1. ЛУНА КАК НЕБЕСНОЕ ТЕЛО

: общая характеристика : : лунная орбита : : лунные фазы : : движение по небесной сфере : : затмения : : краткое резюме :

Данная глава содержит минимум сведений о Луне как о небесном теле, необходимых для понимания последующего материала. Читатели, знакомые с основами астрономии, могут ее пропустить. Остальным же настоятельно рекомендуется не только прочитать, но и попытаться разобраться в сути изложенного. Если это покажется скучным или трудным, то можно с первого раза глубоко не вникать, но по мере проработки других разделов периодически обращаться к данной главе, как к справочнику. Как минимум, прочитайте хотя бы краткое резюме.

 

ВНИМАНИЕ!
Полную информацию о параметрах Луны см. с помощью сервиса Лунный Фактор.

 

Луна - довольно крупное небесное тело в ряду планет и спутников солнечной системы. Ее средний радиус равен 1737,1 км, что составляет примерно 27,3 % земного радиуса. Для наглядности на рис.1.1 Луна показана в сравнении с Меркурием, Венерой, Землей и Марсом, а также наиболее крупными спутниками планет-гигантов Юпитера и Сатурна.

Рис.1.1 Сопоставительные размеры Луны и других тел солнечной системы

 

Хорошо видно, что по величине она лишь немного уступает самой маленькой из планет - Меркурию, а также самым большим спутникам, «материнские» планеты которых примерно на порядок больше Земли, т.е. размер Луны по отношению к своей «материнской» планете для солнечной системы аномально высок. Средняя плотность Луны равна 3,346 г/см³, что на 70-80 % выше, чем у других крупнейших спутников (исключение составляет только Ио с плотностью 3,528 г/см³), и приближается к плотности Марса (3,933 г/см³).

Следствием относительно большого размера и плотности Луны является ее ощутимое гравитационное воздействие на Землю, проявляющееся, прежде всего, в виде приливов и отливов. Кроме того, Земля и Луна образуют единую систему масс, вращающуюся вокруг общего центра, смещенного относительно центра Земли на 4750 км. В результате Земля движется по орбите вокруг солнца не строго равномерно, а совершая колебательные движения.

Период обращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, в связи с чем Луна постоянно обращена к Земле одной стороной. Причиной этого является тормозящий эффект приливных волн в коре Луны, вызываемых мощным гравитационным полем Земли. Таким же свойством обладают и другие указанные на рис.1 спутники.

Видимый угловой диаметр Луны (29'24" - 33'40") весьма близок к угловому диаметру Солнца (31'29" - 32'31"). Следствием этого является возможность возникновения такого уникального оптического явления, как полное затмение Солнца, при котором солнечный диск почти один в один перекрывается лунным, оставляя видимой солнечную корону.

 

На рис.1.2а приведена схема движения Луны вместе с Землей, если смотреть со стороны северного полюса. Обратите внимание - все на этой схеме вращается в одну сторону: Луна вокруг своей оси, Луна вокруг Земли, Земля вокруг своей оси и Земля вокруг Солнца.

Луна делает полный оборот по орбите вокруг Земли за 27,32166 земных суток (27 дней 7 часов 43 минуты 12 секунд). Этот период называется сидерическим лунным месяцем (от лат. sideris - звездный), поскольку изначально измерялся по изменению положения Луны относительно звезд.

 

В большинстве источников фигурирует одна и та же формулировка сидерического месяца, как периода, по истечениии которого «Луна возвращается в ту же точку звездного неба». Такая трактовка неверна, т.к. из-за постоянного смещения относительно небесного экватора, обусловленного наклонением орбит Земли и Луны и прецессией их осей (см. последующие параграфы) Луна в ту же точку после полного оборота попасть не может. Поэтому правильно говорить не о вовзращении к той же точке относительно звезд, а о возвращении к тому же небесному меридиану, от которого начинался отсчет.

