Как движется луна по звездному небу

VI. 1. Лунная орбита. Движение Луны

Перемещение Луны на фоне звездного неба заметить легко, так как она движется быстрее других планет. Луна перемещается с запа­да на восток, пробегая по небу полный круг за 27 с небольшим суток, т.е. передвигается на 12-13° в сутки или на 0,5° в час. Движение ее неравномерно: на одних участках своего видимого пути она переме­щается быстрее, на других — медленнее. При этом каждый новый круг Луны на небе между звездами заметно отличается от предыду­щего.

Луна, единственный спутник Земли, расположена от нее на сред­нем расстоянии 384 400 км; ее средний радиус 1738 км, отношение массы Земли к массе Луны 81,30; угловой радиус на среднем рассто­янии от Земли — 15’32,58′»

Луна движется среди зодиакальных созвездий с запада на восток со средней угловой скоростью 13,176* за сутки, и как спутник Земли, обращается около общего центра тяжести Земли и Луны — барицен­тра. (Землю и Луну рассматривают как единую систему с общим центром тяжести.) Барицентр находится внутри Земли ближе к ее поверхности, чем к центру.

Луна, обращаясь вокруг Земли по эллиптической орбите (в соот­ветствии с законами Кеплера), вместе с ней движется вокруг Солнца и одновременно вращается вокруг собственной оси. Законы вращения Луны вокруг оси были сформулированы французским ученым Дж. Кассини: 1) наклон лунного экватора к эклиптике (или к орбите Земли) всегда составляет 1град32,3′; 2) плоскости лунного экватора,

лунной орбиты и эклиптики, перенесенные параллельно в центр Земли, пересекаются по одной прямой, причем плоскость эклиптики проходит между плоскостями лунных экватора и орбиты; 3) время оборота Луны вокруг оси равно времени оборота ее вокруг Земли (т.е. период вращения и период обращения равны между собой). Вследствие этого Луна всегда обращена к Земле одной своей сторо­ной.

До Галилея считалось, что плоскость лунного экватора совпадает с плоскостью орбиты Луны и рисунок лунного диска совершенно неизменен. В начале XVII в. Галилей обнаружил явление оптичес­кой либрации («л и б р а ц и я» — от латинского слова «весы») — не­большие перемещения, качания контуров различных структур лунной поверхности относительно среднего положения на видимой стороне Луны. Согласно теории Кассини, ось вращения Луны медлен­но перемещается по круговому конусу вокруг оси эклиптики (физическая либрация Луны).

Суть физической либрации состоит в следующем. Плоскость экватора Луны не совпадает с плоскостью ее орбиты. Кроме того, Луна, вращаясь вокруг оси сравнительно равномерно, обращается вокруг Земли с переменной скоростью, из-за чего она покачивается относительно направления на Землю вперед-назад и сбоку на бок. Луна — не абсолютный шар, поэтому при покачивании притяжение Земли создает в ней крутящие моменты. Величина и направление этих моментов все время меняются, из-за чего непрерывно меняются и возмущающие воздействия. Эти воздействия столь сложны, что до сегодняшнего дня полной теории движения Луны не существует.

А какова орбита Луны относительно Солнца? Она, разумеется, почти сливается с орбитой Земли вокруг Солнца, отклоняясь от нее лишь двенадцатью едва заметными выступами и двенадцатью легкими уплощениями. Путь Луны при этом всюду обращен к Солн­цу своей вогнутостью. По виду он похож на двенадцатиугольник с мягко округленными углами.

Смещаясь вдоль эклиптики за сутки примерно на 13°, Луна вос­ходит над горизонтом, кульминирует и заходит за горизонт позже, чем накануне, в среднем на 52 мин.С запада к востоку Луна переме­щается по большому кругу — лунному пути, наклонение которого к небесному экватору плавно меняется за 9 лет и 3,5 месяца в пределах от 18 до 29°. Полный оборот по нему Луна завершает за промежуток времени Т = 27,32 суток (точнее, Т — 27,3217 дней — 27 дней 7 43 т ) называемый звездным, или сидерическим месяцем.

