Курс общей астрономии

Перемещаясь по 12 созвездиям, Луна обходит полный круг по небу за 27,32 суток. Более тщательные и более продолжительные наблюдения показывают, что и Солнце, подобно Луне, перемещается по небу с запада на восток, проходя по тем же 12 созвездиям. Только скорость его перемещения значительно меньше, около 1° в сутки, и весь путь Солнце проходит за год. Созвездия, по которым проходят пути Солнца и Луны, называются зодиакальными (от греческого слова зоон - животное). Названия их таковы: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. Первые три созвездия Солнце проходит в весенние месяцы, следующие три - в летние, еще три следующих - в осенние и, наконец, последние три - в зимние месяцы. Те созвездия, в которых в данное время находится Солнце, недоступны наблюдениям и становятся хорошо видны лишь приблизительно через полгода. Еще в глубокой древности среди звезд зодиакальных созвездий было замечено пять небесных светил, внешне очень похожих на звезды, но отличающихся от последних тем, что они не сохраняют одного и того же положения в созвездиях, а "блуждают" по ним подобно Солнцу и Луне. Эти тела были названы планетами, что значит "блуждающие светила". Древние римляне дали планетам имена своих богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В XVIII-XX вв. были открыты еще три планеты: Уран (в 1781 г.), Нептун (в 1846 г.) и Плутон (в 1930 г.). Планеты перемещаются по зодиакальным созвездиям большую часть времени с запада на восток, но часть пути и с востока на запад. Первое движение, т. е. такое же, как у Солнца и Луны, называется прямым, второе, с востока на запад, - попятным движением. Более подробно видимые движения планет будут рассмотрены в § 34.

§ 9. Географические координаты

Огромное большинство астрономических наблюдений до настоящего времени производится с Земли и зависит от положения наблюдателя на ее поверхности. Поэтому напомним некоторые географические понятия и термины, которыми в дальнейшем мы будем пользоваться. Земля имеет почти шарообразную форму. Воображаемая прямая PN PS , вокруг которой Земля вращается, проходит через центр массы Земли и называется осью вращения (рис. 2).