 

Орбита Луны имеет форму эллипса, в одном из фокусов которого находится Земля. По этой причине расстояние от Луны до Земли непостоянно и в перигее (наинизшей точке орбиты) равно 363104 км, а в апогее (наивысшей точке орбиты) - 405696 км. Эти цифры являются средними, их текущие значения меняются с периодом около 207 дней по весьма сложным зависимостям. Природа данных колебаний определяется множеством различных факторов и до конца не изучена, поэтому мы ее здесь рассматривать не будем. Отметим также, что вследствие непостоянства расстояния до Луны ее видимый угловой диаметр изменяется примерно на ± 6,7% от среднего значения. Это явление называется либрацией.

Точки перигея и апогея находятся на одной линии с центром Земли, которая называется линией апсид (апсида в переводе с греческого - дуга). Эта линия совпадает с большой осью эллипса. Она тоже медленно вращается в ту же сторону (см. рис.1.2б), что и другие компоненты рассматриваемой схемы, делая полный оборот за 8,85 лет.

Период между прохождениями Луной перигея называется аномалистическим месяцем. Он длится 27 суток 13 часов 18 минут и 33 секунды, что несколько превышает длительность сидерического месяца по причине постоянного «убегания» перигея от Луны вследствие упомянутого вращения лини апсид.

Рис.1.2 Вид и параметры лунной орбиты

 

Плоскость лунной орбиты расположена под небольшим углом по отношению к плоскости земной орбиты, которая называется также плоскостью эклиптики (см. рис. 1.2в). Этот угол называется наклонением орбиты и находится в диапазоне (периодически изменяется) от 4°59' до 5°19'. Точка пересечения лунной орбиты с плоскостью эклиптики при восходящем движении Луны называется восходящим узлом (обозначается Ω). Этот узел перемещается в направлении, противоположном всем другим описанным вращениям, совершая полный оборот за 18,6 лет. Причиной этого перемещения является прецессия лунной орбиты, т.е. изменение направления оси вращения, при котором она описывает конус (как, например, у волчка или упавшей монеты). Поскольку этот узел перемещается навстречу движению Луны, то повторное прохождение Луной восходящего узла происходит быстрее, нежели она совершает полный оборот по орбите. Этот интервал получил название драконического месяца. Он чуть короче сидерического и равен 27,2 суток.

Кроме упомянутых сидерического, аномалистического и драконического месяцев есть еще тропический, определяемый, как период прохождения Луной одной и той же долготы в системе эклиптических координат, например, долготы точки весеннего равноденствия. Его величина всего на несколько секунд меньше длительности сидерического месяца из-за влияния прецессии земной оси. Иногда эти понятия и их величины путают, но для целей нашего исследования эта разница непринципиальна.

Ось вращения самой Луны отклонена от вертикали на 1,5424°, и, соответственно, имеет наклон по отношению к плоскости собственной орбиты. В связи с этим по мере обращения вокруг Земли Луна немного поворачивается к земному наблюдателю разными боками, позволяя заглянуть на небольшой ободок своей обратной стороны. Т.о., несмотря на то, что Луна обращена к нам постоянно одной стороной, для наблюдения доступно немногим более 50% ее площади.

Как видно, Луна движется вокруг Земли по весьма непростой траектории с большим числом параметров, в т.ч. переменных. Полное и точное математическое описание этого движения является очень сложной задачей.

 

Мы видим только ту часть Луны, которая обращена к нам и при этом освещена солнцем. Очевидно, что она определяется не только положением Луны относительно Земли при ее движении по орбите, но и положением системы Земля - Луна относительно Солнца. Форма и ориентация видимой нам в конкретный момент освещенной части Луны, для которой мы применяем общеизвестные названия типа «полная луна», «молодая луна», «старая луна», «лунная четверть» и пр., на языке астрономов и астрологов именуется ее фазой. В связи с изменением взаимного положения Луны, Земли и Солнца фазы нашего ночного светила последовательно сменяют друг друга и этот процесс непрерывно повторяется с периодом, называемым синодическим лунным месяцем. Данный механизм показан рис.1.3.

