3. Обращение Земли вокруг Солнца и его следствия

1. Обращение Земли вокруг Солнца

Годовое движение Земли вокруг Солнца можно наблюдать по непрерывному изменению положения Солнца на небе:

• изменяется полуденная высота Солнца

• положение мест его восхода и захода.

Видимый годовой путь Солнца– большой круг на небесной сфере –эклиптикапредставляет собой сечение небесной сферы плоскостью земной орбиты. Она наклонена под углом23° 27'кнебесному экватору– линии пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой. Эклиптика пересекает небесный экватор вточках весеннего и осеннего равноденствияв моменты, когда Солнце переходит из одного полушария в другое.

Земля, подобно другим планетам, движется вокруг Солнца. Этот путь Земли называют орбитой (лат. orbita – колея, дорога). Орбита Земли – эллипс, близкий к окружности, в одном из фокусов которого находится Солнце. Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года

от 147 млн. км в перигелии (2 января скорость движения Земли здесь составляет30,3км/с)

до 152 млн. км в афелии (5 июляскорость 29,2 км/с).

Поэтому зимнее полугодиев Северном полушарии длится 178 суток 20 часов, алетнее– 186 дней 20 часов.

Длина орбиты более 930 млн. км.

Земля движется по орбите с запада на восток со средней скоростью около 29,76 км/с и проходит весь путь за 365 суток 6 ч 9 мин 9,6 с. Этот промежуток времени называют звездным (сидерическим) годом. Если взять интервал времени между двумя следующими друг за другом прохождении Земли через точку весеннего равноденствия – то это будеттропический год. Его продолжительность365 суток 48 минут 26 секунд, т.е. он примерно на 20 минут короче звездного. Чтобы это компенсировать, то через каждые 3 годы вводится високосный год с 366 сутками.

Рис. 1. Схема годового движения Земли вокруг Солнца

2. Доказательства орбитального движения Земли

Первые фактические доказательства годового движения Земли были даны только в XIX веке русским астрономом Струве. Доказательства эти не просты и могли быть получены лишь при наличии очень точных астрономических инструментов. Первое доказательство основано на параллактическом смещении звезд в течение года, второе аберрация света.

Рис. 2. Для пассажира направление на телеграфный столб изменяется быстрее, чем на дерево, стоящее вдали

Вы едете в поезде и смотрите в окно... Мелькают столбы, стоящие вдоль рельсов. Медленнее убегают назад постройки, расположенные в нескольких десятках метров от железнодорожного полотна. И уже совсем медленно, нехотя отстают от поезда домики, рощи, которые вы видите вдали, где-то у горизонта... Почему это так происходит? На этот вопрос дает ответ рис. 2. В то время как направление на телеграфный столб при перемещении наблюдателя из первого положения во второе изменяется на большой угол р₁, направление на удаленное дерево изменится на значительно меньший угол р₂. Скорость изменения направления на предмет при движении наблюдателя тем меньше, чем дальше от наблюдателя находится предмет. А из этого следует, что величиной углового смещения предмета, которое называютпараллактическим смещениемили простопараллаксом, можно характеризовать расстояние до предмета, что широко используется в астрономии.

Разумеется, обнаружить параллактическое смещение звезды, двигаясь по земной поверхности, нельзя: звезды слишком далеки, и параллаксы при таких перемещениях находятся далеко за пределами возможности их измерения (тоньше толщины волоса).

Годичный параллаксзвезды – это угол (π), на который изменится направление на звезду, если воображаемый наблюдатель переместится из центра Солнечной системы на земную орбиту (точнее – на среднее расстояние Земли от Солнца) в направлении, перпендикулярном направлению на звезду. Легко понять из рис. 3, что годичный параллакс можно определить и как угол, под которым со звезды видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения.Годичный параллакс– малый угол при небесном светиле в прямоугольном треугольнике, в котором гипотенуза есть расстояние R от Солнца до светила, а малый катет – расстояние от Солнца до Земли.

Рис. 3. Годичный параллакс

С годичным параллаксом связана и основная единица длины, принятая в астрономии для измерения расстояний между звездами и галактиками – парсек.

