1. Основные движения Земли. Земля — это третья по удаленности от Солнца планета. Она движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца по эллиптической орбите, мало отличающейся от окружности. Одно из доказательств обращения Земли вокруг Солнца — кажущееся ( параллактическое ) смещение ближайших к нам звезд. Впервые такие смещения удалось обнаружить лишь в 30-х гг. XIX в.
Второе основное движение Земли — вращение вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты под углом 66 ˚ 34′.
При движении Земли вокруг Солнца ось ее остается параллельной самой себе. Из курсов природоведения и естествознания вы знаете, что смена времен года на Земле как раз и является следствием указанных трех причин: обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты и сохранения направления оси в пространстве.
Кроме того, Земля движется в пространстве вместе со всей Солнечной системой и участвует во многих других движениях.
2. Форма Земли. Лишь в грубом приближении к действительности можно считать, что Земля — это шар, радиус которого определяется по формуле (21) методом, описанным в § 11.4. Однако геодезические измерения показали, что длина дуги 1° меридиана около экватора равна 110,6 км , а вблизи полюсов — 111,7 км , следовательно, Земля не шар, ее экваториальный радиус больше полярного .
Объясняется это тем, что Земля вследствие своего вращения вокруг оси сжата у полюсов и по форме близка к эллипсоиду вращения. Сжатие эллипсоида может быть вычислено по формуле:
, (24)
где ε — сжатие Земли; a — большая полуось земного эллипсоида; b — его малая полуось. Данные, основанные на наблюдениях движения искусственных спутников Земли, позволили уточнить результаты наземных геодезических измерений сжатия Земли.
Поскольку различие в экваториальном ( 6378,140 км ) и полярном ( 6356,755 км ) радиусах Земли небольшое ( 21,385 км ), то при решении многих астрономических задач Землю можно считать шаром со средним радиусом, равным 6371 км .
Зная средний радиус Земли и ее массу (как найти массу Земли, вы знаете из курса физики), легко вычислить среднюю плотность нашей планеты (5,5 · 10 3 кг/м 3 ).
3. Луна — спутник Земли. Луна — ближайшее к Земле небесное тело. Радиус Луны примерно в 4 раза, а масса в 81 раз меньше соответственно радиуса и массы Земли. По этим физическим характеристикам естественный спутник нашей планеты нельзя считать маленьким по сравнению с Землей. Строго говоря, по эллиптической орбите вокруг Солнца движется общий центр масс системы «Земля — Луна», находящийся внутри Земли. Систему «Земля — Луна» часто называют «двойной планетой».
Луна — не самосветящееся тело; она светит отраженным солнечным светом. В зависимости от положения, которое Луна занимает по отношению к Земле и Солнцу, мы видим то полную Луну ( полнолуние ), то половину видимого диска ( первая или последняя четверть ), то совсем не видим Луны ( новолуние ).
Рис. 28. Фазы луны.
Наблюдаемая с Земли освещенная часть лунного диска называется фазой Луны. Проследить смену лунных фаз можно по рисунку 28. В новолунии Луна бывает в то время, когда она располагается между Землей и Солнцем; в полнолунии Луна находится за Землей. После новолуния Луна «растет» от узкого серпа (направленного выпуклостью вправо) до полудиска (первая четверть) и далее до полного диска (полнолуние). После полнолуния Луна «убывает» до полудиска (выпуклость направлена влево, наступает последняя четверть), затем становится узким серпом и перестает быть видимой в новолунии. Полный цикл смен лунных фаз ( синодический месяц ) составляет примерно 29,5 сут (29,5 д ).
Угловой диаметр Луны на небесной сфере около 0,5° (≈30′). Но он не остается постоянным, а изменяется из-за эллиптичности орбиты (примерно 33′ в перигее и 29′ в апогее). Эксцентриситет лунной орбиты е = 0,05, а большая полуось эллипса — 384400 км (среднее расстояние Луны от Земли). Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27,3 сут (27,З д , сидерический месяц ). За это же время Луна делает оборот вокруг своей оси, поэтому к Земле всегда обращено одно и то же полушарие Луны.
Как и все другие небесные тела, Луна участвует в суточном вращении небесной сферы. Но в отличие от планет и Солнца, более удаленных от Земли, Луна быстро перемещается на фоне звездного неба (13° за сутки) с запада на восток, т. е. в направлении, противоположном суточному вращению небесной сферы. Этим объясняется явление, которое вы сами можете обнаружить. Каждый вечер, отмечая по часам моменты верхней кульминации Луны, вы убедитесь, что Луна приходит к небесному меридиану с опозданием примерно на 50 мин (т. е. кульминирует сегодня на 50 мин позже, чем вчера).