Рис.1.3. Механизм формирования лунных фаз

 

Синодический лунный месяц принято определять как период от новолуния до новолуния. Собственно, сам термин происходит от греческого синодос, что означает «соединение», поскольку в новолунение Луна как бы соединяется с Солнцем. Синодический месяц на пару с небольшим суток длиннее сидерического месяца, о котором мы говорили выше. Это объясняется тем, что за время полного оборота Луны по своей орбите Земля проходит некоторое расстояние по своей орбите, вследствие чего Солнце смещается по эклиптике, «убегая» от Луны, и Луне требуется сделать чуть больше полного оборота, чтобы его «догнать» (см. рис.1.4).

Рис.1.4. Синодический месяц

 

Вследствие влияния сочетания множества факторов длительность синодического месяца непостоянна. Его среднее значение равно 29,530588 суток (29 суток 12 часов 44 минуты и 2,8 секунды), а отклонение от среднего значения достигает примерно ± 13 часов. Именно синодический месяц является основной единицей большинства лунных календарей, т.к. он, в отличие от других лунных периодов, отмеряется путем наблюдения за фазами луны невооруженным глазом. Но об этом мы поговорим в следующей главе, а пока продолжим разбор лунной небесной механики.

 

 

 

 

Прежде, чем говорить о движении Луны по небесной сфере, остановимся на самой этой сфере. Когда мы смотрим на небо и видим перемещение светил, нам кажется, будто они вращаются вокруг нас. Такой точки зрения, т.е. геоцентрической, люди придерживались с древних времен, до появления в средние века гелиоцентрической системы Коперника. И теперь каждый знает, что светила движутся по небу потому, что вращается Земля. Однако для целей небесной картографии удобнее придерживаться старой, ненаучной схемы с неподвижным наблюдателем в центре вращающейся небесной сферы. На рис.1.5 показан один из таких вариантов.

Рис.1.5. Геометрия небесной сферы и механика видимого движения светил

 

Небесная сфера поделена на две полусферы горизонтом наблюдателя, вследствие чего для наблюдения доступна только верхняя полусфера. На горизонте имеются стороны света - север, юг, восток и запад, соответствующие реальным. Небесная сфера имеет самую высокую точку - зенит, противоположную ей - надир, а также ось мира, вокруг которой она вращается по часовой стрелке и которая совпадает с осью вращения Земли. Точки небесной сферы, через которые проходит ось мира, именуются полюсами мира - северным и южным. Угол между осью мира и горизонтом равен широте местности, на которой находится земной наблюдатель - в нашем примере это примерно 50-60°, что соответствует средней полосе России.

Звезды жестко «закреплены» на небесной сфере и вращаются вместе с ней по видимым орбитам, паралелльным друг другу и небесному экватору, плоскость которого совпадает с плоскостью земного экватора. В отличие от звезд, Cолнце не привязано жестко к небесной сфере. Его проекция на звезды вследствие вращения Земли по орбите медленно движется по траектории, называемой эклиптикой. Ее плоскость совпадает с плоскостью орбиты Земли и вследствие наклона земной оси образует с плоскостью небесного экватора угол около 23,5° Из-за этого угла высота солнца в наивысшей точке над горизонтом меняется в течение года. Также меняется и время восхода и захода нашего светила. Именно поэтому зимой холодно и дни короче, хотя в это время Земля на орбите расположена к Солнцу ближе, чем летом (парадокс!).

Из-за движения по эклиптике солнце постоянно смещается по отношению к звездам на восток, т.е. отстает от них примерно на 1° (примерно на два своих угловых диаметра) в сутки. Суточное смещение относительно небесного экватора несколько меньше, особенно вблизи точек солнцестояния, поэтому в течение дня солнце движется почти параллельно звездам. Карта расположения эклиптики на звездном небе приведена на рис.1.6.

