02:32 am - Ночные задачки

По практической астрономии, легкие. Для забывших физику, только на здравый смысл.

1. Как известно, в средних широтах для определения фазы луны существую мнемонические правила, например, по-русски это Растущая луна и Стареющая (выпуклостью серпа вправо и влево соответственно).

Работают ли эти правила в средних широтах южного полушария, или там нужны какие-то другие?

2. Многие видели тропической ночью (точнее, вблизи экватора) серп луны выпуклостью вниз ("лодочку"). Какой луне он соответствует - растущей или стареющей? Бывает ли серп выпуклостью вверх ("мостик")?

3. Как вообще вблизи от экватора узнать, увидев серп, растет он или стареет?

Comments:

2. Мостика не бывает, но я не знала объяснения этому факту, пока не прочитала (и осознала), что орбита луны - примерно экваториальная. Т.е. если смотреть с экватора, затенённая часть, дополнение к серпу всегда будет "сверху".

3. Кажется, как-то хитро по тому, как устроен внутренний контур серпа (который часть эллипса, а не окружности), ещё подумаю, пожалуй.

если мы перенеслись в южное полушарие, то мы перевернулись вниз головой относительно текущего состояния и луны
значит, там будет все наоборот. про лево и право.

3. Утром он виден или вечером.

Мы, между прочим, живем на 40-й параллели, то есть еще довольно далеко от экватора, а луна уже близка к лодочке. Но мостика не бывает, могу засвидетельствовать:)

В качестве иллюстрации - из моих фотографий:

Луна вечером над Эль Иерра - самым западным островом Канарского архипелага, март 2010.

А это темная Луна, закрывающая Солнце - частичное солнечное затмение в Варшаве 4 января 2011.

Луна ранним утром над горным приютом на окраине Шклярской Порембы в польских Судетах, январь 2011.

Частное солнечное затмение, лучше сказать (так принято).

Я думал, огооврить ли в вопросах, что серп имеется в виду не от затмения, но решил не усложнять.

Спасибо за фото.

2. Мостика не бывает, т.к. солнце снизу (под горизонтом).

1. Нет, конечно. Правило нужно инвертировать.
2. Может быть днем, если одновременно видны Солнце и Луна.
3. Напрячь пространственное воображение, представить, как он выглядел бы в средних широтах северного полушария и воспользоваться правилом 1:)

2. По-видимому, все-таки ее при этом будет не видно невооруженным глазом.

Конечно, цифровая фотография - не доказательство. Но дневную Луну невооруженным глазом видел много раз.

Я тоже видел много раз.

Это не совсем то, потому что пир серпе-"мостике" Солнце будет (1) строго выше Луны (ближе к зениту) (2) близко друг к другу (серп, а не "полубуханка", как у Вас на фото).

При таком сочетании - мне не очень верится, что будет видно.

Если допускать не только серпики, но и любые "буханки", то на экваторе вполне возможна ситуация, когда Солнце только что зашло на западе, а Луна на востоке, скажем, примерно в 45 градусах над горизонтом. Тогда мы увидим "буханку", откусанную снизу примерно на треть диска.

в средних широтах я довольно часто видел Луну днем - обычно летом ближе к вечеру или рано утром. В тропиках был недостаточно долго, чтобы набрать статистику и утверждать, видна она там или нет.

В принципе, поскольку в тропиках темнеет очень быстро, а Луна видна только когда Солнце низко над горизонтом, интервал, когда Луну видно, очень короткий.

См. ответ Нику Сакве рядом.

Мне кажется, мостик должно быть можно увидеть в горной местности. Если Солнце у горизонта и свет пробивается только через небольшую долину между двумя горами, то Луна уже будет видна (наверное). Или, например, если находиться в глубоком кратере, со всех сторон окружённом высокими горами -- наверху может быть видно Луну мостиком.

