ЗАТМЕ́НИЯ

Рис. 1. Расположение небесных тел при лунном (а) и солнечном (б – полном, в – кольцеобразном) затмениях.

ЗАТМЕ́НИЯ, ас­тро­но­мич. яв­ле­ния, при ко­то­рых од­ни не­бес­ные объ­ек­ты эк­ра­ни­ру­ют­ся дру­ги­ми, бо­лее близ­ки­ми к на­блю­да­те­лю. З. обу­слов­ле­ны дви­же­ни­ем не­бес­ных тел в про­стран­ст­ве и мо­гут быть пол­ны­ми или ча­ст­ны­ми, в за­ви­си­мо­сти от со­от­но­ше­ния уг­ло­вых раз­ме­ров объ­ек­тов. З. Лу­ны и спут­ни­ков др. пла­нет воз­ни­ка­ют вслед­ст­вие па­де­ния на них те­ни пла­не­ты. На ря­де пла­нет на­блю­да­ют­ся пол­ные З. Солн­ца, вы­зы­вае­мые про­хо­ж­де­ни­ем те­ни спут­ни­ка по дис­ку со­от­вет­ст­вую­щей пла­не­ты. Та­кое З. на Зем­ле вы­зы­ва­ет Лу­на, на Юпи­те­ре – че­ты­ре круп­ней­ших спут­ни­ка, на Са­тур­не – Ти­тан, на Ура­не – разл. спут­ни­ки (уг­ло­вой раз­мер да­же ма­лых спут­ни­ков Ура­на пре­вы­ша­ет уг­ло­вой раз­мер ви­ди­мо­го дис­ка Солн­ца). На Мар­се пол­ных З. Солн­ца не бы­ва­ет, т. к. те­ни от Фо­бо­са и Дей­мо­са не дос­ти­га­ют по­верх­но­сти пла­не­ты. Час­тич­ное эк­ра­ни­ро­ва­ние Солн­ца внутр. пла­не­та­ми (Мер­ку­ри­ем и Ве­не­рой) на­зы­ва­ют про­хо­ж­де­ния­ми пла­не­ты по дис­ку Солн­ца. Эк­ра­ни­ро­ва­ние звёзд или пла­нет дис­ком Лу­ны на­зы­ва­ет­ся по­кры­ти­ем звёзд или пла­нет Лу­ной. Пла­не­ты так­же мо­гут эк­ра­ни­ро­вать др. пла­не­ту или звез­ду. В сис­те­мах двой­ных и крат­ных звёзд про­ис­хо­дит эк­ра­ни­ро­ва­ние од­ной звез­ды дру­гой, что вы­зы­ва­ет ос­лаб­ле­ние их об­ще­го бле­ска. Из пе­ре­чис­лен­ных яв­ле­ний для на­блю­де­ний с Зем­ли не­воо­ру­жён­ным гла­зом дос­туп­ны лишь лун­ные (З. Лу­ны Зем­лёй) и сол­неч­ные (З. Солн­ца Лу­ной) за­тме­ния.

История наблюдений затмений

Рис. 2. Последовательные фазы полного солнечного затмения.

Ар­хео­ло­гич. ис­сле­до­ва­ния сви­де­тель­ст­ву­ют о том, что З. на­блю­да­лись на про­тя­же­нии 3 тыс. лет. Жре­цы, об­ла­дав­шие ас­тро­но­мич. зна­ния­ми, уме­ли пред­ска­зы­вать З. У всех на­ро­дов, имев­ших пись­мен­ность, сол­неч­ные и лун­ные З. за­но­си­лись в ле­то­пи­си, час­то в со­пос­тав­ле­нии с разл. ис­то­рич. со­бы­тия­ми. Так, в Ипать­ев­ской ле­то­пи­си опи­са­но сол­неч­ное З., слу­чившее­ся при вы­сту­п­ле­нии кн. Иго­ря Свя­то­сла­ви­ча в по­ход про­тив по­лов­цев. По Ка­но­нам (ка­та­ло­гам З.) лег­ко ус­та­но­вить, что это пол­ное сол­неч­ное З. 1.5.1185.

