Текст книги "Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса"

Автор книги: Уильям Уоллер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 13 страниц)

• Аберрация звездного света. Представьте, что вас застал сильный ливень – и, к счастью, вы предусмотрительно захватили зонтик. Ветра нет, поэтому дождь льет прямо вниз. Пока вы стоите и держите зонт над головой, он закрывает вас, и ливень вам не страшен. Но если вы пойдете быстрым шагом, то вам покажется, что струи отклонились от вертикали и бьют вам в лицо, – и вы, заслоняясь от них, наклоните зонт вперед. Тот же самый эффект имеет место при падении звездного света на вращающуюся Землю – и выражается в том, что звезды, которые, согласно расчетам, должны были бы располагаться прямо над головой, кажутся слегка смещенными на восток, по направлению вращения Земли. Это «отклонение» звездного света составляет всего 1/11000°. Более быстрое орбитальное движение Земли вокруг Солнца приводит к гораздо большему отклонению, составляющему 1/100°. Эти смещения не столь существенны, но их достаточно, чтобы подтвердить вращение Земли и ее движение по орбите, – и поэтому астрономы вносят корректировки каждый раз, когда им требуется точно навести свои оптические исследовательские телескопы на определенные точки неба.

• Скорости самолета. Пришло время «отвлекающего маневра». На некоторых широтах скорость у самолета, летящего на восток, выше, чем у того, который летит на запад, – и может показаться, что вращение Земли, направленное с запада на восток, ускоряет один самолет и в то же время замедляет второй. Однако эти различия в скоростях можно в полной мере объяснить дующими на восток ветрами – попутными для одного самолета и встречными для другого. И более того, поскольку каждый самолет взлетает с вращающейся Земли, то он разделяет ее движение, и поэтому скорость его полета относительно земной поверхности не зависит от вращения планеты.

Небесные долготы и широты

Поскольку наши представления о дневном и ночном небе «прикованы к Земле» и во многом зависят от нашего географического местоположения и времени суток, астрономы, стремясь принять все это во внимание, разработали специальную картографическую систему координат. Она называется экваториальной, и, по сути, это проекция земной градусной сетки с ее координатами долготы и широты на небесную сферу (рис. 2.3). Чтобы увидеть ее в действии, рассмотрим небесный экватор – большой круг, проекцию экватора Земли на космическое пространство. Небесные широты к северу или югу от небесного экватора измеряют в градусах, угловых минутах и угловых секундах (обычно эти единицы сокращенно обозначают символами °, ′, ″), где 1 градус равен 60 угловым минутам, а 1 угловая минута насчитывает 60 угловых секунд. Небесную широту астрономического объекта, как правило, называют склонением (в астрономии оно обозначается как δ или Dec, от латинского слова declinatio – «наклон»). Созвездие Ориона находится на небесном экваторе, и поэтому его склонение близко к 0°. Полярная звезда, напротив, сейчас находится вблизи Северного полюса мира (проекция земной оси на небесную сферу), и поэтому ее склонение очень близко к +90°. (Магнитная ось Земли постоянно отклоняется от оси вращения планеты, и Северный магнитный полюс в настоящее время располагается примерно на 86-й параллели северной широты.)

Рис. 2.3. Земная система координат – это основа для экваториальной системы небесных координат, используемой наиболее часто. Здесь внутренняя сфера представляет Землю, а внешняя – небесную сферу. Небесная широта (склонение) измеряется относительно небесного экватора. В северном небесном полушарии склонение считается положительным, а в южном – отрицательным. Небесная долгота (прямое восхождение) измеряется по направлению на восток от линии долготы, пересекающей точку весеннего равноденствия.

Как и линии постоянной небесной широты, линии постоянной небесной долготы соответствуют проекциям меридианов Земли на небесную сферу. Они очерчивают большой круг, проходящий как через Северный, так и через Южный полюсы мира. Однако из-за суточного вращения Земли систему координат для расчета небесной долготы необходимо соотносить с определенным местоположением на небесной сфере (а не на Земле). Им стала точка весеннего равноденствия, в которой Солнце пересекает небесный экватор каждый март, когда «выходит» на северное небо. Небесные долготы измеряются в направлении с запада на восток от этой точки в часах, минутах и секундах, при этом полный круг, составляющий 360°, соответствует 24 часам.

Но как же так – ведь эти единицы приняты для измерения времени? Почему мы используем именно их? Причина в том, что каждые 24 часа суточное вращение Земли смещает те линии постоянной небесной долготы, которые определяются в системе координат, связанной с земным шаром. А чтобы установить, где на небе в любой момент появится тот или иной объект, необходимо знать как его небесную долготу, так и время суток, и если обозначить небесную долготу в единицах времени, то можно упростить расчеты. В астрономии для обозначения небесной долготы принят особый термин – прямое восхождение (сокращенно α или RA, от англ. right ascension). Часы, минуты и секунды (в которых отсчитывается и часовой угол) обычно сокращаются как h, m, s – от соответствующих английских слов hour, minute, second. Прямое восхождение и склонение небесного тела полностью описывают его положение на небесной сфере. Например, туманность Ориона в Мече Ориона имеет следующие координаты: RA 5^h 35^m 17,3^s и Dec –5°23′28″.

