§ 15. Эклиптика. Эклиптическая система координат
Измерениями зенитного расстояния или высоты Солнца в полдень (т.е. в момент его верхней кульминации) на одной и той же географической широте было установлено, что склонение Солнца в течение года изменяется в пределах от +23° 27' до -23°27', два раза в году переходя через нуль. Из наблюдений за изменением вида ночного неба следует, что и прямое восхождение Солнца на протяжении года также постепенно изменяется от 0° до 360°, или от 0h до 24h. Действительно, в полночь в верхней кульминации находятся те звезды, прямые восхождения которых отличаются от прямого восхождения Солнца на 180° или на 12h. Наблюдения же показывают, что с каждым днем в полночь кульминируют звезды все с большим и большим прямым восхождением, следовательно, и прямое восхождение Солнца с каждым днем увеличивается. Рассматривая непрерывное изменение обеих координат Солнца, нетрудно установить, что оно перемещается среди звезд с запада к востоку по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой. Плоскость эклиптики E’' ^ E d (рис. 11) наклонена к плоскости небесного экватора под углом e = 23° 27'. Диаметр ПП', перпендикулярный к плоскости эклиптики, называется осью эклиптики и пересекается с поверхностью небесной сферы в северном полюсе эклиптики П (лежащем в северном полушарии) и в южном полюсе эклиптики П' (в южном полушарии).
Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках: в точке весеннего равноденствия ^ и в точке осеннего равноденствия d. В точке весеннего равноденствия ^ Солнце пересекает небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. В точке осеннего равноденствия d Солнце переходит из северного полушария в южное. Точки эклиптики, отстоящие от равноденственных на 90°, называются точкой летнего солнцестояния (в северном полушарии) и точкой зимнего солнцестояния (в южном полушарии). Большой полукруг небесной сферы ПМП', проходящий через полюсы эклиптики и через светило М, называется кругом широты светила. Эклиптика и точка весеннего равноденствия лежат в основе эклиптической системы небесных координат. Одной координатой в этой системе является эклиптическая широта b светила М, которой называется дуга тМ круга широты (см. рис. 11) от эклиптики до светила, или центральный угол тОМ между плоскостью эклиптики и направлением на светило М. Эклиптические широты отсчитываются в пределах от 0° до + 90° к северному полюсу эклиптики (П) и от 0° до - 90° к ее южному полюсу (П'). Светила, находящиеся на одном малом круге, плоскость которого параллельна плоскости эклиптики, имеют одинаковые эклиптические широты. Эклиптическая широта определяет положение светила на круге широты. Положение же самого круга широты на небесной сфере определяется другой координатой эклиптической долготой l. Эклиптической долготой l светила М называется дуга ^m эклиптики от точки весеннего равноденствия ^ до круга широты, проходящего через светило, или центральный угол ^От (в плоскости эклиптики) между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга широты, проходящего через светило. Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годичного движения Солнца по эклиптике, т.е. с запада к востоку в пределах от 0° до 360°. Светила, находящиеся на одном круге широты, имеют одинаковые эклиптические долготы. Эклиптическая система координат применяется преимущественно в теоретической астрономии при определении орбит небесных тел.
