ЗАТМЕ́НИЯ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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
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.
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
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.