Рис.1.6. Эклиптика на карте звездного неба
(В.П.Чехович. Что и как наблюдать на небе. М., Наука, 1984, рис.29)

 

На данной карте прямая линия - это линия небесного экватора, а линия, похожая на синусоиду, это и есть линия эклиптики. Точки пересечения эклиптики с экватором есть точки равноденствия, а точки экстремумов есть точки солнцестояния. Обратите внимание - Солнце движется по эклиптике с запада на восток, т.е. справа налево, в отличие от привычных синусоид на графиках процессов! Также надо иметь в виду, что карта эклиптики лишь показывает траекторию, которую прочерчивает на фоне звезд Солнце за один оборот Земли, но не дает информации о том, в какой именно ее точке в конкретный момент времени оно находится, поскольку оно движется по эклиптике неравномерно, а Земля совершает полный оборот не за целое число дней. Для определения точного положения надо пользоваться эфемеридами - таблицами координат и параметров небесных объектов, которые расчитываются и издаются различными научными организациями и энтузиастами (см., например, астрономический ежегодник РАН). Кроме того, положение может быть расчитано с помощью специальных компьютерных программ.

Двигаясь по эклиптике, Солнце попадает в созвездия, которые именуют зодиакальными. Именно положение Солнца в этих созвездиях является главной основой для расчетов во всевозможных гороскопах. Однако следует заметить, что общепринятые даты прохождения Солнца по зодиакальным созвездиям были актуальны пару-тройку тысяч лет назад, когда зарождались астрономия и астрология. В настоящий момент, вследствие перемещения солнца относительно звезд линия эклиптики сместилась по Зодиаку в сторону отставания примерно на один знак. При этом вместе с экватором она сместилась еще и к зениту, в результате чего в ряду зодиакальных созвездий появилось тринадцатое - Змееносец. Как это отразилось на астрологии, мы рассмотрим в другой публикации. Сейчас же нам надо посмотреть, как движется по небесной сфере Луна. Обратимся к схеме рис.1.7.

Рис.1.7. К движению Луны по небесной сфере

 

Для упрощения исключим из схемы горизонт и привяжем координаты Луны к эклиптике. В таком случае движение Луны по небесной сфере будет складываться из движения эклиптики и движения Луны относительно эклиптики. Максимально отклонение Луны от эклиптики при этом будет равно наклонению лунной орбиты, т.е. примерно 5°, а в лунных узлах траектория будет с эклиптикой пересекаться. При этом надо учитывать, что узлы лунной орбиты смещаются навстречу движению Луны, т.е. к западу, примерно на 1,5° за один оборот, и линия движения Луны будет все время деформироваться, завершая полный цикл движения узлов за 18,6 лет (см. выше), но при этом все время оставаясь в «трубке» вокруг эклиптики шириной ±5°. Кроме того, при этом будет меняться амплитуда колебаний траектории относительно экватора от 28,5° до 18,5°, поскольку угол наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики будет суммироваться с углом наклона последней к экватору с разными знаками и коэффициентами.

Для прогнозирования координат Луны на нужную дату требуется еще более сложный и громоздкий расчет, чем для Солнца. Это связано с тем, что на движение Луны оказывает влияние исключительно большое число переменных параметров. Существует несколько математических моделей движения луны по небесной сфере и так же, как для Солнца, издаются ежегодники эфемерид.

Для примера на рис.1.8 показано несколько траекторий движения Луны по небесной сфере, построенных по таблицам эфемерид, взятых на сайте NASA. Обратите внимание - Луна, как и Солнце, движется по карте с запада на восток, т.е. справа налево, в отличие от привычных синусоид на графиках процессов! Кроме того, как и в случае с Солнцем, данные траектории не дают точной информации о том, в какой точке находится Луна в конкретный момент времени. И еще надо иметь в виду, что Солнце проходит свой путь по эклиптике за один оборот Земли, т.е примерно за один календарный год, а Луна проходит каждую свою траекторию вдоль эклиптики всего за один лунный сидерический месяц. Иными словами, все эти картинки - это не реальное совместное движение Солнца и Луны, а лишь звездные маршруты, по которым им предписано двигаться.