1) Правило "растущий - старый" в южных широтах не работает, там наоборот.
2) Лодочка может быть как растущей, так и стареющей. Мостик, вопреки сказанному предыдущими ораторами, бывает. Он бывает в фазе первой четверти после полудня, когда Солнце еще не зашло и клонится к западу, а Луна уже взошла на востоке. Это трудно видеть - Солнце забивает молодую Луну. Но можно разглядеть, если постараться. В последней четветри - симметрично. Стареющая Луна еще не зашла и клонится к западу, а Солнце уже взошло на востоке.
3) Фаза Луны всегда повернута выпуклостью к Солнцу, поскольку именно Солнце ее и освещает. Если Луна к востоку от Солнца (в том числе уже зашедшего), она растущая, если к западу (в том числе от еще не взошедшего) - стареющая. А если в полночь - значит, около полнолуния. Это не зависит от полушария.

Предлагаю суперзадачу, в конце.
Сначала решение 1, 2, 3.
1. Для простоты пусть наблюдатель находится на северном/южном полюсе, а орбита луны и экватор Земли лежат в плоскости эклиптики. Тогда путешествие Луны от новолуния к полнолунию и далее к новолунию выглядит как удаление Луны от Солнца и далее приближение к Солнцу с другой стороны, все в плоскости горизонта.
Про Стареющую Луну известно, что ее серп повернут как буква С.
Но очевидно, что серп Луны повернут выпуклостью в сторону Солнца.
Значит, с северного полюса путь светил, в плоскости горизонта, можно изобразить так:

после новолуния______________________перед новолунием
) ☼___________________________________☼ (

Тогда с южного полюса все будет вверх ногами, серп в другую сторону.

2. Допустим опять для простоты, что орбита Луны и экватор Земли находятся в плоскости эклиптики. Тогда в небе экватора Луна будет каждый день вставать на востоке, проходить через зенит и садиться на западе. Если это серп, он обращен выпуклостью к Солнцу. Если Луна встает перед Солнцем, она на восходе будет лодочкой и на закате мостиком; если после Солнца, наоборот. Из рисунка к вопросу 1 видно, что после новолуния, если глядеть с северного полюса, Луна левее Солнца, так что при видимом движении светил с востока на запад Солнце обгоняет Луну: убегает от Луны в дни после новолуния, догоняет Луну с другой стороны в дни перед следующим новолунием. Значит, после новолуния для наблюдателя на экваторе восходить будет Солнце, затем серп-мостик; на закате сядет Солнце, затем серп-лодочка.

Вот все 4 варианта серпа в экваториальном небе:
лодочкой:
после захода Солнца (=на западе) - в дни после новолуния (=растущая Луна)
перед восходом Солнца (=на востоке) - в дни перед новолунием (=стареющая Луна)
мостиком - в двух оставшихся сочетаниях:
после восхода Солнца (=на востоке) - в дни после новолуния (=растущая Луна)
перед заходом Солнца (=на западе) - в дни перед новолунием (=стареющая
Последние два сочетания не ночные, а дневные. Значит, ночью видна только лодочка, а именно после захода Солнца - в дни роста Луны, перед восходом - в дни старения Луны. Мостик же виден только после восхода или перед закатом.

3. Ответ случился в предыдущем пункте.

Суперзадача.
Иногда лунно-солнечные приливы усиливают друг друга с наибольшей точностью (и в этот период чаще случаются землетрясения). Как определить эти периоды, наблюдая наклонность серпа в северном полушарии? Указание: откажитесь теперь от того допущения, что экватор Земли и орбита Луны лежат в плоскости эклиптики.

Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Отображением этого движения, как мы знаем, является видимое перемещение Луны на фоне звезд навстречу вращению неба. Каждые сутки Луна смещается к востоку относительно звезд примерно на 13°, а через 27,3 сут возвращается к тем же звездам, описав на небесной сфере полный круг.

Период обращения Луны вокруг Земли относительно звезд (в инерциальной системе отсчета) называется звездным или сидерическим (от лат. sidus - звезда) месяцем . Он составляет 27,3 сут.