Рис. 3. «Бриллиантовое кольцо».

Мн. го­ды осн. ис­точ­ни­ком све­де­ний о З. был Ка­нон З. австр. ас­тро­но­ма Т. Оп­поль­це­ра, из­дан­ный в 1887 и со­дер­жав­ший дан­ные о 8000 сол­неч­ных З. и 5200 лун­ных З. на пе­ри­од с 1207 до н. э. по 2163 н. э. По­сле­дую­щие Ка­но­ны от­ли­ча­ют­ся гл. обр. тео­рия­ми, ле­жа­щи­ми в ос­но­ве вы­чис­ле­ний. Обоб­щён­ный опыт ра­бо­ты не­сколь­ких по­ко­ле­ний рос. ас­тро­но­мов пред­став­лен в «Ка­но­не сол­неч­ных З. для Рос­сии, 1000–2050» М. В. Лу­ка­шо­вой и Л. И. Ру­мян­це­вой, опубл. в 2002. Под­роб­ные дан­ные об ус­ло­ви­ях ви­ди­мо­сти сол­неч­ных и лун­ных З. по­ме­ща­ют­ся в еже­год­ни­ках ас­тро­но­ми­че­ских и спец. бюл­ле­те­нях НАСА.

Причины наступления затмений

Рис. 4. Вид горизонта при полном солнечном затмении (29 марта 2006, Кавказ). Фото А. О. Юферева

Зем­ля во­круг Солн­ца и Лу­на во­круг Зем­ли дви­жут­ся по эл­лип­тич. ор­би­там, а ви­ди­мые уг­ло­вые раз­ме­ры Солн­ца и Лу­ны близ­ки и пе­рио­ди­че­ски из­ме­ня­ют­ся в пре­де­лах от 29′20′′f до 33′30′′f для Лу­ны и от 31′30′′f до 32′30′′f для Солн­ца. Плос­кость лун­ной ор­би­ты на­кло­не­на к плос­ко­сти ор­би­ты Зем­ли под уг­лом ок. 5°9′.

Лун­ные З. воз­ни­ка­ют по­то­му, что ко­нус те­ни Зем­ли $S$ в мес­те пе­ре­се­че­ния им лун­ной ор­би­ты име­ет по­пе­реч­ник, пре­вы­шаю­щий диа­метр Лу­ны в ср. в 2,7 раза (рис. 1, а). Лун­ные З. дос­та­точ­но про­дол­жи­тель­ны: до 3,8 ч, в сред­нем 2 ч. Та­кие З. про­ис­хо­дят толь­ко во вре­мя пол­но­лу­ний, при­чём Лу­на долж­на на­хо­дить­ся в об­лас­ти, про­сти­раю­щей­ся до 11° в обе сто­ро­ны от ка­ж­до­го уз­ла ор­би­ты.

Пол­ное сол­неч­ное З. воз­мож­но бла­го­да­ря двум об­стоя­тель­ст­вам: ви­ди­мые уг­ло­вые раз­ме­ры Лу­ны бы­ва­ют боль­ше ви­ди­мых уг­ло­вых раз­ме­ров Солн­ца и во вре­мя но­во­лу­ний Солн­це, Лу­на и Зем­ля мо­гут на­хо­дить­ся на од­ной пря­мой. Пол­ное сол­неч­ное З. про­ис­хо­дит на Зем­ле в ср. 1 раз в 1,5 го­да, а в од­ном и том же мес­те Зем­ли – 1 раз в 300 лет. Че­рез 1 млрд. лет пол­ные сол­неч­ные З. на Зем­ле пре­кра­тят­ся: вслед­ст­вие при­лив­но­го взаи­мо­дей­ст­вия с Зем­лёй Лу­на еже­год­но уда­ля­ет­ся от Зем­ли на 3 см, со­от­вет­ст­вен­но уг­ло­вые раз­ме­ры Лу­ны по­сте­пен­но умень­ша­ют­ся. Сол­неч­ные З. на­блю­да­ют­ся толь­ко при но­во­лу­ни­ях. В дан­ном мес­те Зем­ли это яв­ле­ние дос­та­точ­но ред­кое, т. к. Лу­на мо­жет от­хо­дить от плос­ко­сти эк­лип­ти­ки на 5°, что в 10 раз боль­ше ви­ди­мых уг­ло­вых раз­ме­ров Солн­ца и Лу­ны. Вбли­зи ка­ж­до­го из уз­лов име­ет­ся зо­на сол­неч­ных З., про­сти­раю­щая­ся по эк­лип­ти­ке на 16–18° в обе сто­ро­ны от уз­ла.

