сонцем називають елонгацією (з пізньолат. elongatio, від elongo — віддаляюся, віддалення). Елонгація може бути західною — планету видно вранці, і вона перебуває на захід від Сонця, і східною — планету видно увечері, і вона перебуває на схід від Сонця. У Меркурія та Венери елонгація змінюється в певних межах: найбільші її значення для Меркурія коливаються від 18° до 28°, а для Венери — від 43° до 48°.

Рис. 8.8. Нижні планети і рух нижньої планети на зоряному небі.

Видимі рухи верхніх планет, якими є Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, а також всіх 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.

Рис. 8.9. Видимий рух верхньої планети на зоряному небі.

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 δΘСонця в дні рівнодення дорівнює 0°, а висота h — 90°, тому 90° = 0° + (90° - φ), звідки φ = 0°. Для умови б) h = 90°, а δΘ= 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

• Покажіть за допомогою малюнка просторове розміщення Сонця, Землі й Місяця під час сонячного й місячного затемнень.

• 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.

Практична робота

Визначення висоти Сонця над горизонтом з допомогою гномона.

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.

Запитання для самоперевірки

1. За який час Сонце здійснює повний оберт по екліптиці?

2. Яку кількість сузір’їв налічує Зодіак?

3. Що є причиною зміни зовнішнього вигляду Місяця на небі?

4. Поясніть, чому відбуваються сонячні затемнення?

5. Поясніть причину місячних затемнень.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 8

Додатки

Додаток 1

Зодіакальні сузір’я

Сузір’я

Позначення сузір’я

Період перебування Сонця в сузір’ї

Стрілець

i

18 грудня — 19 січня

Козоріг

 

19 січня — 16 лютого

Водолій

k

16 лютого — 12 березня

Риби

l

12 березня — 18 квітня

Овен

a

18 квітня — 14 травня

Телець

b

14 травня — 21 червня

Близнюки

c

21 червня — 20 липня

Рак

d

20 липня — 11 серпня

Лев

e

11 серпня — 17 вересня

Діва

f

17 вересня — 31 жовтня

Терези

g

31 жовтня — 22 листопада

Скорпіон

h

22 листопада — 30 листопада

З 30 листопада по 18 грудня Сонце перебуває в сузір’ї Змієносця, яке до зодіакальних не зараховують.

За результатами вивчення §8 Ви маєте:

знати й розуміти

причини річного руху Сонця, видимих рухів Місяця і планет по небесній сфері; поняття екліптики; екліптичні (зодіакальні) сузір’я; різницю між зодіакальним сузір’ям і знаком Зодіака; фази Місяця та причину їх появи; причину місячних та сонячних затемнень; поділ планет Сонячної системи на нижні та верхні; назви планетних конфігурацій.

уміти

пояснити особливості добового руху світил на різних географічних широтах;

розрізняти небесні світила по їх вигляду на зоряному небі; пояснити умови видимості планет у різних конфігураціях та видимий петлеподібний рух планет;

показати планети Сонячної системи, видимі неозброєним оком.

виявляти ставлення й оцінювати

астрономічні явища, які можете спостерігати на небесній сфері.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.