Лунный путь проходит по зодиакальным созвездиям и пересека­ется с эклиптикой в двух диаметрально противоположных точках, называемых лунными узлами. В одном из них, восходящем узле, Лука поднимается над эклиптикой (т.е. переходит к северу от нее), а в нисходящем узле опускается под нее (т.е. переходит к югу от эклиптики). Наклонение лунного пути к эклиптике составляет в среднем i = 5 e 09′ (с колебаниями от 4°59′ до 5° 19′). (Поэтому Луна всегда находится вблизи эклиптики.) Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел своей орбиты — драконический месяц — составляет 27,21 средних суток.

Плоскость лунного пути сравнительно быстро поворачивается с востока к западу, навстречу движению Луны. Из-за этого лунные узлы непрерывно перемещаются по эклиптике в том же направ­лении, против хода зодиакальных созвездий. За сидерический месяц они сдвигаются почти на 1,5*, т.е. на три видимых лунных диаметра, а за год — на 19,3*. Период обращения лунных узлов по эклиптике равен 18 годам и 7 месяцам, а точнее — 6798 суткам. Таким образом, каждый свой оборот по небу Луна, по существу, совершает по новому пути и только через 18 лет и 7 месяцев возвращается к исходному.

На каждом обороте Луна приближается к Земле и удаляется от нее на неодинаковое расстояние: наименьшее (перигейное) рассто­яние Луны бывает в пределах от 356410 до 369960 км, а наибольшее (апогейное) — от 404170 до 406740 км. Диаметр диска Луны в перигее изменяется от 33,5′ до 32,5′, в апогее — от 29,6′ до 29,3′.

Чаще всего перигейное расстояние Луны 363300 км, апогейное 405500 км и среднее — 384400 км. Аномалистический месяц — про­межуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через перигей — составляет 27,55 средних суток.Ано­малистический месяц длиннее сидерического («звездного»), так как долгота перигея подвержена возмущению и примерно за 9 лет пря­мым движением (к востоку) описывает полный оборот.

Период смены лунных фаз (промежуток времени между полно­луниями или новолуниями) называется синодическим, или лунным месяцем. Он продолжительнее сидерического и составляет 29,53 дня, точнее — 29,5306 суток — 29 дней 12 часов 44 минуты. Такова средняя продолжительность синодического месяца, истинная длительность которого из-за неравномерного движения Луны и Земли колеблется от 29,25 до 29,83 дней.

Через 14 — 15 суток после новолуния Луна приходит в противо­стояние с Солнцем (на 180° от него). Ее фаза становится полной, наступает полнолуние (Ф = 1,0; В= 14,8 дня). Поскольку полная Луна находится в противоположной Солнцу области неба, она восходит при заходе Солнца, заходит при его восходе, а в середине ночи видна в южной стороне неба, вблизи небесного меридиана.

После полнолуния Луна постепенно приближается к Солнцу с запада, освещается им слева (с востока), и поэтому ущерб Луны, т.е. уменьшение ее фазы, начинается с правого края, а выпуклость осве­щенной части обращена к востоку.

Примерно через неделю, когда угловое расстояние между Луной и Солнцем сократится до 90° (Луна в западной квадратуре), насту­пает фаза третьей, или последней, четверти (Ф = 0,50; В — 22,2 дня), при которой Луна восходит вблизи полуночи, к восходу Солнца она оказывается в южной стороне неба, а заходит днем.

При дальнейшем сближении Луны с Солнцем ее убывающие фазы становятся серповидными с выпуклостью влево (к востоку). Луна восходит и видна в восточной области неба незадолго до восхода Солнца, заходит днем перед его заходом и вскоре снова вступает с ним в соединение (новолуние).

Аналогичным образом повторяются все фазы Луны. Из-за пре­вышения синодического лунного месяца над сидерическим одинако­вые фазы наступают в различных точках лунной орбиты и поочередно во всех знаках Зодиака (см. рис. VI.3). Этим и объясня­ется, почему на протяжении года условия видимости Луны в одной и той же фазе резко различны. Зимой, когда Солнце проходит по южным (летним) зодиакальным созвездиям, его суточный путь над горизонтом в северном полушарии низок и короток, полная Луна перемещается по северным (зимним) зодиакальным созвездиям, вы­соко поднимается и подолгу находится над горизонтом. Летом картина противоположная: полная Луна повторяет зимний суточный путь Солнца и иногда даже бывает не видна, скрываясь за неровным рельефом местности.