Ось вращения пересекает поверхность Земли в двух точках: в северном географическом полюсе РN и южном PS. Северный географический полюс тот, со стороны которого вращение Земли происходит против часовой стрелки. Большой круг на поверхности Земли (q' G' O' q), плоскость которого перпендикулярна к оси вращения, называется земным экватором. Он делит поверхность Земли на два полушария: северное (с северным полюсом РN) и южное (с южным полюсом PS). Малые круги, плоскости которых параллельны плоскости земного экватора, называются географическими параллелями. Географическая параллель (bb), отстоящая на 23° 27' к северу от экватора, называется северным тропиком; параллель (cc), отстоящая на 23° 27' к югу от экватора, - южным тропиком. Географические параллели, отстоящие на 23° 27' от полюсов Земли, называются полярными кругами северным (аа) и южным (dd). Пояс земной поверхности между тропиками (включая экватор) называется жарким или тропическим поясом. Пояс между северным тропиком и северным полярным кругом называется северным умеренным поясом, а между южным тропиком и южным полярным кругом - южным умеренным поясом. Области земной поверхности за полярными кругами называются северным холодным и южным холодным поясами. Большой полукруг PNOO'PS, проходящий через географические полюсы Земли и через точку О на ее поверхности, называется географическим меридианом точки О. Географический меридиан PNGG'PS, проходящий через Гринвичскую обсерваторию в Англии, считается нулевым или начальным меридианом. Нулевой меридиан и меридиан, отстоящий от нулевого на 180°, делят поверхность Земли на два полушария: восточное и западное. Прямая линия ТО, по которой направлена сила тяжести в данной точке Земли, называется отвесной или вертикальной линией. Положение точки О на земной поверхности однозначно определяется двумя географическими координатами: географической широтой j и географической долготой l. Географической широтой j точки О называется угол ОТО между плоскостью земного экватора и отвесной линией, проходящей через точку О. Географические широты отсчитываются от экватора в пределах от 0° до +90° (северная широта), если точки лежат в северном полушарии Земли, и от 0° до -90° (южная широта), если точки лежат в южном полушарии. Географической долготой l точки О называется двугранный угол G'TO' между плоскостями начального меридиана и меридиана, проходящего через точку О. В Советском Союзе принято отсчитывать географическую долготу к востоку от начального меридиана, т.е. в сторону вращения Земли, в пределах от 0° до 360° (в градусной мере), или от 0h до 24h (в часовой мере). Географы, как правило, отсчитывают долготу в пределах от 0 до +180° к востоку (восточная долгота) и от 0 до -180° к западу (западная долгота). При решении многих астрономических задач можно считать, что Земля представляет собой однородный шар радиусом R = 6370 км. В этом случае направление отвесной линии в любой точке земной поверхности проходит через центр Земли и совпадает с ее радиусом, а географические меридианы и экватор будут окружностями одинакового радиуса, равного радиусу Земли. � тогда географическая широта какой-либо точки на Земле может быть измерена дугой меридиана от экватора до данной точки, а географическая долгота - дугой экватора от начального меридиана до меридиана, проходящего через данную точку. При решении задач, требующих более точных значений размеров и формы Земли, последняя принимается за эллипсоид вращения (сфероид) с неоднородным распределением масс. В этом случае отвесная линия не для всех точек земной поверхности будет проходить через центр сфероида Т (рис. 3), а будет пересекать плоскость земного экватора в некоторой другой точке T1, не совпадая с радиусом-вектором r, т.е. с прямой ТО, соединяющей центр сфероида с точкой О. Вследствие неравномерного распределения масс в области данной точки отвесная линия Т1O может также не совпадать и с нормалью Т2О к поверхности сфероида, т.е. с перпендикуляром к касательной плоскости в данной точке О Земли. По этому для каждой точки на поверхности Земли необходимо различать три вида географической широты: астрономическую, геоцентрическую и геодезическую.

Астрономической широтой j называется угол O T1 q между плоскостью земного экватора и отвесной линией в данной точке. Геоцентрической широтой j называется угол OTq между плоскостью земного экватора и радиусом-вектором данной точки О. Геодезической широтой (обозначения не имеет) называется угол O T2 q между плоскостью земного экватора и нормалью к сфероиду в данной точке. Непосредственно из астрономических наблюдений определяется только астрономическая широта j. �з геодезических и гравиметрических измерений определяется уклонение отвеса в данной точке, т.е. несовпадение отвесной линии с нормалью, которое дает возможность из астрономической широты j получить геодезическую. Уклонение отвеса, как правило, меньше 3" (исключая аномальные места), и в астрономических задачах ими пренебрегают и не делают различия между астрономической и геодезической широтой. Геоцентрическая широта j' вычисляется по формулам аналитической геометрии, связывающим ее с астрономической (точнее, геодезической) широтой. Разность между геоцентрической и астрономической широтой не превышает 12'; на географических полюсах и на экваторе Земли она равна нулю.

