Солнце выше над горизонтом. Видимое годовое движение солнца

Поскольку широта местности не меняется, из изменений высоты Солнца следует, что меняется его склонение. Широту местности приближенно для данного населенного пункта можно определить по географической карте (для Ростова 47° 13"), тогда по измерениям высоты h можно найти, что летом максимальное удаление от небесного экватора составляет +23,5°, а в зимнее время равно -23,5°. Также можно установить, что на небесном экваторе Солнце находится 21 марта и 23 сентября (дни равноденствия), в эти дни склонение Солнца равно 0°.

Например, нужно определить максимальную и минимальную высоту подъёма Солнца над горизонтом для города Киева. Широта Киева: 50° 24"

H = 90° - 50,2° + 23,5° = 63,3° (в дни летнего солнцестояния);

H = 90° - 50,2° - 23,5° = 16,3° (в дни зимнего солнцестояния).

Bо время весеннего и осеннего равноденствий полуденная высота Солнца равна дополнению географической широты места до 90°, а во время зимнего и летнего солнцестояний она меньше или больше равноденственной на угол, равный наклонности эклиптики к экватору.

В дни равноденствий высота полуденного Солнца (φ0) над горизонтом для разных широт (φ1) определяется по формуле:
φ0 = 90° - φ1
Координаты Донецка: 48°00′32″ с. ш. 37°48′15″ в. д.
В г. Донецке 21 марта и 23 сентября в полдень Солнце находится на высоте:
φ0 = 90° - 48°= 42 °
Летом, когда Солнце находится над тропиком каждого полушария, высота его в полдень увеличивается на 23° 27", т. е.
φ0 = 90° - φ1 + 23° 27"
φ0 = 90°- 48° +23° 27"= 65° 27"
В Донецке 21 июня высота Солнца равна 65°27"

Зимой, когда Солнце перемещается в противоположное полушарие, высота его соответственно уменьшается и достигает минимума в дни солнцестояния, когда ее следует уменьшить на 23°27", т. е.
φ0 = 90° - φ1- 23° 27"
φ0 = 90°- 48° - 23° 27"= 18° 33"

Задача 31

Z - точка зенита * - Полярная звезда

Угол, под которым видно Полярную звезду, к площади го­ризонта
угол между точкой зенита и Полярной звездой.
В дни равноденствий высота полуденного Солнца над горизонтом для разных широт определяется по формуле:

Так, например, в г. Киеве 21 марта и 23 сентября в полдень Солнце находится на высоте:

Летом, когда Солнце находится над тропиком каждого полушария, высота его в полдень увеличивается на 23° 27", т.е.

Таким образом, для г. Киева 21 июня высота Солнца равна 61°27". Зимой, когда Солнце перемещается в противоположное полушарие, высота его соответственно уменьшается и достигает минимума в дни солнцестояния, когда ее следует уменьшить на 23°27", т.е.

Так, для Киева 22 декабря Солнце находится на высоте

Задача 33
С корабля 20 февраля была измерена высота Солнца над горизонтом. Она составила 50°. Солнце было на юге. На какой географической широте находится корабль, если в этот день Солнце, стояло в зените па широте 1105" ю.ш.?

Ответ:
Корабль находился на 28°55" с.ш.

Задача 32
Санкт-Петербург и Киев находятся почти на одном меридиане. 22 июня в полдень Солнце в Санкт-Петербурге возвышаетсянад горизонтом на 53°30, а в Киеве в этот момент- на 61,5°. Каково расстояние между городами в градуса и километрах?

Ответ:

Расстояние между Киевом и Санкт-Петербургом - 8°, а в километрах -890,4 км.

Задача 34
В Северном полушарии, там, где находятся туристы, Солнце в пол­день стоит над горизонтом под углом 53030". В этот же день полуденное Солнце находится в зените на 12°20" с.ш. На каком градусе широты находятся туристы?

Ответ:
Туристы находятся на 48°50" с. ш.

- Высота Полярной ВСЕГДА равна широте места наблюдения (это для сев. полушария) = причём в любое время суток!

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25

Солнце — это главный источник тепла и единственная звезда нашей Солнечной системы, которая, подобно магниту, притягивает все планеты, спутники, астероиды, кометы и прочих "обитателей" космоса.

Расстояние от Солнца до Земли более 149 миллионов километров. Именно эту удаленность нашей планеты от Солнца принято называть астрономической единицей.

Несмотря на значительное удаление, эта звезда оказывает огромное влияние на нашу планету. В зависимости от положения Солнца на Земле день сменяет ночь, лето приходит на смену зиме, возникают магнитные бури и образуются удивительнейшие полярные сияния. А самое главное — без участия Солнца на Земле невозможен был бы процесс фотосинтеза — основного источника кислорода.

Положение Солнца в разные времена года

Наша планета движется вокруг небесного источника света и тепла по замкнутой орбите. Этот путь схематично можно представить себе в виде вытянутого эллипса. Само Солнце располагается не в центре эллипса, а несколько в стороне.

Земля то приближается, то удаляется от Солнца, завершая полный оборот по орбите за 365 дней. Ближе всего к светилу наша планета находится в январе. В это время расстояние сокращается до 147 млн.км. Точка земной орбиты, ближе всего расположенная к Солнцу, называется "перигелий".

Чем ближе располагается Земля к Солнцу, тем больше освещается Южный полюс, а в странах южного полушария начинается лето.

Ближе к июлю наша планета максимально удаляется от главной звезды Солнечной системы. В этот период удаленность больше 152 млн.км. Самая далекая от Солнца точка земной орбиты получила название "афелий". Чем дальше земной шар находится от Солнца, тем больше света и тепла получают страны северного полушария. Тогда здесь наступает лето, а, например, в Австралии и Юной Америке господствует зима.

