Видимый годовой путь солнца среди звезд называется. Видимое годовое движение солнца

Годичный путь Солнца

Выражение "путь Солнца среди звезд" кому-то покажется странным. Ведь днем звезд не видно. Поэтому нелегко заметить, что Солнце медленно, примерно на 1˚ за сутки, перемещается среди звезд справа налево. Зато можно проследить, как в течение года меняется вид звездного неба. Все это – следствие обращения Земли вокруг Солнца.

Путь видимого годичного перемещения Солнца на фоне звезд именуется эклиптикой (от греческого "эклипсис" – "затмение"), а период оборота по эклиптике – звездным годом. Он равен 265 суткам 6 часам 9 минутам 10 секундам, или 365, 2564 средних солнечных суток.

Эклиптика и небесный экватор пересекаются под углом 23˚26" в точках весеннего и осеннего равноденствия. В первой из этих точек Солнце обычно бывает 21 марта, когда оно переходит из южного полушария неба в северное. Во второй – 23 сентября, при переходе их северного полушария в южное. В наиболее удаленной к северу точке эклиптике Солнце бывает 22 июня (летнее солнцестояние), а к югу – 22 декабря (зимнее солнцестояние). В високосный год эти даты сдвинуты на один день.

Из четырех точек эклиптики главной является точка весеннего равноденствия. Именно от нее отсчитывается одна из небесных координат – прямое восхождение. Она же служит для отсчета звездного времени и тропического года – промежутка времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год определяет смену времен года на нашей планете.

Так как точка весеннего равноденствия медленно перемещается среди звезд вследствие прецессии земной оси, продолжительность тропического года меньше продолжительности звездного. Она составляет 365,2422 средних солнечных суток.

Около 2 тысяч лет назад, когда Гиппарх составил свой звездный каталог (первый дошедший до нас целиком), точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна. К нашему времени она переместилась почти на 30˚, в созвездие Рыб, а точка осеннего равноденствия – из созвездия Весов в созвездие Девы. Но по традиции точки равноденствий обозначаются прежними знаками прежних "равноденственных" созвездий – Овна и Весов. То же случилось и с точками солнцестояния: летнее в созвездии Тельца отмечается знаком Рака, а зимнее в созвездие Стрельца – знаком Козерога.

И наконец, последнее, что связано с видимым годичным движением Солнца. Половину эклиптики от весеннего равноденствия до осеннего (с 21 марта по 23 сентября) Солнце проходит за 186 суток. Вторую половину, от осеннего равноденствия да весеннего, – за 179 суток (180 в високосный год). Но ведь половинки эклиптики равны: каждая по 180˚. Следовательно, Солнце движется по эклиптике неравномерно. Эта неравномерность объясняется изменением скорости движения Земли по эллиптической орбите вокруг Солнца.

Неравномерность движения Солнца по эклиптике приводит к разной длительности времен года. Для жителей северного полушария, например, весна и лето на шесть суток продолжительнее осени и зимы. Земля 2-4 июня расположена от Солнца на 5 миллионов километров дольше, чем 2-3 января, и движется по своей орбите медленнее в соответствии со вторым законом Кеплера. Летом Земля получает от Солнца меньше тепла, но зато лето в Северном полушарии продолжительнее зимы. Поэтому в Северном полушарии Земли теплее, чем в Южном.

СОЛНЕЧНЫЕ ЗАТМЕНИЯ

В момент лунного новолуния может произойти солнечное затмение – ведь именно в новолуние Луна проходит между Солнцем и Землей. Астрономы заранее знают, когда и где будет наблюдаться солнечное затмение, и сообщают об этом в астрономических календарях.

Земле достался один-единственный спутник, но зато какой! Луна в 400 раз меньше Солнца и как раз в 400 раз ближе его к Земле, поэтому на небе Солнце и Луна кажутся дисками одинаковых размеров. Так что при полном солнечном затмении Луна целиком заслоняет яркую поверхность Солнца, оставляя при этом открытой всю солнечную атмосферу.

Точно в назначенный час и минуту сквозь темное стекло видно, как на яркий диск Солнца наползает с правого края что-то черное, как появляется на нем черная лунка. Она постепенно разрастается, пока наконец солнечный круг не примет вид узкого серпа. При этом быстро ослабевает дневной свет. Вот Солнце полностью прячется за темной заслонкой, гаснет последний дневной луч, и тьма, кажущаяся тем глубже, чем она внезапнее, расстилается вокруг, повергая человека и всю природу в безмолвное удивление.

