С самых древних времен человечество интересовали видимые движения небесных тел: Солнца, Луны и звезд. Трудно представить себе Наша собственная Солнечная система кажется слишком большой, протянувшись более чем на 4 триллиона миль от Солнца. А между тем Солнце - это всего лишь одна сотая миллиарда от других звезд, которые составляют галактику Млечный Путь.
Млечный Путь
Сама галактика представляет собой громаднейшее колесо, которое вращается, из газа, пыли и более 200 миллиардов звезд. Между ними простираются триллионы миль пустого пространства. Солнце закрепилось на окраине галактики, по форме напоминающей спираль: сверху Млечный Путь смотрится как огромный вращающийся ураган из звезд. По сравнению с размерами галактики, Солнечная система чрезвычайно мала. Если представить, что Млечный Путь величиной с Европу, то Солнечная система будет не больше по размерам, чем грецкий орех.
Солнечная система
Солнце и его 9 планет - спутников разбросаны в одном направлении от центра галактики. Как планеты совершают обороты вокруг своих звезд, так же и звезды обращаются вокруг галактик.
Солнцу понадобится около 200 миллионов лет при скорости 588000 миль в час для того, чтобы сделать полный оборот вокруг этой галактической карусели. Ничем особенным наше Солнце не отличается от других звезд, кроме того, что у него есть спутник, планета под названием Земля, населенная жизнью. Вокруг Солнца по своим орбитам вращаются планеты и небесные тела поменьше, которые называются астероидами.
Первые наблюдения светил
Человек наблюдает видимые движения небесных тел и космические явления уже как минимум 10000 лет. Впервые записи в летописях о небесных телах появились в древнем Египте и Шумере. Египтяне умели различать на небе три типа тел: звезды, планеты и "звезды с хвостами". Тогда же были обнаружены небесные тела: Сатурн, Юпитер, Марс, Венера, Меркурий и, конечно, Солнце, и Луна. Видимые движения небесных тел - это созерцаемое с Земли передвижение этих объектов относительно системы координат, независимо от суточного вращения. Настоящее движение - движение их в космическом пространстве, определяемое действующими на эти тела силами.
Видимые галактики
Глядя в ночное небо, можно увидеть нашу ближайшую соседку - - в виде спирали. Млечный путь, несмотря на его размеры, всего лишь одна из 100 миллиардов галактик в космосе. Без использования телескопа можно увидеть три галактики и часть нашей. Две из них имеют названия Большое и Малое Магелланово облако. Впервые они были увидены в южных водах в 1519 году экспедицией португальского исследователя Магеллана. Эти небольшие галактики совершают обороты вокруг Млечного пути, поэтому являются нашими самыми близкими космическими соседями.
Третья видимая с Земли галактика, Андромеда, отдалена от нас примерно 2 миллионами световых лет. Это значит, что звездный свет Андромеды проходит миллионы лет, чтобы приблизиться к нашей Земле. Таким образом, мы созерцаем эту галактику такой, какой она была 2 миллиона лет назад.
Помимо этих трех галактик ночью можно увидеть часть Млечного пути, представленного множеством звезд. По мнению древних греков, эта группа звезд - молоко из груди богини Геры, отсюда и происходит название.
Видимые планеты с Земли
Планеты - это небесные тела, обращающиеся вокруг Солнца. Когда мы наблюдаем Венеру, светящуюся в небе, то это происходит от того, что она освещается Солнцем и отбивает часть солнечного света. Венера - это Вечерняя звезда или Утренняя звезда. Люди называют ее по-разному, потому что вечером и утром она находится в разных местах.
Как планета Венера вращается вокруг Солнца и меняет свое местонахождение. На протяжении суток происходит видимое движение небесных тел. Система небесных координат не только помогает разобраться в местоположении светил, но и позволяет составлять звездные карты, ориентироваться в ночном небе по созвездиям и изучать поведение небесных объектов.
Законы движения планет
Соединяя воедино наблюдения и теории о движении небесных тел, люди вывели закономерности нашей галактики. Открытия ученых помогли расшифровать видимые движения небесных тел. открытые были одними из первых астрономических законов.
Немецкий математик и астроном стал первооткрывателем данной темы. Кеплер, изучив работы Коперника, вычислил для орбит самую лучшую форму, разъясняющую видимые движения небесных тел - эллипс, и довел закономерности передвижения планет, известные в научном мире как законы Кеплера. Два из них характеризуют передвижение планеты по орбите. Они гласят:
Любая планета вращается по эллипсу. В одном из фокусов его присутствует Солнце.
Каждая из них передвигается в плоскости, проходящей сквозь середину Солнца, при этом за одинаковые периоды радиус-вектор между Солнцем и планетой, очерчивает равновеликие площади.
Третий закон соединяет орбитальные данные планет в пределах системы.
Нижние и верхние планеты
Изучая видимые движения небесных тел, физика подразделяет их на две группы: нижние, куда относятся Венера, Меркурий, и верхние - Сатурн, Марс, Юпитер, Нептун, Уран и Плутон. Передвижение этих небесных тел в сфере совершается по-разному. В процессе наблюдаемого перемещения нижних планет у них отмечается смена фаз как у Луны. При перемещении верхних планет можно заметить, что смена фаз у них не происходит, они постоянно обращены к людям своей светлой стороной.
Земля, наравне с Меркурием, Венерой и Марсом, принадлежит к группе так называемых внутренних планет. Они совершают обороты вокруг Солнца внутренними орбитами, в отличие от больших планет, которые вращаются внешними орбитами. Например, Меркурий, который в 20 раз меньше по крайней внутренней орбите.
Кометы и метеориты
Вокруг Солнца вертятся, кроме планет, еще миллиарды ледяных глыб, состоящие из замерзшего твердого газа, мелкого камня и пыли, - кометы, которыми заполнена Солнечная система. Видимые движения небесных тел, представленные кометами, можно увидеть только тогда, когда они приближаются к Солнцу. Тогда их хвост начинает гореть и светится в небе.
Самая знаменитая из них - комета Галлея. Каждые 76 лет она сходит со своей орбиты и приближается к Солнцу. В это время ее можно наблюдать с Земли. Еще в ночном небе можно созерцать метеориты в виде летящих звезд - это сгустки материи, которые движутся по Вселенной с огромной скоростью. Когда они попадают в поле притяжения Земли, почти всегда сгорают. Из-за чрезвычайной скорости и трения с воздушной оболочкой Земли метеориты раскаляются и распадаются на мелкие частицы. Процесс их сгорания можно наблюдать в ночном небе в виде светящейся ленты.
Учебная программа по астрономии описывает видимые движения небесных тел. 11 класс уже ознакомлен с закономерностями, по которым происходит сложное движение планет, сменой лунных фаз и законами затмений.
II ОСНОВЫ НЕБЕСНОЙ МЕХАНИКИ.
УРОК № 10. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ.
4. Законы Кеплера.
6. Конические сечения.
7. Ревизия законов Кеплера.
1. Развитие представлений о Солнечной системе.