Как Солнце освещает Землю в разное время года

Освещение Земли Солнцем в разное время года напрямую зависит от удаленности нашей планеты в данный промежуток времени и от того, каким "боком" повернута Земля в этот момент к Солнцу.

Важнейший фактор, влияющий на смену времен года — земная ось. Наша планета, вращаясь вокруг Солнца, успевает в то же время поворачиваться вокруг собственной воображаемой оси. Эта ось расположена под углом в 23,5 градуса к небесному светилу и всегда оказывается направленной на Полярную звезду. Полный оборот вокруг земной оси занимает 24 часа. Осевое вращение обеспечивает также смену дня и ночи.

Кстати, если бы этого отклонения не было, то времена года не сменяли бы друг друга, а оставались постоянными. То есть, где-то царило бы постоянное лето, в других районах была постоянная весна, третья часть земли вечно бы поливалась осенними дождями.

Под прямыми лучами Солнца в дни равноденствия оказывается земной экватор, в то время, как в дни солнцестояния солнце в зените будет на широтах 23,5 град., плавно приближаясь в остальное время года к нулевой широте, т.е. к экватору. Солнечные лучи, падающие отвесно, приносят больше света и тепла, они не рассеиваются в атмосфере. Поэтому жители стран, расположенных на экваторе, никогда не знают холода.

Полюса земного шара попеременно оказываются в лучах Солнца. Поэтому на полюсах полгода длится день, а полгода — ночь. Когда освещенным оказывается Северный полюс, то в северном полушарии наступает весна, сменяющая летом.

В следующие полгода картина меняется. К Солнцу оказывается обращенным Южный полюс. Теперь в южном полушарии начинается лето, а в странах северного полушария воцаряется зима.

Дважды в год наша планета оказывается в таком положении, когда солнечные лучи одинаково освещают ее поверхность от Крайнего севера до Южного полюса. Эти дни называются днями равноденствия. Весеннее отмечают 21 марта, осеннее —23 сентября.

Еще два дня в году получили названия солнцестояния. В это время Солнце оказывается или максимально высоко над горизонтом, или максимально низко.

В северном полушарии 21 или 22 декабря наступает ночь, длящаяся дольше всех в году — это день зимнего солнцестояния. А 20 или 21 июня, наоборот, день является самым длинным, а ночь самой короткой — это день летнего солнцестояния. В южном полушарии все происходит наоборот. Там в декабре длинные дни, а в июне — длинные ночи.

Видимое годовое движение Солнца

Вследствие годового обращения Земли вокруг Солнца в направлении с запада на восток нам кажется, что Солнце перемещается среди звезд с запада к востоку по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой , с периодом 1 год. Плоскость эклиптики (плоскость земной орбиты) наклонена к плоскости небесного (а также земного) экватора под углом . Этот угол называют наклонением эклиптики .

Положение эклиптики на небесной сфере, то есть экваториальные координаты и точек эклиптики и ее наклонение к небесному экватору определяются из ежедневных наблюдений Солнца. Измеряя зенитное расстояние (или высоту) Солнца в момент его верхней кульминации на одной и той же географической широте,

,	(6.1)
,	(6.2)

можно установить, что склонение Солнца в течение года изменяется в пределах от до . При этом прямое восхождение Солнца на протяжении года изменяется от до , или от до .

Рассмотрим подробнее изменение координат Солнца.

В точке весеннего равноденствия ^, которую Солнце проходит ежегодно 21 марта, прямое восхождение и склонение Солнца раны нулю. Затем с каждым днем прямое восхождение и склонение Солнца увеличиваются.

В точке летнего солнцестояния a, в которую Солнце попадает 22 июня, его прямое восхождение равно 6 h , а склонение достигает максимального значения + . После этого склонение Солнца уменьшается, а прямое восхождение по-прежнему растет.

Когда Солнце 23 сентября приходит в точку осеннего равноденствия d, его прямое восхождение станет равным , а склонение снова станет равно нулю.

Далее, прямое восхождение, продолжая увеличиваться, в точке зимнего солнцестояния g, куда Солнце попадает 22 декабря, становится равным , а склонение достигает своего минимального значения - . После этого склонение возрастает, и Солнце через три месяца приходит вновь в точку весеннего равноденствия.

Рассмотрим изменение местоположения Солнца на небе в течение года для наблюдателей, находящихся в разных местах на поверхности Земли.

северном полюсе Земли , в день весеннего равноденствия (21.03) Солнце совершает круг по горизонту. (Напомним, что на Северном полюсе земли не существует явлений восхода и захода светил, то есть любое светило движется параллельно горизонту, не пересекая его). Это знаменует начало полярного дня на Северном полюсе. На следующий день Солнце, чуть-чуть поднявшись по эклиптике, опишет круг, параллельный горизонту, на немного большей высоте. С каждым днем оно будет подниматься все выше и выше. Максимальной высоты Солнце достигнет в день летнего солнцестояния (22.06) – . После этого начнется медленное уменьшение высоты. В день осеннего равноденствия (23.09) Солнце опять окажется на небесном экваторе, который совпадает с горизонтом на Северном полюсе. Совершив прощальный круг вдоль горизонта в этот день, Солнце на полгода опускается под горизонт (под небесный экватор). Длившийся полгода полярный день завершен. Начинается полярная ночь.

Для наблюдателя находящегося на северном полярном круге наибольшей высоты Солнце достигает в полдень в день летнего солнцестояния – . Полуночная высота Солнца в этот день равна 0°, то есть Солнце в этот день не заходит. Такое явление принято называть полярным днем .

В день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна – , то есть Солнце не восходит. Это называется полярная ночь . Широта северного полярного круга – наименьшая в северном полушарии Земли, где наблюдаются явления полярных дня и ночи.

