3.3. Видимое годовое движение Солнца

Земля, как и другие планеты солнечной системы, движется по орбите вокруг центрального тела системы – Солнца (среднее расстояние 149,6 млн. км).

Ось Земли наклонена к плоскости ее орбиты на постоянный угол 6633, чем объясняется смена времен года. На рис. 3.9, в центре которого находится Солнце С, показаны четыре положения Земли на ее орбите.

Рис. 3.9.

В положении I (21 марта) Солнце проектируется на экватор, оба полушария в течение полуоборота Земли освещены одинаково, от полюса до полюса. Во всех широтах день равен ночи. В северном полушарии весна.

В положении II (22 июня) Солнце проектируется на параллель ab с =2327N (Северный тропик), в северном полушарии лето, длинный день и короткая ночь.

В положении III (23 сентября) Солнце вновь проектируется на экватор, день и ночь везде равны. В северном полушарии осень.

В положении IV (22 декабря) Солнце проектируется на параллель cf = 2327S (Южный тропик), в северном полушарии зима, короткий день и длинная ночь.

Если, находясь на Земле, наблюдатель будет в течение года наблюдать за Солнцем, то ему будет казаться, что не Земля вращается вокруг Солнца, а наоборот, это светило перемещается по большому кругу небесной сферы. Этот круг носит название эклиптики. В среднем за сутки Солнце проходит по эклиптике дугу в 1.

Из положения I наблюдатель видит Солнце на сфере в точке Овна , называемой точкой весеннего равноденствия (пересечение небесного экватора с эклиптикой под углом 2327). Склонение Солнца равно 0. Из положения II Солнце проектируется на сферу в точку летнего солнцестояния. Склонение Солнца равно 2327N. В положении наблюдателя III Солнце усматривается в точке Весов, или точке осеннего равноденствия. Склонение Солнца опять равно 0оно переходит в южное полушарие. Из положения IV Солнце проектируется в точку зимнего солнцестояния, его склонение равно 2327S.

Дуга экватора, заключенная между точкой весеннего равноденствия и меридианом светила, называемая прямым восхождением светила. Прямое восхождение обозначается буквой и считается от 0до 360в сторону, противоположную суточному движению. Вместо прямого восхождения часто удобнее применять звездное дополнение= 360 -.

У звезд, не имеющих собственного (годового) движения, прямое восхождение в течение года будет оставаться почти неизменным, очевидно, что Солнце должно изменять прямое восхождение в течение года на 360, изменяясь в течение суток на величину немного менее 1.

Прямое восхождение обычно выражается в часах (360= 24 час.; 1 час = 15; 1= 4 мин. и т.д.); 21 марта= 0 час.; 22 июня – 6 час. (90); 23 сентября – 12 час. (180); 22 декабря – 18 час. (270).

Кеплер вывел законы движения планет, а Ньютон объяснил причину планетных движений своим знаменитым законом всемирного тяготения.

«Всякая частица материи притягивается всякой другой частицей с силой, прямо пропорциональной произведению масс частиц и обратно пропорциональной квадрату их взаимного расстояния».

Следствием этого закона являются три закона Кеплера:

1-й закон. Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2-й закон. Прямая, соединяющая планету с Солнцем, описывает равные площади в равные промежутки времени.

3-й закон. Квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца.

Допустим, что эллипс adcdef (рис. 3.10.) представляет собой орбиту Земли. Солнце находится в фокусе S. Ближайшая к Солнцу точка А называется перигелием, а наиболее отдаленная В – афелием.

Рис. 3.10.

В перигелии Земля бываем 25 января, в афелии 14 июля. В разных точках орбиты Земля движется с различной скоростью; относительная скорость Земли определяется вторым законом Кеплера. Заштрихованные участки Sab, Scd, пройденные прямой, соединяющей Солнце и Землю, равны по площади, как описанные в равные промежутки времени; отсюда делаем заключение, что с наибольшей угловой и линейной скоростью Земля движется в перигелии (61,2), наименьшей – в афелии (57,2в сутки).

Понятие о прецессии. Из механики известно, что ось свободного гироскопа сохраняет неизменное положение в мировом пространстве.

Если же к гироскопу приложить внешнюю силу, у оси гироскопа появится движение, которое называется прецессионным. Особенность этого движения заключается в том, что ось гироскопа движется не в направлении приложенной силы, а в направлении, перпендикулярном к ней (рис. 3.11.).

Землю можно рассматривать подобной гироскопу. На Землю действуют силы притяжения Луны и Солнца, которые вызывают прецессионное движение земной оси. Своим прецессионным движением земная ось, а следовательно, и ось мира, описывают около неподвижной оси эклиптики коническую поверхность.

Сферический радиус кругов, описываемых полюсами мира и полюсами Земли, равен 2327.

Рис. 3.11.

Обращение оси мира около эклиптики влечет за собой перемещение на небесной сфере и экватора. Экватор, пересекая эклиптику перемещает точки равноденствий навстречу собственному годовому движению Солнца. Из наблюдений выяснено, что движение это очень медленное, около 50,2 в год.

Следовательно, точка весеннего равноденствия передвигается навстречу Солнцу за год на 50,2.

Полный период обращения оси мира около неподвижной оси эклиптики произойдет через 360: 50,2 = 25 800 лет.

