Годовым движение солнца по небесном сфере. Способы посадки и норма рассады. Анатомические связи зодиакальных знаков

Вопрос №23.Суточное и годовое движ. Солнца.Законы Кеплера.Особенности движения солнца в тропич.и полярных районах

Известно, что небесная сфера со всеми находящимися на ней светилами вращается вокруг оси мира. Это движение называется видимым суточным движением сферы. Направлено суточное движение по часовой стрелке, если смотреть на на сферу со стороны северного полюса P N . Вследствие суточного движения все светила, вращаясь с вместе со сферой, двигаются параллельно небесному экватору, т.е. по небесным параллелям , всегда пересекают в этом движении меридиан наблюдателя, некоторые пересекают I-ый вертикал и горизонт. Пересечение светилом в своем суточном движении полуденной части меридиана наблюдателя называется верхней кульминацией , а пересечение светилом полуночной части называется нижней кульминацией. Из нижнего рисунка видно, что для постоянной широты и светила с постоянным склонением в момент верхней кульминации светило имеет максимальную высоту, а в момент нижней кульминации - минимальную высоту. Пересечение светилом в своем суточном движении плоскости истинного горизонта называется точками восхода и захода .

Видимое годовое движение Солнца.

В результате движения Земли по своей орбите наблюдателю на Земле кажется, что Солнце все время перемещается по небесной сфере относительно неподвижных звезд. Правда наблюдать движение Солнце относительно звезд не представляется возможным, т.к. звезды в дневное время не видны. Перечислим некоторые убедительные факты перемещения Солнца относительно звезд:

В разное время года в полночь видны разные звезды.

Меридиональная высота Cолнца в течении года изменяется.

Изменяются также азимуты восхода и захода Солнца, а также продолжительность дня и ночи.

Земля, двигаясь по своей орбите, сохраняет в мировом пространстве неизменное положение своей оси вращения. Угол наклона оси вращения Земли с плоскостью орбиты Земли составляет 66°33", следовательно, угол между плоскостью орбиты Земли и плоскостью земного экватора составляет 23°27".

Эклиптика - это видимый годовой путь, по которому перемещается Солнце по небесной сфере. Эклиптика - это проекция плоскости земной орбиты на небесную сферу. Т.к. плоскость небесного экватора - это продолжение земного экватора, а плоскость эклиптики - это плоскость орбиты Земли, то плоскость эклиптики составляет с плоскостью небесного экватора угол = 23°27". Точкой Овна () называется точка на небесной сфере, в которой Солнце в своём видимом годовом движении меняет своё склонение с южного на северное. В эту точку Солнце ежегодно приходит 21-го марта - в день весеннего равноденствия. Точка Овна задает точку отсчета еще для одной координаты - для прямого восхождения. Прямое восхождение () - это дуга небесного экватора от точки Овна до меридиана светила, в сторону обратных западных часовых углов (или если смотреть со стороны северного полюса, то против часовой стрелки). Именно в этом направлении по небесной сфере перемещваются Солнце, Луна и, следовательно, увеличивается прямое восхождение этих светил.

Изменение экваториальных координат Солнца.

В течении года Солнце по небесной сфере проходит четыре точки (смотри таблицу).

Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождения центра Солнца через точку Овна. Его продолжительность составляет 365,2422 суток. Этот период положен в основу календарного года. Уточнение величины тропического года оставило свой след в истории астрономии в виде египетского года, юлианского и григорианского стилей. Для приближенных расчетов необходимо знать суточные изменения координат Солнца. Прямое восхождение Солнца в течение года изменяется почти равномерно. Суточная скорость изменения прямого восхождения Солнца составляет 360°/365,24221°/сутки.

Склонение Солнца в течении года изменяется неравномерно

Явления, связанные с движением Солнца для наблюдателей в различных широтах.

Явления, сопровождающие годовое и суточное движение Солнца.

Времена года. Количество солнечной энергии, получаемой единичной площа­дью на Земле, зависит главным образом от высоты Солнца над горизонтом и вре­мени освещения. В средних широтах высоты Солнца меняются за год на 46°53", что и приводит к смене времен года. На рис. 23 в положении // Земля обращена к Солнцу северным полушарием, где вы­соты Солнца больше, время освещения продолжительнее - наступает лето. В положении IV наоборот - в северном полушарии зима, в южном - лето.