Для наблюдателя находящегося на северном тропике , Солнце каждый день восходит и заходит. Максимальной полуденной высоты над горизонтом Солнце достигает в день летнего солнцестояния – в этот день оно проходит точку зенита (). Северный тропик – самая северная параллель, где Солнце бывает в зените. Минимальная полуденная высота, , наблюдается в день зимнего солнцестояния.

Для наблюдателя находящегося на экваторе , абсолютно все светила заходят и восходят. При этом любое светило, в том числе и Солнце, ровно 12 часов проводят над горизонтом и 12 часов – под горизонтом. Это значит, что продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи – по 12 часов. Дважды в году – в дни равноденствий – полуденная высота Солнца становится 90°, то есть проходит через точку зенита.

Для наблюдателя находящегося на широте Стерлитамака , то есть в умеренном поясе, Солнце никогда не бывает в зените. Наибольшей высоты достигает в полдень 22 июня, в день летнего солнцестояния, – . В день зимнего солнцестояния, 22 декабря, его высота минимальна – .

Итак, сформулируем следующие астрономические признаки тепловых поясов:

1. В холодных поясах (от полярных кругов до полюсов Земли ) Солнце может быть и незаходящим, и невосходящим светилом. Полярный день и полярная ночь могут длиться от 24 часов (на северном и южном полярных кругах) до полугода (на северном и южном полюсах Земли).

2. В умеренных поясах (от северного и южного тропиков до северного и южного полярных кругов ) Солнце каждый день восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Летом день длиннее ночи, а зимой – наоборот.

3. В жарком поясе (от северного тропика до южного тропика ) Солнце всегда восходящее и заходящее. В зените Солнце бывает от одного раза – на северном и южном тропиках, до двух раз – на других широтах пояса.

Регулярная смена времен года на Земле является следствием трех причин: годового обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости земной орбиты (плоскости эклиптики) и сохранения земной осью своего направления в пространстве на протяжении длительных промежутков времени. Благодаря совместному действию этих трех причин происходит видимое годовое движение Солнца по эклиптике, наклоненной к небесному экватору, и поэтому положение суточного пути Солнца над горизонтом различных мест земной поверхности на протяжении года изменяется, а следовательно, изменяются условия их освещения и обогревания Солнцем.

Неодинаковое обогревание Солнцем областей земной поверхности с различной географической широтой (или этих же областей в разное время года) легко выясняется простым подсчетом. Обозначим через количество тепла, передаваемого единице площади земной поверхности отвесно падающими солнечными лучами (Солнце в зените). Тогда при другом зенитном расстоянии Солнца та же единица площади получит количество тепла

(6.3)

Подставляя в эту формулу значения Солнца в истинный полдень разных дней года и деля полученные равенства друг на друга, можно найти отношение количества тепла, получаемого от Солнца в полдень в эти дни года.

Задания:

1. Вычислить наклонение эклиптики и определить экваториальные и эклиптические координаты ее основных точек по измеренному зенитному расстоянии. Солнца в верхней кульминации в дни солнцестояний:

№	22 июня	22 декабря
1)	29〫48ʹ ю	76〫42ʹ ю
№	22 июня	22 декабря
2)	19〫23ʹ ю	66〫17ʹ ю
3)	34〫57ʹ ю	81〫51ʹ ю
4)	32〫21ʹ ю	79〫15ʹ ю
5)	14〫18ʹ ю	61〫12ʹ ю
6)	28〫12ʹ ю	75〫06ʹ ю
7)	17〫51ʹ ю	64〫45ʹ ю
8)	26〫44ʹ ю	73〫38ʹ ю

2. Определить наклонение видимого годового пути Солнца к небесному экватору на планетах Марс, Юпитер и Уран.

3. Определить наклонение эклиптики около 3000 лет назад, если по наблюдениям в ту эпоху в некотором месте северного полушария Земли полуденная высота Солнца в день летнего солнцестояния равнялась +63〫48ʹ, а в день зимнего солнцестояния +16〫00ʹ к югу от зенита.

4. По картам звездного атласа академика А.А. Михайлова установить названия и границы зодиакальных созвездий, указать те из них, в которых находятся основные точки эклиптики, и определить среднюю продолжительность перемещения Солнца на фоне каждого зодиакального созвездия.

5. По подвижной карте звездного неба определить азимуты точек и моменты времени восхода и захода Солнца, а также примерную продолжительность дня и ночи на географической широте Стерлитамака в дни равноденствий и солнцестояний.

6. Вычислить для дней равноденствий и солнцестояний полуденную и полуночную высоту Солнца в: 1) Москве; 2) Твери; 3) Казани; 4) Омске; 5) Новосибирске; 6) Смоленске; 7) Красноярске; 8) Волгограде.

7. Вычислить отношения количеств тепла, получаемых в полдень от Солнца в дни солнцестояний одинаковыми площадками в двух пунктах земной поверхности, расположенных на широте: 1) +60〫30ʹ и в Майкопе; 2) +70〫00ʹ и в Грозном; 3) +66〫30ʹ и в Махачкале; 4) +69〫30ʹ и во Владивостоке; 5) +67〫30ʹ и в Махачкале; 6) +67〫00ʹ и в Южно-Курильске; 7) +68〫00ʹ и в Южно-Сахалинске; 8) +69〫00ʹ и в Ростове-на-Дону.

Законы кеплера и конфигурации планет

Под действием гравитационного притяжения к Солнцу планеты обращаются вокруг него по слабовытянутым эллиптическим орбитам. Солнце находится в одном из фокусов эллиптической орбиты планеты. Это движение подчиняется законам Кеплера.

Величина большой полуоси эллиптической орбиты планеты является также средним расстоянием от планеты до Солнца. Благодаря незначительным эксцентриситетам и небольшим наклонениям орбит больших планет, можно при решении многих задач приближенно полагать эти орбиты круговыми с радиусом и лежащими практически в одной плоскости – в плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты).