Первая научная геоцентрическая система мира начала формироваться в трудах Аристотеля и других ученых древней Греции. Свое завершение она получила в работах древнегреческого астронома Птолемея. Согласно этой системе в центре мира расположена Земля, откуда и название геоцентрическая. Вселенная ограничена хрустальной сферой, на которой расположены звезды. Между Землей и сферой движутся планеты, Солнце и Луна. Древние считали, что равномерное круговое движение – это идеальное движение, и что небесные тела именно так и движутся. Но наблюдения показывали, что Солнце и Луна движутся неравномерно и для устранения этого очевидного противоречия, пришлось предположить, что они движутся по окружностям, центры которых не совпадают ни с центром Земли, ни между собой. Еще более сложное петлеобразное движение планет пришлось представить как сумму двух круговых равномерных движений. Такая система позволяла с достаточной для наблюдений точностью рассчитывать взаимное расположение планет на будущее. Петлеобразное движение планет еще долгое время оставалось загадкой и нашло свое объяснение только в учении великого польского астронома Николая Коперника
В 1543 году вышла в свет его книга «О вращении небесных сфер». В ней была изложена новая гелиоцентрическая система мира. Согласно этой системе в центре мира находится Солнце. Планеты, в том числе и Земля, обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам, а Луна вокруг Земли и одновременно с ней вокруг Солнца. Точность в определение положений планет возросла правда ненамного, но именно система Коперника позволила просто объяснить петлеобразное движение планет. Учение Коперника нанесло сокрушительный удар по геоцентрической системе мира. Оно далеко вышло за рамки астрономии дало мощный толчок развитию всего естествознания.
2. Петлеобразное движение планет.
Невооруженным глазом мы можем наблюдать пять планет - Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Планеты относятся к тем светилам, которые не только участвуют в суточном вращении небесной сферы, но еще и смещаются на фоне зодиакальных созвездий, так как они вращаются вокруг Солнца. Если проследить за ежегодным перемещением какой-нибудь планеты, каждую неделю отмечая его положение на звездной карте, то может выявиться главная особенность видимого движения планеты: планета описывает на фоне звездного неба петлю, которая объясняется тем, что мы наблюдаем движение планет не с неподвижной Земли, а с Земли, вращающейся вокруг Солнца.
3. Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон.
Два величайших ученых намного обогнавшие свое время, они создали науку, которая называется небесной механикой, то есть открыли законы движения небесных тел под действием сил тяготения, и даже если бы этим их достижения ограничились, они все равно бы вошли в пантеон великих мира сего. Так случилось, что они не пересеклись во времени. Только через тринадцать лет после смерти Кеплера родился Ньютон. Оба они являлись сторонниками гелиоцентрической системы Коперника. Много лет изучая движение Марса, Кеплер экспериментально открывает три закона движения планет, за пятьдесят с лишним лет до открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. Еще не понимая, почему планеты движутся так, а не иначе. Это был каторжный труд и гениальное предвидение. Зато Ньютон именно законами Кеплера проверял свой закон тяготения. Все три закона Кеплера являются следствиями закона тяготения. И открыл его Ньютон в 23 года. В это время 1664 – 1667 годы в Лондоне свирепствовала чума. Тринити колледж , в котором преподавал Ньютон, был распущен на неопределенный срок, дабы не усугубить эпидемию. Ньютон возвращается к себе на родину и за два года совершает переворот в науке, сделав три важнейших открытия: дифференциальное и интегральное исчисление, объяснение природы света и закон всемирного тяготения. Исаак Ньютон был торжественно похоронен в Вестминстерском аббатстве. Над его могилой высится памятник с бюстом и эпитафией «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики в руке движение планет, пути комет и приливы океанов… Пусть смертные радуются, что существует такое украшение рода человеческого».
4. Законы Кеплера.
Основная задача небесной механики – это исследование движения небесных тел под действием сил всемирного тяготения. А именно расчет орбит планет, комет, астероидов , искусственных спутников Земли, космических аппаратов, звезд в двойных и кратных системах. Все задачи в математическом смысле очень трудны и за редким исключением решаются только численными методами с помощью самых больших ЭВМ. Однако модельные задачи, в которых тела рассматриваются как материальные точки и можно пренебречь влиянием других тел, можно решить в общем виде, т. е. получить формулы для орбит планет и спутников. Простейшей считается задача двух тел, когда одно значительно больше другого и система отсчета связана с этим большим телом.
Именно для этого случая три закона движения планет относительно Солнца были получены эмпирически Иоганном Кеплером. Как же он это сделал? Кеплеру были известны: координаты Марса на небесной сфере с точностью до 2” по данным наблюдений его учителя Тихо Браге; относительные расстояния планет от Солнца; синодические и сидерические периоды обращения планет. Далее он рассуждал примерно так.
Известно положение Марса во время противостояния (см. рис.). В треугольнике АВС
буква А
обозначает положение Марса, В
- Земли, С
– Солнца. Через промежуток времени, равный сидерическому периоду обращения Марса (687 дней) планета вернется в точку А
, а Земля за это время переместится в точку В’
. Поскольку угловые скорости движения Земли в течение года известны (они равны угловым скоростям видимого движения Солнца по эклиптике), можно вычислить угол АСВ’
. Определив координаты Марса и Солнца в момент прохождения Землей через точку В’
, мы можем, зная в треугольнике 2 угла, по теореме синусов рассчитать отношение стороны СВ’
к АС
. Еще через один оборот Марса Земля придет в положение В"
и можно будет определить отношение СВ"
к тому же отрезку АС
и т. д. Таким образом, точка за точкой можно получить представление об истинной форме орбиты Земли, установить, что она является эллипсом, в фокусе которого находится Солнце. Можно определить что, если время движения по дуге M3M4 = времени движения по дуге M1M2, то Пл. SM3M4 = Пл. SM1M2.
F1 и F2–фокусы эллипса, c-фокусное расстояние, а - большая полуось эллипса и среднее расстояние от планеты до Солнца.
5. Закон всемирного тяготения Ньютона.
Исаак Ньютон смог объяснить движение тел в космическом пространстве с помощью закона всемирного тяготения . Он пришел к своей теории в результате многолетних исследований движения Луны и планет. Но упрощенный вывод закона всемирного тяготения можно сделать и из третьего закона Кеплера.
Пусть планеты движутся по круговым орбитам, их центростремительные ускорения равны: 
, где Т
– период обращения планеты вокруг Солнца, R
- радиус орбиты планеты. Из III закона Кеплера или . Следовательно, ускорение любой планеты независимо от ее массы обратно пропорционально квадрату радиуса ее орбиты: 
.