Астрономическими признаками вре­мен года принято считать соотношение знака и величины склонения Солнца с широтой места. Когда δ становится одно­именным с φ, начинается весна, а при δmax начинается лето. Когда δ стано­вится разноименным с φ, начинается осень, а при δmax начинается зима.

Вследствие неравномерности движе­ния Солнца по эклиптике время прохож­дения участков эклиптики между точ­ками времен года неодинаково, поэтому в северном полушарии весна продол­жается 92,9 сут; лето - 93,6; осень - 89,8; зима - 89,0 сут; теплый весенне-летний период на семь дней длиннее осен­не-зимнего. В тропиках вместо лета и зимы различают два сезона - соответ­ственно сухой и дождливый.

Климатические пояса.

Разделение Земли на климатические пояса связано с количеством тепла, получаемым от Солнца, и особенностями его суточного движения. С астрономической точки зрения Зем­ля разделяется на пять климатических поясов.

Жаркий, или тропический, пояс вклю­чает районы, в которых Солнце может проходить через зенит. Условие прохож­дения через зенит: δ= φ Следователь­но, границами пояса будут параллели 23°27" N и S, т. е тропики Рака и Козе­рога

Умеренный пояс (северный и южный) включает районы, в которых Солнце каждый день восходит и заходит, но не проходит через зенит. Условие восхода δ< 90°-φ Следовательно, грани­цами этих двух поясов будут параллели от 23°27" до 66°33"N и S, т. е. от тропи­ков до полярных кругов.

Холодный, или полярный, пояс (ар­ктический, антарктический) включает районы, в которых возможны дни с не­заходящим или невосходящим Солнцем. При δ >90-φ к одноименных Солн­це будет незаходящим, а при δ >90-φ и разноименных - невосходящим.

Крайние параллели, на которых воз­можно незаходящее или невосходящее Солнце, называются полярными кругами: северным - в φ = 66°33" N и южным - в φ = 66°33"S Следовательно, два хо­лодных пояса простираются от поляр­ных кругов до полюсов.

Особенности движения Солнца в раз­ных широтах.

Рассмотрим, как проис­ходит совместное суточное и годовое движение Солнца при изменении широты места. Как показано на рис. 24, в тече­ние года Солнце движется по спирали и его крайние параллели создают пояса сферы в пределах 23°27"N и S. Для выяснения особенностей движения Солнца эти пояса заносятся на сферу в данной широте (рис. 27).

На экваторе (рис. 27, а) все паралле­ли Солнца делятся пополам, поэтому день всегда приближенно равен ночи. В дни равноденствий (δ=0) Солнце движется по экватору, который совпадает здесь с первым вертикалом; в пол­день Солнце проходит через зенит. До полудня Солнце движется по Е части пер­вого вертикала, а после полудня - по W, т. е. в полдень азимут Солнца мгно­венно изменяется на 180°. В дни солнце­стояний параллелями являются тропи­ки (δ = 23°27"), при этом меридиональ­ные высоты Н = 66°33" будут наимень­шими.

В тропическом поясе (рис. 27, б) крайние параллели Солнца вмещают зенит (φ ≤ 23°27"N, S), поэтому Солнце проходит через зенит дважды в год, а на границах пояса - один. Продолжи­тельность дня в течение года меняется мало. Солнце может пересекать первый вертикал (δ < φ) и не пересекать его. В тропиках изменение азимута проис­ходит весьма неравномерно: велико око­ло кульминаций и мало около первого вертикала.

В умеренном поясе Солнце в течение года всегда восходит и заходит, причем продолжительность дня меняется в ши­роких пределах (крайние параллели на рис. 24). В этом поясе Солнце никогда не проходит через зенит, а меридиальные высоты меняются в течение одного года на 2δmax.

В полярном поясе (рис. 27, в) может наблюдаться незаходящее или невосхо­дящее Солнце, когда δ≥ 90° - φ, т. е. возможен полярный день или ночь. В остальное время Солнце восходит и заходит

Полярным днем называется промежу­ток времени, в течение которого Солн­це в суточном движении не заходит и движется над горизонтом (параллели bb1, Na на рис 27, в), он продолжается, пока δ≥ 90°-φ и одноименно

Полярной ночью называется промежу­ток времени, в течение которого Солн­це в суточном движении не восходит и движется под горизонтом (параллели Sc, d1d), ночь продолжается, пока δ≥ 90°-φ и разноименно

На полюсах полярные день и ночь продолжаются почти полгода, на север­ном полюсе день - с 21 марта по 23 сентября, ночь - с 23 сентября по 21 марта, на южном - наоборот

Законы Кеплера.