Согласно третьему закону Кеплера, если и – соответственно звездные (сидерические) периоды обращения некоторой планеты и Земли вокруг Солнца, а и – большие полуоси их орбит, то

.

(7.1)

Здесь периоды обращения планеты и Земли могут быть выражены в любых единицах, но размерности и должны быть одинаковы. Подобное утверждение справедливо и для больших полуосей и .

Если за единицу измерения времени принять 1 тропический год ( – период обращения Земли вокруг Солнца), а за единицу измерения расстояния 1 астрономическую единицу (), то третий закон Кеплера (7.1) можно переписать в виде

где – сидерический период обращения планеты вокруг Солнца, выраженный в средних солнечных сутках.

Очевидно, для Земли средняя угловая скорость определяется формулой

Если принять за единицу измерения угловых скоростей планеты и Земли , а периоды обращения измерять в тропических годах, то формула (7.5) может быть записана в виде

Средняя линейная скорость движения планеты на орбите может быть рассчитана по формуле

Среднее значение орбитальной скорости Земли известно и составляет . Поделив (7.8) на (7.9) и используя третий закон Кеплера (7.2), найдем зависимость от

Знак «-» соответствует внутренним или нижним планетам (Меркурий, Венера), а «+» – внешним или верхним (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). В этой формуле и выражены в годах. В случае необходимости найденные значения и всегда могут быть выражены в сутках.

Взаимное расположение планет легко устанавливается по их гелиоцентрическим эклиптическим сферическим координатам, значения которых на различные дни года публикуются в астрономических календарях-ежегодниках, в таблице под названием «гелиоцентрические долготы планет».

Центром этой системы координат (рис. 7.1) является центр Солнца, а основным кругом – эклиптика, полюса которой и отстоят от нее на 90º.

Большие круги, проведенные через полюса эклиптики, называются кругами эклиптической широты , по ним отсчитывается от эклиптики гелиоцентрическая эклиптическая широта , которая считается положительной в северном эклиптическом полушарии и отрицательной в южном эклиптическом полушарии небесной сферы. Гелиоцентрическая эклиптическая долгота отсчитывается по эклиптике от точки весеннего равноденствия ¡ против часовой стрелки до основания круга широты светила и имеет значения в пределах от 0º до 360º.

Из-за малого наклонения орбит больших планет к плоскости эклиптики, эти орбиты всегда находятся вблизи эклиптики, и в первом приближении можно считать их гелиоцентрическую долготу , определяя положение планеты относительно Солнца лишь одной ее гелиоцентрической эклиптической долготой .

Рис. 7.1. Эклиптическая система небесных координат

Рассмотрим орбиты Земли и некоторой внутренней планеты (рис. 7.2), используя гелиоцентрическую эклиптическую систему координат . В ней основным кругом является эклиптика, а нуль-пунктом – точка весеннего равноденствия ^. Отсчет эклиптической гелиоцентрической долготы планеты ведется от направления «Солнце – точка весеннего равноденствия ^» до направления «Солнце – планета» против часовой стрелки. Для простоты будем считать плоскости орбит Земли и планеты совпадающими, а сами орбиты – круговыми. Тогда положение планеты на орбите задается ее эклиптической гелиоцентрической долготой .

Если центр эклиптической системы координат совместить с центром Земли, то это будет геоцентрическая эклиптическая система координат . Тогда угол между направлениями «центр Земли – точка весеннего равноденствия ^» и «центр Земли – планета» называется эклиптической геоцентрической долготой планеты . Гелиоцентрическая эклиптическая долгота Земли и геоцентрическая эклиптическая долгота Солнца , как видно из рис. 7.2, связаны соотношением:

.

(7.12)

Будем называть конфигурацией планеты некоторое фиксированное взаимное расположение планеты, Земли и Солнца.

Рассмотрим раздельно конфигурации внутренних и внешних планет.

Рис. 7.2. Гелио- и геоцентрическая системы
эклиптических координат

Различают четыре конфигурации внутренних планет: нижнее соединение (н.с.), верхнее соединение (в.с.), наибольшая западная элонгация (н.з.э.) и наибольшая восточная элонгация (н.в.э.).

В нижнем соединении (н.с.) внутренняя планета находится на прямой, соединяющей Солнце и Землю, между Солнцем и Землей (рис. 7.3). Для земного наблюдателя в этот момент внутренняя планета «соединяется» с Солнцем, то есть видна на фоне Солнца. При этом эклиптические геоцентрические долготы Солнца и внутренней планеты равны, то есть: .

Вблизи нижнего соединения планета перемещается на небе в попятном движении около Солнца, над горизонтом находится днем, причем около Солнца, и наблюдать ее, разглядывая что-либо на ее поверхности, невозможно. Очень редко удается увидеть уникальное астрономическое явление – прохождение внутренней планеты (Меркурия или Венеры) по диску Солнца.

Рис. 7.3. Конфигурации внутренних планет

Так как угловая скорость внутренней планеты больше угловой скорости Земли, через некоторое время планета сместится в положение, где направления «планета-Солнце» и «планета-Земля» отличаются на (рис. 7.3). Для земного наблюдателя планета при этом удалена от солнечного диска на максимальный угол, или говорят, что планета в этот момент находится в наибольшей элонгации (удалении от Солнца). Различают две наибольших элонгации внутренней планеты – западную (н.з.э.) и восточную (н.в.э.). В наибольшей западной элонгации () и планета заходит за горизонт и восходит раньше, чем Солнце. Это значит, что наблюдать ее можно утром, перед восходом Солнца, в восточной стороне неба. Это называется утренней видимостью планеты.

После прохождения наибольшей западной элонгации диск планеты начинает приближаться на небесной сфере к диску Солнца до тех пор, пока планета не исчезнет за диском Солнца. Эта конфигурация, когда Земля, Солнце и планета лежат на одной прямой, причем планета находится за Солнцем, называется верхним соединением (в.с.) планеты. Проводить в этот момент наблюдения внутренней планеты нельзя.

