Луна, ее движение и фазы. Приливы и отливы

Затмения. Астероиды, кометы и метеорные тела. Велика ли Солнечная система?

Единственным естественным спутником нашей планеты является Луна. Она обегает свою орбиту за 27 сут и 8 ч. В системе отсчета земного наблюдателя Луна, участвуя в суточном вращении неба, перемещается относительно звезд с запада на восток на 13° за сутки.

Вы, конечно, замечали, что вид Луны на небе периодически меняется. В некоторые ночи Луна совсем не видна, но спустя несколько дней она появляется в западной части неба в виде узкого серпа. Ведя далее наблюдения из ночи в ночь, легко заметить, как постепенно “серпик” Луны утолщается и превращается в полудиск. Пройдет еще неделя, и Луна полным диском сияет в течение всей ночи. Затем она снова видна на ущербе, восходя все позднее и позднее. “Серпик” Луны продолжает утоньшаться до полного исчезновения в лучах восходящего Солнца.

Рис. 1.

Вид Луны на небе называют ее фазой. Смена лунных фаз происходит с периодом 29,5 сут. Поскольку Луна светит отраженным светом Солнца, ее фаза зависит от положения, в котором она находится относительно Земли и Солнца в момент наблюдения (рис. 1).

В новолунии Луна находится между Солнцем и Землей и обращена к Земле темной, неосвещенной стороной. Поэтому в этой фазе она на небе не видна. Через неделю направление на Луну образует с направлением на Солнце угол 90°. Такую фазу называют первой четвертью. В первой четверти Луна видна полудиском в первой половине ночи. Еще через неделю она находится в противоположной от Солнца стороне, и наступает полнолуние. Наконец, в последней четверти угол между направлением на Луну и направлением на Солнце опять составляет 90° и земной наблюдатель снова видит только половину освещенного полушария Луны, но уже во второй половине ночи.

Эксцентриситет лунной орбиты составляет 0,055, и поэтому расстояние до Луны меняется в значительных пределах: в апогее — 405 тыс. км, а в перигее — 363 тыс. км. Отсюда большая полуось лунной орбиты равна

405000 км +363000 км

а = ——————————— = 384000 км.

Масса Луны составляет 7,3-10²² кг, что в 81,3 раза меньше массы Земли. Радиус Луны равен 1737 км.

Это в 6 раз меньше ускорения свободного падения на поверхности Земли. В дальнейшем мы увидим, как столь малое значение ускорения свободного падения во многом определяет особенности физических условия на Луне.

Своим гравитационным притяжением Луна сообщает каждой частице Земли ускорение, направленное к центру Луны. Если обозначить d расстояние между центрами Земли и Луны, то, по закону всемирного тяготения, частица, находящаяся на этом расстоянии, получает ускорение

где т — масса Луны.

Рассмотрим ускорение, которое получают частицы земной поверхности А и В, находящиеся на прямой, соединяющей центры Земли и Луны (рис. 2).

Рис. 2.

Частица А, находящаяся на обращенной к Луне стороне Земли, получает большее ускорение

w =G —— , (1)

(d-R)²

где R — радиус Земли. Частица В, находящаяся на противоположной от Луны стороне Земли, получает меньшее ускорение

По отношению к центру Земли ускорения частиц А и В направлены от центра Земли и составляют

w=w_А -W_o =W_В -W_o. (21)

Таким образом, на обращенной к Луне, а также на противоположной стороне Земли возникают приливы. Между приливными горбами происходят отливы (точки С и D).

Приливы и отливы особенно заметны у берегов океанов и открытых морей. Например, на океаническом побережье Норвегии можно наблюдать, как уровень воды во время прилива поднимается на полтора десятка метров, а в отдельных случаях — на 17 м! Наибольшей высоты приливная волна достигает во время полнолуний и новолуний, когда к приливному действию Луны прибавляется приливное действие Солнца.

Поскольку обращение Луны вокруг Земли совпадает по направлению с вращением Земли, промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями Луны составляет 24 ч и 52 мин. Поэтому приливы повторяются через 12 ч 26 мин.

Приливные явления происходят также и в твердой оболочке Земли, вызывая в ней приливное трение. Работа сил приливного трения совершается за счет кинетической энергии вращения Земли. Поэтому сутки на Земле постепенно удлиняются. Еще более сильное воздействие гравитационного поля Земли на приливные явления во внешней оболочке Луны привело к тому, что период вращения Луны вокруг оси в конце концов стал равным периоду ее обращения вокруг Земли.