Видимое движение Луны сопровождается непрерывным изменением ее вида - сменой фаз . Происходит это оттого, что Луна занимает различные положения относительно освещающего ее Солнца и Земли. Схема, поясняющая смену фаз Луны, показана на рисунке 20.

Когда Луна видна нам как узкий серп, остальная часть ее диска тоже слегка светится. Это явление называется пепельным светом и объясняется тем, что Земля освещает ночную сторону Луны отраженным солнечным светом.

Промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны называется синодическим месяцем (от греч. synodos - соединение); это период обращения Луны вокруг Земли относительно Солнца. Он равен (как показывают наблюдения) 29,5 сут.

Таким образом, синодический месяц длиннее сидерического. Это легко понять, зная, что одинаковые фазы Луны наступают при одинаковых ее положениях относительно Земли и Солнца. На рисунке 21 взаимное расположение Земли Т и Луны L соответствует моменту новолуния. Луна L через 27,3 сут, сделав полный оборот, займет прежнее положение относительно звезд. Земля Т за это время вместе с Луной пройдет по своей орбите относительно Солнца дугу ТТ 1 , равную почти 27°, так как каждые сутки она смещается примерно на 1°. Чтобы Луна L 1 заняла прежнее положение относительно Солнца и Земли Т 1 (пришла в новолуние), потребуется еще двое суток. Действительно, Луна проходит за сутки 360°:27,3 сут = 13°/сут, чтобы пройти дугу в 27°, ей необходимо. 27°: 13°/сут=2 сут. Так и получается, что синодический месяц Луны составляет около 29,5 земных суток.

Мы видим всегда только одно полушарие Луны. Это иногда воспринимается как отсутствие ее осевого вращения. На самом деле это объясняется равенством периодов вращения Луны вокруг оси и ее обращения вокруг Земли.

Проверьте это, обводя вокруг себя предмет и одновременно o поворачивая его вокруг оси с периодом, равным периоду обвода.

Вращаясь вокруг оси, Луна попеременно обращает к Солнцу разные свои стороны. Следовательно, на Луне происходит смена дня и ночи, и солнечные сутки равны синодическому периоду (ее обороту относительно Солнца). Таким образом, на Луне продолжительность дня равна двум земным неделям и две наши недели составляют там ночь.

Легко понять что фазы Земли и Луны взаимно противоположны. Когда Луна почти полная, Земля с Луны видна как узкий серп. На рисунке 42 представлена фотография неба и лунного горизонта с Землей, у которой видна лишь ее освещенная часть - меньше полукруга.

Упражнение 5

1. Серп Луны вечером обращен выпуклостью вправо и близок к горизонту. В какой стороне горизонта он находится?

2. Сегодня верхняя кульминация Луны произошла в полночь. Когда наступит следующая верхняя кульминация Луны?

3. Через какие промежутки времени звезды кульминируют на Луне?

2. Лунные и солнечные затмения

Земля и Луна, освещенные Солнцем (рис. 22), отбрасывают конусы тени (сходящиеся) и конусы полутени (расходящиеся). Когда Луна попадает в тень Земли полностью или частично, происходит полное или частное затмение Луны . С Земли оно видно одновременно отовсюду, где Луна над горизонтом. Фаза полного затмения Луны продолжается, пока Луна не начнет выходить из земной тени, и может длиться до 1 ч 40 мин. Солнечные лучи, преломляясь в атмосфере Земли, попадают в конус земной тени. При этом атмосфера сильно поглощает голубые и соседние с ними лучи (см. рис. 40), а пропускает внутрь конуса преимущественно красные, которые поглощаются слабее. Вот почему Луна при большой фазе затмения окрашивается в красноватый цвет, а не пропадает совсем. В старину затмения Луны боялись как страшного предзнаменования, считали, что "месяц обливается кровью". Лунные затмения бывают до трех раз в году, разделенные почти полугодовыми промежутками, и, конечно, лишь в полнолуние.