После верхнего соединения угловое расстояние между планетой и Солнцем начинает расти, достигая максимального значения в наибольшей восточной элонгации (н.в.э.). При этом гелиоцентрическая эклиптическая долгота планеты больше, чем у Солнца (а геоцентрическая – наоборот, меньше, то есть ). Планета в этой конфигурации восходит и заходит позднее Солнца, что дает возможность наблюдать ее вечером после захода Солнца (вечерняя видимость ).

Из-за эллиптичности орбит планет и Земли угол между направлениями на Солнце и на планету в наибольшей элонгации не постоянен, а изменяется в некоторых пределах, для Меркурия – от до , для Венеры – от до .

Наибольшие элонгации – самые удобные моменты для наблюдений внутренних планет. Но так как даже в этих конфигурациях Меркурий и Венера не отходят на небесной сфере далеко от Солнца, наблюдать их в течение всей ночи нельзя. Продолжительность вечерней (и утренней) видимости у Венеры не превышает 4 часов, а у Меркурия – не более 1.5 часа. Можно сказать, что Меркурий всегда «купается» в солнечных лучах – его приходится наблюдать или непосредственно перед восходом Солнца, или сразу после захода, на светлом небе. Видимый блеск (звездная величина) Меркурия меняется со временем в пределах от до . Видимая звездная величина Венеры варьируется от до . Венера – самый яркий объект на небе после Солнца и Луны.

У внешних планет также различают четыре конфигурации (рис. 7.4): соединение (с.), противостояние (п.), восточная и западная квадратуры (з.кв. и в.кв.).

Рис. 7.4. Конфигурации внешних планет

В конфигурации «соединение» внешняя планета расположена на прямой, соединяющей Солнце и Землю, за Солнцем. В этот момент наблюдать ее нельзя.

Так как угловая скорость внешней планеты меньше, чем у Земли, дальнейшее относительное движение планеты на небесной сфере будет попятным. При этом она постепенно будет смещаться к западу от Солнца. Когда угловое удаление внешней планеты от Солнца достигнет , она попадет в конфигурацию «западная квадратура». При этом планета будет видна в восточной стороне неба всю вторую половину ночи до восхода.

В конфигурации «противостояние», называемой иногда также «оппозиция», планета отстоит на небе от Солнца на , тогда

Планету, находящуюся в восточной квадратуре, можно наблюдать с вечера до полуночи.

Наиболее благоприятны условия для наблюдений внешних планет в эпоху их противостояния. В это время планета доступна наблюдениям в течение всей ночи. При этом она максимально сближена с Землей и имеет наибольший угловой диаметр и максимальный блеск. Для наблюдателей немаловажно, что все верхние планеты достигают наибольшей высоты над горизонтом в зимние противостояния, когда они движутся по небу в тех же созвездиях, где Солнце бывает летом. Летние же противостояния на северных широтах происходят низко над горизонтом, что может весьма затруднить наблюдения.

При расчете даты той или иной конфигурации планеты ее расположение относительно Солнца изображается на чертеже, плоскость которого принимается за плоскость эклиптики. Направление на точку весеннего равноденствия ^ выбирается произвольно. Если задан день года, в который гелиоцентрическая эклиптическая долгота Земли имеет определенное значение, то сначала следует отметить на чертеже расположение Земли.

Приближенное значение гелиоцентрической эклиптической долготы Земли очень легко найти по дате наблюдения. Легко видеть (рис. 7.5), что, например, 21 марта, смотря с Земли в сторону Солнца, мы смотрим в точку весеннего равноденствия ^, то есть, направление «Солнце – точка весеннего равноденствия» отличается от направления «Солнце – Земля» на , а это значит, что гелиоцентрическая эклиптическая долгота Земли . Смотря на Солнце в день осеннего равноденствия (23 сентября), мы видим его в направлении на точку осеннего равноденствия (на чертеже она диаметрально противоположна точке ^). При этом эклиптическая долгота Земли . Из рис. 7.5 видно, что в день зимнего солнцестояния (22 декабря) эклиптическая долгота Земли , а в день летнего солнцестояния (22 июня) – .

Рис. 7.5. Эклиптические гелиоцентрические долготы Земли
в разные дни года

§ 52. Видимое годовое движение Солнца и его объяснение

Наблюдая за суточным движением Солнца в течение года, можно легко заметить в его движении ряд особенностей, отличающихся от суточного движения звезд. Наиболее характерные из них следующие.

1. Место восхода и захода Солнца, а следовательно, и его азимут изо дня в день изменяются. Начиная с 21 марта (когда Солнце восходит в точке востока, а заходит в точке запада) по 23 сентября восход Солнца наблюдается в норд-остовой четверти, а заход - в норд-вестовой. В начале этого времени точки восхода и захода Солнца перемещаются к северу, а затем в обратном направлении. 23 сентября так же, как и 21 марта, Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада. Начиная с 23 сентября по 21 марта подобное явление повторится в зюйд-остовой и зюйдвестовой четвертях. Перемещение точек восхода и захода Солнца имеет годичный период.

Звезды всегда восходят и заходят в одних и тех же точках горизонта.

2. Меридиональная высота Солнца изменяется с каждым днем. Например, в Одессе (ср = 46°,5 N) 22 июня она будет наибольшей и равняться 67°, затем начнет уменьшаться и 22 декабря достигнет наименьшего значения 20°. После 22 декабря меридиональная высота Солнца начнет увеличиваться. Это явление также годичного периода. Меридиональная высота звезд всегда постоянна. 3. Продолжительность времени между кульминациями какойлибо звезды и Солнца беспрерывно изменяется, тогда как продолжительность времени между двумя кульминациями одних и тех же звезд остается постоянной. Так, в полночь мы видим кульминирующими те созвездия, которые в данное время находятся на противоположной стороне сферы от Солнца. Затем одни созвездия уступают место другим, а в течение года в полночь поочередно прокульминируют все созвездия.