Аберрация светав астрономии – изменение направления светового луча, идущего от светила, вызванное конечностью скорости света и движением наблюдателя относительно светила.

Эффект состоит в том, что вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света, наблюдатель видит звезду не в том месте, где она находится. Если бы Земля была неподвижна, или если бы свет распространялся мгновенно, то световой аберрации не было бы. Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством телескопа, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько – впрочем очень мало, как сказано ниже – увеличив его в сторону движения Земли.

Поясним это примером: корабль быстро плывёт по направлению с запада на восток; мы стоим на южном берегу реки, стреляем в борт корабля прямо с юга на север и ядро летит с такою силою, что пробивает оба борта. При таких условиях отверстия, пробитые в бортах, не будут находиться одно против другого, потому что, пока ядро летело от одного борта до другого, корабль уже успел переместиться по направлению с запада на восток. Если бы не знали, что корабль находился в движении, то при осмотре пробитых отверстий, конечно, должны были бы сделать предположение, что выстрел был направлен вкось к борту корабля.

Теперь представим вместо корабля быстро движущуюся Землю, а вместо летящего ядра – луч света, идущий от отдалённой звезды: явление произойдёт подобное же. Если звезда приходится прямо на юг, то при нашем движении на восток придётся зрительную трубу отклонить также к востоку, – по тому же направлению, по которому пролетело ядро сквозь борта корабля; если бы движение земного шара происходило на западе, то и наклонение трубы пришлось бы произвести к западу.

Этот аберрационный уголочень мал; наибольшая его величина, – при том условии, когда движение земли перпендикулярно в направлении луча, – составляет всего 20,4 секунды, потому что Земля в 1 секунду времени проходить только 30 км, а луч света – 300 000 км. Отсюда следует, что звезда, находящаяся в полюсе эклиптики и лучи которой постоянно будут перпендикулярны к плоскости земной орбиты, будет в течение всего года казаться отстоящею от истинного своего положения на 20,4 секунды, т. е. нам представляется, что мы в течение года описываем маленький круг, радиус которого 20,4 сек., а диаметр – 40,8 секунды. Этот кажущийся путь для прочих звёзд уже не будет представлять окружности круга, а эллипс, которого большая ось параллельна большой оси эклиптики, малая же ось более или менее наклонена, в зависимости от положения звезды; так, если звезда приходится на самой эклиптике, то её годовое движение, вследствие световой аберрации, представится в виде прямой линии, параллельной эклиптике и по этой прямой звезда идёт то в одну сторону, то в другую.

Пусть осьMS астрономической трубы перпендикулярна к плоскости эклиптики. В трубу падает луч светаS от неподвижной звезды, находящейся в полюсе эклиптики.

Пока свет пробежит расстояние ОМ, труба продвинется параллельно себе на расстояниеMN, и луч света, шедший параллельно оптической оси трубы, будет казаться образующим некоторый угол с осью: звезду мы увидим по направлениюS', т. е. из полюса эклиптики звезда будет смещена по направлению движения Земли на уголα; т.о. в течение года ею будет описан около полюса эклиптики круг с радиусомα.

Аберрация света была открыта в 1727 г.английским астрономомБрадлеем,который, определяя параллаксы некоторых неподвижных звёзд, заметил их перемещение, объяснено это перемещение в рамках старой теории быть не могло. Открытие вместе с тем послужило новым подтверждением движения земли около солнца и справедливости вычисления датского астронома Ремера относительно скорости света. Теорию световой аберрации разрабатывали Бессель и др.

Различие между параллактическим и аберрационным смещением заключается в том, что первое зависит от расстояния до звезды, второе только от скорости движения Земли по орбите. Большие полуоси параллактических эллипсов различны для звезд, находящихся на разных расстояниях от Солнца, не превосходят 0’’,76, тогда как большие полуоси аберрационных эллипсов для всех звезд, независимо от расстояния, одинаковы и равны 20’’,50.

Кроме того, параллактическое смещение звезды происходит в сторону видимого положения Солнца, аберрационное же смещение направлено не к Солнцу, а к точке, лежащей на эклиптике, на 90° западнее Солнца.