Местоположение орбиты, орбитальное движение, а также период вращения вокруг оси и её наклон − важные характеристики, которые в некоторых случаях могут полностью определять условия на поверхности планеты. В данной статье я проведу обзор указанных выше характеристик применимо к планетам Солнечной системы и опишу отличительные особенности планет, обусловленные их движением и расположением.
Меркурий
Ближайшая к Солнцу планета является, пожалуй, самой особенной в рамках темы, рассматриваемой в этой статье. А обусловлена эта исключительность Меркурия сразу несколькими причинами. Во-первых – орбита Меркурия самая вытянутая среди всех планет Солнечной системы (эксцентриситет составляет 0,205). Во-вторых − у планеты самый маленький наклон оси к плоскости своей орбиты (всего несколько сотых градуса). В-третьих – соотношение между периодами осевого вращения и орбитального обращения составляет 2/3.
Из-за сильной вытянутости орбиты, разница в расстоянии от Меркурия до Солнца в разных точках орбиты может составлять более чем до полутора раз – от 46 млн. км в перигелии, до 70 млн в афелии. Во столько же раз меняется орбитальная скорость планеты – от 39 км/с в афелии и до 59 км/с в перигелии. В результате такого движения, всего за 88 земных суток (один меркурианский год) угловой размер Солнца при наблюдении с поверхности Меркурия меняется от 104-х угловых минут (что в 3 раза больше, чем на Земле) в перигелии, до 68-ми угловых минут (в 2 раза больше, чем на Земле) в афелии. После чего начинается сближение с Солнцем, и оно снова увеличивается в диаметре до 104-х минут при приближении к перигелию. А разница в орбитальной скорости сказывается на скорости видимого перемещения Солнца на фоне звёзд. Значительно быстрее в перигелии, чем в афелии.
Особенности планеты
Существует и ещё одна особенность видимого движения Солнца на небе Меркурия. В ней, помимо его орбитального движения, замешано ещё и очень медленное осевое вращение (один оборот вокруг оси относительно звёзд занимает почти 59 земных суток). Суть в том, что на небольшом участке орбиты вблизи перигелия угловая скорость орбитального движения планеты больше, чем угловая скорость осевого вращения. В результате этого Солнце, перемещаясь с востока на запад за счёт осевого вращения, начинает замедлять свой ход, останавливается и некоторое время двигается с запада на восток. Поскольку в это время направление и скорость орбитального движения являются преобладающими факторами. При удалении от перигелия видимое движение Солнца относительно горизонта снова становится зависимым от осевого вращения планеты и продолжается с востока на запад.
Соотношение 2/3 периодов обращения вокруг оси и вокруг Солнца приводит к тому, что солнечные сутки на Меркурии длятся 176 земных суток (по 88 суток день и ночь). Т.е. в течение одного меркурианского года, Солнце находится над горизонтом и столько же под ним. Вследствие чего, на 2-х долготах в течение солнечных суток можно наблюдать тройной восход Солнца.
Как это происходит
Солнце сначала медленно выползает из-за горизонта, двигаясь с востока на запад. Затем Меркурий проходит перигелий, и Солнце начинает двигаться на восток, опускаясь обратно за горизонт. После прохождения перигелия Солнце снова двигается с востока на запад относительно горизонта, теперь уже взойдя окончательно, и при этом будет быстро уменьшаться в размерах. Когда Солнце будет близко к точке зенита, Меркурий пройдёт афелий и Солнце начнёт склоняться к западу, увеличиваясь в размерах. Затем, в момент когда Солнце уже практически зайдёт за западный горизонт, Меркурий по орбите снова подойдёт к перигелию, и Солнце взойдёт обратно из-за западного горизонта. По прохождении перигелия Солнце сядет за горизонт окончательно. После чего взойдёт на востоке только через меркурианский год (88 суток) и весь цикл движений повторится. На остальных долготах Меркурий будет проходить перигелий в тот момент, когда Солнце будет уже не у горизонта. И, следовательно, тройного восхода за счёт обратного движения в этих местах происходить не будет.
Разница температур
Из-за медленного вращения и в крайней степени разреженной атмосферы, поверхность Меркурия с солнечной стороны очень сильно нагревается. Особенно это касается так называемых «горячих долгот» (меридианы, на которых Солнце находится в зените при прохождении планетой перигелия). В таких местах температура поверхности может достичь 430 °C. При этом вблизи полярных регионов, из-за незначительно наклона оси планеты, есть места, куда вообще не попадают солнечные лучи. Там температура держится в районе -200 °C.