Рис. 3.

По этой причине в настоящее время Луна обращена к Земле одной и той же стороной.

Лунный путь на небесной сфере не совпадает с эклиптикой, а пересекает ее под углом 5° в точках, которые называются узлами. Если во время новолуния Луна окажется в узле или очень близко от него, то происходит затмение Солнца.

Луна отбрасывает в пространство сходящийся конус тени и окружающий его расходящийся конус полутени (рис. 3). В местах, находящихся в области лунной тени, наблюдается полная фаза солнечного затмения, а в области полутени — частная фаза. Благодаря вращению Земли лунная тень перемещается по земной поверхности, образуя полосу затмения. Ширина полной фазы не превышает 270 км, но чаще всего она близка к 100 км. Поэтому полная фаза солнечного затмения обычно продолжается лишь 2-3 мин.

Если Луна проходит узел в полнолуние, то она погружается в тень Земли и происходит лунное затмение.

Кроме планет и их спутников в состав Солнечной системы входят кометы, астероиды и метеорные тела. Из них только некоторые кометы можно наблюдать невооруженным глазом. От остальных светил кометы отличаются необычным видом на небе.

Между орбитами Марса и Юпитера вокруг Солнца обращаются малые планеты — астероиды. Первый астероид был открыт в 1801 г., а к настоящему времени их зарегистрировано уже более двух с половиной тысяч. Самые крупные из них — Церера, Паллада и Веста — имеют размеры 1000, 600 и 500 км соответственно. Остальные значительно меньше. Астероиды представляют собой тела неправильной формы, состоящие из силикатов с примесью железа и других металлов.

Наконец, в Солнечной системе по самым разнообразным орбитам обращается огромное множество метеорных тел. Из-за очень малых размеров они недоступны даже телескопическим наблюдениям. Когда метеорное тело встречается с Землей, оно частично или полностью сгорает в атмосфере. При этом совсем мелкие метеорные тела массой в несколько граммов вызывают явление метеора — кратковременной вспышки, которую в старину принимали за “падающую звезду”. Прохождение через атмосферу более крупных тел сопровождается явлением болида — пылающего шара, за которым тянется дымный след.

Остатки метеорных тел, достигающие поверхности Земли, называют метеоритами. Наиболее крупные метеориты могут достичь земной поверхности, сохранив значительную скорость. В этом случае при ударе о твердую поверхность Земли в ее грунте образуется воронка — метеоритный кратер. Огромный метеоритный кратер находится в США, в штате Аризона. Его диаметр 1200 м, а глубина достигает 200 м. По оценкам ученых, возраст Аризонского кратера составляет 5000 лет.

Метеоритными кратерами покрыта значительная часть поверхности Луны. Множество подобных кратеров обнаружено на Меркурии, Марсе и многих спутниках планет.

Велика ли Солнечная система? Сам по себе такой вопрос не имеет смысла. Действительно, как, например, ответить на вопрос:

велико ли яблоко? Для того чтобы судить, велико или мало какое-либо тело, необходимо иметь в виду критерий сравнения, тело сравнения. Яблоко велико по сравнению с просяным зернышком, но мало по сравнению с тыквой или арбузом.

Сравним размеры нашей планеты с размерами Солнечной системы путем следующих рассуждений. Пусть в некотором пункте на Дальнем Востоке в 10 000 км от Москвы находится радиостанция. Сколько требуется времени, чтобы посланный ею сигнал был принят в столице нашей Родины? Скорость радиоволн 300 000 км/с. Следовательно, этот сигнал будет принят через 0,08 с после его посылки, т. е. практически мгновенно. Сигнал, посланный автоматической станцией с Луны, будет принят на Земле через 1,25 с;

посланный с Марса, когда планета находится на ближайшем от Земли расстоянии 57 млн. км,—через 3,2 мин, а с орбиты самой далекой планеты Плутон сигнал придет через 5,5 ч.

Сколько же времени будет идти радиосигнал от самой близкой к нам звезды ? Центавра? Очевидно, прежде всего надо определить расстояние до этой звезды. Но как?

Наблюдения выбранной звезды ведут с интервалом в полгода. За это время Земля переносит наблюдателя на 300 млн. км. Только тогда в поле зрения телескопа можно обнаружить параллактическое смешение звезды, которое тем не менее оказывается весьма малым, порядка нескольких сотых (редко десятых) долей угловой секунды.