4. Продолжительность дня (или ночи) в течение года непостоянна. Это особенно заметно, если сравнить продолжительность летнего и зимнего дней в больших широтах, например в Ленинграде Происходит это потому, что время нахождения Солнца над горизонтом в течение года различное. Звезды над горизонтом находятся всегда одинаковое количество времени.

Таким образом, Солнце, кроме суточного движения, совершаемого совместно со звездами, имеет еще видимое перемещение по сфере с годовым периодом. Это перемещение называют видимым годовым движением Солнца по небесной сфере.

Наиболее наглядное представление об этом движении Солнца получим в том случае, если ежедневно будем определять его экваториальные координаты - прямое восхождение а и склонение б Затем по найденным значениям координат нанесем точки на вспомогательную небесную сферу и соединим их плавной кривой. В результате получим большой круг на сфере, который укажет путь видимого годового движения Солнца. Круг на небесной сфере, по которому перемещается Солнце, называется эклипти кой. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости экватора под постоянным углом g = =23°27" , который называется углом наклона эклиптики к экватору (рис. 82).

Рис. 82.

Видимое годовое движение Солнца по эклиптике происходит в направлении, противоположном вращению небесной сферы, т. е. с запада на восток. Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называют точками равноденствий. Точка, в которой Солнце переходит из южного полушария в северное, а следовательно меняет наименование склонения с южного на северное (т. е. с бS на бN), называется точкой весеннего равноденствия и обозначается значком Y. Этим значком обозначают созвездие Овна, в котором когда-то находилась эта точка. Поэтому иногда ее называют точкой Овна. В настоящее время точка Т находится в созвездии Рыб.

Противоположную точку, в которой Солнце переходит из северного полушария в южное и меняет наименование своего склонения с б N на б S , называют точкой осеннего равноденствия. Ее обозначают значком созвездия Весов O, в котором она когда-то находилась. В настоящее время точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы.

Точку L называют точкой летнего, а точку L" - точкой зимнего солнцестояний.

Проследим за видимым движением Солнца по эклиптике в течение года.

В точку весеннего равноденствия Солнце приходит 21 марта. Прямое восхождение a и склонение Солнца б равны нулю. На всем земном шаре Солнце восходит в точке O st и заходит в точке W, а день равен ночи. С 21 марта Солнце перемещается по эклиптике в сторону точки летнего солнцестояния. Прямое восхождение и склонение Солнца беспрерывно увеличиваются. В северном полушарии наступает астрономическая весна, а в южном - осень.

22 июня, примерно через 3 месяца, Солнце приходит в точку летнего солнцестояния L. Прямое восхождение Солнца а=90° , a склонение б = 23°27"N. В северном полушарии наступает астрономическое лето (самые длинные дни и короткие ночи), а в южном-зима (самые длинные ночи и короткие дни) . При дальнейшем движении Солнца его северное склонение начинает уменьшаться, а прямое восхождение по-прежнему увеличивается.

Примерно еще через три месяца, 23 сентября, Солнце приходит в точку осеннего равноденствия Q. Прямое восхождение Солнца а=180° , асклонение б=0° . Так как б=0 ° (как и 21 марта), то для всех точек земной поверхности Солнце восходит в точке O st и заходит в точке W. День будет равен ночи. Наименование склонения Солнца меняется с северного 8n на южное - бS. В северном полушарии наступает астрономическая осень, а в южном - весна. При дальнейшем перемещении Солнца по эклиптике к точке зимнего солнцестояния U склонение 6 и прямое восхождение аО увеличиваются.

22 декабря Солнце приходит в точку зимнего солнцестояния L". Прямое восхождение а=270 ° и склонение б=23°27"S. В северном полушарии наступает астрономическая зима, а в южном - лето.

После 22 декабря Солнце перемещается к точке Т. Наименование его склонения остается южным, но уменьшается, а прямое восхождение увеличивается. Примерно через 3 месяца, 21 марта, Солнце, совершив полный оборот по эклиптике, возвращается в точку Овна.

Изменения прямого восхождения и склонения Солнца в течение года не остаются постоянными. Для приближенных расчетов суточное изменение прямого восхождения Солнца принимают равным 1°. Изменение склонения за сутки принимают равным 0°,4 в течение одного месяца до равноденствия и одного месяца после, а изменение 0°,1 в течение одного месяца до солнцестояний и одного месяца после солнцестояний; все остальное время изменение склонения Солнца принимают равным 0°,3.

Особенность изменения прямого восхождения Солнца играет важную роль при выборе основных единиц для измерения времени.

Точка весеннего равноденствия перемещается по эклиптике навстречу годовому движению Солнца. Годовое перемещение ее равно 50", 27 или округленно 50",3 (для 1950 г.). Следовательно, Солнце не доходит до первоначального места относительно неподвижных звезд на величину 50",3. Для прохождения Солнцем указанного пути понадобится 20 м м 24 c . По этой причине весна

Наступает раньше, чем Солнце окончит и своем видимом годовом движении полный круг в 360° относительно неподвижных звезд. Смещение момента наступления весны было обнаружено Гиппархом во II в. до н. э. по наблюдениям звезд, которые он производил на острове Родос. Это явление он назвал предварением равноденствий, или прецессией.

Явление перемещения точки весеннего равноденствия вызвало необходимость ввести понятия тропического и звездного годов. Тропическим годом называют промежуток времени, в течение которого Солнце совершает полный оборот по небесной сфере относительно точки весеннего равноденствия Т. "Продолжительность тропического года равна 365,2422 суток. Тропический год согласуется с природными явлениями и точно содержит в себе полный цикл сезонов года: весну, лето, осень и зиму.