Подводя итог по Меркурию, видим, что результатом сочетания его отличительного орбитального движения, медленного вращения, уникального соотношения периодов вращения вокруг оси и обращения вокруг Солнца, а также малого наклона оси − является весьма необычное движение Солнца по небу, причём с заметным изменением размеров и самые большие температурные перепады в Солнечной системе.
Венера
В противоположность орбите Меркурия, орбита Венеры наоборот наиболее круглая среди орбит всех остальных планет. В её случае разница в расстоянии до Солнца в перигелии и афелии различается всего на 1,5 млн. км (107,5 млн. км и 109 млн. км соответственно). Но ещё интересней тот факт, что планета обладает ретроградным вращением вокруг оси, так что если бы можно было увидеть Солнце с поверхности Венеры, то в течение дня оно бы всё время двигалось с запада на восток. Причём двигалось бы очень медленно, поскольку скорость осевого вращения Венеры ещё меньше, чем у Меркурия и относительно звёзд, планета завершает оборот за 243 земных суток, что больше, чем длительность года (оборот вокруг Солнца занимает 225 земных суток).
Сочетание периодов орбитального движения и осевого вращения делает продолжительность солнечных суток равной приблизительно 117 земным суткам. Сам по себе наклон оси к плоскости орбиты невелик и составляет 2,7 градуса. Однако с учётом того, что планета вращается ретроградно, она оказывается фактически полностью перевёрнута. В этом случае величина наклона оси к плоскости орбиты составляет 177,3 градуса. Впрочем, на условия на поверхности планеты все указанные выше параметры практически не влияют. Плотная атмосфера очень хорошо удерживает тепло, за счёт чего температура почти не меняется. И неважно в какое время суток, и на какой широте при этом находиться.
Земля
Земная орбита весьма близка по форме к круговой, хотя её эксцентриситет чуть больше, чем у орбиты Венеры. Но разница в расстоянии до Солнца, которая составляет 5 млн. км в перигелии и афелии (147,1 млн. км и 152,1 млн. км до Солнца соответственно), не оказывает существенного влияния на климат. Наклон оси к плоскости орбиты в 23 градуса благоприятен, поскольку обеспечивает привычную для нас смену времён года. Это не допускает столь суровых условий в полярных регионах, которые могли бы быть при нулевом наклоне как у Меркурия. Ведь атмосфера Земли не столь хорошо задерживает тепло, как атмосфера Венеры. Относительно высокая скорость осевого вращения тоже благоприятна. Это не позволяет поверхности сильно нагреться в течение дня и остыть в течение ночи. В противном случае при периодах вращения как у Меркурия и тем более Венеры, температурные перепады на Земле были бы схожими с теми, что на Луне.
Марс
Марс обладает почти такими же периодом обращения вокруг оси и её наклоном к плоскости орбиты, как и Земля. Так что смена времён года происходит по схожему принципу, вот только сезоны длятся почти вдвое дольше, чем на Земле. Ведь на оборот вокруг Солнца требуется опять же почти вдвое большее время. Но есть тут и существенное отличие − орбита Марса имеет довольно заметный эксцентриситет. За счёт чего расстояние до Солнца меняется от 206,5 млн. км до 249,2 млн. км, а этого уже достаточно, чтобы заметно повлиять на климат планеты. Вследствие этого, лето в южном полушарии жарче, чем в северном, однако при этом и зима холоднее, чем в северном.
Планеты–гиганты
У планет-гигантов довольно небольшие эксцентриситеты орбит (от 0,011 у Нептуна, до 0,057 у Сатурна), однако расположены гиганты очень далеко. Следовательно, орбиты длинные, а планеты оборачиваются по ним весьма неторопливо. Юпитеру для полного оборота необходимо 12 земных лет; Сатурну – 29,5; Урану − 84, а Нептуну − 165. Для всех гигантов характерна высокая, по сравнению с планетами земной группы, скорость осевого вращения − 10 часов у Юпитера; 10,5 у Сатурна; 16 у Нептуна и 17 у Урана, за счёт этого планеты заметно сплюснуты у полюсов.