Наиболее высоко над горизонтом Луна бывает около дня зимнего солнцестояния, а наиболее низко — около дня летнего солнцесто-яния,т.е. чем выше Солнце в полдень, тем ниже Луна в полночь,и наоборот. Именно поэтому в летние месяцы Луна, как правило, редко видна на небе: ночью она находится вблизи горизонта, а днем хотя и высоко над горизонтом, но скрывается в лучах Солнца.

Восходы и заходы Луны приходятся на самые различные часы суток. Когда Луна в новолунии, она восходит и заходит примерно в одно время с Солнцем. Ночи наиболее темные в первой четверти лунного месяца. Когда долгота Луны больше долготы Солнца на 90°, Луна восходит примерно в полдень и заходит в полночь, и первая половина ночи — светлая.

В полнолуние Луна восходит во время захода Солнца, а заходит во время его восхода, т.е. видима всю ночь. В последней четверти восход Луны в полночь, а заход — в полдень. Восходы Луны ежесу­точно отстают от восходов Солнца на 40-50 минут, так как Луна собственным движением перемещается среди звезд с запада на восток (по ходу знаков Зодиака) в среднем на 13,2 е в сутки.

Что касается места восхода и захода Луны на горизонте, то оно отступает от точек востока и запада на еще большую величину, чем восходы и заходы Солнца.

Источник

Видимое движение и фазы Луны

Сидерический и синодический месяц — Движение Луны на небесной сфере — Смена лунных фаз

Сидерический и синодический месяцы

Луна является естественным спутником Земли и ближайшим к ней небесным те­лом. Она обращается вокруг Зе­мли по эллиптической орбите в том же направлении, что и Зем­ля вокруг Солнца. Среднее расстояние Луны от Земли равно 384 400 км. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эк­липтики на 5°09′.

Наклон орбиты Луны к плоскости эклиптики

Точки пересечения орбиты Луны с эклиптикой называются узлами лунной орбиты. Движение Лупы вокруг Земли для наблюдателя представляется как ви­димое ее движение по небесной сфере. Видимый путь Луны по небесной сфере называется видимой орбитой Луны.

За сутки Луна перемещается по видимой орбите относительно звезд примерно на 13,2°, а относительно Солнца на 12,2°, так как Солнце за это время тоже перемещается по эклиптике в среднем на 1°. Промежуток времени, в течение которого Луна со­вершает полный оборот по своей орбите относительно звезд, назы­вается звездным, или сидерическим месяцем. Его продолжительность равна 27,32 средних солнечных суток.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает пол­ный оборот по своей орбите относительно Солнца, называется синодическим месяцем. Он равен 29,53 средних солнечных су­ток.

Сидерический и синодический месяцы различаются примерно на двое суток за счет движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. На рисунке ниже показано, что при нахождении Земли на ор­бите в точке 1 Луна и Солнце наблюдаются на небесной сфере в одном и том же месте, например на фоне звезды К.

Синодический и сидерический месяцы

Через 27,32 сут, т. е. когда Лупа сделает полный оборот вокруг Земли, она снова будет наблюдаться на фоне той же звезды. Но так как Земля вме­сте с Луной за это время переместится по своей орбите относитель­но Солнца примерно на 27° и будет находиться в точке 2, то Луне необходимо еще пройти 27°, чтобы занять прежнее положение от­носительно Земли и Солнца, на что понадобится около 2 сут. Та­ким образом, синодический месяц длиннее сидерического на отре­зок времени, который нужен Луне, чтобы переместиться на 27°.

Движение Луны на небесной сфере

Период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее об­ращения вокруг Земли. Поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Вследствие того, что Луна за одни сутки перемещается по небесной сфере с запада на восток, т. е. в сторо­ну, обратную суточному движению небесной сферы, на 13,2°, ее восход и заход ежесуточно запаздывают примерно на 50 мин.