Рис.1.8. Траектории движения Луны на карте звездного неба

 

В своем суточном движении Луна отстает от звезд еще больше, чем Солнце - примерно на 13° в сутки, что равно примерно 26 (двадцати шести!) видимым лунным диаметрам. Это заметно на глаз. За сутки Луна также существенно (в максимуме до 5-6°, т.е. до 10-12 диаметров) смещается и относительно небесного экватора. Вследствие этого спиральный характер у лунных траекторий гораздо более заметен, чем у солнечных.

 

Примечание. Все приведенные выше графики движения Солнца и Луны справедливы для наблюдателя, находящегося в точке, совпадающей с центром Земли. Для наблюдателя, находящегося на поверхности земного шара, появляется дополнительная составляющая смещения, обусловленная параллаксом, т.е. изменением положения Солнца и Луны относительно бесконечно удаленной сферы за счет изменения положения наблюдателя. В нашем случае положение наблюдателя изменяется как при изменении широты местности, так и по причине вращения Земли. Вследствие параллакса отклонение видимого положения Луны (от расчитанного для центра Земли) может достигать 2-х градусов, т.е. до 4-х видимых лунных диаметров. Это весьма существенно, особенно применительно к солнечным и лунным затмениям.

 

 

Про солнечные и лунные затмения и их природу должны знать все. Здесь лишь добавим, что солнечное затмение происходит строго в момент новолуния, при этом для полного солнечного затмения Луна должна находиться в плоскости эклиптики, т.е. в одном из своих узлов, причем для конкретной местности еще и с учетом параллакса, о котором мы только что говорили выше, а видимый угловой диаметр Луны должен быть больше или равен угловому диаметру Солнца. Сочетание таких параметров бывает не часто, поэтому полное солнечное затмение для конретной местности - чрезвычайно редкое явление. Частные затмения, когда Луна не закрывает солнечный диск полностью, случаются чаще, но все равно не каждый год.

Лунные затмения, в противоположность солнечным, можно наблюдать только в моменты, близкие к новолунию, но поскольку теневой конус от Земли, в который попадает Луна, имеет в 2,5 раза больший телесный угол, чем видимый угловой диаметр Луны, наблюдать полное затмение можно практически с любой точки ночной стороны Земли и они гораздо более длительные. По этой причине лунные затмения в конкретной местности происходят чаще солнечных. Следует отметить, что во время лунного затмения Луна полностью не исчезает, что объясняется ее подсветкой солнечными лучами, огибающими Землю за счет эффекта преломления в атмосфере.

Лунные и солнечные затмения, безусловно, значимые природные явления, неординарно воспринимаемые даже животными, не говоря уже о людях. Но они случаются крайне редко и говорить о каком-либо систематическом их влиянии на живую и неживую природу не приходится. По этой причине далее мы их рассматривать не будем.

 

Подводя итог, просуммируем:

1. Луна является аномально крупным спутником и может оказывать весьма ощутимое гравитационное влияние.

2. Видимый угловой диаметр Луны незначительно меняется и может совпадать с видимым угловым диаметром Солнца.

3. Луна постоянно обращена к Земле одной стороной.

4. Параметры лунной орбиты циклически изменяются с разными периодами.

5. Траектории движения Луны относительно звезд располагаются вблизи эклиптики и с каждым оборотом видоизменяются, повторяясь через 18,6 лет.

6. В зависимости от выбора параметра для отсчета выделяются несколько типов лунных месяцев:

• сидерический (по прохождению небесного меридиана);
• аномалистический (по прохождению перигея);
• драконический (по прохождению восходящего узла);
• тропический (по прохождению долготы эклиптики);
• синодический (по повторению лунной фазы).

* * * * *

 

 

Опубликовано 05.05.2015. Последнее изменение - нет.

© Janto 2015 Все права защищены