Сол­неч­ные З. мо­гут быть раз­ных ти­пов. Ча­ст­ное З. – ко­нус лун­ной те­ни не всту­па­ет на Зем­лю, по по­верх­но­сти Зем­ли про­хо­дит лишь лун­ная по­лу­тень в об­лас­ти $S_3$; сол­неч­ный диск за­крыт лишь с од­но­го края. Пол­ное З. – по по­верх­но­сти Зем­ли про­хо­дит лун­ная тень об­ла­стью ко­ну­са те­ни $S_1$ (рис. 1, б); на ко­рот­кое вре­мя сол­неч­ный диск за­кры­ва­ет­ся пол­но­стью. Коль­це­об­раз­ное З. – по Зем­ле про­хо­дит лун­ная тень об­ла­стью ко­ну­са те­ни $S_2$ (рис. 1, в); ос­та­ёт­ся от­кры­той уз­кая по­ло­са вдоль края сол­неч­но­го дис­ка. Коль­це­об­раз­но-пол­ное З. – вер­ши­на ко­ну­са те­ни про­хо­дит близ­ко к по­верх­но­сти Зем­ли; в об­лас­ти $S_1$ на­блю­да­ет­ся пол­ное З., в об­лас­ти $S_2$ – коль­цео­об­раз­ное. Не­цен­траль­ное пол­ное З. – ана­лог пол­но­го З., но ось ко­ну­са те­ни не всту­па­ет на Зем­лю. Не­цен­траль­ное коль­це­об­раз­ное З. – ана­лог коль­це­об­раз­но­го З., но ось ко­ну­са те­ни не всту­па­ет на Зем­лю.

Периодичность затмений

Сол­неч­ные и лун­ные З. про­ис­хо­дят груп­па­ми. Ес­ли сол­неч­ные З. про­изош­ли во вре­мя двух по­сле­до­ва­тель­ных но­во­лу­ний на кра­ях об­лас­ти З., то про­ме­жу­точ­ное пол­но­лу­ние обя­за­тель­но долж­но со­про­во­ж­дать­ся лун­ным З. Наи­боль­шее чис­ло З. в го­ду рав­но се­ми: из них 5 сол­неч­ных и 2 лун­ных (что на­блю­да­лось, напр., в 1935) или 4 сол­неч­ных и 3 лун­ных (1917). Наи­мень­шее чис­ло З. в го­ду рав­но двум, оба обя­за­тель­но сол­неч­ные (напр., 1933). На­сту­п­ле­ние сол­неч­ных З. за­ви­сит от трёх пе­рио­дов: сме­ны лун­ных фаз (си­но­ди­че­ский ме­сяц, $S$ = 29,25–29,83 сут), воз­вра­ще­ния Лу­ны к од­но­му из лун­ных уз­лов (дра­ко­ни­че­ский ме­сяц, $S_D$ = 27,21 сут) и воз­вра­ще­ния Солн­ца к од­но­му и то­му же уз­лу (дра­ко­ни­че­ский год, $T_D$ = 346,6 сут). Ме­ж­ду эти­ми пе­рио­да­ми су­ще­ст­ву­ет близ­кая со­из­ме­ри­мость: 223 $S$= 6585,32 сут; 224 $S_D$ = 6585,36 сут; 19 $T_D$ = 6585,78 сут. Пе­ри­од в 6585,3 сут (ок. 18 лет) на­зы­ва­ет­ся са­рос. Все З., ко­то­рые име­ли ме­сто в те­че­ние са­ро­са, по­вто­ря­ют­ся в те­че­ние сле­дую­щих са­ро­сов в преж­ней по­сле­до­ва­тель­но­сти. Дроб­ное чис­ло су­ток в са­ро­се объ­яс­ня­ет тот факт, что ана­ло­гич­ные З., про­ис­хо­дя­щие че­рез 6585,3 сут, на­блю­да­ют­ся в др. мес­те Зем­ли: за 0,3 сут Зем­ля по­вер­нёт­ся во­круг оси на 120°, по­это­му и лун­ная тень про­бе­жит на 120° за­пад­нее.

