Глава I. Движение Земли вокруг Солнца

Земля, Солнце и их размеры

Движение тел зависит от их формы и размеров. Поэтому, прежде чем говорить о движении Земли вокруг Солнца, нужно сказать несколько слов об их форме и размерах.

Действительную поверхность Земли, непосредственно представляющуюся нашему взору, образуют поверхности океанов, морей, материков с их возвышенностями и впадинами. Эта физическая поверхность Земли во всем своем многообразии настолько сложна, что описать ее даже с помощью математических формул не представляется возможным. Поэтому, говоря о форме Земли, рассматривают некоторую более простую поверхность, которая в той или иной мере близка к действительной поверхности Земли и отражает ее основные черты.

В первом приближении Землю можно считать шаром. Ближе к истинной форме Земли будет эллипсоид вращения, полученный вращением эллипса около его малой оси. Величина отклонения фигуры эллипсоида вращения от шара характеризуется сжатием - отношением разности наибольшей и наименьшей осей эллипсоида к его наибольшей оси. Если обозначить через а и Ь наибольшую и наименьшую полуоси эллипсоида, то сжатие f выразится формулой

в которой а = 6 378 160 м, b = 6 356 775 м и f = 1/298,25.

Еще более соответствует форме Земли трехосный эллипсоид, характеризующийся тремя полуосями - а, b и с. Достоверными их значениями считаются величины, полученные советскими геодезистами под руководством профессора Ф. Н. Красовского: а - 6 378 245 м, b = 6 356 863 м и f = 1/298,3. Наибольший и наименьший радиусы экватора, т. е. a_mах и a_min, отличаются один от другого на величину, не превосходящую 200 м, поэтому сжатие экватора

- величина, очень малая по сравнению с полярным сжатием Земли. Вследствие этого Землю обычно считают сфероидом, т. е. фигурой вращения. Вокруг Земли, на среднем расстоянии 384 400 км от нее, движется темный спутник - Луна, поперечник которой примерно в 3,1 раза меньше поперечника Земли. В период одного оборота Земли вокруг Солнца Луна сделает около 13,5 оборота, двигаясь почти в плоскости орбиты движения Земли вокруг Солнца. Таким образом, Луна бывает то впереди Земли (последняя четверть), то позади нее (первая четверть), между Землей и Солнцем (новолуние) и дальше от Земли (полнолуние). Поэтому силы притяжения на Землю со стороны Луны и Солнца непрерывно изменяются и движение последней очень усложняется.

Солнце - центральное тело нашей солнечной системы. Оно представляет собой раскаленный самосветящийся шар, температура поверхности которого 6000°, а внутри него - во много раз больше. При такой температуре вещества, образующие Солнце, могут находиться только в газообразном состоянии. Поэтому, когда говорят о размерах Солнца как шара, имеют в виду размеры между резко очерченными краями, видимыми невооруженным глазом или в трубу с небольшим увеличением.

Диаметр Солнца 1390 600 км, что составляет 109,1 диаметра Земли. Объем его равен 1301200 объемам Земли, а масса в 333 434 раза больше массы Земли. Так как отношение объемов Солнца и Земли значительно больше отношения их масс, средняя плотность Солнца - всего лишь 0,256 плотности Земли. Солнце вращается относительно одного из своих диаметров, но не как твердое тело, у которого все точки имеют одну и ту же угловую скорость, а с различными скоростями. Так, точки поверхности экваториальной зоны Солнца делают один оборот относительно звезд за 25,38 суток, а точки, лежащие по разные стороны экватора,- медленнее. И чем дальше от экватора точка, тем больше ее период обращения и, следовательно, тем меньше скорость. Например, период обращения точек вблизи полюсов достигает 30 суток и даже более.

Солнце не занимает неизменного положения в нашей Галактике, т. е. среди звезд, а, как большинство звезд, имеет собственное движение в направлении созвездия Геркулес, о чем будет сказано ниже.

Из видимых движений Солнца еще в древности были известны два: суточное - с востока на запад - как следствие вращения Земли вокруг своей оси и годичное - с запада на восток - со скоростью примерно один градус в сутки, являющееся следствием движения Земли вокруг Солнца. Сущность этих движений была раскрыта Н. Коперником в его знаменитой книге "Об обращении небесных шаров", вышедшей в свет в 1543 г.

Видимый годичный путь Солнца среди звезд, проходящий по созвездиям Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы, расположен вблизи эклиптики. Для дальнейших рассуждений нужно дать более точное определение эклиптики.

