Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 30. Видимі рухи світил, визначення часу, календарі

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити причини видимих рухів світил по небесній сфері; визначати тривалість доби та календарного року за астрономічними спостереженнями й розрізняти місцевий, поясний і всесвітній час, а також типи календарів.

ВИДИМІ РУХИ НЕБЕСНИХ СВІТИЛ. Залежно від кутових відстаней світил від полюсів світу в певній точці земної кулі вони можуть сходити й заходити, або ніколи не заходити, або ніколи не сходити.

Для спостерігача на Північному полюсі Землі всі зорі Північної небесної півкулі не заходять, а зорі Південної небесної півкулі не сходять і навпаки. Для спостерігача на екваторі всі зорі обох небесних півкуль сходять і заходять.

Важливий момент видимого добового руху Сонця по небесній сфері людина зафіксувала ще здавна — найвище положення світила над горизонтом, коли центр сонячного диска перебуває у верхній кульмінації. У цей момент настає астрономічний полудень. У момент нижньої кульмінації центра сонячного диска, що відбувається під горизонтом, настає астрономічна північ.

Здавна було зафіксовано явище зміни вигляду зоряного неба впродовж року, що свідчить про рух Сонця серед зір. За 365,24 доби (рік) Сонце описує серед зір на небі повне коло.

Велике коло, по якому центр диска Сонця здійснює свій видимий річний рух на небесній сфері, називають екліптикою.

Екліптика проходить через 13 сузір'їв, яким у давнину надали назви переважно тварин. Тому і весь пояс сузір'їв уздовж екліптики назвали Зодіаком (від грец. зоо — тварина). Для зручності відліку положення Сонця, Місяця і планет на екліптиці астрономи Стародавнього Вавилону поділили екліптику на 12 рівних відрізків по 30°. Кожний із цих відрізків називають знаком Зодіаку і позначають назвою того зодіакального сузір'я, в межах якого він на той час перебував. До Зодіаку не потрапило лише сузір'я Змієносця.

Отже, знак Зодіаку — це дуга екліптики протяжністю в 30°, позначена назвою відповідного зодіакального сузір'я.

Знаки Зодіаку відлічують уздовж екліптики на схід від точки весняного рівнодення так, що першим є знак Овна. У кожному знаку Зодіаку Сонце перебуває місяць. Та через різні причини точка весняного рівнодення зміщується по небесній сфері назустріч річному руху Сонця. Тому відбувається зміщення зодіакальних сузір'їв відносно знаків Зодіаку, і тепер, наприклад, знак Зодіаку Скорпіон міститься в сузір'ї Терези.

Понад 4000 років тому зародилася астрологія — необґрунтоване з погляду сучасної науки намагання за положенням планет і Сонця в тому чи іншому знаку Зодіаку передбачити перебіг подій у житті людини чи суспільства. Від часу зародження й дотепер астрологія — псевдонаука, оскільки спирається на бездоказові факти й не застосовує наукових методів пізнання природи і людини.

Місяць, як і Сонце, рухається проти обертання небесної сфери по великому колу, але швидше за нього. Проміжок часу в 27,3 доби, за який Місяць описує повне коло серед зір і повертається в ту саму точку небесної сфери, називають сидеричним місяцем.

Описуючи на небесній сфері коло, Місяць змінює видиму форму — фази. Це є наслідком просторової зміни положення Місяця відносно Землі і Сонця. Проміжок часу, впродовж якого Місяць змінює всі фази, називають синодичним місяцем. Він триває близько 29,53 доби.

Рухаючись по орбіті, Місяць опиняється між Землею і Сонцем, а тому може закрити собою Сонце, спричинивши сонячне затемнення. А коли Земля опиняється між Місяцем і Сонцем, Місяць може потрапити в тінь Землі, наслідком чого є місячне затемнення.

Орбіта Місяця нахилена до екліптики на кут майже 6°, тому затемнення можливе тільки тоді, коли Місяць перебуває в точці перетину своєї орбіти з орбітою Землі або близько до неї. Таких точок є дві, їх називають вузлами місячної орбіти.

На Землі сонячне затемнення спостерігають, коли тінь від Місяця потрапляє на її поверхню. Диск Сонця повністю закритий для спостерігача, що перебуває всередині місячної тіні. Там, куди падає півтінь від Місяця, спостерігають часткове сонячне затемнення.