1. Орбиты планет есть эллипсы, в одном из фокусов кото­рых находится Солнце. Радиус-вектор точки эллипса (рис. 21) выражается фор­мулой:

2. Площади, описываемые радиусом-вектором планеты в равные промежутки времени, равны (см. рис. 21)

где с - момент количества движения точки единичной массы.

Этот закон учитывает неравномер­ность движения данной планеты по ее орбите: ближе к Солнцу планета движет­ся быстрее, дальше - медленнее.

3. Квадраты звездных периодов обра­щения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит. Этот закон показывает, что более близ­кие к Солнцу планеты имеют большие средние орбитальные скорости, чем бо­лее удаленные; например Меркурий име­ет v = 48 км/с, Венера -35 км/с, а Плу­тон - около 5 км/с.

Ньютон показал, что законы Кепле­ра в общем виде относятся ко всем кос­мическим телам и действуют в любом поле тяготения и что эти законы долж­ны учитывать массы и скорости тел. Формула (51) для радиуса-вектора была выведена Ньютоном из закона всемир­ного тяготения в общем виде (как урав­нение конического сечения с е от 0 до ∞). Из нее следовало, что в центральном поле тяготения орбитами космических тел являются конические сечения: в зависимости от скорости движения тело может описывать эллипс, параболу или гиперболу.

Помимо вращения вокруг оси, Земля, как и все планеты, обращается по эл­липтической (е = 0,0167) орбите вокруг Солнца (рис. 23) в направлении суточ­ного вращения, причем ее ось pnps на­клонена к плоскости орбиты на угол 66°33", сохраняющийся в процессе обра­щения (без учета возмущений). Движе­ние Земли по орбите происходит неравно­мерно, что отражено во втором законе Кеплера (см. § 12). Быстрее всего Земля движется в перигелии (точка П" на рис. 23), где v=30,3 км/с, который она проходит около 4 января; медленнее все­го - в афелии (точка А" на рис. 23), где v = 29.2 км/с, который она проходит около 4 июля Вследствие этого участки орбиты ///- IV -/ Земля проходит быстрее, а участки /-II -/// - медлен­нее. Средняя орбитальная скорость 29,76 км/с у Земли бывает около равно­денствий (/ и ///). Орбитальное движе­ние вызывает изменение направлений на светила для наблюдателя, находя­щегося на поверхности Земли. Вследст­вие этого положения светил на сфере должны изменяться, т. е. светила, поми­мо суточного движения со сферой, долж­ны иметь еще и видимые, собственные движения о сфере

Земля, как и другие планеты солнечной системы, движется по орбите вокруг центрального тела системы – Солнца (среднее расстояние 149,6 млн. км).

Ось Земли наклонена к плоскости ее орбиты на постоянный угол 6633, чем объясняется смена времен года. На рис. 3.9, в центре которого находится Солнце С, показаны четыре положения Земли на ее орбите.

В положении I (21 марта) Солнце проектируется на экватор, оба полушария в течение полуоборота Земли освещены одинаково, от полюса до полюса. Во всех широтах день равен ночи. В северном полушарии весна.

В положении II (22 июня) Солнце проектируется на параллель ab с =2327N (Северный тропик), в северном полушарии лето, длинный день и короткая ночь.

В положении III (23 сентября) Солнце вновь проектируется на экватор, день и ночь везде равны. В северном полушарии осень.

В положении IV (22 декабря) Солнце проектируется на параллель cf = 2327S (Южный тропик), в северном полушарии зима, короткий день и длинная ночь.

Если, находясь на Земле, наблюдатель будет в течение года наблюдать за Солнцем, то ему будет казаться, что не Земля вращается вокруг Солнца, а наоборот, это светило перемещается по большому кругу небесной сферы. Этот круг носит название эклиптики. В среднем за сутки Солнце проходит по эклиптике дугу в 1.