Согласно II закону Ньютона, сила F , сообщающая планете это ускорение, равна: https://pandia.ru/text/78/063/images/image010_95.gif" width="125" height="51 src=">, где М – масса Солнца. Поскольку F = F’ , =https://pandia.ru/text/78/063/images/image013_78.gif" width="161" height="54">, где G = 6,67∙10–11 Н∙м2/кг2 – гравитационная постоянная ..gif" width="109" height="51">. Сила тяготения между Солнцем и планетой пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними . Этот закон справедлив для любых сферически симметричных тел, а приближенно он выполняется для любых тел, если расстояние между ними велико по сравнению с их размерами. Ускорение, которое, согласно второму закону Ньютона, испытывает тело m , находящееся на расстоянии r от тела M , равно: https://pandia.ru/text/78/063/images/image017_68.gif" width="47" height="47">, где -масса Земли, – расстояние до ее центра. Вблизи поверхности Земли ускорение свободного падения равно g = 9,8 м/с2. Сплюснутость Земли и ее вращение приводят к отличию силы тяжести на экваторе и возле полюсов: ускорение свободного падения в точке наблюдения может приближенно высчитываться по формуле g = 9,78 ∙ (1 + 0,0053 sin φ ), где φ – широта этой точки.
Необычно ведет себя сила тяжести внутри Земли. Если Землю принять за однородный шар, сила тяжести растет пропорционально расстоянию до центра шара r.
6. Конические сечения.
Конические сечения образуются при пересечении прямого кругового конуса с плоскостью. К коническим сечениям относятся кривые второго порядка: эллипс , парабола и гипербола . Все они является геометрическим местом точек, расстояния от которых до заданных точек (фокусов ) или до заданной прямой (директрисы) есть величина постоянная. Например, эллипс определяется как геометрическое место точек, для которых сумма расстояний от двух заданных точек (фокусов F1 и F2) есть величина постоянная и равная длине большой оси: F1M+F2M=2а=const. Степень вытянутости эллипса характеризуется его эксцентриситетом е. Эксцентриситет е =с/а. При совпадении фокусов с центром е = 0, и эллипс превращается в окружность . Большая полуось а является средним расстоянием от фокуса до эллипса. Ближайшая к фокусу точка эллипса называется перицентром, самая удаленная – апоцентром. Расстояние от фокуса до перицентра равно ПF1 = a (1 – e ), до апоцентра – F1A = a (1 + e ).
7. Ревизия законов Кеплера.
Итак, Кеплер открыл свои законы эмпирическим путем. Ньютон же вывел законы Кеплера из закона всемирного тяготения. В результате этого претерпели изменения первый и третий законы. Первый закон Кеплера был обобщен и его современная формулировка звучит так: Траектории движения небесных тел в центральном поле тяготения представляют собой конические сечения: эллипс, окружность, параболу или гиперболу, в одном из фокусов которой находится центр масс системы . Форма траектории определяется величиной полной энергии движущегося тела, которая складывается из кинетической энергии К тела массы m , движущегося со скоростью v , и потенциальной энергии U тела, находящегося в гравитационном поле на расстоянии r от тела с массой М . При этом действует закон сохранения полной энергии тела. Е=К + U = const ; К = mv 2 /2, U =- GMm / r .
Закон сохранения энергии можно переписать в виде: (2).
Константа h
называется постоянной энергии
. Она прямо пропорциональна полной механической энергии тела E
и зависит только от начального радиус-вектора r0
и начальной скорости v
0. При h
< 0 кинетической энергии тела недостаточно для преодоления гравитационной связи. Величина радиус-вектора тела ограничена сверху и имеет место обращение по замкнутой, эллиптической орбите. Такое движение можно уподобить движению маятника – тот же самый переход кинетической энергии в потенциальную во время подъема и обратный – при опускании. Подобное движение называется финитным
, т. е. замкнутым. Для h
= 0 при неограниченном возрастании радиус-вектора тела его скорость уменьшается до нуля – это движение по параболе. Такое движение – инфинитно
, неограниченно в пространстве. При h
> 0 кинетическая энергия тела достаточно велика, и на бесконечном расстоянии от притягивающего центра тело будет иметь ненулевую скорость удаления от него – это движение по гиперболе. Таким образом, можно сказать, что тело движется относительно притягивающего центра только по орбитам, являющимися коническими сечениями. Как следует из формулы (2), приближение тела к притягивающему центру всегда должно сопровождаться увеличением орбитальной скорости тела, а удаление – уменьшением в соответствии со вторым законом Кеплера. Второй закон Кеплера не подвергся ревизии, а вот третий был уточнен, и звучит он так: отношение куба большой полуоси. планетной орбиты к квадрату периода обращения планеты вокруг Солнца равно сумме масс Солнца и планеты, г
де (3)
M
Q
и m
массы Солнца и планеты, соответственно; а
и Т
– большая полуось и период обращения планеты. В отличие от двух первых, третий закон Кеплера применим только к эллиптическим орбитам.
В обобщенном виде этот закон обычно формулируется (4)
так: Произведение сумм масс небесных тел и их спутников с квадратами их сидерических периодов обращения относятся как кубы больших полуосей их орбит,
где М
1 и М
2 - массы небесных тел, m
1 и m
2 - соответственно массы их спутников, а
1 и а
2 - большие полуоси их орбит, Т
1 и Т
2 - сидерические периоды обращения. Необходимо понять, что закон Кеплера связывает характеристики движения компонентов любых произвольных и независимых космические систем.
В эту формулу могут входить одновременно Марс со спутником, и Земля с Луной, или Солнце с Юпитером.
Если мы применим этот закон к планетам Солнечной системы и пренебрежем массами планет М1 и М
2 в сравнении с массой Солнца М☼ (т. е. M
1 << М
☼, M
2 << М
☼), то получится формулировка третьего закона, данная самим Кеплером.
8. Определение масс небесных тел.
https://pandia.ru/text/78/063/images/image026_47.gif" width="157" height="53 src=">. Подставив сюда значения больших полуосей Земли и Луны и их периодов обращения, получим, что М U=3,3·10-6М ☼. Ну а абсолютную массу Солнца вычислить совсем просто. Воспользовавшись непосредственно формулой (3), для пары Солнце-Земля, отбросив при этом массу Земли в силу ее малости в сравнении с массой Солнца, получим для М ☼=2·1030 кг.
Третий закон Кеплера позволяет вычислить не только массу Солнца, но и массы других звезд. Правда, это можно сделать только для двойных систем, массу одиночных звезд определить таким образом невозможно. Измеряя взаимное положение двойных звезд в течение длительного времени, часто удается определить период их обращения Т и выяснить форму их орбит. Если известно расстояние R до двойной звезды и максимальный αmax и минимальный αmin угловые размеры орбиты, то можно определить большую полуось орбиты а= R (α max + α min )/2 , далее воспользовавшись уравнением (3) мы можем вычислить суммарную массу двойной звезды. Если при этом на основании наблюдений определить расстояние от звезд до центра масс х1 и х2 , а точнее отношение х1/х2, которое сохраняется постоянным, то появляется второе уравнение x 1 / x 2 = m 2 / m 1 , дающее возможность определить массу каждой звезды в отдельности.
Д. З. § 8,9, 10. Задачи 7,8 стр.47.
Вопросы экспресс-опроса
1. Как называется ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты?:
2. Как называется самая удаленная точка орбиты Луны?