У різних точках нашої планети сонячне затемнення настає в різний час, оскільки тінь від Місяця зміщується по земній поверхні приблизно із заходу на схід, утворюючи смугу в кілька тисяч кілометрів завдовжки й до 270 км завширшки. Повна фаза затемнення, коли все Сонце закрите диском Місяця, триває на Землі не більше 7,5 хв.

Щороку на земній кулі може відбутися від двох (обидва сонячні) до семи затемнень (п'ять сонячних і два місячних або чотири сонячних і три місячних). У конкретній місцевості повне сонячне затемнення в середньому трапляється один раз на 300 років.

Видимі рухи планет складніші за рухи Сонця та Місяця. Меркурій і Венеру можна спостерігати тільки вранці перед сходом Сонця у східній ділянці неба або увечері — в західній. Їх називають нижніми планетами. Як і Місяць, вони змінюють свої фази. Верхні планети — Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — найкраще спостерігати під час найбільшого кутового віддалення від Сонця, коли вони всю ніч перебувають над обрієм. На небесній сфері ці планети рухаються чи то проти добового обертання, чи то за ним, описуючи на небі петлі. Рух проти добового обертання називають прямим, рух у напрямку добового обертання — зворотним. Змінюючи прямий рух на зворотний і навпаки, планета наче зупиняється — таке її положення називають стоянням.

Рис. 30.1. Схема орбіт Землі та Місяця. Затемнення Сонця (а), затемнення Місяця (б), варіанти (в) і (г) — затемнення неможливі.

ЗАКОНИ КЕПЛЕРА. На підставі результатів спостережень планети Марс, які впродовж багатьох років виконував відомий данський астроном Тіхо Браге, Йоганн Кеплер встановив три закони руху планет.

Перший закон Кеплера. Кожна з планет рухається навколо Сонця по еліпсу, в одному з фокусів якого міститься Сонце.

Еліпс — це замкнена крива, сума відстаней до кожної точки якої від фокусів F1 і F2 дорівнює його великій осі, тобто 2а, де a — велика піввісь еліпса.

Якщо Сонце перебуває у фокусі F1, а планета у точці P, то відрізок прямої F1P називають радіус-вектором планети.

Найближчу до Сонця точку планетної орбіти П називають перигелієм, найдальшу точку орбіти А — афелієм.

Другий закон Кеплера. Радіус-вектор планети за однакові інтервали часу описує рівновеликі площі.

З цього закону випливає важливий висновок: оскільки площі, показані на рис. 30.2, рівні, то по дузі P1P2 планета рухається з більшою швидкістю, ніж по дузі P3P4, тобто швидкість планети найбільша в перигелії П і найменша в афелії А.

Рис. 30.2. Еліпс — форма орбіти планети в Сонячній системі

Третій закон Кеплера. Квадрати сидеричних періодів обертання планет відносяться як куби великих півосей їхніх орбіт.

Якщо сидеричні періоди обертання двох планет позначити Т1 і Т2, а великі півосі еліпсів — відповідно a1 і a2, то третій закон Кеплера має вигляд:

Закони Кеплера справедливі не тільки для планет, а й для їхніх супутників, як природних, так і штучних.

На підставі закону всесвітнього тяжіння Ньютон узагальнив третій закон Кеплера. Він встановив, що точний вираз для нього такий:

де М — маса Сонця, а m1 та m2 маси планет.

Уточнений третій закон Кеплера дає змогу визначати маси небесних тіл, що мають природні чи штучні супутники.

ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСУ З АСТРОНОМІЧНИХ СПОСТЕРЕЖЕНЬ. Періодичне обертання небесної сфери дало людям природну одиницю лічби часу — добу. Залежно від того, що взято за точку відліку на небі, вирізняють зоряну і сонячну добу. Зоряна доба — це проміжок часу між двома однойменними кульмінаціями точки весняного рівнодення. Її тривалість, виміряна в одиницях сонячної доби, становить 23 год 56 хв 4 с. Під час астрономічних спостережень використовують зоряний час s — годинний кут точки весняного рівнодення: s = t.

Проміжок часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями центра диска Сонця на одному й тому самому географічному меридіані називають справжньою сонячною добою. Її початок на певному меридіані відлічують від моменту нижньої кульмінації Сонця. Через низку причин тривалість справжньої сонячної доби не є сталою величиною, і користуватися справжнім сонячним часом Т незручно. Тому було введено поняття середнього сонця. Середнє сонце — це фіктивна точка, що рівномірно рухається вздовж небесного екватора, і за той самий проміжок часу (рік), що й Сонце, повертається до точки весняного рівнодення ♈. Час, визначений за середнім сонцем і за яким ми живемо, називають середнім сонячним часом.