4. Солнечные и лунные затмения. Когда Луна при своем движении вокруг Земли полностью или частично заслоняет Солнце, происходят солнечные затмения . Во время полного солнечного затмения (рис. 29) Луна закрывает весь диск Солнца (это возможно благодаря тому, что видимые диаметры Луны и Солнца почти одинаковы). Полное солнечное затмение можно наблюдать лишь из тех точек земной поверхности, где проходит полоса полной фазы . Так называется полоса, которую как бы прочерчивает по земной поверхности сходящийся конус лунной тени (см. рис. 29).
Рис. 29. Схема полного затмения Солнца.
По обе стороны полосы полной фазы происходит частное затмение Солнца, во время которого Луна заслоняет не весь солнечный диск, а лишь часть его. Наблюдается частное солнечное затмение из тех мест земной поверхности, которые охватывает расходящийся конус лунной полутени (см. рис. 29).
Ширина полосы полной фазы солнечного затмения и его продолжительность зависят от взаимных расстояний Солнца, Земли и Луны. Вследствие изменения расстояний видимый угловой диаметр Луны тоже изменяется. Когда он чуть больше солнечного, полное затмение Солнца может длиться до 7,5 мин, когда равен, то одно мгновение, если же он меньше, то Луна вообще не закрывает Солнце полностью. В последнем случае происходит кольцеобразное затмение: вокруг темного лунного диска видно узкое яркое солнечное кольцо.
Полное солнечное затмение — очень красивое явление. Во время затмения Солнце имеет вид черного диска, окруженного нежным сиянием ( короной ). Дневной свет настолько ослабевает, что иногда можно видеть на небе яркие звезды и планеты.
Полное солнечное затмение, которое можно было наблюдать с территории России (в некоторых ее южных районах) произошло 29 марта 2006 г .
Когда при движении вокруг Земли Луна попадает в конус земной тени, которую отбрасывает освещаемый Солнцем земной шар, происходит полное лунное затмение (рис. 30). Если же в тень Земли погружается лишь часть Луны, то происходит частное затмение Луны.
Рис. 30. Схема полного затмения Луны.
Полное лунное затмение может длиться примерно 1,5 — 2 ч (столько времени, сколько требуется Луне, чтобы пересечь конус земной тени). Его можно наблюдать со всего ночного полушария Земли, где Луна в момент затмения находится над горизонтом. Поэтому в данной местности полные лунные затмения удается наблюдать значительно чаще солнечных.
Во время полного лунного затмения Луны лунный диск остается видимым, но он приобретает обычно темно-красный оттенок. Это явление объясняется преломлением солнечных лучей в земной атмосфере. Проходя через земную атмосферу, солнечные лучи рассеиваются и преломляются. Причем рассеивается в основном коротковолновое излучение (соответствующее синему и голубому участкам спектра, чем и обусловлен голубой цвет нашего дневного неба), а преломляется длинноволновое (соответствующее красному участку спектра). Преломляясь в земной атмосфере, длинноволновое солнечное излучение попадает в конус земной тени и освещает Луну.
Легко сообразить, что солнечное затмение происходит, когда Луна бывает в новолунии, а лунное — когда в полнолунии. Однако далеко не в каждое новолуние и полнолуние происходят затмения. Дело в том, что плоскость, в которой Луна движется вокруг Земли, наклонена к плоскости эклиптики под углом примерно 5°. Чаще всего в году бывает только два солнечных и два лунных затмения. В 1982 г . было семь затмений — четыре частных солнечных и три полных лунных (это максимально возможное число затмений в год).
Еще древние астрономы заметили, что через определенный промежуток времени лунные и солнечные затмения повторяются в определенном порядке. Этот промежуток времени был назван сáросом (в переводе с египетского — повторение ). Существование сароса объясняется закономерностями, наблюдаемыми в движении Луны. Сарос составляет 6585,32 сут (≈18 лет 11 дней). В течение каждого сароса происходит 70 затмений, из них 42 солнечных и 28 лунных. Однако в данном месте Земли лунные затмения наблюдаются чаще, чем солнечные, так как лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли. Полные солнечные затмения в данной точке земной поверхности видны не чаще одного раза в 200—300 лет.
Зная продолжительность сароса, можно приближенно предсказывать время наступления затмений. В настоящее время разработаны очень точные методы предсказания солнечных и лунных затмений. Астрономы неоднократно помогали историкам уточнять даты исторических событий, которые, по свидетельству летописей, совпадали с затмениями. В Москве очередное полное солнечное затмение будет наблюдаться 16 октября 2126 г .
В прошлом необычный вид Луны и Солнца во время затмений приводил людей в ужас. Жрецы, зная о повторяемости этих явлений, использовали их для подчинения и устрашения людей, приписывая затмения сверхъестественным силам. Давно уже перестала быть тайной причина затмений. Наблюдения затмений позволяют ученым получать важные сведения об атмосферах Земли и Солнца, а также о движении Луны. Во время полных затмений Солнца создаются условия, благоприятные для наблюдения отклонения луча света звезды в поле тяготения Солнца. Это позволяет получить одно из важнейших доказательств теории тяготения Эйнштейна (общей теории относительности).