На основании точных измерений параллактического смещения годичный параллакс - в парсеках, определяют угол Р, называемый годичным параллаксом, под которым со звезды в перпендикулярном направлении видна большая полуось земной орбиты (рис. 4).

Рис. 4.

Поскольку sin равен 1/206265, формулу (1) можно переписать в более удобном для вычисления виде:

где а = 1 а. е.

Расстояния до звезд выражать в километрах неудобно, так как получаются очень большие числа. Обычно эти расстояния выражают в парсеках (пс) или в световых годах (св. г.). Термин “парсек” образован от двух слов: параллакс и секунда. Парсеком называют расстояние, с которого большая полуось земной орбиты видна в перпендикулярном направлении под углом в одну секунду.

Следовательно, 1 пс= 206265 а. е. Если выражать в секундах, а расстояние до звезд получаем

Выражая парсек в километрах, получаем

1 пс= 149 600 000 км/а. е.. 206 265 а. е. = 3,1^.10¹³ км.

Световым годом называют расстояние, которое свет, распространяясь в пустоте, проходит за один год.

Так как скорость света, как и скорость радиоволн, составляет 300 000 км/с, то

1 св. г. = 300 000 км/с • 86 400 с/сут. 365,25 сут= 9,5.10¹² км.

От звезды альфа Центавра нас отделяет 4,35 св. г. Это означает, что радиосигнал придет оттуда только через 4 года и 4 месяца после его посылки.

Принимая поперечник Солнечной системы равным 12 млрд. км, нетрудно подсчитать, что он составляет всего 0,0003 того расстояния, которое отделяет нас от ближайшей звезды. Отсюда следует заключить, что размеры Солнечной системы по сравнению с расстояниями до звезд оказываются совершенно ничтожными.

Когда были измерены первые расстояния до звезд, стало ясно:

звезды — это огромные по мощности источники света, подобные нашему дневному светилу.

Ведь если бы Солнце находилось от нас так же далеко, оно сияло бы на небе, как обычная звезда.

Достигнув границ Солнечной системы, человек только выйдет на порог Большой Вселенной, с которого открывается поражающий своей грандиозностью мир бесчисленных звезд.

Основные понятия и выводы

1. Девять планет — Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон — обращаются по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Радиус-вектор каждой планеты за равные промежутки времени описывает равновеликие площади. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся между собой как кубы больших полуосей их орбит.

2. Среднее расстояние Земли от Солнца составляет 149,6 млн. км, его называют астрономической единицей (а. е.).

3. Динамическую устойчивость планетной системы объяснил И. Ньютон, открывший закон всемирного тяготения. Этот закон гласит: все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

4. Действующая на Земле сила тяжести тождественна силе тяготения, действующей между небесными телами.

6. Раздел физики, изучающий движение небесных тел с учетом создаваемых ими полей тяготения, называют небесной механикой. Небесная механика позволяет определять массы небесных тел и с исчерпывающей полнотой объяснять устойчивость Солнечной системы, под которой понимают Солнце и все его спутники. :

7. Скорость искусственного спутника Земли, который обращается вблизи .земной поверхности по круговой орбите, называют первой космической. Эта скорость вычисляется по формуле

и составляет 8 км/с.

Если скорость тела v > 11,2 км/с, то такое тело удаляется от Земли по параболической или гиперболической траектории и становится либо спутником Солнца, либо совсем покидает Солнечную систему.

8. Единственным естественным спутником нашей планеты является Луна. Она обращается вокруг Земли с периодом 27,3 сут на среднем расстоянии 384 тыс. км. Период обращения Луны вокруг Земли равен периоду ее вращения вокруг оси, поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Своим притяжением Луна вызывает на Земле приливы и отливы.

9. Вид Луны на небе, ее фаза зависят от положения Луны относительно Земли и Солнца в момент наблюдения.

Различают четыре основные фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. В момент некоторых новолуний, когда Луна находится в точке пересечения своей орбиты с орбитой Земли или очень близко от нее, происходит затмение Солнца, а в полнолунии при тех же условиях — затмение Луны.

10. В состав Солнечной системы кроме планет и их спутников входят астероиды, кометы и метеорные тела. Остатки метеорных тел, достигающие земной поверхности, называют метеоритами.

11. Расстояния до ближайших звезд определяют путем измерения их годичных параллаксов. Эти расстояния в сотни тысяч раз превосходят расстояния в Солнечной системе.

Задачи