Движение Солнца, Земли, Луны и других планет

Люди наблюдают за звездами с самых древних времен. Когда-то считалось, что Земля является центром Вселенной, и все остальное вращается вокруг нее. Но сейчас мы знаем, что Луна обращается вокруг Земли, Земля и другие планеты нашей Солнечной системы — вокруг Солнца.

Поднимая взгляд к небу в темное время суток, мы видим огромное количество звезд. На самом деле, их намного больше, просто мы не можем увидеть их невооруженным глазом. Мы видим их благодаря свету, который они излучают. Видимые нами звезды — лишь ничтожная часть всех звезд нашей Галактики.

Вид звездного неба меняется в зависимости от положения наблюдателя. Например, если мы выделим одну звезду и будем наблюдать ее с разных мест, то разница будет очевидна. В одном месте наблюдатель сообщит, что звезда находится с правого края, а другой наблюдатель скажет, что видит эту же звезду, но с левого края неба. Солнце тоже движется по-разному для людей в разных полушариях.

В данном уроке вы узнаете, с помощью каких понятий и определений можно описать движение Солнца, Земли, Луны и других планет. Мы рассмотрим движение небесных тел более подробно, объясним смену времен года и временное исчисление (год, сутки) и ответим на другие интересные вопросы.

Движение Солнца по эклиптике

Мы будем рассматривать движение Солнца, каким оно выглядит для наблюдателя с Земли. Если мы будем наблюдать движение Солнца, находясь в Северном полушарии, то скажем, что оно движется слева направо. Переместимся в Южное полушарие — и теперь Солнце для нас движется справа налево. Ученым понадобились новые понятия и инструменты, чтобы описать и объяснить это движение.

Наблюдая за перемещениями Солнца в течение года, ученые выдвинули новые понятия — эклиптика и звездный год (рисунок 1).

Эклиптика — это путь, который проходит Солнце за год на фоне звезд.

Звездный год — это период одного оборота по эклиптике. Он равен 365,2564 средних солнечных суток.

На рисунке 1 также изображен небесный экватор. Это воображаемая окружность, чья плоскость совпадает с плоскостью земного экватора.

Как она может совпадать с плоскостью экватора? Ведь плоскости эклиптики и небесного экватора пересекаются друг с другом, что видно из рисунка 1. Здесь необходимо помнить, что Земля находится на собственной орбите под некоторым углом. Этот угол сохраняется для любого положения Земли на орбите. Поэтому плоскости небесного и земного экватора параллельны. Из рисунка видно, что этот угол равен $23.5 \degree$.

Эклиптика и небесный экватор служат для определения координат различных небесных тел в пространстве. Мы можем представить их, как своеобразный аналог привычных для нас осей координат Ox и Oy.

Эклиптика и небесный экватор выбраны не случайным образом. Они проходят через определенные созвездия.

Теперь давайте разберемся в этих понятиях подробнее. Эклиптика — это воображаемая линия, по которой происходит движение Солнца для наблюдателя с Земли. Ее плоскость совпадает с плоскостью земной орбиты.

Взгляните еще раз на рисунок 1. Выберите какое-либо положение Земли. Данная точка соединяется линией с Солнцем (на рисунке оно находится в центре земной орбиты). Продолжим эту линию до пересечения с эклиптикой. Мы получили положение Солнца на эклиптике. Что это означает? Что мы видим Солнце на фоне созвездий, которые соответствуют данному участку эклиптики. Эклиптика — инструмент для определения положения Солнца, а не реальные точки его положения.

Для наглядности представьте себе следующую ситуацию. На вашей парте лежит учебник. Если вы будете перемещаться вокруг него, то каждый раз будете его видеть на разном фоне. Теперь мысленно замените учебник на Солнце, а себя на нашу планету. Окружающее вас помещение, на фоне которого вы видите учебник, и будет своеобразной эклиптикой.

Дни равноденствия и солнцестояния

Для наблюдателя с Земли Солнце движется по эклиптике неравномерно. За дневное и ночное время оно проходит разные пути. Это логично, ведь мы знаем, что почти всегда день и ночь не равны.