Сильнее всего сплюснут Сатурн, его экваториальный и полярный радиус различаются на 6 тыс. км. Наклоны осей у гигантов различны: совсем небольшой наклон у Юпитера (3 градуса); у Сатурна и Нептуна наклоны составляют 27 и 28 градусов соответственно, что близко к земному и марсианскому, соответственно там есть смена времён года, только в зависимости от удаления от Солнца, различается и длительность сезонов; выбивается в этом плане Уран – его ось, кольца и орбиты всех спутников наклонены на 98 градусов к плоскости орбиты планеты, так что в процессе оборота вокруг Солнца Уран поочерёдно обращён к Солнцу то одним полюсом, то другим.
Несмотря на разнообразие приведённых выше орбитальных и физических характеристик планет-гигантов, условия в их атмосферах в большей степени определяются процессами в недрах, которые в настоящий момент ещё толком не изучены.
В. Грибков
Слайд 2
Состав Солнечной системы
Планеты- 8 больших планет со спутниками и кольцами: Меркурий, Венера, Земля (с Луной), Марс (с Фобосом и Деймос), Юпитер (с кольцом и не менее 63 спутников), Сатурн (с мощным кольцом и не менее 55 спутников) – эти планеты видны невооруженным глазом; Уран (открыт в 1781г, с кольцом и не менее 29 спутника), Нептун (открыт в 1846г, с кольцом и не менее 13 спутников). Карликовые планеты - Плутон (открыт в 1930г, его спутник Харон - была планетой до 24.08.2006 года), Церера (первый астероид открыт в 1801г), и объекты пояса Койпера: Эрис (136199, открыт в 2003г) и Седна (90377, открыт в 2003г). Малые планеты – астероиды = (первый Церера открыт в 1801г - переведен в разряд карликовых планет), расположены в основном в 4-х поясах: Главном – между орбитами Марса и Юпитера, поясе Койпера – за орбитой Нептуна, троянцы: на орбите Юпитера и Нептуна. Размеры менее 800 км. Известно почти 300 000. Кометы – небольшие тела до 100 км в диаметре, конгломерат пыли и льда, движущиеся по очень вытянутым орбитам. Облако Оорта (резервуар комет) на периферии Солнечной системы (3000 – 160000 а.е). Метеорные тела – небольшие тела от песчинок до камней в несколько метров диаметром (образуются от комет и дробления астероидов). Небольшие при входе в земную атмосферу сгорают, а те, которые достигают Земли – метеориты. Межпланетная пыль – от комет и дробления астероидов. Межпланетный газ – от Солнца и планет, очень разряжен. Электромагнитное излучение и гравитационные волны.
Слайд 3
Петлеобразное движение планет
Более чем за 2000 лет до НЭ люди заметили, что некоторые звезды перемещаются по небу – их позже греки назвали “блуждающими” – планетами. Нынешнее название планет заимствовано у древних римлян. Выяснилось, что планеты блуждают в зодиакальных созвездиях. Поскольку при наблюдении с Земли на движение планет вокруг Солнца накладывается еще и движение Земли по своей орбите, планеты перемещаются на фоне звезд то с запада на восток (прямое движение), то с востока на запад (попятное движение). Объяснить это движение смог к 1539 году польский астроном Николай Коперник (1473-1543). Для внутренней, Венеры Для внешней, Марса Характер видимого движения планеты зависит от того, к какой группе она принадлежит.
Слайд 4
Видимое движение Марса среди звёзд в период с 1.10.2007 по 1.04.2008 Венера и Юпитер в лучах вечерней зари. Редкое небесное явление: пять планет Солнечной системы (все какие только можно увидеть невооруженным глазом) встретились на вечернем небе! С 13 по 16 мая 2002г возле "блуждающих светил" присутствовал серп молодой Луны.
Слайд 5
Конфигурация планет
Для нижних(внутренних) соединениепланета находится на прямой Солнце-Земля. верхнее– планета за Солнцем (V2). нижнее– планета перед Солнцем (V4). элонгация- угловое удаление планеты от Солнца. мак: Меркурия-28о, Венеры-48о. восточная - планета видна на востоке до восхода Солнца в лучах утренней зари(V1). западная– планета видна на западе в лучах вечерней зари после захода Солнца(V3). Нижние (внутренние) – планеты, орбиты которых расположены внутри земной орбиты. Верхние (внешние) – планеты, орбиты которых находятся за орбитой Земли. Конфигурация – характерное взаимное расположение планеты, Солнца и Земли. Для верхних (внешних) соединение- планета за Солнцем, на прямой Солнце-Земля (М1). противостояние–планета за Землей от Солнца – лучшее время наблюдения внешних планет, она полностью освещена Солнцем(М3). квадратура- четверть круга западная–планета наблюдается в западной стороне (М4). восточная–наблюдается в восточной стороне (М2). Виды Внешняя планета может находиться на любом угловом расстоянии от Солнца.