Источник
Почему Землю и Луну называют двойной планетой
Термин “двойная (бинарная) планета” описывает один из видов взаимоотношений между двумя космическими телами. О том, что Земля и Луна — двойная планета, Европейское астрономическое сообщество впервые заговорило в конце прошлого века. Кроме того, астрономами описаны такие космические явления, как двойные астероиды, двойные звезды.
Определение двойной планеты
Этим термином в среде астрономов принято обозначать бинарную систему из двух космических тел, каждое из которых обладает достаточной массой для оказания гравитационного эффекта. Гравитация астрономических тел должна превосходить гравитационный эффект звезды, являющийся центром их вращения.
Еще одно требование заключается в том, что обе части такой бинарной системы должны вращаться вокруг общего центра массы, находящегося над их поверхностями.
Это условная точка, являющаяся общим центром масс, называется также барицентром.
Общий центр масс, вокруг которого вращаются Земля и Луна, располагается под земной поверхностью. Однако, несмотря на это, Европейское астрономическое общество выдвинуло предложение рассматривать систему, состоящую из Земли и ее спутника, в качестве бинарной системы.
Такая инициатива обусловлена тем, что Луна резко отличается от остальных спутников в Солнечной системе:
Она — один из самых крупных и тяжелых в Солнечной системе спутников по отношению к своему центральному космическому телу. Размеры космических тел, сопровождающих другие планеты Солнечной системы, составляют 1/10 долю диаметра центральных небесных тел, а то и менее. В свою очередь, поперечник Луны составляет четверть поперечника космического объекта, вокруг которого вращается данный спутник.
Необычна для планетарного спутника и масса Луны. Она составляет 1/81 от масса центрального космического тела, тогда как спутники других планет Солнечной системы легче своих центров вращения в десятки тысяч раз.
Еще одна особенность, которая приводится в качестве аргумента в пользу двойной планеты Земля-Луна, — это близость данных космических объектов. С этой особенностью исследователи связывают следующий примечательный факт: путь Луны вокруг Солнца практически повторяет земной, отличаясь от него лишь незначительно.
Для наглядности приводится такой пример: для условного наблюдателя, помещенного на поверхность Солнца, траектория движения земного спутника представилась бы несколько волнистой линией, которая почти совпадала бы с земной орбитой.
Все эти аргументы кажутся сторонникам теории о бинарной планете «Земля-Луна» достаточно убедительными, несмотря на ряд различий двух небесных тел:
Широкий диапазон температур на лунной поверхности: за ночь она остывает до -173°C, тогда как в течение дня нагревается до 130С. В свою очередь, земные температурные колебания намного менее выражены.
Земное ядро обладает намного более выраженной гравитацией.
На земном спутнике, в отличие от Земли, нет воды. Лунные моря представляют собой долины, заполненные окаменевшей лавой; сверху их покрывает слой пород, выброшенных когда-то вулканами. Их кратеры видны и сейчас: они достигают 200 км в диаметре, окружены возвышающимися в виде вала крутыми склонами.
В подобных взаимоотношениях находится еще одна пара астрономических объектов в Солнечной системе: Солнце и Юпитер. Однако, поскольку Юпитер звездой не является, классифицировать эту пару как бинарную планету или двойную звезду нельзя.
Земля и Луна — двойные планеты
Общий центр масс, вокруг которого вращаются Земля и Луна, располагается под земной поверхностью. Местоположение этой точки нестабильно. Она медленно движется по направлению к земной поверхности.
Это связано с постепенным увеличением расстояния между Землей и ее естественным спутником. Выход общего центра массы в пространство над земной поверхностью ознаменует превращение бинарной системы “Земля-Луна” в двойную планету.
Превращение пары космических тел, состоящей из Земли и ее спутника, в двойную планету прогнозируется на ближайшие несколько миллиардов лет.
Тогда Луна под действием приливных сил отдалится от сопровождаемой планеты настолько, что центр масс, вокруг которого объекты вместе вращаются, сместится из-под земной поверхности в пространство между этими астрономическими телами. Отдаление земного спутника от центра вращения происходит со скоростью 3 см 7,4 мм в год.
Рассчитать точный период времени, который понадобится для превращения пары Земля-Луна в двойную планету, пока затруднительно.
Плутон-Харон
Пару астрономических объектов, состоящую из космического тела Плутон и его спутника под названием Харон, было предложено считать двойной планетой в 2006 г. Решение было принято Генеральной Ассамблеей международного астрономического Союза.
Из всех спутников Солнечной системы Харон более всех приблизился по размеру и массе к космическому объекту, который сопровождает, — он всего вдвое меньше его.
, (24)