§ 129. Общие сведения

Вокруг Солнца движется множество тел, весьма различных но своим характеристикам. Кроме планет, в состав Солнечной системы входят их спутники, астероиды (малые планеты), кометы, метеорные потоки, метеорные тела, межпланетный газ. Планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн были известны в древности. Уран открыт В. Гершелем в 1781 г. В 1846 г. открыта 8-я планета, Нептун (см. § 57). В 1930 г. американский астроном К. Томбо нашел на негативах медленно движущийся звездообразный объект 15m, который оказался новой, девятой планетой. Ее назвали Плутоном. Томбо в течение многих лет продолжал поиски возможных занептунных планет. Он установил, что в поясе ±7°,5 от эклиптики за орбитой Нептуна нет каких-либо других планет ярче 18m. Спутник Земли Луна - наиболее заметный небесный объект после Солнца. Галилей обнаружил, что вокруг Юпитера также движутся спутники. Впоследствии спутники были открыты у Сатурна, Марса, Урана и Нептуна. Поиски и открытия спутников продолжаются до самого последнего времени. Открытие новых астероидов и комет происходит почти каждый год. Планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс по своим физическим характеристикам заметно отличаются от Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Меркурий, Венера, Марс и Земля объединяются в одну группу планет типа Земли. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в другую - группу планет типа Юпитера или планет-гигантов. Наши представления о планетах-гигантах гораздо менее определенны, так как мы не можем пользоваться аналогией с Землей при анализе наблюдений. На дисках Марса, Юпитера и Сатурна заметно множество интересных деталей. Одни из них принадлежат поверхности планет, другие - их атмосфере (облачные образования). В прошлом наблюдениям этих деталей придавалось большое значение, так как они давали единственный способ хотя бы что-то узнать о природе планет. Однако атмосферное дрожание не позволяет при наблюдениях с Земли безгранично улучшать качество изображения даже при использовании самых мощных телескопов. Предел (угловое разрешение 0",2-0",3) был достигнут уже в начале нашего столетия, и сейчас наблюдения деталей на дисках планет ведутся только для регистрации их изменений. Чтобы обнаружить новые детали, более тонкие, чем удавалось раньше, планеты фотографируются с помощью фототелевизионных камер, установленных на борту космических аппаратов. На таких изображениях видны детали в десятки и сотни раз меньшие, чем можно различить с Земли (см. § 134, 135, 136 и 137). Большую роль в изучении поверхности и атмосферы планет играют астрофизические методы спектроскопия и фотометрия в различных диапазонах, включая ультрафиолетовую и инфракрасную области, а также радиоастрономия. При этом измерения проводятся как с помощью наземных телескопов, так и приборов, установленных на борту пролетных и орбитальных автоматических межпланетных станций (см. § 115). В последнем случае имеется возможность изучать планеты гораздо более детально. Спускаемые аппараты позволяют проводить прямые исследования физико-химических свойств атмосферы и поверхности. На Луне выполнялись исследования с помощью сложных подвижных автоматов ("Луноходы") и непосредственно астронавтами, доставлявшимися на ее поверхность. В результате полетов советских и американских АМС к планетам Солнечной системы и к Луне наши знания о них в течение последних десяти лет существенно расширились. В особенности это касается Венеры и Марса, исследования которых с помощью космических аппаратов проводились многократно и имеют характер последовательно развивающейся длительной программы. Полеты космических аппаратов стали сейчас главным направлением планетных исследований. Однако наземные наблюдения планет еще долгое время будут иметь важное значение по двум причинам: 1) на космические аппараты трудно установить очень большие приборы - такие, как радиолокационные антенны и спектрографы высокой разрешающей силы; 2) космические аппараты пока не позволяют проводить достаточно длительного слежения за планетами, необходимого для изучения всякого рода изменений (сезонные изменения на Марсе, движения облаков на Юпитере и т.д.). Наземные астрономические обсерватории еще долгие годы будут наблюдать планеты и получать интересные данные о них. Но планетные исследования в целом уже не являются частью астрофизики, как это было 10-15 лет назад. Большой вклад в них вносят теперь геофизика, геохимия, геология, и на стыке этих наук с астрономией на наших глазах рождается новая область науки или даже целая ветвь связанных между собой наук, занимающихся изучением планет (физика планет, планетохимия, планетология).