Слайд 6
Условия видимости внутренних планет Внутренние планеты лучше всего видны при максимальном удалении от Солнца (в элонгации), которая для Меркурия составляет 28о, Венеры-48о.
Слайд 7
Периоды обращения планет
В ходе разработки гелиоцентрической системы строения мира Николай Коперник к 1539 году получил формулы (уравнения синодического периода) для расчета периодов обращения планет и впервые их вычислил. Нижние (внутренние) планеты движутся по орбите быстрее Земли, а верхние (внешние) медленнее. Сидерический (T –звездный) –промежуток времени в течение которого планета совершает полный оборот вокруг Солнца по своей орбите относительно звезд.Синодический (S) – промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми конфигурациями планеты. для внутренних для внешних
Слайд 8
В зените рефракция минимальна - она возрастает по мере наклона к горизонту до 35" и сильно зависит от физических характеристик атмосферы: состава, плотности, давления, температуры. Вследствие рефракции истинная высота небесных светил всегда меньше их видимой высоты. Искажаются форма и угловые размеры светил: на восходе и закате близ горизонта "сплющиваются" диски Солнца и Луны, поскольку нижний край диска поднимается рефракцией сильнее верхнего. Преломление лучей звездного света в атмосферных слоях (потоках) разной плотности вызывает мерцание звезд - неравномерные усиления и ослабления их блеска, сопровождающиеся изменениями их цвета. Астрономическая рефракция - явление преломления (искривления) световых лучей при прохождении через атмосферу, вызванное оптической неоднородностью атмосферы. Рефракция изменяет зенитное расстояние (высоту) светил, "поднимая" изображения светил над их истинными положениями.
Посмотреть все слайды
− прямоугольные координаты точки Р
− сферические координаты точки Р
Горизонтальная система координат
- При построении любой системы небесных координат на небесной сфере выбирается большой круг (основной круг системы координат) и две диаметрально противоположные точки на оси, перпендикулярной к плоскости этого круга (полюса системы координат).
- В качестве основного круга горизонтальной системы координат принимают истинный горизонт, полюсами служат зенит (Z) и надир (Z 1), через которые проводятся большие полукруги, называемые кругами высоты или вертикалами.
Небесное светило
Истинный горизонт
Вертикал
- Мгновенное положение светила M относительно горизонта и небесного меридиана определяется двумя координатами: высотой (h) и азимутом (A), которые называются горизонтальными.
Зенитное расстояние
0 ° ≤ h ≤ 90°
0 ° ≤ A ≤ 360°
- Южная половина небесного меридиана (ZSZ 1) есть начальный вертикал, а круги высоты ZEZ 1 и ZWZ 1 , проходящие через точки востока E и запада W, называются первым вертикалом.
- Малые круги (ab, cd), параллельные плоскости истинного горизонта, называются кругами равной высоты или альмукантаратами.
- В течение суток азимут и высота светил непрерывно меняются.
- Поэтому горизонтальная система координат непригодна для составления звездных карт и каталогов.
- Для этой цели нужна система, в которой вращение небесной сферы не влияет на значения координат светил.
Экваториальная система координат
- Для неизменности сферических координат нужно, чтобы координатная сетка вращалась вместе с небесной сферой.
- Этому условию удовлетворяет экваториальная система координат.
- Основная плоскость в этой системе – небесный экватор, а полюса – северный и южный полюсы мира.
Северный полюс мира
Небесный экватор
Южный полюс мира
- Через полюса проводятся большие полукруги, называемые кругами склонения, а параллельно плоскости экватора – небесные параллели.
Небесная параллель
Круг склонения
- Положение светила в экваториальной системе координат отсчитывается по кругу склонения (склонение) и по небесному экватору (прямое восхождение). Точкой отсчета координаты служит точка весеннего равноденствия.
Эклиптика
Северный полюс
эклиптики
Наклонение
эклиптики
Небесный
Южный полюс
эклиптики
Точка весеннего
равноденствия
- Круг склонения, проходящий через точку весеннего равноденствия называется равноденственным колюром. Прямое восхождение есть угол при полюсе мира между равноденственным колюром и кругом склонения, проходящим через светило. Склонение – это угловое расстояние светила от небесного экватора.
Круг склонения
Равноденственный
Склонение
Небесный
Прямое восхождение
Точка весеннего
равноденствия
- Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыбы, и она служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α . Эта координата является аналогом долготы в географических координатах.