О затмении Солнца 8 июля 1842 года в городе Павии (Италия) рассказывает английский астроном Фрэнсис Бейли: "Когда наступило полное затмение и солнечный свет мгновенно потух, вокруг темного тела Луны внезапно возникло какое-то яркое сияние, похожее на корону ил на ореол вокруг головы святого. Ни в каких отчетах о прошлых затмения не было написано о чем-то подобном, и я вовсе не ожидал увидеть великолепие, находившееся теперь у меня перед глазами. Ширина короны, считая от окружности диска Луна, была равна примерно половине лунного диаметра. Она казалась составленной из ярких лучей. Ее свет был плотнее около самого края Луны, а по мере удаления лучи короны становились все слабее, тоньше. Ослабление света шло совершенно плавно вместе с увеличение расстояния. Корона представлялась в виде пучков прямых слабых лучей; их внешние концы расходились веером; лучи были неравной длины. Корона была не красноватая, не жемчужная, она была совершенно белого цвета. Ее лучи переливались или мерцали, как газовое пламя. Как не блестяще было это явление, какие бы восторги оно не вызывало у зрителей, но все же в этом странном, дивном зрелище было точно что-то зловещее, и я вполне понимаю, насколько могли быть потрясены и испуганы люди во времена, когда эти явления происходили совершенно неожиданно.

Наиболее удивительной подробностью всей картины было появление трех больших выступов (протуберанцев), которые высились над краем Луны, но составляли, очевидно, часть короны. Они походили на горы громадной высоты, на снеговые вершины Альп, когда те освещены красными лучами заходящего Солнца. Их красный цвет впадал в лиловый или пурпуровый; быть может, лучше всего подошел бы сюда оттенок цветов персика. Свет выступов, в противоположность остальным частям короны, был совершенно спокоен, "горы" не искрились и не переливались. Все три выступа, несколько разные по величине, были видны до последнего момента полной фазы затмения. Но как только прорвался первый луч Солнца, протуберанцы вместе с короной пропали бесследно, и сразу восстановился яркий свет дня". Это явление, так тонко и красочно описанное Бейли, длилось чуть более двух минут.

Помните тургеневских мальчиков на Бежинском лугу? Павлуша рассказывал о том, как Солнца не стало видать, о человеке со жбаном на голове, которого приняли за антихриста Тришку. Так это был рассказ о том же затмении 8 июля 1842 года!

Но не было на Руси затмения более того, о котором повествуют "Слово о полку Игореве" и древние летописи. Весной 1185 года новгород-северский князь Игорь Святославич с братом Всеволодом, исполнившись ратного духа, пошли на половцев стяжать себе славы, а дружине добычи. 1 мая, ближе к вечеру, как только вступили полки "Даждь-божьих внуков" (потомков Солнца) на чужую землю, затемнело раньше положенного, птицы смолкли, кони ржали ине шли, тени всадников были неясны и странны, степь дохнула холодом. Оглянулся Игорь и увидел, что провожает их "солнце, стоящее яко месяц". И сказал Игорь боярам своим и дружине своей: "Видите ли? Что значит сияние сие??". Они же посмотрели, и увидели, и понурили головы. И сказали мужи: "Князь наш! Не сулит нам добра сияние это!" Игорь же отвечал: "Братья и дружина! Тайна Божья никому неведома. А что нам дарует Бог – на благо нам или на горе, – это мы увидим". В десятый день мая дружина Игоря полегла в половецкой степи, а раненый князь был взят в плен.

Поставьте посреди комнаты стул и, повернувшись к нему лицом, сделайте вокруг него несколько кругов. И не важно, что стул неподвижен, - вам покажется, что он перемещается в пространстве, потому что будет виден на фоне разных предметов комнатной обстановки.

Точно также Земля обращается вокруг Солнца, а нам, жителям Земли, кажется, что Солнце перемещается на фоне звёзд, делая полный оборот по небу за один год. Такое движение Солнца называется годовым. Кроме того, Солнце, как и все прочие небесные тела, участвует в суточном движении неба.

Путь среди звёзд, по которому происходит годовое движение Солнца, называется эклиптикой.