Эти пути будут равны в дни равноденствия, когда Солнце проходит через небесный экватор. Это случается два раза в год. На рисунке 1 отмечены даты, на которые приходятся эти дни: 23.IX (23 сентября) и 21.III (21 марта). В эти даты световой день длится 12 часов. Это те дни, когда Солнце переходит из Южного полушария в Северное и наоборот. То есть, дни равноденствия являются астрономическим началом весны и осени — в южном полушарии начинается весна, когда в северном наступает осень.

Также есть точки на эклиптике, где Солнце будет дальше всего от небесного экватора. В этом случае мы говорим о днях солнцестояния: 22.VI (22 июня) и 22.XII (22 декабря). 22 июня наблюдается самый продолжительный световой день, а 22 декабря — самый короткий.

{"questions":[{"content":"Солнце, двигаясь по эклиптике, дважды в год оказывается в положении на небесном экваторе. Это происходит [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В дни равноденствия","В дни солнцестояния","В начале и в конце звездного года"],"explanations":["Дни равноденствия приходятся на 23 сентября и 21 марта.","",""],"answer":[0]}}}]}

Зодиакальные созвездия

Эклиптика проходит через 12 созвездий. Эти созвездия называют зодиакальными (рисунок 2). 

12 зодиакальных созвездий — 12 месяцев в году. В июне Солнце движется по созвездию Близнецов, в сентябре — Девы, в декабре — Стрельца, а в марте — Рыб.

Заметьте, что при своем движении Солнце не оказывается в этих созвездиях. Оно движется на их фоне для наблюдателя с Земли. Например, в июле (точка 2 на рисунке 2) мы будем видеть Солнце на фоне созвездия Рака.

Движение Земли вокруг Солнца

Земля — одна из планет Солнечной системы (рисунок 3). 

Наша планета движется по эллиптической орбите вокруг Солнца. При этом она вращается и вокруг собственной оси. На орбите земная ось находится под некоторым углом. 

Все это приводит к тому, что мы наблюдаем смену времен года (рисунок 4). На рисунке отмечены переходные даты и положение северного полюса N на Земле.

Обычно мы считаем, что весна начинается с марта, а лето с июня. Но эти месяцы ни к чему не привязаны.

Смена времен года происходит из-за движения Земли вокруг Солнца и наклона оси вращения Земли. 

Вернемся к дням равноденствия и солнцестояния. Зимнее солнцестояние наступает 22 декабря, а летнее — 22 июня. Что это означает? 22 декабря наступает астрономическая зима в Северном полушарии, а 22 июня — астрономическое (реальное) лето. 

То есть, 22 декабря Северное полушарие наиболее отвернуто от Солнца. Поэтому начинает холодать — наступает зима. И наоборот: 22 июня Северное полушарие оказывается повернутым к солнцу. Теплеет — наступает лето.

Взгляните еще раз на рисунок 4. Рассмотрим положение Земли в лень летнего солнцестояния (22 июня). Из-за угла наклона земной оси Северное полушарие оказывается ближе к Солнцу. Там наступает лето. Что в этот момент будет происходить в Южном полушарии? Оно наоборот теперь находится дальше от Солнца. Поэтому 22 июня в Южном полушарии наступает астрономическая зима.

На практике похолодание и потепление происходят с опозданием из-за атмосферы. Когда мы говорим о временах года, мы подразумеваем, что лето — это время с самой высокой температурой, а зима — с самой низкой. Осенью происходит постепенное уменьшение температуры, а весной — ее увеличение.

Времена года в разных полушариях Земли

Времена года оказываются не привязаны к месяцам. Они определяются вращением Земли вокруг Солнца и углом наклона ее оси вращения. Именно поэтому времена года противоположны друг другу в разных полушариях.

Рассмотрим пример. Возьмем два города в разных странах, которые будут находиться на одинаковой широте, но в разных полушариях. Пусть это будет широта в $40 \degree C$. На этой широте в Южном полушарии находится город Пьера-дель-Агила (Аргентина), а в Северном — Харбин (КНР).