Середня сонячна доба — це проміжок часу між двома послідовними нижніми кульмінаціями середнього сонця.

Середнє сонце спостерігати прямо на небі не можна. Тому було введене поняття рівняння часу. Рівняння часу — це різниця між середнім сонячним часом Тλ на певний момент і справжнім сонячним часом Т на той самий момент: η = Тλ - Т. Упродовж року величина η змінюється від -16 хв до +14 хв, а її значення наводять в астрономічних щорічниках.

Середній сонячний час, виміряний на певному географічному меридіані, називають місцевим часом (позначають Тλ). У 1884 р. земну кулю було умовно поділено меридіанами на 24 часових пояси з нумерацією від 0-го до 23-го так, що ширина поясу за довготою дорівнює 15°. Через середину кожного часового поясу проходить центральний меридіан цього поясу.

Місцевий час центрального меридіана поясу Tn називають поясним часом. Гринвіцький меридіан, що проходить через Гринвіч (Лондон), є центральним для нульового годинного поясу. Місцевий середній час Гринвіцького меридіана T0 називають всесвітнім часом і позначають UT (від англ. Universal Time).

Для лічби більших проміжків часу використовують ще один природний періодичний процес — обертання Землі навколо Сонця. Проміжок часу між двома послідовними проходженнями центра Сонця через точку весняного рівнодення називають тропічним роком. Його тривалість — 365d5h48m46s.

КАЛЕНДАР. Систему лічби великих проміжків часу з поділом на окремі періоди (роки, місяці, дні) називають календарем. Усі календарі поділяють на три головні типи: сонячні, місячні й місячно-сонячні. В основі сонячного календаря перебуває тривалість тропічного року, в основі місячного — тривалість місячного місяця, а місячно-сонячний календар поєднує й те, й інше.

Сучасний календар у більшості країн світу є сонячним. Але в тропічному році не вміщається ціле число діб. Тому ще в Стародавньому Римі в 46 р. до н. е. запровадили юліанський календар — три роки в ньому мають по 365 діб, а кожний четвертий — високосний — 366 діб. Неточність року в цьому календарі становить 11 хв 14 с — настільки він довший за тропічний рік. З них за 400 років набігає майже 3 доби, і календар починає відставати від подій у природі.

Тому в 1582 р. з ініціативи Папи Римського Григорія XIII було здійснено реформу юліанського календаря. Для зменшення похибки роки, що завершують століття й не діляться на 400, стали простими, а не високосними. Новий календар назвали григоріанським. В Україні його запровадили з 1918 р. (після 1 лютого настало 14 лютого).

Різниця між тропічним і григоріанським роками становить 26 секунд, тому похибка в одну добу накопичується в ньому приблизно за 3300 років.

Календар 3-го тисячоліття: яким йому бути?

! Головне в цьому параграфі

Кожне світило двічі на добу перетинає небесний меридіан і в певній точці земної кулі може сходити й заходити, або ніколи не заходити, або ніколи не сходити. Періодичне обертання небесної сфери дає змогу запровадити одиницю лічби часу — добу, а обертання Землі навколо Сонця — тропічний рік. Календарем називають систему лічби значних проміжків часу з поділом на окремі періоди (роки, місяці, дні). Їх можна поділити на три головні типи: сонячні, місячні й місячно-сонячні. Закони Кеплера — три закони руху планет, що справедливі також для їхніх супутників.

? Запитання для самоперевірки

  • 1. В якому місці на Землі можна бачити схід і захід усіх небесних світил? Поясніть свою відповідь.
  • 2. Поясніть малюнком, чому Місяць у фазі 1-ї чверті видно увечері.
  • 3. Якщо тінь від Місяця на поверхні Землі під час повного сонячного затемнення має форму круга, то діаметр такого круга більший чи менший за діаметр Місяця? Поясніть свою відповідь.
  • 4. Намалюйте дві орбіти, на одній з яких тіло має більший період обертання навколо Сонця, але може ближче підходити до нього, ніж на іншій.
  • 5. Вважаючи орбіту Землі круговою, визначте середню швидкість Землі по орбіті (в км/с).