Полный оборот по эклиптике Солнце совершает за год, т.е. примерно, за 365 суток, поэтому за сутки Солнце смещается на 360°/365≈1°.

Поскольку Солнце из года в год движется примерно по одному и тому же пути, т.е. положение эклиптики среди звёзд меняется со временем очень и очень медленно, эклиптику можно нанести на карту звёздного неба:

Здесь фиолетовая линия - небесный экватор. Выше него - прилегающая к экватору часть северного полушария неба, ниже - экваториальная часть южного полушария.

Жирная волнистая линия изображает годовой путь Солнца по небу, т.е. эклиптику. Наверху написано, какой сезон года начинается в северном полушарии Земли, когда Солнце находится в соответствующей области неба.

Изображение Солнца на карте перемещается вдоль эклиптики справа налево.

В течение года Солнце успевает побывать в 12-и зодиакальных созвездиях и ещё в одном, - в Змееносце (с 29 ноября по 17 декабря),

На эклиптике выделяются четыре особые точки.

ВР - точка весеннего равноденствия. Солнце, проходя через точку весеннего равноденствия, попадает из южного полушария неба в северное.

ЛС - точка летнего солнцестояния, - точка эклиптики, расположенная в северном полушарии неба и наиболее удалённая от небесного экватора.

ОР - точка осеннего равноденствия. Солнце, проходя через точку осеннего равноденствия, попадает из северного полушария неба в южное.

ЗС - точка зимнего солнцестояния, - точка эклиптики, расположенная в южном полушарии неба и наиболее удалённая от небесного экватора.

Точка эклиптики	Солнце бывает в данной точке эклиптики	Начало астрономического сезона
Весеннего равноденствия
Летнего солнцестояния
Осеннего равноденствия
Зимнего солнцестояния

Наконец, как узнать, что Солнце действительно перемещается по небу среди звёзд?

В настоящее время это совсем не проблема, т.к. наиболее яркие звёзды видны в телескоп даже днём, поэтому перемещение Солнца среди звёзд с помощью телескопа можно при желании усмотреть воочию.

В дотелескопическую эпоху астрономы измеряли длину тени от гномона, - вертикального шеста, что позволяло им определять угловое расстояние Солнца до небесного экватора. Кроме того, они наблюдали не само Солнце, а звёзды, диаметрально противоположные Солнцу, т.е. те звёзды, которые оказывались выше всего над горизонтом в полночь. В результате древние астрономы определяли положение Солнца на небе и, следовательно, положение эклиптики среди звёзд.

1 Годовое движение Солнца и эклиптическая система координат

Солнце наряду с суточным вращением медленно в течение года перемещается по небесной сфере в противоположном направлении по большому кругу, называется эклиптикой. Эклиптика наклонена к небесному экватору под углом Ƹ, Величина которого в настоящее время близка к 23 26´. Эклиптика пересекается с небесным экватором в точке весеннего ♈ (21 марта) и осеннего Ω (23 сентября) равноденствий. Точки эклиптики, отстоящие от равноденственных на 90 , есть точки летнего (22 июня) и зимнего (22 декабря) солнцестояний. Экваториальные координаты центра солнечного диска непрерывно изменяются в течении года от 0h до 24 h (прямое восхождение) - эклиптическая долгота ϒm, отсчитывается от точки весеннего равноденствия до круга широты. И от 23 26´ до -23 26´ (склонение) - эклиптическая широта, отсчитывается от 0 до +90 к северному полюсу и 0 до -90 к южному полюсу. Зодиакальными созвездиями называются созвездия, которые находятся на линии эклиптики. Находится на линии эклиптики 13 созвездий: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы и Змееносец. Но созвездие Змееносца не упоминается, хотя Солнце и находится в нём большую часть времени созвездий Стрельца и Скорпиона. Сделано это для удобства. При нахождении Солнца под горизонтом на высотах от 0 до -6 - длятся гражданские сумерки, а от -6 до -18 - астрономические сумерки.

2 Измерение времени

Измерение времени основано на наблюдениях суточного вращения свода и годичного движения Солнца, т.е. вращения Земли вокруг своей оси и на обращении Земли вокруг Солнца.