Из положения I наблюдатель видит Солнце на сфере в точке Овна , называемой точкой весеннего равноденствия (пересечение небесного экватора с эклиптикой под углом 2327). Склонение Солнца равно 0. Из положения II Солнце проектируется на сферу в точку летнего солнцестояния. Склонение Солнца равно 2327N. В положении наблюдателя III Солнце усматривается в точке Весов, или точке осеннего равноденствия. Склонение Солнца опять равно 0оно переходит в южное полушарие. Из положения IV Солнце проектируется в точку зимнего солнцестояния, его склонение равно 2327S.

Дуга экватора, заключенная между точкой весеннего равноденствия и меридианом светила, называемая прямым восхождением светила. Прямое восхождение обозначается буквой и считается от 0до 360в сторону, противоположную суточному движению. Вместо прямого восхождения часто удобнее применять звездное дополнение= 360 -.

У звезд, не имеющих собственного (годового) движения, прямое восхождение в течение года будет оставаться почти неизменным, очевидно, что Солнце должно изменять прямое восхождение в течение года на 360, изменяясь в течение суток на величину немного менее 1.

Прямое восхождение обычно выражается в часах (360= 24 час.; 1 час = 15; 1= 4 мин. и т.д.); 21 марта= 0 час.; 22 июня – 6 час. (90); 23 сентября – 12 час. (180); 22 декабря – 18 час. (270).

Кеплер вывел законы движения планет, а Ньютон объяснил причину планетных движений своим знаменитым законом всемирного тяготения.

«Всякая частица материи притягивается всякой другой частицей с силой, прямо пропорциональной произведению масс частиц и обратно пропорциональной квадрату их взаимного расстояния».

Следствием этого закона являются три закона Кеплера:

1-й закон. Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2-й закон. Прямая, соединяющая планету с Солнцем, описывает равные площади в равные промежутки времени.

3-й закон. Квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца.

Допустим, что эллипс adcdef (рис. 3.10.) представляет собой орбиту Земли. Солнце находится в фокусе S. Ближайшая к Солнцу точка А называется перигелием, а наиболее отдаленная В – афелием.

В перигелии Земля бываем 25 января, в афелии 14 июля. В разных точках орбиты Земля движется с различной скоростью; относительная скорость Земли определяется вторым законом Кеплера. Заштрихованные участки Sab, Scd, пройденные прямой, соединяющей Солнце и Землю, равны по площади, как описанные в равные промежутки времени; отсюда делаем заключение, что с наибольшей угловой и линейной скоростью Земля движется в перигелии (61,2), наименьшей – в афелии (57,2в сутки).

Понятие о прецессии. Из механики известно, что ось свободного гироскопа сохраняет неизменное положение в мировом пространстве.

Если же к гироскопу приложить внешнюю силу, у оси гироскопа появится движение, которое называется прецессионным. Особенность этого движения заключается в том, что ось гироскопа движется не в направлении приложенной силы, а в направлении, перпендикулярном к ней (рис. 3.11.).

Землю можно рассматривать подобной гироскопу. На Землю действуют силы притяжения Луны и Солнца, которые вызывают прецессионное движение земной оси. Своим прецессионным движением земная ось, а следовательно, и ось мира, описывают около неподвижной оси эклиптики коническую поверхность.

Сферический радиус кругов, описываемых полюсами мира и полюсами Земли, равен 2327.

Обращение оси мира около эклиптики влечет за собой перемещение на небесной сфере и экватора. Экватор, пересекая эклиптику перемещает точки равноденствий навстречу собственному годовому движению Солнца. Из наблюдений выяснено, что движение это очень медленное, около 50,2 в год.

Следовательно, точка весеннего равноденствия передвигается навстречу Солнцу за год на 50,2.

Полный период обращения оси мира около неподвижной оси эклиптики произойдет через 360: 50,2 = 25 800 лет.

Описанное явление называется прецессией, что означает "предварение". Предварение равноденствия – Солнце приходит в точку раньше, чем опишет полный круг по эклиптике, так как точка весеннего равноденствия передвинется на 50,2 навстречу годовому движению Солнца.

Прецессия вызывает изменение склонений, долгот и прямых восхождений звезд. Вследствие перемещения полюсов роль Полярной звезды (ближайшей к полюсу) в разные эпохи выполняют разные звезды.

В настоящее время ближайшая к полюсу звезда Малой Медведицы (Ursae Minoris); 4000 лет назад название Полярной звезды должна была иметь звезда созвездия Дракона (Draconis). Через 6000 лет Полярной звездой будетCephei.