Наблюдения затмений

Тень, от­бра­сы­вае­мая Лу­ной и Зем­лёй, не име­ет рез­кой гра­ни­цы вслед­ст­вие то­го, что Солн­це об­ла­да­ет зна­чи­тель­ны­ми уг­ло­вы­ми раз­ме­ра­ми. Мо­мен­ты на­сту­п­ле­ния лун­ных З. вы­ра­же­ны не­чёт­ко. По­тем­не­ние Лу­ны, вы­зы­вае­мое по­лу­те­нью, про­ис­хо­дит мед­лен­но, поч­ти не­за­мет­но для гла­за. Во вре­мя З. Лу­на обыч­но про­дол­жа­ет быть сла­бо ви­ди­мой, что объ­яс­ня­ет­ся ос­ве­ще­ни­ем Лу­ны све­том, от­ра­жён­ным от зем­ной ат­мо­сфе­ры. Яр­кость и цвет дис­ка Лу­ны (ча­ще все­го крас­но-бу­рый) оп­ре­де­ля­ют­ся со­стоя­ни­ем зем­ной ат­мо­сфе­ры. Лун­ные З. вид­ны од­но­вре­мен­но на всём по­лу­ша­рии Зем­ли, где Лу­на на­хо­дит­ся над го­ри­зон­том, по­это­му в дан­ном мес­те они на­блю­да­ют­ся дос­та­точ­но час­то.

Наи­боль­шей фа­зой сол­неч­но­го З. на­зы­ва­ют до­лю диа­мет­ра Солн­ца, по­кры­то­го лун­ным дис­ком. Мо­мен­ты ка­са­ния ви­ди­мых дис­ков Лу­ны и Солн­ца на­зы­ва­ют­ся кон­так­та­ми: $T_1$ и $T_4$ – мо­мен­ты внеш­них ка­са­ний, со­от­вет­ст­вую­щие на­ча­лу и кон­цу ча­ст­ных фаз, $T_2$ и $T_3$ – мо­мен­ты внутр. ка­са­ний, со­от­вет­ст­вую­щие на­ча­лу и кон­цу пол­ной фа­зы З. При­мер­но ²/₃ сол­неч­ных З. – ча­ст­ные. За 1 год мо­жет про­изой­ти 5 сол­неч­ных З., но в этом слу­чае все они бу­дут ча­ст­ны­ми; ми­ним. чис­ло сол­неч­ных З. в го­ду – 2, и оба они мо­гут быть пол­ны­ми (напр., З. 17 апр. и 10 окт. 1912).

Пол­ное сол­неч­ное З. пред­став­ля­ет со­бой впе­чат­ляю­щее зре­ли­ще. Лун­ная тень про­хо­дит по Зем­ле с за­па­да на вос­ток со ско­ро­стью по­ряд­ка 1 км/с, про­чер­чи­вая по­ло­су ши­ри­ной ме­нее 270 км. Зап. и вост. гра­ни­цы ви­ди­мо­сти З. на Зем­ле фор­ми­ру­ют об­лас­ти, в ко­то­рых на­ча­ло и ко­нец З. на­блю­да­ют­ся при вос­хо­де и за­хо­де Солн­ца. Чёр­ное пят­но лун­ной те­ни ок­ру­же­но ши­ро­кой раз­мы­той по­лу­те­нью диа­мет­ром ок. 7000 км, оп­ре­де­ляю­щей ре­гио­ны ча­ст­но­го З. на Зем­ле. Макс. про­дол­жи­тель­ность пол­ной фа­зы дос­ти­га­ет­ся в эк­ва­то­ри­аль­ных об­лас­тях и со­став­ля­ет 7,5 мин, ча­ст­но­го З. – ок. 3,5 ч.