Продолжительность основной единицы времени, называемой сутками, зависит от избранной точки на небе. В астрономии за такие точки принимаются:

Точка весеннего равноденствия ♈ (звёздное время );

Центр видимого диска Солнца (истинное Солнце , истинное солнечное время);

- среднее Солнце - фиктивная точка, положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени (среднее солнечное время )

Для измерения длинных промежутков времени служит тропический год, основанный на движении Земли вокруг Солнца.

Тропический год - промежуток времени, между двумя последовательными прохождениями центра истинного центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Он содержит 365,2422 средних солнечных суток.

Из-за медленного движения точки весеннего равноденствия навстречу Солнцу, вызванного прецессией , относительно звёзд Солнце оказывается в той же точке неба через промежуток времени на 20 мин. 24 сек. больший, чем тропический год. Он называется звёздным годом и содержит 365,2564 средних солнечных суток.

3 Звёздное время

Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане называется звёздными сутками .

Звёздное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия: S=t ♈ , и равно сумме прямого восхождения и часового угла любой звезды: S = α + t.

Звёздное время в любой момент равно прямому восхождению какого - либо светила плюс его часовой угол.

В момент верхней кульминации светила его часовой угол t=0, а S = α.

4 Истинное солнечное время

Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями Солнца (центра солнечного диска) на одном и том же географическом меридиане называется истинными солнечными сутками .

За начало истинных Солнечных суток на данном меридиане принимают момент нижней кульминации Солнца (истинная полночь ).

Время, протекающее от нижней кульминации Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях истинных солнечных суток называется истинным солнечным временем Т ʘ

Истинное солнечное время выражается через часовой угол Солнца, увеличенный на 12 часов: Т ʘ = t ʘ + 12 h

5 Среднее солнечное время

Для того, чтобы сутки имели постоянную продолжительность и при этом были связаны с движением Солнца, в астрономии введены понятия двух фиктивных точек:

Средне эклиптического и средне экваториального Солнца.

Среднее эклиптическое Солнце (ср.эклип.С.) равномерно движется по эклиптике со средней скоростью.

Среднее экваториальное Солнце движется по экватору с постоянной скоростью среднего эклиптического Солнца и одновременно с ним проходит точку весеннего равноденствия.

Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями среднего экваториального Солнца на одном и том же географическом меридиане, называется средними солнечными сутками .

Время, протекающее от нижней кульминации среднего экваториального Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях средних солнечных суток называется средним солнечным временем Т m .

Средне солнечное время Т m на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу Солнца: Т m = t m + 12 h

Среднее время отличается от истинного на величину уравнения времени : Т m = Т ʘ + n .

6 Всемирное, поясное и декретное время

Всемирное:

Местное среднее солнечное время гринвичского меридиана называется всемирным или мировым временем Т 0 .

Местное среднее солнечное время любого пункта на Земле определяется: Т m = Т 0 + λ h

Поясное время :

Счёт времени ведётся на 24 основных географических меридиана, расположенных друг от друга на долготе точно через 15 (или 1 час) приблизительно посредине каждого часового пояса. Основным нулевым меридианом считается гринвичский. Поясное время есть всемирное время плюс номер часового пояса: Т П = Т 0 + n

Декретное:

В России в практической жизни до марта 2011 г. использовалось декретное время:

Т Д = Т П + 1 h .

Декретное время второго часового пояса, в котором располагается Москва, называют московским временем. В летний период (апрель-октябрь) стрелки часов переводились на час вперёд, а в зимний возвращались на час назад.

7 Рефракция

Видимое положение светил над горизонтом отличается от вычисленного по формулам. Лучи от небесного объекта, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней. И так ка плотность увеличивается к поверхности Земли, то луч света всё более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление ОМ 1 , по которому наблюдатель видит светило, оказывается отклонённым в сторону зенита и не совпадает с направлением ОМ 2 , по которому бы он видел светило при отсутствии атмосферы.

Явление преломления световых лучей при прохождении земной атмосферы называется астрономической рефракцией . Угол М 1 ОМ 2 называют углом рефракции или рефракцией ρ .

Угол ZOM 1 называется видимым зенитным расстоянием светила zʹ, а угол ZOM 2 - истинным зенитным расстоянием z: z - zʹ = ρ, т.е. истинное расстояние светила больше видимого на величину ρ.

На линии горизонта рефракция в среднем равна 35ʹ.

Вследствие рефракции наблюдаются изменения формы дисков Солнца и Луны при их восходе или заходе.