Это ежедневное запаздывание приводит к тому, что Луна непрерывно меняет свое положение относительно Солнца, но через строго опре­деленный период времени вновь возвращается в исходное положе­ние. В результате движения Луны по видимой орбите происходит непрерывное и быстрое изменение ее экваториальных координат.

В среднем за сутки прямое восхождение Луны изменя­ется на 13,2°, а склонение — на 4°. Изменение экваториальных координат Луны происходит не только за счет ее быстрого дви­жения по орбите вокруг Земли, но и вследствие необычайной сложности этого движения. На Луну действуют многие силы, име­ющие различную величину и период, под влиянием которых все эле­менты лунной орбиты постоянно изменяются.

Наклон орбиты Луны к эклиптике колеблется в пределах от 4°59′ до 5°19′ за время, несколько меньшее полугода. Изменяются формы и размеры орбиты. Непрерывно с периодом 18,6 года меняется положение орбиты в пространстве, в результате чего происхо­дит перемещение узлов лунной орбиты навстречу движению Луны.
Это приводит к постоянному изменению угла наклона видимой ор­биты Луны к небесному экватору от 28°35′ до 18°17′. Поэтому пределы изменения склонения Луны не остаются постоянными. В некоторые периоды оно изменяется в пределах ±28°35′, а в дру­гие — ±18° 17′.

Смена лунных фаз во время движения на небесной сфере

Движение Луны на небесной сфере сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида. Происходит так называемая смена лунных фаз. Фазой Луны называется видимая часть лунной поверхности, освещенная солнечными лучами.

Рассмотрим, вследствие чего происходит изменение лунных фаз. Известно, что Луна светит отраженным солнечным светом- Половина ее поверхности всегда освещена Солнцем. Но вследствие различных взаимных положений Солнца, Луны и Земли освещен­ная поверхность представляется земному наблюдателю в разных видах. Принято разли­чать четыре фазы Луны: новолу­ние, первая четверть, пол­нолуние и последняя чет­верть.

Положения и фазы
Луны (1 – новолуние, 2 – первая четверть, 3 – полнолуние, 4 – последняя четверть)

Во время новолуния Луна про­ходит между Солнцем и Землей. В этой фазе Луна обращена к Зем­ле неосвещенной стороной, и поэто­му она не видна земному наблюда­телю.

В фазе первой четверти Луна находится в таком положении, что наблюдатель видит ее в виде поло­вины освещенного диска.

Во время полнолуния Луна находится в на­правлении, противоположном на­правлению на Солнце. Поэтому к Земле обращена вся освещенная сторона Луны и она видна в виде полного диска. После полнолуния видимая с Земли освещенная часть Луны постепенно уменьшается.

Когда Луна достигает фазы последней четверти, она снова видна в виде половины освещенного диска. В Северном полушарии в пер­вой четверти освещена правая половина диска Луны, а в послед­ней — левая.

В промежутке между новолунием и первой четвертью и в про­межутке между последней четвертью и новолунием к Земле обра­щена небольшая часть освещенной Луны, которая наблюдается в виде серпа. В промежутках между первой четвертью и полнолу­нием, полнолунием и последней четвертью Луна видна в виде ущербленного диска.

Полный цикл смены лунных фаз происходит в течение строго определенного периода времени. Его называют периодом фаз. Он равен синодическому месяцу, т. е. 29,53 сут.

Промежуток времени между основными фазами Луны равен примерно 7 сут. Количество дней, прошедших с момента новолу­ния, принято называть возрастом Луны. С изменением возраста изменяются и точки восхода и захода Луны.

Движение Луны вокруг Земли является причиной лунных и солнечных затмений – затмения происходят только тогда, когда Солнце и Луна одновременно располагаются вблизи узлов лунной орбиты. Солнечное затмение происходит, когда Луна находится ме­жду Солнцем и Землей, т. е. в период новолуния, а лунное — когда Земля находится между Солнцем и Луной, т. е. в период полно­луния.

Источник