3. Как меняется значение скорости движения кометы при ее перемещении от перигелия к афелию?
5. Как зависит синодический период внешних планет от расстояния до Солнца?
6. Почему космодромы стараются строить ближе к экватору?
7. Как изменяется гравитационное поле внутри Земли?
8. Сформулируйте законы Кеплера.
9. Чему равно средний радиус орбиты планеты?
Тема 3. Солнечная система и движение небесных тел.
§1. Солнечная система
В Солнечную систему входит Солнце, 9 больших планет с их 34 спутниками, более 100000 малых планет (астероидов), порядка 1011 комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 м до ничтожно малых пылинок).
Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационное протяжение Солнца является главной силой, определяющей движение всех обращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты Плутон – 6 млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд.
Все большие планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокруг Солнца в одном направлении (в направлении осевого вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам. Плоскость земной орбиты – эклиптика, принимается за основную плоскость при отсчете наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца.
Благодаря, почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами. Это обеспечивает длительное существование планетной системы.
Планеты вращаются также вокруг своей оси, причем у всех планет кроме Венеры и Урана, вращение происходит в прямом направлении, т. е. в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку.
Большинство спутников обращается вокруг своих планет в том же направлении, в котором происходит осевое вращение планеты. Орбиты таких спутников обычно круговые и лежат вблизи плоскости экватора планеты, образуя уменьшенное подобие планетной системы. Таковы, например, система спутников Урана и Юпитера. Обратными движениями обладают спутники, расположенные далеко от планеты.
Сатурн, Юпитер и уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, настолько близко расположенным к планете, что ее приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело.
Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами марса и Юпитера. Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики
Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, т. е. движения в направлении обращения планет.
Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу, скорости вращения и количеству спутников. Четыре планет, ближайшие к Солнцу, - планеты земной группы , состоят из плотного каменистого вещества и металлов. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – гораздо массивнее, состоят в основном из легких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляет водород и гелий. У Урана и Нептуна льды и каменистые вещества составляют главную часть их массы.
Недра планет и некоторых крупных спутников (например, Луна) находятся в раскаленном состоянии.
Венера, Земля, Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение их недр: эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные газы постепенно переходят в конденсированное состояние.
Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам-гигантам: они состоят из водяного льда и льдов различных газов с примесью каменистых веществ. Почти все малые планеты по своему составу относятся к каменистым планетам земной группы.
Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. Измерения возраста метеоритов показали, что они, а следовательно и вся Солнечная система существуют около 5 млрд. лет.
Динамические и физические особенности строения Солнечной системы указывают на то, что планеты сформировались из газо-пылевого вещества, некогда образовавшего планетное облако вокруг Солнца. Планеты Земной группы образовались в результате аккумуляции каменистых твердых частиц, а у планет-гигантов образование началось с аккумуляции каменисто-ледяных частиц, а потом дополнилось присоединение газов (в основном водород и гелий).
§2. Законы Кеплера
Изучая результаты многолетних наблюдений планеты Марс датским астрономом Т. Браге, немецкий ученый Иоганн Кеплер обнаружил, что орбита Марса не окружность, а имеет вытянутую форму эллипса. У эллипса есть две такие точки F1 и F2 (рис. 1), сумма расстояний которых (r 1 и r 2 ) от любой точки B эллипса есть величина постоянная.
https://pandia.ru/text/78/111/images/image002_190.gif" width="77 height=57" height="57">
Линия, соединяющая любую точку эллипса с одним из его фокусов называется радиусом-вектором этой точки.
Кеплер исследовал движения всех известных в то время планет и вывел 3 закона движения планет :
Во-первых , орбиты всех планет (а не только Марса) являются эллипсами с общим фокусом, в котором находится Солнце. Степень вытянутости орбит у разных планет различная. У Земли эксцентриситет очень мал и орбита Земли мало отличается от окружности. Наиболее вытянутые орбиты имеют Меркурий и Плутон.
Во-вторых , каждая планета по своей орбите движется таким образом, что ее радиус-вектор за одинаковые промежутки времени описывает равные площади (площади секторов А1А2F и B1B2F равны). Это значит, что чем ближе планета к Солнцу, тем у нее больше скорость движения по орбите.
Астрономия" href="/text/category/astronomiya/" rel="bookmark">астрономическую единицу), то, определив из наблюдений период обращения какой-либо планеты в годах (Т ), легко получить значение большой полуоси этой планеты (α) по формуле:
Например, Т Марса = 1,88 года, тогда по формуле αорбиты Марса = 1,52 а. е.
Таким образом, Марс почти в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля.
Установленные Кеплером законы движения планет еще раз наглядно показывают, что мир планет есть стройная система, управляемая единой силой, источником которой является Солнце.
§3. Конфигурации
Конфигурации – характерные положения планет Солнечной системы на их орбитах по отношению к солнцу и Земле.
Они различны для нижних (внутренних) планет, которые находятся к Солнцу ближе Земли (Меркурий, Венера) и для верхних (внешних), орбиты которых расположены за орбитой Земли (остальные планеты).
Момент, в который нижняя планета пересекает прямую, соединяющую центры Солнца и Земли, называется ее нижним соединением . Вблизи нижнего соединения планета видна в виде узкого серпа. Непосредственно же в момент нижнего соединения планета не видна, поскольку обращена к Земле своим не освещенным Солнцем полушарием. Однако в это время может наступить явление прохождения планеты по диску Солнца, когда планеты – Венера или Меркурий – могут наблюдаться в виде черного кружочка, движущегося по солнечному диску.
Продолжая двигаться по орбите, нижняя планета для земного наблюдателя достигает некоторого наибольшего углового удаления от Солнца, после чего снова начинает к нему приближаться. Положение наибольшего углового удаления называется элонгацией . Меркурий в элонгации около 28°, Венера – около 48° от Солнца. Различают элонгации восточные , когда планета наблюдается вечером после захода Солнца, и западные , когда она видна под утро, до его восхода.
Момент прохождения нижней планеты строго за Солнцем называется верхним соединением . Вблизи верхнего соединения планета наблюдается в виде полного диска.
Для верхних планет различают моменты противостояния , западной и восточной квадратур и соединения . В противостоянии верхняя планета видна в противоположной от Солнца стороне неба, в то время как расстояние между нею и Землей наименьшее. Этот период наиболее благоприятен для астрономических наблюдений ее поверхности. в квадратурах угол между направлениями на планету и на солнце составляет 90°. В соединении верхняя планета, точно так же как и нижняя, уходит за диск Солнца и теряется в его лучах. В этот период расстояние от Земли до планеты наибольшее.
Луна в своем обращении вокруг Земли оказывается то между Солнцем и Землей, подобно нижней планете, то дальше от Солнца, подобно верхней планете. Поэтому применительно к Луне астрономы чаще пользуются специальной терминологией, хотя по существу момент новолуния аналогичен нижнему соединению, момент полнолуния – противостоянию.