Солнечное затмение как полное видно только там, где на Землю падает пятно лунной тени . Диаметр пятна не превышает 250 км, и поэтому одновременно полное затмение Солнца видно лишь на малом участке Земли. Когда Луна перемещается по своей орбите, ее тень движется по Земле с запада на восток, вычерчивая последовательно узкую полосу полного затмения (рис. 23).

Там, где на Землю падает полутень Луны, наблюдается частное затмение Солнца (рис. 24).

Вследствие небольшого изменения расстояний Земли от Луны и Солнца видимый угловой диаметр Луны бывает то немного больше, то немного меньше солнечного, то равен ему. В первом случае полное затмение Солнца длится до 7 мин 40 с, в третьем - только одно мгновение, а во втором случае Луна вообще не закрывает Солнца целиком, наблюдается кольцеобразное затмение . Тогда вокруг темного диска Луны виден сияющий ободок солнечного диска.

На основе точного знания законов движения Земли и Луны вычислены на сотни лет вперед моменты затмений и то, где и как они будут видны. Составлены карты, на которых показаны полоса полного затмения, линии (изофазы), где затмение будет видно в одинаковой фазе, и линии, относительно которых для каждой местности можно отсчитать моменты начала, конца и середины затмения.

Солнечных затмений в году для Земли может быть от двух до пяти, в последнем случае непременно частных. В среднем в одном и том же месте полное солнечное затмение бывает видно чрезвычайно редко - лишь однажды в течение 200-300 лет.

Особый интерес для науки представляют полные затмения Солнца, наводившие ранее суеверный ужас на невежественных людей. Такие затмения считали предзнаменованием войны, конца света.

Астрономы предпринимают экспедиции в полосу полного затмения, чтобы в течение секунд, редко минут полной фазы изучать внешние разреженные оболочки Солнца, невидимые непосредственно вне затмения. Во время полного солнечного затмения небо темнеет, вдоль горизонта горит заревое кольцо - свечение атмосферы, освещенной лучами Солнца в местностях, где затмение неполное, вокруг черного солнечного диска простираются жемчужные лучи так называемой солнечной короны (см. рис. 69).

Если бы плоскость лунной орбиты совпадала с плоскостью, эклиптики, то в каждое новолуние происходило бы солнечное, а в каждое полнолуние - лунное затмение. Но плоскость лунной орбиты пересекает плоскость эклиптики под углом 5°9". Поэтому Луна обычно проходит севернее или южнее плоскости эклиптики, и затмений не происходит. Лишь в течение двух периодов в году, разделенных почти полугодом, когда в полнолунии и новолунии Луна находится вблизи эклиптики, возможно наступление затмения.

Плоскость лунной орбиты вращается в пространстве (это один из видов возмущений в движении Луны, производимых притяжением Солнца) * и за 18 лет делает полный поворот. Поэтому периоды возможных затмений смещаются по датам года. Ученые древности подметили периодичность в затмениях, связанную с этим 18-летним периодом, и могли поэтому приближенно предсказывать наступление затмений. Сейчас ошибки предвычисления моментов затмения составляют менее 1 с.

Сведения о предстоящих затмениях и об условиях их видимости даются в "Школьном астрономическом календаре".

Упражнение 6

1. Вчера было полнолуние. Может ли быть затмение Солнца завтра? через неделю?

2. Послезавтра будет солнечное затмение. Будет ли сегодня лунная ночь?

3. Можно ли с Северного полюса Земли наблюдать солнечное затмение 15 ноября? 15 апреля? Ответ пояснить.

4. Можно ли с Северного полюса Земли видеть лунные затмения, происходящие в июне и ноябре? Ответ пояснить.

5. Как отличить фазу затмения Луны от одной из ее обычных фаз?

6. Какова продолжительность солнечных затмений на Луне по сравнению с продолжительностью их на Земле?