- В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной. При этом исходят из того, что полная окружность составляет 24 ч.
- Вторая координата светила δ – склонение – является аналогом широты, ее измеряют в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет координаты α = 19ч48м18с, склонение δ = +8°44".
- Измеренные координаты звезд хранят в каталогах, по ним строят звездные карты, которые используют астрономы при поиске нужных светил.
- Темной ночью мы можем увидеть на небе около 2500 звезд (с учетом невидимого полушария 5000), которые отличаются по блеску и цвету. Кажется, что они прикреплены к небесной сфере и вместе с ней обращаются вокруг Земли. Чтобы ориентироваться среди них, небо разбили на 88 созвездий.
- Во II в. до н. э. Гиппарх разделил звезды по блеску на звездные величины, самые яркие он отнес к звездам первой величины (1 m ), а самые слабые, едва видимые невооруженным глазом, - к 6 m .
- В созвездии звезды обозначаются греческими буквами, некоторые самые яркие звезды имеют собственные названия. Так, Полярная звезда - Малой Медведицы имеет блеск 2 m . Самая яркая звезда северного неба Вега - Лиры имеет блеск около 0 m .
- В настоящее время для ориентации среди звезд астрономы используют различные системы небесных координат. Одна из них – экваториальная система координат (рис. 1). В ее основе лежит небесный экватор – проекция земного экватора на небесную сферу.
- Эклиптика и экватор пересекаются в двух точках: весеннего (γ ) и осеннего (Ὠ ) равноденствия.
Видимое движение планет
- В древности были известны 5 похожих на звезды, но более ярких светил, которые хотя и участвуют в суточном вращении небосвода, но совершают и самостоятельные видимые движения. Древние греки назвали такие светила планетами (по-гречески «планета» означает «блуждающая»).
- Невооруженным глазом можно увидеть 5 блуждающих светил (планет) - Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн.
- Планеты всегда располагаются на небе недалеко от эклиптики, но в отличие от Солнца и Луны через определенные временные интервалы меняют направление своего движения.
- Они перемещаются между звездами в основном с запада на восток (как Солнце и Луна) - прямое движение.
- Однако каждая планета в определенное время замедляет свое движение, останавливается и начинает двигаться с востока на запад - попятное движение.
- Затем светило опять останавливается и возобновляет прямое движение. Поэтому видимый путь каждой планеты на небосводе - сложная линия с зигзагами и петлями.
- В XVI в. польский ученый Николай Коперник, отбросив догматическое представление о неподвижности Земли, поставил ее в число рядовых планет.
- Коперник указал, что Земля, занимая третье место от Солнца, так же, как и другие планеты, движется в пространстве вокруг Солнца и одновременно вращается вокруг своей оси. Гелиоцентрическая система Коперника очень просто объясняла петлеобразное движение планет.
- На рисунке показано движение Марса на небесной сфере, наблюдаемое с Земли. Одинаковыми цифрами отмечены положения Марса, Земли и точек траектории Марса на небосводе в одни и те же моменты времени.
- Меркурий и Венера всегда находятся вблизи Солнца, удаляясь от него попеременно к западу и к востоку. Благодаря близости к Солнцу эти две планеты видны только в восточной области неба под утро, до восхода Солнца, либо в западной стороне по вечерам, вскоре после захода Солнца.
- Таким образом, видимое движение Меркурия и Венеры значительно отличается от видимого пути Марса, Юпитера и Сатурна.
- Перемещение же Солнца и Луны на фоне звезд происходит по большим кругам всегда в прямом направлении.
- Петлеобразные участки видимого пути планет могут располагаться в разных зодиакальных созвездиях, но в их расположении имеется существенное различии.
- Весь пояс зодиакальных созвездий Марса обходит за 687 суток, Юпитер – почти за 12 лет, а Сатурн – за 29,5 года. Эти три планеты периодически бывают вблизи Солнца и тогда не видны, затем постепенно отходят от него к западу и описывают петлю в области неба, противоположной Солнцу.
- Эти планеты бывают видны в различные часы темного времени суток. Аналогично движутся Уран, Нептун и Плутон.
- Планеты, орбиты которых расположены в н у т р и земной орбиты, называются н и ж н и м и , а планеты, орбиты которых расположены в н е земной орбиты, - в е р х н и м и . Характерные взаимные расположения планет относительно Солнца и Земли называются к о н ф и г у р а ц и я м и планет .