§4. Элементы орбит планет
Ориентация орбиты в пространстве, ее размеры и форма, а также положение небесного тела на орбите определяются 6 величинами, называемыми элементами орбиты .
Некоторые характерные точки орбит небесных светил имеют собственные названия: перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, движущегося вокруг Солнца; афелий – наиболее удаленная от Солнца точка эллиптической орбиты.
Если рассматривается движение тела относительно Земли, то ближайшая к Земле точка орбиты называется перигеем , а самая далекая – апогеем .
В более общих задачах, когда под притягивающим центром можно подразумевать разные небесные тела, употребляют названия: перицентр – ближайшая к центру орбиты точка; апоцентр – наиболее удаленная от центра орбиты точка.
Элементы орбиты – 6 величин, определяющих форму и размеры орбиты небесного тела (а, е ), ее положение в пространстве (i , Ω , ω ), а также положение самого небесного тела на орбите:
1) Форма и размеры орбиты определяются большой полуосью орбиты (a = ОП) и эксцентриситетом орбиты e .
https://pandia.ru/text/78/111/images/image007_87.gif" align="left" width="257" height="113 src=">Для эллиптической орбиты значение e заключается в пределах 0 ≤ e < 1.
При e = 0 орбита имеет форму окружности; чем ближе e к единице, тем более вытянута орбита. При e = 1 орбита уже не замкнута и имеет вид параболы; при e > 1 орбита гиперболическая.
2) Ориентация орбиты в пространстве определяется относительно некоторой плоскости, принятой за основную. Для планет, комет и других тел Солнечной системы такой плоскостью служит плоскость эклиптики . Положение плоскости орбиты задается двумя элементами орбиты: долготой восходящего узла Ω и наклоном орбиты i .
Долгота восходящего узла Ω – это угол при Солнце между линией пересечения плоскостей орбиты и эклиптики и направлением на точку овна. Угол отсчитывается вдоль эклиптики от точки весеннего равноденствия по часовой стрелке до восходящего узла орбиты Ω, т. е. той точки, в которой тело пересекает эклиптику, переходя из южной полусферы в северную. Противоположная точка называется нисходящим узлом , а линия, соединяющая узлы – линией узлов .
0° ≤ Ω ≤ 360°
Q
– плоскость орбиты планеты
P – плоскость эклиптики
3) Положение орбиты в плоскости Q определяется аргументом перигелия ω , представляющим собой угловое расстояние перигелия орбиты от восходящего узла ω = Ω П.
4) В качестве шестого элемента, определяющего положение небесного тела на орбите в какой-нибудь определенный момент времени, используют момент прохождения через перигелий То .
Угол при Солнце, отсчитанный от направления на перигелий до направления на тело, называется истинной аномалией ν . Истинная аномалия при движении тела по орбите изменяется неравномерно: в соответствии со вторым законом Кеплера тело движется быстрее около перигелия П и медленнее у афелия А . Истинную аномалию вычисляют по формулам через среднюю аномалию.
§5. Понятие о возмущенном движении
Планеты в своем движении притягиваются не только к Солнцу, но и друг к другу. В звездных скоплениях каждая звезда притягивается всеми остальными. На движение искусственных спутников Земли оказывают влияние силы, вызываемые несферичностью фигуры земли и сопротивлением земной атмосферы, притяжение Луны и Солнца. Эти дополнительные силы называют возмущающими , а эффекты, которые они вызывают в движении небесных тел, – возмущениями . Из-за возмущений орбиты небесных тел непрерывно медленно изменяются.
Исследованием движения небесных тел с учетом возмущающих сил занимается специальная наука – небесная механика.
Методы, разработанные в небесной механике, позволяют очень точно на много лет вперед определить положение любых тел Солнечной системы. Более сложные методы вычислений используются при исследовании движения искусственных небесных тел.
§6. Видимое суточное движение светил
В течение суток каждая звезда совершает полный оборот по своей суточной параллели. На рис. изображена суточная параллель звезды σ .
https://pandia.ru/text/78/111/images/image011_62.gif" align="left" width="252" height="132 src=">а) На экваторе полюсы мира лежат на горизонте и совпадают с точками севера и юга. Суточные параллели звезд в этом случае находятся в вертикальных плоскостях.
б) На северном полюсе ось мира направлена вертикально вверх, т. е. северный полюс мира P совпадает с зенитом z . Суточные пути всех звезд находятся в плоскостях, параллельных горизонту.
Положение меридиана становится неопределенным. Любое направление из этой точки на земной поверхности будет на юг.
§7. Элонгации звезд
Азимут" href="/text/category/azimut/" rel="bookmark">азимут в процессе движения по суточной параллели колеблется в пределах ±A от точки севера, причем |A| ≤ 90°.
Элонгацией называют такое положение звезд, когда их азимут принимает крайние значения. В зависимости от того, в какой стороне небесной сферы они происходят, различают элонгации восточные и западные. На рис. звезда 1 имеет восточную элонгацию Э E и западную элонгацию Э W. Звезда 2 элонгаций не имеет.
§8. Эфемериды
Эфемериды – это таблицы, содержащие сведения о положении небесных светил на небе, скорости их движения, звездных величинах и другие данные, необходимые для астрономических наблюдений. Эфемериды составляются для будущих моментов времени по результатам выполненных ранее наблюдений.
При вычислении эфемерид используются теории движения небесных светил, законы изменения их блеска.
В зависимости от точности используемых материалов эфемериды вычисляются вперед для различных периодов времени. Так, эфемериды малых планет, содержащие их небесные координаты, составляются на год и более вперед. Эфемериды же искусственных спутников Земли, на движении которых оказывают влияние некоторые силы, не поддающиеся достаточно точному учету (например, сопротивление атмосферы, плотность которой постоянно меняется), могут быть с необходимой точностью составлены только на 1-2 месяца вперед.
Эфемериды могут содержать также значения установочных углов для телескопа, фазы луны и другие сведения, помогающие рационально провести наблюдения. Например, наблюдения Полярной звезды можно осуществлять не только ночью, но и в светлое время суток; для этого необходимо заранее составить специальную таблицу приближенных горизонтальных координат (рабочие эфемериды) – азимута а и высоты h Полярной. Ориентировав прибор по их значениям, можно найти изображение Полярной звезды в поле зрения трубы.
Составление эфемерид Полярной (т. е. порядок вычислений приближенных горизонтальных координат – высоты h и азимута a на предполагаемые моменты наблюдений):
из AE выбирают φ ; местное звездное время s находят по декретному времени Д .
Высота полюса мира равна широте h p = φ
Из треугольника zσk стороны zk и zσ можно с некоторым допущением считать равными друг другу: 90°-φ-χ = 90°- h ,
откуда φ+χ = h .
В астрономических таблицах величину χ принято обозначать через ƒ , тогда h = φ+ƒ
Следовательно, для определения h Полярной нужной выбрать величину ƒ по местному звездному времени s и прибавить ее к φ .
Азимут Полярной a берется из этих же таблиц по аргументам s и φ . Далее рассчитывают рабочие эфемериды Полярной на определенный момент наблюдений с заданным интервалом (например 30m).