§ 130. Планета Земля

Мы знаем о Земле намного больше, чем о других планетах Солнечной системы. Поэтому прежде чем перейти к ним, мы остановимся на физических характеристиках Земли. Такие вопросы, как форма Земли, ее масса, движение по орбите, вращение, уже разбирались, и мы не будем к ним возвращаться. Мы рассмотрим здесь в общих чертах внутреннее строение Земли, строение ее атмосферы, данные о физических условиях на границе атмосферы и межпланетного пространства. Литосфера и гидросфера. Рассматривая физическое строение Земли по вертикали, можно убедиться, что она представляет собой ряд концентрических сферических или почти сферических оболочек: самая внешняя оболочка - газовая атмосфера, затем идет жидкая оболочка - гидросфера, которая частично покрывает основную массу планеты - литосферу. Литосфера и атмосфера в свою очередь разделяются на ряд сферических слоев, не одинаковых по своим физическим свойствам. Рассмотрим сначала литосферу. Как изменяются ее свойства с глубиной. Казалось бы, мы не в состоянии ничего об этом узнать, находясь на ее поверхности. Ведь самые глубокие скважины до недавнего времени не превышали 6 км и только в последние годы был поставлен вопрос о бурении сверхглубоких скважин глубиной 10-20 км. Но ведь и это очень мало в сравнении с радиусом Земли. Тем не менее кое-что о строении литосферы мы знаем. �нформацию об этом нам дают момент инерции Земли и землетрясения. Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см3. Это почти вдвое больше, чем плотность поверхностных пород (около 3 г/см3). Следовательно, с глубиной плотность возрастает. Момент инерции шара, плотность которого возрастает к центру, меньше, чем у однородного шара. Чем больше концентрируется масса к центру, тем меньше момент инерции. Момент инерции Земли можно определить по скорости прецессии точек равноденствия. Он равен 0,83 от момента инерции однородного шара. Этот факт уже накладывает определенные ограничения на степень концентрации массы к центру; она не может быть ни очень большой, ни очень малой. Дальнейшее уточнение дает сейсмология - наука о землетрясениях. Установлено, что время землетрясений, так же как и во время сильных взрывов, в литосфере (от некоторой точки, называемой эпицентром) распространяются сейсмические волны, достигающие самых глубоких слоев Земли. Эти волны регистрируются сейсмографами приборами, записывающими колебания почвы. Сейсмические волны бывают двух типов: продольные и поперечные. В продольных волнах частицы сдвигаются вдоль направления распространения волны (как в звуковых волнах), в поперечных - перпендикулярно к этому направлению. Скорость продольных волн больше, чем поперечных. Когда сейсмическая волна встречает какую-либо границу раздела, происходит ее отражение и преломление. Наблюдая сейсмические колебания в различных точках земной поверхности и зная время пробега волн различных типов, можно определить глубину границ, на которых происходит изменение свойств пород, и величину самих изменений. Поперечные волны не могут распространяться в жидкой среде, так как жидкость не сопротивляется поперечному сдвигу. Поэтому наличие поперечных волн говорит о том, что литосфера является твердой вплоть до больших глубин. Однако в начале этого столетия было доказано, что, начиная с глубины 3000 км, поперечные волны распространяться не могут. Отсюда был сделан вывод: внутренняя часть литосферы образует ядро, которое находится в расплавленном состоянии. Более поздние исследования показали, что ядро делится на две зоны: внутреннее ядро (радиус около 1300 км), которое, вероятно, является твердым, и жидкое внешнее ядро (радиус около 3400 км). Твердая оболочка тоже неоднородна - в ней имеется резкая поверхность раздела на глубине около 40 км. Эта граница называется поверхностью Мохоровичича. Область выше поверхности Мохоровичича называется корой, ниже мантией. Мантия, как и кора, находится в твердом состоянии, за исключением отдельных лавовых "карманов". Плотность мантии нарастает с глубиной от 3,3 г/см3 у поверхности Мохоровичича до 5,2 г/см3 у границы ядра. На границе ядра она скачком возрастает до 9,4 г/см3. Плотность в центре Земли находится в пределах от 14,5 г/см3 до 18 г/см3. У нижней границы мантии давление достигает 1 300 000 атм. В лабораториях таких высоких давлений пока получить не удалось. Долгое время существовала уверенность, что ядро состоит из расплавленного железа, однако многие сейчас полагают, что его состав такой же, как и мантии (скорее всего, окислы кремния, магния, железа), а разница в физических свойствах вызвана высоким давлением. При спуске в шахты температура быстро повышается - примерно 20° на км. Если бы температура нарастала такими темпами в глубину, то в центре Земли она превышала бы 100 000 °К. Но известно, что мантия находится в твердом состоянии и, следовательно, ее температура нигде не может превышать точки плавления.