Звездным годом называют промежуток времени, в течение которого Солнце совершает полный оборот по небесной сфере относительно звезд. Продолжительность звездного года равна 365,2561 суток. Звездный год длиннее тропического.

В своем видимом годовом движении по небесной сфере Солнце проходит среди различных звезд, расположенных вдоль эклиптики. Еще в глубокой древности эти звезды разделили на 12 созвездий, большинству из которых дали имена животных. Полоса неба вдоль эклиптики, образуемая этими созвездиями, была названа Зодиаком (круг животных), а созвездия - зодиакальными.

По сезонам года Солнце проходит следующие созвездия:

От совместного движения Солнца-годового по эклиптике и суточного вследствие вращения небесной сферы создается общее движение Солнца по спиралеобразной линии. Крайние параллели этой линии удалены по обе стороны от экватора на расстояниях в=23°,5.

22 июня, когда Солнце описывает крайнюю суточную параллель на северной небесной полусфере, оно находится в созвездии Близнецов. В далеком прошлом Солнце находилось в созвездии Рака. 22 декабря Солнце находится в созвездии Стрельца, а в прошлом оно было в созвездии Козерога. Поэтому крайняя северная небесная параллель была названа тропиком Рака, а южная - тропиком Козерога. Соответствующие им земные параллели с широтами cp = беmах =23°27" в северном полушарии назвали тропиком Рака, или северным тропиком, а в южном - тропиком Козерога, или южным тропиком.

В совместном движении Солнца, которое происходит по эклиптике с одновременным вращением небесной сферы, имеется ряд особенностей: изменяется длина суточной параллели над горизонтом и под горизонтом (а следовательно, и продолжительность дня и ночи), изменяются меридиональные высоты Солнца, точки восхода и захода и т. д. Все эти явления зависят от соотношения между географической широтой места и склонением Солнца. Поэтому для наблюдателя, находящегося в разных широтах, они будут различными.

Рассмотрим эти явления в некоторых широтах:

1. Наблюдатель находится на экваторе, ср = 0°. Ось мира лежит в плоскости истинного горизонта. Небесный экватор совпадает с первым вертикалом. Суточные параллели Солнца параллельны первому вертикалу, поэтому Солнце в своем суточном движении никогда не пересекает первого вертикала. Солнце ежедневно восходит и заходит. День всегда равен ночи. В зените Солнце бывает два раза в год - 21 марта и 23 сентября.

Рис. 83.

2. Наблюдатель находится в широте φ
3. Наблюдатель находится в широте 23°27"
4. Наблюдатель находится в широте φ > 66°33"N или S (рис.83). Пояс полярный. Параллели ф = 66°33"N или S называют полярными кругами. В полярном поясе могут наблюдаться- полярные дни и ночи, т. е. когда Солнце больше суток находится над горизонтом или больше суток под горизонтом. Продолжительность полярных дней и ночей тем больше, чем больше широта. Солнце восходит и заходит только в те дни, когда его склонение меньше 90°-φ.

5. Наблюдатель находится на полюсе φ=90°N или S. Ось мира совпадает с отвесной линией и, следовательно, экватор-с плоскостью истинного горизонта. Положение меридиана наблюдателя будет неопределенным, поэтому отсутствуют части света. В течение суток Солнце движется параллельно горизонту.

В дни равноденствий наступают полярные восходы или заходы Солнца. В дни солнцестояний высота Солнца достигает наибольших значений. Высота Солнца всегда равна его склонению. Полярный день и полярная ночь продолжаются по 6 месяцев.

Таким образом, из-за различных астрономических явлений, обусловленных совместным суточным и годовым движением Солнца в разных широтах (прохождение через зенит, явления полярного дня и ночи) и вызванных этими явлениями климатических особенностей, земная поверхность разделена на тропический, умеренные и полярные пояса.

Тропическим поясом называется часть земной поверхности (между широтами φ=23°27"N и 23°27"S), в которой Солнце ежесуточно восходит и заходит и в течение года два раза бывает в зените. Тропический пояс занимает 40% всей земной поверхности.

Умеренным поясом называется часть земной поверхности, в которой Солнце ежесуточно восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Существуют два умеренных пояса. В северном полушарии между широтами φ = 23°27"N и φ = 66°33"N, а в южном - между широтами φ=23°27"S и φ = 66°33"S. Умеренные пояса занимают 50% земной поверхности.

Полярным поясом называется часть земной поверхности, в которой наблюдаются полярные дни и ночи. Существуют два полярных пояса. Северный полярный пояс распространяется от широты φ = 66°33"N до северного полюса, а южный - от φ = 66°33"S до южного полюса. Они занимают 10% земной поверхности.

Впервые правильное объяснение видимого годового движения Солнца по небесной сфере дал Николай Коперник (1473-1543). Он показал, что годовое движение Солнца по небесной сфере не действительное его движение, а только видимое, отражающее годовое движение Земли вокруг Солнца. Система мира Коперника была названа гелиоцентрической. По этой системе в центре солнечной системы находится Солнце, вокруг которого движутся планеты, в том числе и наша Земля.

Земля одновременно участвует в двух движениях: вращается вокруг своей оси и движется по эллипсу вокруг Солнца. Вращение Земли вокруг оси вызывает смену дня и ночи. Движение ее вокруг Солнца вызывает смену времен года. От совместного вращения Земли вокруг ее оси и движения вокруг Солнца происходит видимое движение Солнца по небесной сфере.

Для объяснения видимого годового движения Солнца по небесной сфере воспользуемся рис. 84. В центре расположено Солнце S, вокруг которого против часовой стрелки движется Земля. Земная ось сохраняет неизменное положение в пространстве и составляет с плоскостью эклиптики угол, равный 66°33". Поэтому плоскость экватора наклонена к плоскости эклиптики под углом е=23°27" . Далее идет небесная сфера с эклиптикой и нанесенноми на ней знаками созвездий Зодиака в современном их расположении.