- Конфигурации нижних и верхних планет различны. У нижних планет это
с о е д и н е н и я (верхнее и нижнее ) и э л о н г а ц и и (восточная и западная ; это наибольшие угловые удаления планеты от Солнца).
- У верхних планет - к в а д р а т у р ы (восточная и западная: слово «квадратура» означает «четверть круга»), с о е д и н е н и е и п р о т и в о с т о я н и е .
- Видимое движение нижних планет напоминает колебательное движение около Солнца. Нижние планеты лучше всего наблюдать вблизи элонгации (наибольшая элонгация Меркурия - 28°, а Венеры - 48°). С Земли в это время видно не все освещенное Солнцем полушарие планеты, а лишь часть его (ф а з а планеты). При восточной элонгации планета видна на западе вскоре после захода Солнца, при западной - на востоке незадолго перед восходом Солнца.
- Верхние планеты лучше всего видны вблизи противостояний, когда к Земле обращено все освещенное Солнцем полушарие планеты.
- В астрономии среднее расстояние от Земли до Солнца принято за единицу расстояния и называется астрономической единицей (а. е.), 1 а. е. = 1,5 10 8 км.
- Так, Меркурий находится от Земли на расстоянии 0,39 а. е., а Сатурн – на расстоянии 9,54 а. е.
- Выражение «путь Солнца среди звёзд» кому-то покажется странным. Ведь днём звёзд не видно. Поэтому нелегко заметить, что Солнце медленно, примерно на 1° за сутки, перемещается среди звёзд справа налево. Зато можно проследить, как в течение года меняется вид звёздного неба. Всё это - следствия обращения Земли вокруг Солнца. Путь видимого годичного перемещения Солнца на фоне звёзд именуется эклиптикой (от греч. «эклипсис» - «затмение»), а период оборота по эклиптике - звёздным годом. Он равен 365 суткам 6 ч 9 мин 10с, или Зб5,25б4 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 из северного полушария в южное. В наиболее удалённой к северу точке эклиптики Солнце бывает 22 июня (летнее солнцестояние), а к югу - 22 декабря (зимнее солнцестояние). В високосный год эти даты сдвинуты на один день. Из четырёх точек эклиптики главной является точка весеннего равноденствия. Именно от неё отсчитывается одна из небесных координат - прямое восхождение. Она же служит для отсчёта звёздного времени и тропического года - промежутка времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год определяет смену времён года на нашей планете.
Неравномерное движение Солнца среди звёзд
- Около 2 тыс. лет назад, когда Гиппарх составил свой звёздный 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 знаками прежних «равноденственных» созвездий - Овна ‘Y’ и Весов Ὠ .
- То же случилось и с точками солнцестояний: летнее в созвездии Тельца отмечается знаком Рака ®, а зимнее в созвездии Стрельца - знаком Козерога ^.
- Половину эклиптики от весеннего равноденствия до осеннего (с 21 марта по 23 сентября) Солнце проходит за 186 суток. Вторую половину, от осеннего равноденствия до весеннего, - за 179-180 суток.
- Но половинки эклиптики равны: каждая 180°. Следовательно, Солнце движется по эклиптике неравномерно. Эта неравномерность отражает изменения скорости движения Земли по эллиптической орбите вокруг Солнца.
- Неравномерность движения Солнца по эклиптике приводит к разной длительности времён года.
- Для жителей Северного полушария весна и лето на шесть суток продолжительнее осени и зимы. Земля 2-4 июля расположена от Солнца на 5 млн километров дальше, 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.
В конце XVI в. датский астроном И. Кеплер, изучая движение планет, открыл три закона их движения. На основании этих законов И. Ньютон вывел формулу для закона всемирного тяготения. В дальнейшем, используя законы механики, И. Ньютон решил задачу двух тел - вывел законы, по которым одно тело движется в поле тяготения другого тела. Он получил три обобщенных закона Кеплера.
Первый закон Кеплера
Под действием силы притяжения одно небесное тело движется в поле тяготения другого небесного тела по одному из конических сечений - кругу, эллипсу, параболе или гиперболе .
Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптической орбите (рис. 15.6). Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием , самая далекая - афелием . Линия, соединяющая какую-либо точку эллипса с фокусом, называется радиус-вектором
Отношение расстояния между фокусами к большой оси (к наибольшему диаметру) называется эксцентриситетом е . Эллипс тем сильнее вытянут, чем больше его эксцентриситет. Большая полуось эллипса а - среднее расстояние планеты до Солнца.