Тема 4. Вращение Земли и Луны. Факторы вызывающие изменения координат звезд.
§1. Особенности орбитального и вращательного движения Земли
Земля – одна из планет Солнечной системы. Подобно другим планетам, она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, большая полуось которой (т. е. среднее расстояние между центрами Земли и Солнца) в астрономии принята в качестве единицы длины (а. е.) для измерения расстояний между небесными телами в пределах солнечной системы. Расстояние от Земли до Солнца в различных точках орбиты неодинаковое, в перигелии (3 января) оно приблизительно на 2,5 млн. км меньше, а в афелии (3 июля) на столько же больше среднего расстояния, составляющего 149,6 млн. км.
В процессе движения нашей планеты по орбите вокруг Солнца плоскость земного экватора (наклоненная к плоскости орбиты на угол 23°27’) перемещается параллельно самой себе таким образом, что в одних участках орбиты земной шар наклонен к Солнцу своим северным полушарием, а вдругих – южным.
Суточное вращение земного шара происходит с практически постоянной угловой скоростью с периодом 23h56m04,1s, т. е. за одни звездные сутки. Ось суточного вращения Земли направлена своим северным концом приблизительно на звезду альфа Малой Медведицы , которая поэтому называется Полярной звездой.
§2. Движение земных полюсов
Ось вращения Земли не занимает постоянного положения в теле Земли, которая как бы покачивается на своей оси, вследствие чего земные полюсы описывают на земной поверхности сложную кривую, не удаляясь от некоторого среднего положения более чем на 0,3-0,4”. Вследствие блуждания полюса по поверхности Земли должны изменяться географические координаты пунктов, находящиеся на поверхности Земли, - широты и долготы.
Одна из особенностей Земли – это ее магнитное поле, благодаря которому мы можем пользоваться компасом. Магнитный полюс земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами ≈ 76° с. ш. и 101° з. д. Магнитный полюс, расположенный в южном полушарии Земли, имеет координаты 66° ю. ш. и 140° в. д. (в Антарктиде).
§3. Движение Луны
Луна – ближайшее к Земле небесное тело, естественный спутник нашей планеты. Она обращается вокруг Земли на расстоянии около 400 тыс. км. Диаметр Луны лишь в 4 раза меньше земного, он равен 3476 км. В отличие от сжатой у полюсов Земли Луна по форме гораздо ближе к правильному шару.
Если смотреть со стороны Северного полюса, Луна, как и все планеты и спутники Солнечной системы, обращается вокруг земли в направлении против часовой стрелки. На один оборот вокруг Земли она затрачивает 27,3 суток. Время одного оборота Луны вокруг Земли в точности равно времени одного оборота ее вокруг оси. Поэтому Луна постоянно повернута к Земле одной и той же стороной. Предполагают, что в ранние периоды своей истории Луна вращалась вокруг своей оси несколько быстрее и, следовательно, поворачивалась к Земле разными частями своей поверхности. Но из-за близости массивной Земли в твердом теле Луны возникали значительные приливные волны. Они действовали на быстро вращающуюся Луну. Процесс торможения Луны продолжался до тех пор, пока она не оказалась постоянно повернутой к Земле только одной стороной. Отсюда возникли понятия видимой и обратной стороны Луны. В общей сложности с Земли можно увидеть 59% лунной поверхности.
§4. Прецессия и нутация
При вращении волчка его ось практически не бывает неподвижна. Под действием силы земного тяготения, в соответствии с законами вращательного движения, ось волчка перемещается, описывая коническую поверхность. Земля – большой волчок. И ее ось вращения под действием силы тяготения Луны и Солнца на экваториальный избыток (у экватора как бы больше вещества, чем у полюсов из-за сплюснотости Земли) также медленно вращается.
Ось вращения Земли описывает около оси эклиптики конус с углом в 23,5°, вследствие чего полюс мира движется вокруг полюса эклиптики по малому кругу, совершая один оборот приблизительно за 26000 лет. это движение называют прецессией .
Следствием прецессии является постепенное смещение точки весеннего равноденствия навстречу видимому движению Солнца на 50,3” в год. по этой причине Солнце ежегодно вступает в точку весеннего равноденствия на 20 минут раньше, чем оно совершает полный оборот на небе.
Изменение положения небесного экватора и полюса мира, а также перемещение точки овна вызывает изменение экваториальных и эклиптических небесных координат. Поэтому, приводя координаты небесных светил в каталогах, изображая их на картах, обязательно указывают «эпоху», т. е. момент времени, для которого были приняты положения экватора и точки овна при определении системы координат.
В значительной мере прецессия возникает под действием сил тяготения Луны. Силы, которые вызывают прецессию, вследствие изменения расположения Солнца и Луны относительно Земли постоянно меняются. Поэтому, наряду с движением оси вращения Земли по конусу, наблюдаются небольшие ее колебания, названные нутацией . Под воздействием прецессии и нутации полюс мира описывает среди звезд сложную волнообразную кривую.
Скорости изменения координат звезд вследствие прецессии зависят от положения звезд на небесной сфере. Склонения разных звезд изменяются за год от +20” до -20” в зависимости от прямого восхождения. Прямые восхождения вследствие прецессии меняются более сложным образом, и их поправки зависят как от прямых восхождений, так и от склонений звезд. Таблицы прецессии публикуются в астрономических ежегодниках.
Прецессия и нутация изменяют лишь ориентировку оси вращения Земли в пространстве и не влияют на положение этой оси в теле Земли. Поэтому ни широты, ни долготы мест земной поверхности из-за прецессии и нутации не изменяются и влияния эти явления на климат не оказывают.
§5. Аберрация света
Аберрация света – кажущееся отклонение небесных светил от их истинного положения на небесном своде, вызванное относительным движением светила и наблюдателя.
Явление аберрации можно сравнить с тем, что испытывает человек под проливным дождем. Стоящий под дождем человек держит свой зонт над головой. Но когда он идет, он вынужден, если захочет остаться сухим, наклонить зонт вперед, при этом, чем быстрее он идет, тем сильнее приходится наклонять зонт. И хотя дождевые капли по-прежнему падают прямо вниз, человеку кажется, что они идут из точки, по направлению к которой он наклонил зонт.
Аналогично этому, движущемуся наблюдателю свет небесного светила кажется идущим не из точки, в которой находится светило, а из другой точки, смещенной относительно первой в направлении движения наблюдателя. Пусть некоторая звезда находится в полюсе эклиптике. Ее свет падает на Землю перпендикулярно направлению скорости Земли, движущейся по своей орбите. Однако астроном, направивший свой телескоп в полюс эклиптики, не увидит звезду в центре поля зрения: лучу света, входящему в объектив такого телескопа, нужно время, чтобы пройти сквозь всю его трубу, а за это время труба переместится вместе с Землей и изображение звезды не попадет в центр поля зрения.
Таким образом, чтобы наблюдать небесное светило в центре поля зрения, телескоп приходится наклонять на некоторый угол вперед по движению наблюдателя.