В положение I Земля приходит 21 марта. Если смотреть с Земли, то Солнце проектируется на небесную сферу в точку Т, находящуюся в настоящее время в созвездии Рыб. Склонение Солнца бе=0° . Наблюдатель, находящийся на экваторе Земли, видит Солнце в полдень в зените. Все земные параллели освещаются наполовину, поэтому во всех точках земной поверхности день равен ночи. В северном полушарии начинается астрономическая весна, а в южном - осень.

Рис. 84.

В положение II Земля приходит 22 июня. Склонение Солнца б=23°,5N. Если смотреть с Земли, то Солнце проектируется в созвездие Близнецов. Для наблюдателя, находящегося в широте φ=23°,5N, (Солнце в полдень проходит через зенит. Большая часть суточных параллелей освещается в северном полушарии и меньшая - в южном. Освещается северный полярный пояс и не освещается южный. На северном длится полярный день, а на южном- полярная ночь. В северном полушарии Земли лучи Солнца падают почти отвесно, а в южное - под углом, поэтому в северном полушарии наступает астрономическое лето, а в южном - зима.

В положение III Земля приходит 23 сентября. Склонение Солнца бо=0 ° и оно проектируется в точку Весов, которая теперь находится в созвездии Девы. Наблюдатель, находящийся на экваторе, видит Солнце в полдень в зените. Все земные параллели освещаются Солнцем наполовину, поэтому во всех точках Земли день равен ночи. В северном полушарии начинается астрономическая осень, а в южном - весна.

22 декабря Земля приходит в положение IV Солнце проектируется в созвездие Стрельца. Склонение Солнца 6=23°,5S. В южном полушарии освещается большая часть суточных параллелей, чем в северном, поэтому в южном полушарии день длиннее ночи, а в северном - наоборот. Лучи Солнца в южное полушарие падают почти отвесно, а в северное - под углом. Поэтому в южном полушарии наступает астрономическое лето, а в северном - зима. Солнце освещает южный полярный пояс и не освещает северный. На южном полярном поясе наблюдается полярный день, а на северном - ночь.

Соответствующие объяснения можно дать и для остальных промежуточных положений Земли.

Вперед
Оглавление
Назад

а) Для наблюдателя на северном полюсе Земли (j = + 90°) незаходящими светилами являются те, у которых d-- і?? 0, а невосходящими те, у которых d --< 0.

Таб.1. Высота полуденного Солнца в разных широтах

Положительное склонение у Солнца бывает с 21 марта по 23 сентября, а отрицательное - с 23 сентября по 21 марта. Следовательно, на северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода - невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце достигает максимальной высоты h mах = + 23° 27" . После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту h min = - 23° 27" , а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = - 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном - день, и наоборот.

б) Для наблюдателя на северном полярном круге (j = + 66° 33" ) незаходящими являются светила с d --і + 23° 27" , а невосходящими - с d < - 23° 27". Следовательно, на северном полярном круге Солнце не заходит в день летнего солнцестояния (в полночь центр Солнца только касается горизонта в точке севера N ) и не восходит в день зимнего солнцестояния (в полдень центр солнечного диска только коснется горизонта в точке юга S, а затем снова опустится под горизонт). В остальные дни года Солнце на этой широте восходит и заходит. При этом максимальной высоты в полдень оно достигает в день летнего солнцестояния (h max = + 46° 54"), а в день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна (h min = 0°). На южном полярном круге (j = - 66° 33") Солнце не заходит в день зимнего солнцестояния и не восходит в день летнего солнцестояния.

Северный и южный полярные круги являются теоретическими границами тех географических широт, где возможны полярные дни и ночи (дни и ночи, длящиеся больше 24 часов).

В местах, лежащих за полярными кругами, Солнце бывает незаходящим или невосходящим светилом тем дольше, чем ближе место к географическим полюсам. По мере приближения к полюсам продолжительность полярных дня и ночи увеличивается.

в) Для наблюдателя на северном тропике (j --= + 23° 27") Солнце всегда является восходящим и заходящим светилом. В день летнего солнцестояния оно в полдень достигает максимальной высоты h max = + 90°, т.е. проходит через зенит. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует к югу от зенита. В день зимнего солнцестояния его минимальная полуденная высота h min = + 43° 06".

На южном тропике (j = - 23° 27") Солнце также всегда восходит и заходит. Но на максимальной полуденной высоте над горизонтом (+ 90°) оно бывает в день зимнего солнцестояния, а на минимальной (+ 43° 06" ) - в день летнего солнцестояния. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует здесь к северу от зенита.

В местах, лежащих между тропиками и полярными кругами, Солнце восходит и заходит каждый день года. Полгода здесь продолжительность дня больше продолжительности ночи, а полгода - ночь продолжительнее дня. Полуденная высота Солнца здесь всегда меньше 90° (кроме тропиков) и больше 0° (кроме полярных кругов).

В местах, лежащих между тропиками, Солнце бывает в зените два раза в году, в те дни, когда его склонение равно географической широте места.

г) Для наблюдателя на экваторе Земли (j --= 0) все светила, в том числе и Солнце, являются восходящими и заходящими. При этом 12 часов они находятся над горизонтом, a 12 часов - под горизонтом. Следовательно, на экваторе продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи. Два раза в году Солнце в полдень проходит в зените (21 марта и 23 сентября).

С 21 марта по 23 сентября Солнце на экваторе кульминирует в полдень к северу от зенита, а с 23 сентября по 21 марта - к югу от зенита. Минимальная полуденная высота Солнца здесь будет равна h min = 90° - 23° 27" = 66° 33" (22 июня и 22 декабря).