Рис. 1. Движение центра масс Земля + Луна вокруг Солнца

Через центр Солнца S, центр масс системы Земля + Луна Т (барицентр) и вектор скорости V движения этого центра вокруг Солнца можно провести плоскость (рис. 1). Это будет мгновенная плоскость орбиты центра масс Земли и Луны. Из-за притяжения Земли и Луны планетами, а следовательно, и барицентра эта плоскость не сохраняет неизменного положения в пространстве (относительно звезд), а вращается около точки S.

Заметим, что при решении многих астрономических задач нет надобности знать расстояния до небесных светил. Такие задачи удобнее решать, считая эти расстояния одинаковыми. Поэтому в астрономии вместо видимого куполообразного небесного свода, являющегося зрительным впечатлением наблюдателя, введено понятие небесной сферы, т. е. сферы очень большого радиуса, внутри которой находятся все наблюдаемые нами объекты. Центром этой сферы является наблюдатель. Тогда можно мысленно все небесные светила спроектировать на эту сферу и изучать, например, вместо изменения направления луча, идущего от светила к наблюдателю, движение светила по небесной сфере, что методически проще. Поэтому во всех дальнейших рассуждениях мы будем говорить не о небесном своде, а о небесной сфере, отождествляя эти понятия.

Движение плоскости орбиты центра масс Земли и Луны, происходящее от возмущения планет, может быть разделено на два движения: медленное смещение плоскости с малой скоростью и ряд очень мелких периодических колебаний.

Если в точке S восстановить к плоскости STV перпендикуляр (см. рис. 1), то конец его на небесной сфере покажет вековое регулярное изменение положения плоскости, на которое накладывается нерегулярное изменение колебательного характера.

Плоскость, проходящая через центр Солнца и обладающая вековым и только вековым движением мгновенной плоскости орбиты центра тяжести Земли и Луны, называется гелиоцентрической плоскостью эклиптики, параллельная ей, проходящая через центр Земли,- геоцентрической плоскостью эклиптики. Сечение небесной сферы геоцентрической плоскостью эклиптики называется эклиптикой.

Для практических целей положение плоскости эклиптики нужно как-то зафиксировать в пространстве. Для этого ее надо "привязать" к достаточно стабильным ориентирам. В качестве таковых могут служить лишь небесные объекты, настолько удаленные от Солнца, что движение солнечной системы среди звезд практически не вызывает их перемещения по небесной сфере. Наиболее пригодными для этой цели являются внегалактические туманности, собственные движения которых ничтожны. Многие внегалактические туманности получаются на фотографиях точечными изображениями, положения которых уверенно измеряются относительно звезд. Большое советское астрономическое мероприятие - Каталог слабых звезд, над которым в настоящее время работают не только советские обсерватории, но и многие зарубежные (Европы и Америки), "привязывается" к внегалактическим туманностям.

Поскольку эклиптика смещается в результате векового движения, то принято относить ее к какому-то моменту или эпохе, чтобы зафиксировать положение точки весеннего равноденствия. Так, например, говорят о неподвижной эклиптике эпохи 1850,0 или 1900,0 и т. д. Положение подвижной эклиптики на любой момент можно задавать относительно одной из неподвижных эклиптик.

Напомним, что точки пересечения небесной сферы с воображаемой осью вращения Земли называются полюсами мира. Полюс мира, находящийся в области созвездия Малой Медведицы,- северный полюс мира; противоположный ему - южный.

Большой круг небесной сферы, перпендикулярный к оси вращения Земли, плоскость которого проходит через центр сферы, называется небесным экватором. Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух диаметрально противоположных точках. Одна из этих точек, в которой Солнце, двигаясь по эклиптике, переходит из южного полушария небесной сферы в северное, называется точкой весеннего равноденствия. Противоположная точка пересечения экватора и эклиптики есть точка осеннего равноденствия. Точки эклиптики, равноудаленные от точек весеннего и осеннего равноденствий, именуются точками солнцестояний: в северном полушарии сферы находится точка летнего солнцестояния, в южном - зимнего. Через точку весеннего равноденствия Солнце проходит 21 марта, летнего солнцестояния - 22 июня, осеннего равноденствия - 23 сентября и зимнего солнцестояния - 22 декабря.

Две диаметрально противоположные точки небесной сферы, равноудаленные от всех точек эклиптики, называются полюсами эклиптики. Северный полюс эклиптики расположен в созвездии Дракона, южный - в созвездии Золотой Рыбы. 9