§5. Параллакс
При езде в поезде за оконном мелькают столбы, стоящие вдоль рельсов. Медленнее убегают назад постройки, расположенные в нескольких десятках метров от железной дороги. И уж совсем медленно, нехотя отстают от поезда домики, рощи, которые находятся где-то у горизонта. Скорость изменения направления на предмет при движении наблюдателя тем меньше, чем дальше от наблюдателя находится предмет. А из этого следует, что величиной углового смещения предмета, которое называют параллактическим смещением или просто параллаксом , можно характеризовать расстояние до предмета.
обнаружить параллактическое смещение звезды, двигаясь по земной поверхности нельзя: звезды слишком далеки, и параллаксы при таких перемещениях находятся далеко за пределами возможности их измерения.
https://pandia.ru/text/78/111/images/image015_43.gif" align="left" width="240" height="192">
В этом случае параллакс вычисляют для воображаемого наблюдателя, перемещаемого из центра Земли в точку экватора, в которой светило находится на горизонте.
Суточное перемещение Солнца (как собственно и других небесных тел) по небу является следствием вращения Земли вокруг своей оси, которое направлено с запада на восток, а, соответственно, видимое движение Солнца при этом происходит с востока на запад. Однако из-за наличия наклона земной оси к плоскости орбиты вокруг Солнца, точки восхода/захода при обращении Земли вокруг Солнца постоянно смещаются, и в итоге восход/заход на востоке/западе происходит только вблизи равноденствий, которые приходятся на начало 20-ых чисел марта и сентября. Летом к Солнцу обращено северное полушарие Земли, соответственно в средних широтах точка восхода смещается к северо-востоку, а точка захода к северо-западу, а зимой Земля подставляет Солнцу южное полушарие и восход светила происходит на юго-востоке, а заход на юго-западе.
Годичный путь Солнца относительно звёзд связан с обращением Земли вокруг Солнца. Конечно, из-за того что днём звёзд невидно, трудно отследить данное движение Солнца, хотя в течение суток за счёт этого движения − Солнце перемещается на фоне звёзд на целый градус (т.е. на два своих видимых размера). Однако о наличии этого движения говорит сменяющийся вместе с временами года вид звёздного неба, а конкретно наблюдаемые созвездия. К примеру, созвездие Ориона можно наблюдать на тёмном небе с осени и до середины весны, однако в остальную часть года Солнце находится слишком близко к этому созвездию (хотя непосредственно через него не проходит), а на дневном небе невооружённым глазом увидеть звёзды, составляющее это созвездие не представляется возможным. Солнце при наблюдении с Земли в течение года, перемещается по небу вдоль линии, называемой эклиптикой, которая обозначает плоскость земной орбиты (в более точном определении − плоскость орбиты центра масс системы Земля-Луна) и проходит через 13 созвездий (Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы). Поскольку вокруг Солнца Земля обращается по эллиптической орбите, то орбитальная скорость является непостоянной величиной, это естественно отражается и на видимом перемещении Солнца по эклиптике. Видимое движение также неравномерно – одну половину эклиптики Солнце проходит медленней (когда Земля более удалена от светила), а вторую – быстрее, за счёт этого в северном полушарии весна и лето несколько длиннее осени и зимы. Когда в северном полушарии лето – Земля находится от Солнца дальше всего и движется медленней по орбите, а когда зима – ближе всего и движется быстрее (в южном полушарии всё равно наоборот).
Видимое движение Луны
Плоскость лунной орбиты имеет наклон в 5 градусов к плоскости земной орбиты вокруг Солнца, таким образом, видимое движение Луны относительно звёзд проходит недалеко от линии эклиптики. Вот только скорость этого движения гораздо больше, чем у Солнца. Если Солнце перемещается относительно звёзд по небу на величину равную своему видимому диаметру за половину земных суток, то Луна преодолевает такое же расстояние примерно за 1 час, а поскольку Луну можно наблюдать на тёмном небе, то и отследить это смещение на фоне звёзд несложно. Луна движется по своей орбите в том же направлении, куда вращается Земля вокруг оси (против часовой стрелки при взгляде с северного полюса), так что видимое движение Луны на фоне звёзд будет происходить с запада на восток. В виду ещё большей эллиптичности лунной орбиты, чем земной, видимое движение Луны будет более неравномерным. Путь относительно звёзд (и вокруг Земли) Луна совершает за 27 суток 7 ч 43 мин 11,5 с. В новолуние Луна находится в том же направлении на небе, что и Солнце (т.е. между Землёй и Солнцем) и потому повёрнута неосвещённой стороной. Однако постепенно удаляясь всё дальше от светила на восток, начинает расти освещённый Солнцем край лунного диска и так до полнолуния. Полная Луна восходит в восточной части неба и примерно повторяет суточный путь Солнца полугодовалой давности. Таким образом, в северном полушарии в летние месяцы, когда Солнце восходит на северо-востоке, поднимается высоко и заходит на северо-западе − Луна в свою очередь восходит на юго-востоке, не поднимается высоко над горизонтом, и под утро садится на юго-западе (как и Солнце в течение дня в северном полушарии зимой). Наличие пересечений плоскостей лунной и земной орбит, даёт нам возможность наблюдать такие явления, как солнечные и лунные затмения. Однако они происходят только при одновременном соблюдении следующих независимых друг от друга условий – Луна на своём пути относительно звёзд должна быть близка к точке пересечения этого пути с эклиптикой, а также должно быть новолуние (для солнечного затмения) или полнолуние (для лунного).
Видимое движение планет
Орбитальные плоскости планет имеют наклон не больше нескольких градусов к плоскости земной орбиты, следовательно, их видимый путь относительно звёзд проходит недалеко от эклиптики, но вид траектории этого движения куда сложнее, чем у Солнца и Луны. Изначально двигаясь в том же направлении, что Луна и Солнце (с запада на восток (прямое движение)), планеты в какой-то момент начинают замедляться, останавливаются, а затем какое-то время двигаются с востока на запад (попятное движение), после чего снова замедляются и вновь переходят к прямому движению. Траектория движения при смене направлений имеет форму петли.
Движение более близких к Солнцу планет, чем Земля (нижних планет), несколько отличается от движения планет, которые дальше Земли (верхние планеты). Венера движется по небу быстрее Солнца в прямом направлении, обгоняет его, затем останавливается не более чем в 47 градусах от Солнца (это и есть точка максимального углового удаления от светила (восточная элонгация)), после чего переходит на попятное движение, снова проходит мимо Солнца и вновь останавливается не дальше 47 градусов от светила (западная элонгация) затем опять переходит на прямое движение. Также движется Меркурий, только размер петли будет меньше, поскольку Меркурий ближе к Солнцу и его угловое расстояние от светила совсем невелико, максимум 28 градусов. В случае Марса и других верхних планет, движение в прямом направлении будет медленней, чем у Солнца, следовательно, планеты будут постепенно отставать от него, находясь при этом всё западнее от светила. Когда планета будет в противоположном от Солнца направлении, её движение на фоне звёзд замедлится, и она перейдёт к попятному движению, которое скоро замедлится и вновь перейдёт к прямому, после чего планета начнёт сближение с Солнцем на небе. Чем дальше верхняя планета, тем меньше будет размер петли при перемене направлений движения.