В январе средняя температура в Пьера-дель-Агиле составляет $+25 \degree C$ (лето), а в Харбине эта же температура равна $-17 \degree C$ (зима). В июле в аргентинском городе средняя температура колеблется около $+6 \degree C$ (зима), а в Китае — около $+23 \degree C$ (лето). Конечно, вы видите разницу в температурах, они не диаметрально противоположны. Такие температуры обуславливают климатические особенности выбранных мест, хоть они и находятся на одной широте.

{"questions":[{"content":"Астрономическая зима наступает[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["22 декабря","22 ноября","23 сентября","1 декабря"],"explanations":["Это день зимнего солнцестояния. Северное полушарие наиболее отвернуто от Солнца, что приводит к похолоданию.","","",""],"answer":[0]}}}]}

В итоге, мы имеем четыре времени года. Они разделяются днями равноденствия и солнцестояния. 

Движение Луны вокруг Земли

Луна является спутником Земли. Из всех небесных тел она находится ближе всего к нашей планете. Земля вращается вокруг собственной оси, Луна вращается вокруг Земли в том же направлении. Вместе они вращаются вокруг Солнца.

Луна движется достаточно быстро. Ее средняя скорость составляет $1,02 \frac{км}{с}$. Поэтому мы можем заметить ее движение в течение одной ночи.

Луна — это не звезда, она не излучает свет самостоятельно. Мы видим ее на ночном небе, потому что ее освещает Солнце. Точнее говоря, мы видим часть ее поверхности — дневную сторону (рисунок 5).

Если Луна находится в положении, как на рисунке 5, а, то наблюдатель, находящийся в красной точке либо не увидит поверхности Луны, либо увидит лишь малую ее часть. А при другом положении луны (рисунок 5, б) наблюдатель уже видит всю ее дневную сторону.

Луна перемещается по небу с запада на восток. Она двигается быстрее Солнца. В итоге, за месяц мы можем наблюдать смену лунных фаз: новолуние, первая фаза, первая четверть, вторая фаза, полнолуние, третья фаза, последняя четверть, четвертая фаза (рисунок 6).

В новолуние Луну не получиться разглядеть даже в телескоп. В этом положении она находится в направлении Солнца — повернута к Земле неосвещенным полушарием.

А в полнолуние Луна оказывается в противоположной Солнцу стороне. В этом случае мы будем видеть полностью освещенную сторону Луны. 

Путь Луны по небу проходит близко к эклиптике. Поэтому полная луна светит всю ночь. Она поднимается из-за горизонта при заходе Солнца.

Между полнолунием и новолунием мы наблюдаем промежуточные фазы. Ее стороны освещены частично и мы говорим, что Луна либо убывает, либо прибывает.

{"questions":[{"content":"Луну невозможно увидеть на небе в[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Новолуние","Полнолуние","Первой четверти","Последней четверти"],"explanations":["","В этой фазе мы видим полную луну.","В этой фазе мы видим половину луны - часть ее освещенной поверхности.","Это фаза обратна первой четверти. Мы будем наблюдать часть освещенной поверхности луны."],"answer":[0]}}}]}

Движение других планет

Солнце, Земля и Луна движутся достаточно сложно. Но движение других планет еще сложнее. Осложняет ситуацию тот факт, что все небесные тела вращаются одновременно и с разной скоростью.

Тем не менее, все планеты Солнечной системы (рисунок 3) вращаются вокруг Солнца в одном направлении. 

Рассмотрим это движение на примере Марса (рисунок 7). Он двигается в том же направлении, что Солнце и Луна. Но через некоторое время он замедляется и останавливается. Далее происходит смещение в обратном направлении и очередная остановка. После этого планета снова движется в первоначальном направлении. Если изобразить этот путь графически, то получится петля.

Невооруженным глазом есть возможность увидеть пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн.

С вращением небесных тел всегда было связано исчисление времени. За год Земля оборачивается вокруг солнца, а за сутки — делает полный оборот вокруг своей оси. На Марсе сутки почти равны земным (24 часа и 39 минут). Но при этом год проходит за 687 земных суток. Тем временем год на Меркурии занимает 88 земных суток. Только при этом он совершает поворот вокруг своей оси за 59 суток. Итого, на Меркурии одни сутки длятся около ⅔ года.