Движение Солнца среди звезд

(урок - лекция)

Этот урок для учащихся XI классов занимающихся по учебнику Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева «Физика. 11 класс» (профильные классы)

Образовательная цель урока: изучить движение Солнца относительно далеких звезд.

Образовательные задачи урока:

Определить основные виды небесного движения Солнца и соотнести их с такими явлениями, как изменение продолжительности дня и ночи, смена сезонов года, наличие климатических поясов;

Сформировать умения учащихся находить и определять основные плоскости, линии, точки небесной сферы, связанные с движением Солнца;

Сформировать умения учащихся определять горизонтальные координаты Солнца;

Общие замечания

Информация в лекции подается в сжатой форме, поэтому короткая фраза может потребовать длительных размышлений. Развитие потребности в размышлении, а, следовательно, и в понимании содержания той или иной темы учащимися, соотносится с выполнением заданий:

Практические советы при работе с информацией:

получив новую информацию, продумайте ее и четко сформулируйте ответ на вопрос: «О чем она и для чего ее Вам сообщили?»;

приобретайте привычку самому задавать вопрос «почему?» и самостоятельно находить на его пути ответа, размышляя, беседуя с товарищами, преподавателем;

проверяя формулу, решая задачу и т.д., выполняйте математические операции постепенно, записывая все промежуточные выкладки;

Основные вопросы лекции

Движение небесных светил.

Движение Солнца среди звезд.

Эклиптика. Эклиптическая система координат.

Эклиптика – большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Направление этого движения (около 1 в сутки) противоположно направлению суточного вращения Земли. Слово «эклиптика» происходит от греческого слова «эклипсис» - затмение.

Ось вращения Земли имеет постоянный угол наклона к плоскости обращения Земли вокруг Солнца, равный примерно 66°34" (см. рис. 1). Вследствие этого угол ε между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора равен 23°26".

Рисунок 1. Эклиптика и небесный экватор

Опираясь на рисунок 1, заполните пропуски в ниже приведенных определениях.

Ось эклиптики (ПП ") - ………………

………………………………………….. .

Северный полюс эклиптики (П) - ……………………………………………. .

Южный полюс эклиптики (П ") - ………………………………………………………………………….. .

Эклиптика проходит через 13 созвездий. Змееносец не относится к зодиакальным созвездиям.

Точками весеннего (γ) и осеннего (Ω) равноденствий называют точки пересечения эклиптики и небесного экватора. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб (до недавнего времени – в созвездии Овна). Дата весеннего равноденствия – 20 (21) марта. Точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы (до недавнего времени – в созвездии Весов). Дата осеннего равноденствия - 22 (23) сентября.

Точка летнего солнцестояния и точка зимнего солнцестояния – точки, отстоящие на 90°от точек равноденствия.Точка летнего солнцестояния лежит в северном полушарии, приходится на 22 июня. Точка зимнего солнцестояния лежит в южном полушарии и приходится на 22 декабря.

Эклиптическая система координат.

Рисунок 2. Эклиптическая система координат

В качестве основной плоскости эклиптической системы координат (рис. 2) выбирают плоскость эклиптики. К эклиптическим координатам относят:

Широта и долгота звезды не меняются в результате суточного движения небесной сферы. Эклиптическая система координат используется, в основном, при изучении движения планет. Это удобно потому, что планеты движутся относительно звезд приблизительно в плоскости эклиптики. Вследствие малости β формулы, содержащие cos β и sin β, могут быть упрощены.

Соотношение между градусами, часами и минутами следующее: 360=24, 15=1, 1=4.

Движение небесных светил

Суточное движение светил. Суточные пути светил на небесной сфере – окружности, плоскости которых параллельны небесному экватору. Данные окружности называются небесными параллелями. Суточное движение светил является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Видимость светил зависит от их небесных координат, положения наблюдателя на поверхности Земли (см. рис. 3).

Рисунок 3. Суточные пути светил относительно горизонта, для наблюдателя находящегося: а - в средних географических широтах; б – на экваторе; в – на полюсе Земли.

1. Сформулируйте теорему о высоте полюса мира.

2. Опишите, как вы можете объяснить свойства суточного движения светил, вследствие обращения Земли вокруг своей оси на различных широтах?

Как изменяется при суточном движении светила его: а) высота; б) прямое восхождение; в) склонение?