Обозначение точки весеннего равноденствия знаком Овна и осеннего равноденствия знаком Весовсохранилось старое.

В этих созвездиях находились точки равноденствий во II веке до нашей эры. С того времени точки равноденствий переместились на 50,2 х 2150 лет = 30и находятся: точка весеннего равноденствия в созвездии Рыб и точка осеннего равноденствия – в созвездии Девы.

Звездный год – время, в течение которого Солнце описывает эклиптику. Звездный год равен 365,25637 средним суткам.

Тропический год – промежуток времени, за который Солнце, двигаясь по эклиптике, вновь займет первоначальное положение относительно точки весеннего равноденствия. Вследствие прецессии точка весеннего равноденствия перемещается на 50,2 навстречу годовому движению Солнца, а поэтому тропический год короче звездного и равен 365,2422 средним суткам.

Гражданский год – 3 года считаются простыми по 365 средних суток, четвертый високосный – 366 суток. При таком летосчислении каждые четыре года будет накапливаться ошибка:

(365 х 3 + 366) – 365,2422 х 4 = 0,03112 суток.

За 400 лет гражданский календарь (Юлианский, или старый стиль) отстает на 3,112 суток. Чтобы избежать ошибки на протяжении 400 лет, три каких-либо високосных года надо считать простыми. Принято простыми годами считать те годы, кратные 100, число сотен в номере которых не делится на 4. Например, 1700, 1800, 1900, 2100, 2200 – годы простые, 1600, 2000, 2400 – високосные.

При таком счете ошибка в календаре за 400 лет достигает всего 0,112 суток, следовательно, ошибка в одни сутки – через 3600 лет. Такой способ летосчисления называется григорианским календарем илиновым стилем . Он был введен в странах Западной Европы в 1582 г.

Уже несколько столетий Солнце проходит по зодиакальным созвездиям совсем не в то время, которое значится в таблицах древних астрономов:

В период с 29 ноября по 18 декабря (т.е. в течение 20 дней) Солнце находится в созвездии Змееносца (тринадцатое).

В поясе Зодиака располагаются также орбиты Луны и большинства планет.

Движение Солнца по эклиптике называется видимым годовым движением. То, что Солнце, кроме суточного, имеет свое собственное годовое движение, является причиной изменения его координат – склонения и прямого восхождения.

Так как Солнце движется по эклиптике неравномерно, а также из-за наклона эклиптики к экватору суточные изменения в течение года колеблются от 53,8 до 66,6. В среднем= 1, или 4 м. Суточное изменениеколеблется в течение года от 0 до 0,4. Наибольшая скорость изменения склонения соответствует дням равноденствия, а наименьшая – солнцестояния. Принимают, чтов среднем составляет 0,4 за месяц до и после равноденствия; 0,3 – во второй месяц до и после равноденствий; 0,1 – за месяц до и после солнцестояний. При пересечении Солнцем экватора меняется наименование.

Кроме собственного годового движения, Солнце, как и все светила, имеет суточное движение, которое является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Совместное годовое и суточное движение Солнца происходит по спирали.

Крайнюю северную параллель – тропик Рака – Солнце опишет 22.VI, после чего начнет вновь приближаться к экватору. После 23.IX Солнце переходит в южное полушарие. Крайнюю южную параллель, называемую тропиком Козерога, оно опишет 22.XII.

Заметим, что из-за наличия у Солнца собственного годового движения, направленного против суточного, промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Солнца на меридиане наблюдателя приблизительно на 4 мин больше, чем у неподвижных звезд. Действительно, за одни сутки Солнце отходит в собственном движении назад на 1(4 м) и, следовательно для завершения полного оборота в суточном движении требуется такое же дополнительное время.

Изменение склонения Солнца от 2327N до 2327S приводит к тому, что на протяжении года в данном месте Земли ежедневно изменяются точки восхода и захода Солнца, продолжительность пребывания его над горизонтом и меридиональные высоты. Эти явления зависят от соотношения между широтой наблюдателяи склонением Солнца. В различных широтах возможные соотношенияибудут разными, что определяет особенности в движении Солнца и, как следствие, климатические особенности на поверхности Земли. По последнему признаку земной шар разделен на тропический, умеренные и полярные пояса (= 6633N или S называются Северным или Южным полярным кругом).