Описанное явление называется прецессией, что означает "предварение". Предварение равноденствия – Солнце приходит в точку раньше, чем опишет полный круг по эклиптике, так как точка весеннего равноденствия передвинется на 50,2 навстречу годовому движению Солнца.

Прецессия вызывает изменение склонений, долгот и прямых восхождений звезд. Вследствие перемещения полюсов роль Полярной звезды (ближайшей к полюсу) в разные эпохи выполняют разные звезды.

В настоящее время ближайшая к полюсу звезда Малой Медведицы (Ursae Minoris); 4000 лет назад название Полярной звезды должна была иметь звезда созвездия Дракона (Draconis). Через 6000 лет Полярной звездой будетCephei.

Обозначение точки весеннего равноденствия знаком Овна и осеннего равноденствия знаком Весовсохранилось старое.

В этих созвездиях находились точки равноденствий во II веке до нашей эры. С того времени точки равноденствий переместились на 50,2 х 2150 лет = 30и находятся: точка весеннего равноденствия в созвездии Рыб и точка осеннего равноденствия – в созвездии Девы.

Звездный год – время, в течение которого Солнце описывает эклиптику. Звездный год равен 365,25637 средним суткам.

Тропический год – промежуток времени, за который Солнце, двигаясь по эклиптике, вновь займет первоначальное положение относительно точки весеннего равноденствия. Вследствие прецессии точка весеннего равноденствия перемещается на 50,2 навстречу годовому движению Солнца, а поэтому тропический год короче звездного и равен 365,2422 средним суткам.

Гражданский год – 3 года считаются простыми по 365 средних суток, четвертый високосный – 366 суток. При таком летосчислении каждые четыре года будет накапливаться ошибка:

(365 х 3 + 366) – 365,2422 х 4 = 0,03112 суток.

За 400 лет гражданский календарь (Юлианский, или старый стиль) отстает на 3,112 суток. Чтобы избежать ошибки на протяжении 400 лет, три каких-либо високосных года надо считать простыми. Принято простыми годами считать те годы, кратные 100, число сотен в номере которых не делится на 4. Например, 1700, 1800, 1900, 2100, 2200 – годы простые, 1600, 2000, 2400 – високосные.

При таком счете ошибка в календаре за 400 лет достигает всего 0,112 суток, следовательно, ошибка в одни сутки – через 3600 лет. Такой способ летосчисления называется григорианским календаремилиновым стилем. Он был введен в странах Западной Европы в 1582 г.

Уже несколько столетий Солнце проходит по зодиакальным созвездиям совсем не в то время, которое значится в таблицах древних астрономов:

Рыбы	12 марта – 18 апреля.
Овен	18 апреля – 13 мая.
Телец	13 мая – 21 июня.
Близнецы	21 июня – 20 июля.
Рак	20 июля – 10 августа.
Лев	10 августа – 16 сентября.
Дева	16 сентября – 30 октября.
Весы	30 октября – 22 ноября.
Скорпион	22 ноября – 29 ноября.

В период с 29 ноября по 18 декабря (т.е. в течение 20 дней) Солнце находится в созвездии Змееносца (тринадцатое).

Стрелец	18 декабря – 20 января.
Козерог	20 января – 16 февраля.
Водолей	16 февраля – 11 марта.

В поясе Зодиака располагаются также орбиты Луны и большинства планет.

Движение Солнца по эклиптике называется видимым годовым движением. То, что Солнце, кроме суточного, имеет свое собственное годовое движение, является причиной изменения его координат – склонения и прямого восхождения.

Так как Солнце движется по эклиптике неравномерно, а также из-за наклона эклиптики к экватору суточные изменения в течение года колеблются от 53,8 до 66,6. В среднем= 1, или 4^м. Суточное изменениеколеблется в течение года от 0 до 0,4. Наибольшая скорость изменения склонения соответствует дням равноденствия, а наименьшая – солнцестояния. Принимают, чтов среднем составляет 0,4 за месяц до и после равноденствия; 0,3 – во второй месяц до и после равноденствий; 0,1 – за месяц до и после солнцестояний. При пересечении Солнцем экватора меняется наименование.

Кроме собственного годового движения, Солнце, как и все светила, имеет суточное движение, которое является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Совместное годовое и суточное движение Солнца происходит по спирали.

Крайнюю северную параллель – тропик Рака – Солнце опишет 22.VI, после чего начнет вновь приближаться к экватору. После 23.IX Солнце переходит в южное полушарие. Крайнюю южную параллель, называемую тропиком Козерога, оно опишет 22.XII.

Заметим, что из-за наличия у Солнца собственного годового движения, направленного против суточного, промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Солнца на меридиане наблюдателя приблизительно на 4 мин больше, чем у неподвижных звезд. Действительно, за одни сутки Солнце отходит в собственном движении назад на 1(4^м) и, следовательно для завершения полного оборота в суточном движении требуется такое же дополнительное время.

Изменение склонения Солнца от 2327N до 2327S приводит к тому, что на протяжении года в данном месте Земли ежедневно изменяются точки восхода и захода Солнца, продолжительность пребывания его над горизонтом и меридиональные высоты. Эти явления зависят от соотношения между широтой наблюдателяи склонением Солнца. В различных широтах возможные соотношенияибудут разными, что определяет особенности в движении Солнца и, как следствие, климатические особенности на поверхности Земли. По последнему признаку земной шар разделен на тропический, умеренные и полярные пояса (= 6633N или S называются Северным или Южным полярным кругом).