По эллиптическим орбитам движутся и кометы и астероиды. У окружности е = 0, у эллипса 0 < е < 1, у параболы е = 1, у гиперболы е > 1.
Движение естественных и искусственных спутников вокруг планет, движение одной звезды вокруг другой в двойной системе также подчиняются этому первому обобщенному закону Кеплера.
Второй закон Кеплера
Каждая планета движется так, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади.
Планета проходит путь от точки А до А" и от В до В" за одно и то же время.
Другими словами, планета движется быстрее всего в перигелии, а медленнее всего - когда находится на наибольшем удалении (в афелии). Таким образом, второй закон Кеплера определяет скорость движения планеты. Она тем больше, чем планета ближе к Солнцу. Так, скорость кометы Галлея в перигелии равна 55 км/с, а в афелии 0,9 км/с.
Третий закон Кеплера
Куб большой полуоси орбиты тела, деленный на квадрат периода его обращения и на сумму масс тел, есть величина постоянная.
Если Т - период обращения одного тела вокруг другого тела на среднем расстоянии а то третий обобщенный закон Кеплера записывается как
а 3 /[Т 2 (М 1 + М 2)] = G/4π 2
где М 1 и М 2 - массы притягивающихся двух тел, a G - гравитационная постоянная. Для Солнечной системы масса Солнца массы любой планеты, и тогда
Правая часть уравнения - постоянная для всех тел Солнечной системы, что и утверждает третий закон Кеплера, полученный ученым из наблюдений.
Третий обобщенный закон Кеплера позволяет определять массы планет по движению их спутников, а массы двойных звезд - по элементам их орбит.
Движение планет и других небесных тел вокруг Солнца под действием силы тяготения происходит по трем законам Кеплера. Эти законы позволяют рассчитывать положения планет и определять их массы по движению спутников вокруг них.
Астрономия. 11 класс - Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин) - Класс!ная физика
Издавна люди наблюдали на небе такие явления как видимое вращение звездного неба, смена фаз Луны, восход и заход небесных светил, видимое движение Солнца по небу в течение дня, солнечные затмения, изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года, лунные затмения.
Было ясно, что все эти явления связаны, прежде всего, с движением небесных тел, характер которого люди пытались описать при помощи простых визуальных наблюдений, правильное понимание и объяснение которых складывалось веками. После признания революционной гелиоцентрической системы мира Коперника, после того как Кеплер сформулировал три закона движения небесных тел и разрушил многовековые наивные представления о простом круговом движении планет вокруг Земли, доказал расчетами и наблюдениями, что орбиты движения небесных тел могут быть только эллиптическими, стало наконец ясно, что видимое движение планет складывается из:
1) перемещения наблюдателя по поверхности Земли;
2) вращения Земли вокруг Солнца;
3) собственных движений небесных тел.
Сложное видимое движение планет на небесной сфере обусловлено обращением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Само слово "планета" в переводе с древнегреческого означает "блуждающая" или "бродяга".
Траектория движения небесного тела называется его орбитой . Скорости движения планет по орбитам убывают с удалением планет от Солнца. Характер движения планеты зависит от того, к какой группе она принадлежит.
Поэтому по отношению к орбите и условиям видимости с Земли планеты разделяются на внутренние (Меркурий, Венера) и внешние (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон), или соответственно, по отношению к Земной орбите, на нижние и верхние.
Внешние планеты всегда повернуты к Земле стороной, освещаемой Солнцем. Внутренние планеты меняют свои фазы подобно Луне. Наибольшее угловое удаление планеты от Солнца называется элонгацией . Наибольшая элонгация у Меркурия – 28°, у Венеры – 48°. Плоскости орбит всех планет Солнечной системы (кроме Плутона) лежат вблизи плоскости эклиптики, отклоняясь от нее: Меркурий на 7њ , Венера на 3,5њ; у других наклон еще меньше.
При восточной элонгации внутренняя планета видна на западе, в лучах вечерней зари, вскоре после захода Солнца. При западной элонгации внутренняя планета видна на востоке, в лучах утренней зари, незадолго до восхода Солнца. Внешние же планеты могут находиться на любом угловом расстоянии от Солнца.
Угол фазы Меркурия и Венеры изменяется в пределах от 0° до 180°, поэтому Меркурий и Венера сменяют фазы так же, как и Луна. Около нижнего соединения обе планеты имеют наибольшие угловые размеры, но выглядят, как узкие серпы. При угле фазы ψ = 90°, освещается половина диска планет, фаза Φ = 0,5. В верхнем соединении нижние планеты освещены полностью, но плохо видны с Земли, так как находятся за Солнцем.