По­сле­до­ва­тель­ные фа­зы пол­но­го сол­неч­но­го З. (рис. 2) по­ка­зы­ва­ют умень­ше­ние ши­ри­ны яр­ко­го сол­неч­но­го сер­па до пол­но­го ис­чез­но­ве­ния. За неск. се­кунд до на­сту­п­ле­ния пол­ной фа­зы на­блю­да­ет­ся т. н. брил­ли­ан­то­вое коль­цо (рис. 3): на фо­не тём­но­го дис­ка, очер­чен­но­го тон­кой свет­лой по­ло­сой, сия­ет по­след­ний от­кры­тый уча­сток сол­неч­ной по­верх­но­сти. При пол­ной фа­зе на по­тем­нев­шем не­бе (ос­ве­щён­ность мо­жет сни­жать­ся до уров­ня ас­тро­но­мич. су­ме­рек) по­яв­ля­ют­ся наи­бо­лее яр­кие звёз­ды и пла­не­ты, а во­круг лим­ба (края) Лу­ны вспы­хи­ва­ет се­реб­ри­сто-жем­чуж­ное сия­ние сол­неч­ной ко­ро­ны. Вбли­зи кон­так­тов $T_2$ и $T_3$ над вост. и зап. лим­бом Солн­ца на неск. се­кунд вспы­хи­ва­ет тон­кая пур­пур­ная по­лос­ка хро­мо­сфе­ры Солн­ца. Во вре­мя пол­ной фа­зы во внутр. об­лас­тях ко­ро­наль­но­го про­стран­ст­ва на­блю­да­ют­ся пур­пур­ные про­ту­бе­ран­цы, цвет ко­то­рых в осн. обу­слов­лен све­че­ни­ем в крас­ной и го­лу­бой ли­ни­ях ней­траль­но­го во­до­ро­да. На ви­ди­мом дис­ке Лу­ны вид­ны де­та­ли лун­ной по­верх­но­сти, ос­ве­щён­ные све­том, от­ра­жён­ным от днев­ной сто­ро­ны Зем­ли. Вдоль го­ри­зон­та мо­жет на­блю­дать­ся оран­же­во-ли­мон­ное за­ре­вое коль­цо (рис. 4). По окон­ча­нии пол­ной фа­зы вновь по­яв­ля­ет­ся сер­по­вид­ный край Солн­ца и З. пе­ре­хо­дит в ча­ст­ную фа­зу, ко­то­рая длит­ся ме­нее 1,5 ч.

С по­яв­ле­ни­ем сверх­зву­ко­вых са­мо­лётов, ско­рость ко­то­рых дос­ти­га­ет ско­ро­сти дви­же­ния лун­ной те­ни по зем­ной по­верх­но­сти, от­кры­лась воз­мож­ность зна­чит. уве­ли­че­ния дли­тель­но­сти на­блю­де­ния пол­ной фа­зы З. Во вре­мя сол­неч­но­го З. 30.6.1973 про­дол­жи­тель­ность пол­ной фа­зы для на­блю­да­те­лей на бор­ту анг­ло-франц. сверх­зву­ко­во­го са­мо­лё­та «Кон­корд», про­ле­тев­ше­го вдоль б. ч. по­ло­сы пол­ной фа­зы, со­ста­ви­ла поч­ти пол­то­ра ча­са.

На­блю­де­ние Солн­ца не­воо­ру­жён­ным гла­зом ве­дёт к по­те­ре зре­ния, по­это­му ча­ст­ные фа­зы З. на­блю­да­ют сквозь спец. фильт­ры (ос­лаб­ляю­щие свет Солн­ца в 10–100 тыс. раз), ко­то­рые уда­ля­ют толь­ко по­сле мо­мен­та вто­ро­го кон­так­та $T_2$.