§ 16. Изменение экваториальных координат Солнца
Изменение экваториальных координат Солнца при его движении по эклиптике происходит следующим образом. Когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия ^ (см. § 15), его прямое восхождение и склонение равны нулю. Затем с каждым днем прямое восхождение и склонение Солнца увеличиваются, и когда Солнце придет в точку летнего солнцестояния, его прямое восхождение станет равным 90° или бh, а склонение достигает максимального значения + 23° 27'. После этого склонение Солнца начинает уменьшаться, а прямое восхождение по-прежнему растет. Когда Солнце придет в точку осеннего равноденствия, его прямое восхождение a = 180° или 12h, а склонение d = 0°. Далее, прямое восхождение Солнца, продолжая увеличиваться, в точке зимнего солнцестояния становится равным 270° или 18h, а склонение достигает своего минимального значения - 23° 27'. После этого склонение Солнца начинает расти, и когда Солнце придет в точку весеннего равноденствия, его склонение снова становится равным нулю, а прямое восхождение, достигнув значения 360° или 24h, обращается в нуль. Эти изменения экваториальных координат Солнца в течение года происходят неравномерно. Склонение изменяется быстрее всего при движении Солнца вблизи равноденственных точек и медленнее всего - вблизи точек солнцестояний. Прямое восхождение, наоборот, медленнее меняется вблизи равноденственных точек и быстрее - вблизи точек солнцестояний. При этом скорость изменения прямого восхождения Солнца вблизи точки летнего солнцестояния меньше, чем вблизи точки зимнего солнцестояния. Видимое движение Солнца по эклиптике есть следствие действительного движения Земли - обращения ее вокруг Солнца. Движение Земли вокруг Солнца происходит в том же направлении, что и вращение Земли вокруг оси, и неравномерно (см. § 40). При этом ось вращения Земли всегда наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 66° 33'. Поэтому нам и кажется, что Солнце так же неравномерно перемещается по небесному своду среди звезд, так же с запада на восток, но по окружности (эклиптике), плоскость которой наклонена к плоскости небесного (и земного) экватора под углом 23° 27' = 90° - 66°33'. Когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия (d = 0), то оно на всех географических широтах земной поверхности восходит в точке востока Е и заходит в точке запада W (см. § 13). Половина его суточного пути находится над горизонтом, половина под горизонтом. Следовательно, на всем земном шаре, кроме полюсов, в этот день продолжительность дня равна продолжительности ночи. Этот день называется днем весеннего равноденствия (около 21 марта) и считается началом весны в северном полушарии Земли. (В южном полушарии этот момент соответствует началу осени.) Полуденная высота Солнца в день весеннего равноденствия на данной северной широте j согласно формуле (1.7) h¤ = 90° - j. Когда Солнце находится в точке летнего солнцестояния (d = +23° 27'), то оно восходит на данной северной широте j на северо-востоке, а заходит на северо-западе. Большая часть его суточного пути находится над горизонтом. Продолжительность дня в северном полушарии Земли максимальная, ночи минимальная, в южном - наоборот. Этот день называется днем летнего солнцестояния (около 22 июня) и считается началом лета в северном полушарии Земли (в южном этот момент соответствует началу зимы). В день летнего солнцестояния полуденная высота Солнца на данной северной широте j достигает максимального значения hmax = 90° - j + 23° 27’ Когда Солнце находится в точке осеннего равноденствия (d = 0), то оно снова на всей Земле восходит в точке востока и заходит в точке запада, и снова на всех широтах, кроме полюсов, продолжительность дня равна продолжительности ночи. Этот день называется днем осеннего равноденствия (около 23 сентября) и считается началом осени в северном полушарии Земли (началом весны - в южном полушарии). Высота Солнца в полдень на данной широте j в день осеннего равноденствия снова равна 90° - j. Наконец, когда Солнце находится в точке зимнего солнцестояния (d = - 23° 27’), то оно восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Большая часть его суточного пути находится под горизонтом. На данной северной географической широте j продолжительность дня минимальна, ночи - максимальна (в южных широтах, наоборот, продолжительность дня максимальна, ночи - минимальна). Этот день называется днем зимнего солнцестояния (около 22 декабря) и считается началом зимы в северном полушарии Земли (началом лета - в южном полушарии). Высота Солнца в день зимнего солнцестояния на данной северной широте j достигает минимального значения hmin = 90° - j - 23° 27’ В остальные дни года высота Солнца в полдень лежит между значениями hmax и hmin.