Меняется ли в течение суток высота, прямое восхождение и склонение основных точек небесной сферы: Z , Z ׳ , P , P ׳ , N , S , E , W ?

3. Движение Солнца среди звезд.

Кульминация – явление пересечения светилом небесного меридиана. В верхней кульминации светило имеет наибольшую высоту. Азимут светила в верхней кульминации равен ……. А в нижней – наименьшую. Азимут светила в нижней кульминации равен …... Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полуднем, а нижней – истинной полночью.

Высота светила (h ) или зенитное расстояние (z ) в момент кульминаций зависит от склонения светила (δ) и широты места наблюдения (φ )

Рисунок 4. Проекция небесной сферы на плоскость небесного меридиана

В таблице 3 приведены формулы для определения высоты светила в верхней и нижней кульминации. Вид выражения для высоты светила в кульминации определяется с опорой на рисунок 4.

Таблица 3

Высота светила в кульминации

Склонение светила

Высота светила в верхней кульминации

Высота светила в нижней кульминации

δ < φ

h =90˚-φ +δ

h=90˚-φ-δ

δ = φ

h=90 ˚

h=0˚

δ > φ

h=90˚+φ-δ

h= φ+δ-90˚

Имеется три категории светил, для мест на земле, для которых 0<φ <90˚:

Если склонение светила δ < -(90˚- φ ), то оно будет невосходящим. Если склонение светила δ >(90˚- φ ), оно будет незаходящим.

Условия видимости Солнца и смена времен года зависит от положения наблюдателя на поверхности Земли и от положения Земли на орбите.

Годичное движение Солнца – явление движения Солнца относительно звезд в сторону, обратную суточному вращению небесной сферы. Данное явление – следствие движения Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите в направлении вращения Земли вокруг ее оси, т.е. против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса на южный (см. рис. 5).

Рисунок 5. Наклон оси вращения Земли и времена года

Рисунок 6. Схема положений Земли при летнем и зимнем солнцестоянии

При годичном движении Солнца происходят следующие явления: изменение полуденной высоты, положения точек восхода и захода Солнца, продолжительности дня и ночи, вида звездного неба в один и тот же час после захода Солнца.

Обращение Земли вокруг Солнца, а так же то, что ось суточного вращения Земли всегда параллельна самой себе в любой точке земной орбиты – главные причины смены времен года. Данные факторы определяют различный наклон солнечных лучей по отношению к поверхности Земли и разную степень освещенности полушария, на которое оно светит (см. рис. 5, 6). Чем выше Солнце над горизонтом, тем сильнее его способность нагревать земную поверхность. В свою очередь, изменение расстояния от Земли до Солнца в течение года не влияет на смену времен года: Земля, пробегая свою эллиптическую орбиту, находится в наиболее близкой точке в январе, а в наиболее удаленной – в июле.

Используя материал лекции, заполните таблицу 4.

Таблица 4

Суточное движение Солнца в разные времена года на средних широтах

Положение на эклиптике

Склонение

Полуденная высота

Минимальная высота

Точка восхода

Точка захода

Продолжительность дня

20(21) .03

22.06

22(23).09

22.12

Астрономические признаки тепловых поясов:

Изменение вида звездного неба. Каждой последующей ночью по сравнению с предыдущей звезды предстают перед нами немного сдвинутыми к западу. От вечера к вечеру одна и та же звезда восходит на 4 минуты раньше. Через год вид звездного неба повторяется.

Если некая звезда находится в точке зенита в 9 часов вечера 1 сентября, в какое время она будет в зените 1 марта? Сможете ли Вы ее видеть? Ответ обоснуйте.

Прецессия - конусообразное вращение земной оси с периодом 26000 лет под действием сил тяготения со стороны Солнца и Луны. Прецессионное движение Земли заставляет северный и южный полюсы мира описывать на небе окружности: ось мира описывает вокруг оси эклиптики конус, радиусом около 23˚26", оставаясь, все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66˚34" по часовой стрелке для наблюдателя северного полушария (рис. 7).

Прецессия меняет положение небесных полюсов. 2700 лет назад вблизи Северного полюса мира находилась звезда α Дракона, названная китайскими астрономами Царственной звездой. В настоящее время Полярной звездой является α Малой Медведицы. К 10000 году Северный полюс мира сблизится со звездой Денеб (α Лебедя). В 13600 году полярной звездой станет Вега (α Лиры).

