3.11.4 Прецессия и нутация

Греческий астроном Гиппарх (123 г. до н.э.) определяя координаты звёзд и сравнивая их с аналогичными наблюдениями Аристилла и Тимохариса, произведенными на 100 лет раньше нашел, что широты звезд остались неизмененными, а склонения заметно изменились. Это указывало на смещение экватора относительно эклиптики и следовательно смещение точки весеннего равноденствия (ТВР, ^) навстречу движения Солнца по эклиптике. Явление это на латыни получило название прецессия, что можно перевести как предварение равноденствия. Причину этого явления объяснил Ньютон, после открытия им закона всемирного тяготения.

Земля не имеет точной сферической формы, а близка к сфероиду (см. пп 2.9). Притяжение же сфероида каким-либо материальным телом L (рис. 3.26а) складывается из притяжения F шара, выделенного внутри сфероида (эта сила приложена к центру сфероида), притяжения F1 ближайшей к телу L половины экваториального выступа и притяжения F2 другой, более далекой, половины экваториального выступа. Сила F1 больше силы F2 и поэтому притяжение тела L стремится повернуть ось вращения сфероида РNРS так, чтобы плоскость экватора сфероида совпала с направлением TL (на рис. 3.26а против часовой стрелки). Из механики известно, что ось вращения PNPS в этом случае будет перемещаться в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат силы F1 и F2 . На экваториальные выступы сфероидальной Земли действуют силы притяжения от Луны и от Солнца. В результате ось вращения Земли совершает очень сложное движение в пространстве. Прежде всего, она медленно описывает вокруг оси эклиптики конус, оставаясь все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66° 33' (рис. 3.26б ). Это движение земной оси называется прецессионным, период его около 26 000 лет. Вследствие прецессии земной оси полюсы мира за тот же период описывают вокруг полюсов эклиптики малые круги радиусом около 23° 27'. Прецессия, вызываемая действием Солнца и Луны, называется лунно-солнечной прецессией.

а) б)

Рис. 3.26

Кроме того, ось вращения Земли совершает различные мелкие колебания около своего среднего положения, которые называются нутацией земной оси. Нутационные колебания возникают потому, что прецессионные силы Солнца и Луны (силы F1 и F2) непрерывно меняют свою величину и направление; они равны нулю, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли и достигают максимума при наибольшем удалении от него этих светил.

Самое главное нутационное колебание земной оси имеет период в 18,6 года, равный периоду обращения лунных узлов (см. раздел 4.10). Вследствие этого движения земной оси полюсы мира описывают на небесной сфере эллипсы, большие оси которых равны 18,42, а малые — 13'', 72.

Рис. 3.27

В результате прецессии и нутации земной оси полюсы мира в действительности описывают на небе сложные волнистые линии (рис. 3.27). Притяжение планет слишком мало, чтобы вызвать изменения в положении оси вращения Земли, но оно действует на движение Земли вокруг Солнца, изменяя положение в пространстве плоскости земной орбиты, т.е. плоскости эклиптики. Эти изменения положения плоскости эклиптики называются планетной прецессией, которая смещает точку весеннего равноденствия к востоку на 0,114 в год.

Как уже было сказано, вследствие прецессионного движения земной оси полюсы мира за 26 000 лет описывают вокруг полюсов эклиптики круги радиусом приблизительно в 23°,5. Но так как полюсы эклиптики также перемещаются по небесной сфере (прецессия от планет), то кривые, описываемые полюсами мира, не замыкаются. На рис. 3.28 показано прецессионное движение северного полюса мира среди звезд.

В настоящее время северный полюс мира находится вблизи звезды  Малой Медведицы, почему эта звезда и называется Полярной. Но 4000 лет назад ближе всех к северному полюсу мира была звезда  Дракона, а через 12 000 лет “полярной звездой” станет  Лиры (Вега).

Вместе с изменением направления оси мира меняется и положение небесного экватора, плоскость которого перпендикулярна к этой оси и Рис.3.28

параллельна плоскости земного экватора. Плоскость эклиптики также несколько меняет свое положение в пространстве вследствие прецессии от планет. Поэтому точки пересечения небесного экватора с эклиптикой (точки равноденствий) медленно перемещаются среди звезд к западу. Скорость этого перемещения за год

называется общей годовой прецессией в эклиптике. Общая годовая прецессия в экваторе m = 50",26 cos = 46,11, где  — наклонение эклиптики к экватору, которое в настоящее время медленно уменьшается (на 0",47 в год), но через несколько тысяч лет уменьшение сменится столь же медленным увеличением, так как это возмущение (прецессия от планет) имеет периодический характер.

В начале нашей эры точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна, а точка осеннего равноденствия — в созвездии Весов. Равноденственные точки обозначались тогда знаками этих созвездий  и  соответственно. С тех пор точка весеннего равноденствия переместилась в созвездие Рыб, а точка осеннего равноденствия — в созвездие Девы, но их обозначения остались прежними. Так как движение равноденственных точек направлено навстречу видимому годовому движению Солнца по эклиптике, то Солнце приходит в эти точки каждый раз несколько раньше, чем если бы они были неподвижными (слово «прецессия» и означает «предварение равноденствий»). По этой причине промежуток времени между последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия, называемый тропическим годом короче периода обращения Земли вокруг Солнца, называемого звездным годом. Разница между обоими годами составляет около 20 минут — столько времени нужно Солнцу, движущемуся по эклиптике к востоку со скоростью приблизительно 1° в сутки, чтобы пройти 51,26.

Точка весеннего равноденствия является началом счета в. экваториальной и эклиптической системах координат. Поэтому вследствие ее движения к западу эклиптические долготы всех звезд ежегодно увеличиваются на 50",26, а эклиптические широты не изменяются, так как лунно-солнечная прецессия не изменяет положения плоскости эклиптики. Обе экваториальные координаты, прямое восхождение и склонение всех звезд непрерывно изменяются. В результате происходит медленное изменение вида звездного неба для данного места на Земле. Некоторые невидимые ранее звезды будут восходить и заходить, а некоторые видимые — станут невосходящими светилами. Так, например, через несколько тысяч лет в Европе можно будет наблюдать невидимый теперь Южный Крест, но зато нельзя будет увидеть Сириус и часть созвездия Ориона.