Значение затмений

На­блю­де­ния З. по­зво­ля­ют ус­та­нав­ли­вать да­ты ис­то­рич. со­бы­тий, кор­рек­ти­ро­вать их по­сле­до­ва­тель­ность, со­пос­тав­лять разл. сис­те­мы ле­то­счис­ле­ния с совр. ка­лен­да­рём. З. спут­ни­ков Юпи­те­ра в про­шлом ис­поль­зо­ва­лись для оп­ре­де­ле­ния ско­ро­сти све­та и гео­гра­фич. дол­гот. На­блю­де­ния З. да­ют ин­фор­ма­цию об эво­лю­ции ор­бит Зем­ли и Лу­ны, о вра­ще­нии Зем­ли, фи­зи­ке Солн­ца, Зем­ли и Лу­ны. На­блю­де­ния лун­ных З. мо­гут дать све­де­ния о строе­нии верх­них сло­ёв зем­ной ат­мо­сфе­ры. Яв­ле­ния, со­про­во­ж­даю­щие пол­ное сол­неч­ное З., важ­ны так­же для фи­зи­ки меж­пла­нет­ной сре­ды, по­ис­ка под­твер­жде­ний тео­рии от­но­си­тель­но­сти, гра­ви­та­ци­он­ных ис­сле­до­ва­ний. Све­де­ния о сол­неч­ной ко­ро­не, по­лу­чен­ные во вре­мя пол­ных сол­неч­ных З., лег­ли в ос­но­ву кон­цеп­ции кор­пус­ку­ляр­но­го из­лу­че­ния Солн­ца, раз­ви­той в сер. 20 в. Лю­би­тель­ские на­блю­де­ния пол­ных сол­неч­ных З. иг­ра­ют су­ще­ст­вен­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии на­уч. ми­ро­воз­зре­ния об­ще­ст­ва, хотя воз­мож­ность для та­ких на­блю­де­ний пре­до­став­ля­ет­ся край­не ред­ко (см. карту).

Зна­че­ние пол­ных сол­неч­ных З. в ис­сле­до­ва­нии Солн­ца и от­но­си­тель­но про­стая гео­мет­рия этих яв­ле­ний при­ве­ли к идее соз­да­ния ис­кус­ст­вен­ных З. Солн­ца: в 1930-х гг. франц. ас­тро­ном Б. Лио пред­ло­жил те­ле­скоп, по­лу­чив­ший на­зва­ние ко­ро­но­гра­фа Лио. Эти ин­ст­ру­мен­ты, ус­та­нов­лен­ные на вы­со­ко­гор­ных об­сер­ва­то­ри­ях, по­зво­ли­ли про­вес­ти ис­сле­до­ва­ния внутр. об­лас­тей сол­неч­ной ко­ро­ны. С 1960-х гг. на бор­ту кос­мич. об­сер­ва­то­рий ра­бо­та­ют ко­ро­но­гра­фы, в ко­то­рых ис­поль­зу­ют­ся спец. эк­ра­ны, вы­пол­няю­щие роль ис­кусств. Лу­ны. Экс­пе­ри­мент «Ис­кус­ст­вен­ное сол­неч­ное за­тме­ние», пред­ло­жен­ный сов. учё­ны­ми Г. М. Ни­коль­ским и А. И. Си­мо­но­вым, был ус­пеш­но реа­ли­зо­ван в 1975 во вре­мя со­вме­ст­но­го по­лё­та кос­мич. ко­раб­лей «Апол­лон» и «Со­юз». Ко­рабль «Апол­лон», по­пе­реч­ное се­че­ние ко­то­ро­го в пер­вом при­бли­же­нии име­ло фор­му кру­га, иг­рал роль Лу­ны для на­блю­да­те­лей, на­хо­див­ших­ся на ко­раб­ле «Со­юз». Ре­зуль­та­ты про­грам­мы сти­му­ли­ро­ва­ли под­го­тов­ку бу­ду­щих экс­пе­ри­мен­тов по мо­де­ли­ро­ва­нию ис­кусств. сол­неч­ных З. в кос­мо­се.