Рисунок 7. Прецессионное движение земной оси

В результате прецессии точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний медленно перемещаются по зодиакальным созвездиям. 5000 лет назад точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца, затем переместилась в созвездие Овна, а сейчас находится в созвездии Рыб (см. рис. 8). Это смещение составляет
= 50",2 в год.

Рисунок 8. Прецессия и нутация на небесной сфере

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: наклонение эклиптики к экватору периодически меняется, которое в настоящее время уменьшается на 0",47 в год. Изменение положения плоскости эклиптики вносит изменение, во-первых, в значение скорости перемещения точек равноденствий в результате прецессионного движения (v = 50",2 * cos ε ), во-вторых, кривые, описываемыми полюсами мира, не замыкаются (рис.9).

Рисунок 9. Прецессионное движение северного полюса мира. Точками в центре показаны положения полюса мира

Нутация земной оси – мелкие различные колебания оси вращения Земли около своего среднего положения. Нутационные колебания возникают потому, что прецессионные силы Солнца и Луны 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.

В результате прецессии и нутации земной оси полюсы мира в действительности описывают на небе сложные волнистые линии (см. рис. 8).

Следует отметить, что эффекты прецессии и нутации порождаются внешними силами, которые изменяют ориентировку оси вращения Земли в пространстве. Тело же Земля остается в этом случае, так сказать, фиксированным по отношению к меняющейся оси. Поэтому флаг, установленный сегодня па Северном полюсе, будет и через 13 000 лет отмечать Северный полюс, и широта а пункта останется равной 90°. Так как ни прецессия ни нутация не приводят к каким-либо изменениям широты на Земле, эти явлении не вызывают и климатических изменений. Однако они все же создают сдвиг времен года относительно некоторого идеального календаря.

Что Вы можете сказать об изменениях эклиптической долготы, эклиптической широты, прямого восхождения и склонения всех звезд, в результате прецессионного движения земной оси?

Задания для самостоятельной домашней работы

Назовите основные плоскости, линии и точки небесной сферы.

Где восходят и заходят небесные светила для наблюдателя, находящегося в северном (южном) полушарии Земли?

Как строятся системы астрономических координат?

Что называется высотой и азимутом светила?

Как называются экваториальные и эклиптические координаты?

Как связаны прямое восхождение и часовой угол?

Как связаны склонение и высота светила в момент верхней кульминации?

Что такое прецессия и нутация?

Почему звезды всегда восходят и заходят в одних и тех же точках горизонта, а Солнце и Луна – нет?

Как связано видимое движение Солнца по небесной сфере с движением Земли вокруг Солнца?

Что такое эклиптика?

Какие точки называются равноденственными и почему?

Что такое солнцестояние?

Под каким углом наклонена эклиптика к горизонту и почему меняется этот угол в течение суток?

В каком случае эклиптика может совпасть с горизонтом?

Нанести ручкой на окружности, изображающей модель небесной сферы точки, в которых находится Солнце:

По нанесенным точкам наметить положение эклиптики. Укажите на эклиптике (приближенно) положение Солнца 21 апреля, 23 октября и в день вашего рождения. Найти перечисленные в предшествующих пунктах точки на модели небесной сферы.

Литература

Левитан, Е.П. Методика преподавания астрономии в средней школе / Е.П. Левитан. – М.: Просвещение, 1965. – 227 с.

Малахов А.А. Физика и астрономия (компетентностный подход) : учеб.-метод. пособие / А.А. Малахов; Шадр. гос. пед. ин-т. – Шадринск: Шадр. Дом Печати, 2010. – 163 с.

Майоров, В.Ф. Как узнать, что Земля вращается? / В.Ф. Майоров // Физика. - 2010. – № 2. - С. 45-47.

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н. Н.Физика: Учеб. Для 10 кл. общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

Пинский А.А., Разумовский В.Г., Бугаев А.И. и др. Физика и астрономия: Учеб для 9 кл. общеобразоват. Учреждений / Под ред. А.А. Пинского, В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 2001. – С. 202-212

Рандзини, Д. Космос / Д. Рандзини; Пер. с итал. Н. Лебедевой. – М.: ООО «Издательство Астрель», 2004. – 320 с.

§ 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