§ 17. Суточное движение Солнца на разных широта
а) Для наблюдателя на северном полюсе Земли (j = + 90°) незаходящими светилами являются те, у которых d ³ 0, а невосходящими те, у которых d < 0 (см. § 13, рис. 10). Положительное склонение у Солнца бывает с 21 марта по 23 сентября, а отрицательное - с 23 сентября по 21 марта. Следовательно, на северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода - невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце .достигает максимальной высоты hmах = + 23° 27'. После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту hmin = - 23° 27', а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = - 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном - день, и наоборот. б) Для наблюдателя на северном полярном круге (j = + 66° 33') незаходящими являются светила с d ³ + 23° 27', а невосходящими - с d < - 23° 27'. Следовательно, на северном полярном круге Солнце не заходит в день летнего солнцестояния (в полночь центр Солнца только касается горизонта в точке севера N) и не восходит в день зимнего солнцестояния (в полдень центр солнечного диска только коснется горизонта в точке юга S, а затем снова опустится под горизонт). В остальные дни года Солнце на этой широте восходит и заходит. При этом максимальной высоты в полдень оно достигает в день летнего солнцестояния (hmax = + 46° 54’), а в день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна (hmin = 0°). На южном полярном круге (j = - 66° 33') Солнце не заходит в день зимнего солнцестояния и не восходит в день летнего солнцестояния. Северный и южный полярные круги являются теоретическими границами тех географических широт, где возможны полярные дни и ночи (дни и ночи, длящиеся больше 24 часов). В местах, лежащих за полярными кругами, Солнце бывает незаходящим или невосходящим светилом тем дольше, чем ближе место к географическим полюсам. По мере приближения к полюсам продолжительность полярных дня и ночи увеличивается. в) Для наблюдателя на северном тропике (j = + 23° 27') Солнце всегда является восходящим и заходящим светилом. В день летнего солнцестояния оно в полдень достигает максимальной высоты hmax = + 90°, т.е. проходит через зенит. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует к югу от зенита. В день зимнего солнцестояния его минимальная полуденная высота hmin = + 43° 06'. На южном тропике (j = - 23° 27’) Солнце также всегда восходит и заходит. Но на максимальной полуденной высоте над горизонтом (+ 90°) оно бывает в день зимнего солнцестояния, а на минимальной (+ 43° 06') - в день летнего солнцестояния. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует здесь к северу от зенита. В местах, лежащих между тропиками и полярными кругами, Солнце восходит и заходит каждый день года. Полгода здесь продолжительность дня больше продолжительности ночи, а полгода - ночь продолжительнее дня. Полуденная высота Солнца здесь всегда меньше 90° (кроме тропиков) и больше 0° (кроме полярных кругов). В местах, лежащих между тропиками, Солнце бывает в зените два раза в году, в те дни, когда его склонение равно географической широте места. г) Для наблюдателя на экваторе Земли (j = 0) все светила, в том числе и Солнце, являются восходящими и заходящими. При этом 12 часов они находятся над горизонтом, a 12 часов - под горизонтом. Следовательно, на экваторе продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи. Два раза в году Солнце в полдень проходит в зените (21 марта и 23 сентября). С 21 марта по 23 сентября Солнце на экваторе кульминирует в полдень к северу от зенита, а с 23 сентября по 21 марта - к югу от зенита. Минимальная полуденная высота Солнца здесь будет равна hmin = 90° - 23° 27' = 66° 33' (22 июня и 22 декабря). На основании предыдущего можно сформулировать следующие астрономические признаки тепловых поясов: 1. В холодных поясах (от j = ± 66° 33' до j = ± 90°) Солнце может быть незаходящим и невосходящим светилом. Полярный день и полярная ночь могут длиться от 24 часов до полугода. 2. В умеренных поясах (от j = ± 23° 27’ до j = ± 66° 33’) Солнце каждый день восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Полярных дней и ночей здесь никогда не бывает. Продолжительность дня и ночи короче 24 часов. Летом день длиннее ночи, а зимой - наоборот. 3. В жарком поясе (от j = + 23° 27' до j = - 23° 27') Солнце также всегда восходящее и заходящее светило и два раза и голу (на тропиках один раз) в полдень бывает в зените (и разных местах - в разные дни года, а на экваторе - в день весеннего и в день осеннего равноденствий). [См. также § 33.]