Итак, при наблюдениях с Земли на движение планет вокруг Солнца накладывается еще и движение Земли по своей орбите, планеты перемещаются по небосводу то с востока на запад (прямое движение), то с запада на восток (попятное движение). Моменты смены направления называются стояниями . Если нанести этот путь на карту, получится петля . Размеры петли тем меньше, чем больше расстояние между планетой и Землей. Планеты описывают петли, а не просто движутся туда-сюда по одной линии исключительно из-за того, что плоскости их орбит не совпадают с плоскостью эклиптики. Такой сложный петлеобразный характер был впервые замечен и описан на примере видимого движения Венеры (рисунок 1).
Рисунок 1 – «Петля Венеры».
Известен факт, что движение определенных планет можно наблюдать с Земли только в строго определенное время года, это связано с их положением с течением времени на звездном небе.
Характерные взаимные расположения планет относительно Солнца и Земли называются конфигурациями планет. Конфигурации внутренних и внешних планет различны: у нижних планет это соединения и элонгации (наибольшее угловое отклонение орбиты планеты от орбиты Солнца), у верхних планет это квадратуры, соединения и противостояния.
Поговорим конкретнее о каждом из видов конфигураций: конфигурации, при которых внутренняя планета, Земля и Солнце выстраиваются по одной линии, называются соединениями (рис. 2).
Рис. 2. Конфигурации планет:
Земля в верхнем соединении с Меркурием,
в нижнем соединении с Венерой и в противостоянии с Марсом
Если А - Земля, В - внутренняя планета, С - Солнце, небесное явление называется нижним соединением . В "идеальном" нижнем соединении происходит прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца.
Если А - Земля, В - Солнце, С - Меркурий или Венера, явление называется верхним соединением . В "идеальном" случае происходит покрытие Солнцем планеты, которое, конечно, не может наблюдаться из-за несравнимой разницы в блеске светил.
Для системы Земля - Луна - Солнце в нижнем соединении происходит новолуние, в верхнем соединении - полнолуние.
Предельный угол между Землей, Солнцем и внутренней планетой называется наибольшим удалением или элонгацией и равен: для Меркурия - от 17њ30" до 27њ45" ; для Венеры - до 48њ. Внутренние планеты могут наблюдаться только вблизи Солнца и только по утрам или вечерам, перед восходом или сразу после захода Солнца. Видимость Меркурия не превышает часа, видимость Венеры - 4 часов (рис. 3).
Рис. 3. Элонгация планет
Конфигурация, при которой Солнце, Земля и внешняя планета выстраиваются на одной линии, называется (рис. 2):
1) если А - Солнце, В - Земля, С - внешняя планета - противостоянием;
2) если А - Земля, В - Солнце, С - внешняя планета - соединением планеты с Солнцем.
Конфигурация, в которой Земля, Солнце и планета (Луна) образуют в пространстве прямоугольный треугольник, называется квадратурой: восточной при расположении планеты в 90њ к востоку от Солнца и западной при расположении планеты в 90њ к западу от Солнца.
Движение внутренних планет на небесной сфере сводится к их периодическому отдалению от Солнца вдоль эклиптики то к востоку, то к западу на угловое расстояние элонгации.
Движение внешних планет на небесной сфере носит более сложный петлеобразный характер. Скорость видимого движения планеты неравномерна, поскольку ее величина определяется векторной суммой собственных скоростей Земли и внешней планеты. Форма и размеры петли планеты зависит от скорости планеты по отношению к Земле и наклона планетной орбиты к эклиптике.
Теперь введем понятие конкретных физических величин, характеризующих движение планет и позволяющих произвести некоторые расчеты: Сидерическим (звездным) периодом обращения планеты называется промежуток времени Т, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца по отношению к звездам.
Синодическим периодом обращения планеты называется промежуток времени S между двумя последовательными одноименными конфигурациями.
Для нижних (внутренних) планет:
Для верхних (внешних) планет:
Продолжительность средних солнечных суток s для планет Солнечной системы зависит от сидерического периода их вращения вокруг своей оси t, направления вращения и сидерического периода обращения вокруг Солнца Т.
Для планет, обладающих прямым направлением вращения вокруг своей оси (тем же, в котором они движутся вокруг Солнца):
Для планет, обладающих обратным направлением вращения (Венера, Уран).