Перемены направлений движения обусловлены неодинаковой орбитальной скоростью планет. Попятное движение Венеры и Меркурия получается, когда они обгоняют Землю, двигаясь по своей орбите и находясь при этом с Землёй по одну сторону от Солнца. А в случае верхних планет, наоборот Земля обгоняет их и из-за этого они получают попятное движение. Петли же получаются из-за того, что планетные орбиты не лежат в одной плоскости, а имеют, пусть и небольшие, но наклоны относительно плоскости земной орбиты.
Видимое движение звёзд
Когда рассматривалось видимое движение тел Солнечной системы, очень часто упоминалась фраза «движение относительно звёзд», из-за чего может создаться впечатление, что звёзды совсем неподвижны. В действительности это не так, просто скорости звёзд настолько малы по сравнению с расстояниями до них, что практически невозможно заметить их движение невооружённым глазом даже в течение десятков лет. Лучше всего перемещение заметно у тех звёзд, которые обладают высокими реальными скоростями поперёк луча зрения наблюдателя и при этом ещё находятся в относительной близости от Солнца, чтобы эта скорость была хоть как-то заметна, потому что при удалении в сотни световых лет, даже при поперечных скоростях в сотни км/с, положение звезды будет изменяться крайне медленно. Среди звёзд (кроме Солнца) самым высоким собственным движением на небе обладает звезда Барнарда – очень тусклый красный карлик, который, несмотря на расстояние в 6 световых лет от Солнца, невооружённым глазом не виден. Но, тем не менее, эта звезда смещается по небу на 10 угловых секунд в год, что более чем в 180 раз меньше видимого диаметра полной Луны. Нетрудно догадаться, что примерно столько же лет нужно, чтобы звезда сместилась на фоне более далёких звёзд на небе на расстояние равное размеру Луны. Но это только одна звезда со столь большим собственным движением, у остальных звёзд эти движения значительно медленней.
Освоение космоса давно шагнуло за рамки воображения:
– каждый год космонавты отправляются за пределы Земли;
– люди запускают спутники, часть которых уже сейчас преодолела Солнечную систему;
– огромные телескопы наблюдают за звездами с орбиты нашей планеты.
Кто был первым первопроходцем в небе? Какие невероятные теории стоят за нашими космическими достижениями? Что нас ждет в будущем? Эта книга кратко и понятно расскажет о самых важных открытиях в области астрономии, о людях, которые их сделали.
Будьте в курсе научных открытий – всего за час!
Книга:
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Наблюдения и измерения Тихо Браге позволили его ученику, немецкому ученому Иоганну Кеплеру, сделать следующий шаг в развитии астрономии.
Геоцентрическая система мира Птолемея и гелиоцентрическая система Коперника
Рассчитывая орбиту Марса, Кеплер обнаружил, что она представляет собой не окружность, как считал Коперник и другие ученые, а эллипс. Поначалу он не распространял этот вывод на другие планеты , но позже понял, что не только Марс, а все планеты имеют эллипсоидную орбиту Таким образом был открыт первый закон движения планет Кеплера. В современной формулировке он звучит так: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
Второй закон движения планет явился логичным следствием первого. Еще до формулировки первого закона, наблюдая за перемещением Марса, Кеплер заметил, что планета движется тем медленнее, чем дальше она находится от Солнца. Эллиптическая форма орбиты полностью объясняет эту особенность движения. За равные промежутки времени прямая, соединяющая планету с Солнцем, описывает равные площади – это второй закон Кеплера.
Второй закон объясняет изменение скорости движения планеты, но не дает никаких расчетов. Формула, позволяющая вычислить, с какой скоростью вращаются планеты и какое время занимает их путь вокруг Солнца, заключается в третьем законе Кеплера.
Исследования Кеплера поставили точку в споре между системами мира Птолемея и Коперника. Он убедительно доказал, что в центре нашей системы находится Солнце, а не Земля. После Кеплера в научном мире больше не предпринимались попытки реанимировать геоцентрическую систему.
Точность трех законов движения планет, открытых Кеплером, подтвердили многочисленные астрономические наблюдения. Тем не менее основания и причины этих законов оставались неясными до тех пор, пока в конце XVII в. не проявился гений Ньютона.
Всем известна история о том, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения: ему на голову упало яблоко, и Ньютон понял, что яблоко притянула к себе Земля. В расширенной версии этой легенды присутствует еще и Луна, на которую смотрел ученый, сидя под яблоней.
После падения яблока Ньютон осознал, что сила, заставившая яблоко упасть, и сила, удерживающая Луну на земной орбите, имеет одну и ту же природу.
На самом деле, конечно, все было далеко не так просто До открытия знаменитого закона Ньютон много лет посвятил изучению механики, закономерностей движения и взаимодействия между телами. Он был не первым, кто предположил существование сил тяготения. Об этом говорил еще Галилео Галилей, но он считал, что притяжение к Земле действует только на нашей планете и простирается всего лишь до Луны. Кеплер, открывший законы движения планет, был уверен, что они работают исключительно в космосе и не имеют отношения к земной физике. Ньютон же смог объединить эти два подхода – он был первым, кто осознал, что физические законы, в первую очередь закон всемирного тяготения, универсальны и применимы ко всем материальным телам.
Суть закона всемирного тяготения сводится к тому, что между абсолютно всеми телами во Вселенной существует притяжение. Сила притяжения зависит от двух главных величин – массы тел и расстояния между ними. Чем тяжелее тело, тем сильнее оно притягивает к себе более легкие тела. Земля притягивает Луну и удерживает ее на своей орбите. Луна тоже оказывает на нашу планету определенное воздействие (оно вызывает приливы), но сила притяжения Земли, за счет большей массы, значительнее.
Кроме закона всемирного тяготения, Ньютон сформулировал три закона движения. Первый из них называют законом инерции. Он гласит: если на тело не воздействует сила, оно будет оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Второй закон вводит понятие силы и ускорения, и эти две величины, как доказал Ньютон, зависят от массы тела. Чем больше масса, тем меньшим будет ускорение при определенной приложенной силе. Третий закон Ньютона описывает взаимодействие двух материальных объектов. Самая простая его формулировка гласит: действие равно противодействию.
Открытия, совершенные Исааком Ньютоном, и выведенные им формулы дали астрономии мощный инструмент, позволивший продвинуть эту науку далеко вперед. Многие явления, не имевшие раньше объяснений, раскрыли свою природу. Стало понятно, почему планеты вращаются вокруг Солнца, а спутники вокруг планет, не улетая в открытый космос: их удерживает сила притяжения. Скорость движения планет остается равномерной благодаря закону инерции. Округлая форма небесных тел также получила свое объяснение: она приобретается благодаря гравитации, притяжению к более массивному центру.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