В едином ритме с колебанием Земли

Располагать астрономические объекты в системе координат, связанной с Землей, довольно проблемно, поскольку со временем эти координаты, пусть и медленно, но все-таки меняются. Об этом впервые упомянул около 140 года до нашей эры древнегреческий астроном Гиппарх. Сравнив свои наблюдения с астрономическими записями, сделанными за предшествующие 150 с лишним лет, он обнаружил, что долготы некоторых ярких звезд, расположенных вдоль зодиака, изменились на эквивалент 2°. Это равняется угловому смещению примерно на 50″ в год, и по прошествии долгого времени положение может перемениться очень заметно. Например, даже точка весеннего равноденствия за последние 2000 лет сместилась вдоль небесного экватора на 28°. Пять тысяч лет назад, во времена, когда в истории Древнего Египта шел династический период, Солнце пересекало небесный экватор в созвездии Тельца, а сегодня это происходит в созвездии Рыб. Такое смещение влечет всевозможные последствия для астрологии. Скажем, если ваш астрологический «солнечный знак» – Стрелец, это не значит, что Солнце в день вашего рождения непременно находилось в созвездии Стрельца. И более того, все астрологические солнечные знаки смещены примерно на одно зодиакальное созвездие по сравнению с тем расположением Солнца в зодиакальном круге, которое мы наблюдаем сейчас в том или ином месяце.

Как нам теперь известно, это долговременное смещение вызвано тем, что наша планета не только вращается, но еще и покачивается, как волчок. Полный цикл колебания (или прецессии) земной оси занимает примерно 26 000 лет. Сейчас она указывает на Полярную звезду, а также примерно на 23,5° отклонена от перпендикуляра, проведенного к плоскости земной орбиты, и со временем прецессирует вокруг него, причем общий угол поворота между ними остается неизменным. Как показано на рис. 2.4, из-за прецессии земной оси Северный полюс мира проходит по окружности, угловой радиус которой равен 23,5°. Сейчас этот полюс находится в созвездии Малой Медведицы, и его можно найти по Полярной звезде, а 5000 лет назад он был в созвездии Дракона, и северный полюс земной оси указывал на Тубан. Возможно, эта предыдущая «полярная звезда» служила ориентиром творцам древних пирамид – и поможет объяснить, как им удалось выровнять эти памятники точно на истинный север.

Но это еще не все. Прецессионное движение земной оси сместило даже времена года. Представим, что сейчас 21 декабря и Земля находится в той части своей орбиты, когда Солнце пребывает в южном созвездии Стрельца, а северный полюс земной оси максимально отклонен от Солнца (рис. 2.5). Мы отмечаем это время как зимнее солнцестояние в Северном полушарии и летнее солнцестояние в Южном. А если мы теперь перенесемся на 13 000 лет вперед и вообразим Землю в той же части ее орбиты, то увидим, что земная ось на целых 57° отклонилась от направления, в котором она указывает в наши дни. Северный полюс мира в это время окажется в Веге, и поэтому 21 декабря северный полюс земной оси будет направлен к Солнцу, Стрелец расположится на северном небосклоне, а зимнее солнцестояние в Северном полушарии станет летним (в Южном все будет наоборот).

Рис. 2.4. Спроецированная на небесную сферу окружность, которую «чертит» земная ось. Сейчас северный полюс оси указывает на Полярную звезду в созвездии Малой Медведицы. Но 5000 лет назад он был направлен на Тубан, α Дракона, а через 13 000 лет нацелится на Вегу, α Лиры. (На основе материалов Roen Kelly, Astronomy Magazine.)

Рис. 2.5. Прецессия земной оси медленно меняет отношения Земли и Солнца. В первом случае Земля находится в той части своей орбиты, которая соответствует зимнему (декабрьскому) солнцестоянию, когда Солнце пребывает в Стрельце. Северное полушарие «отвернуто» от Солнца, и солнечный свет падает на него под малыми углами – а жители севера чувствуют, что пришла зима. По прошествии 13 000 лет земная ось пройдет половину прецессионного цикла, так что Северное полушарие будет обращено к Солнцу, и соответствующие времена года в Северном и Южном полушариях поменяются местами: в декабре на север придет лето, на юг – зима.

Даже когда временные масштабы намного короче, астрономам приходится учитывать прецессионное движение земной оси каждый раз, когда они вычисляют положение объектов в экваториальных координатах. Обычно при этом ссылаются на табличные каталоги, в которых координаты объектов приводятся по отношению к определенной эпохе. Эти каталоги меняются каждые 50 лет. Годы позволяют мне ссылаться и на старые каталоги из эпохи B1950.0, и на более современные, из эпохи J2000.0. Чтобы определить фактическое положение любого небесного тела, необходимо «прецессировать» координаты, указанные в каталоге, на текущую эпоху. Как правило, в наши дни это делают с помощью программного обеспечения телескопа или онлайн– калькуляторов.

Ежемесячное перемещение ночного неба

По мере того как дни превращаются в месяцы, можно заметить, что некоторые вечерние звезды заходят на западе еще до темноты, а перед рассветом на востоке восходят те, что раньше были невидимы, и кажется, будто вся ночная панорама небесной сферы медленно вращается вокруг нас с востока на запад. С тех пор это интуитивное представление сменилось современным, в котором небесная сфера остается неподвижной, а Земля совершает свой путь вокруг Солнца, поэтому теперь перемещение ночного неба с востока на запад понимают как отражение ежегодного орбитального движения Земли. Если смотреть с нашей планеты, то создается впечатление, что Солнце заграждает одни области неба и уступает дорогу другим (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Пока Земля обращается вокруг Солнца, «звездный купол», видимый ночью, медленно перемещается на запад. Рассмотрим ситуацию, когда Солнце пребывает в Рыбах, а «звездный купол» в полночь симметричен относительно Девы. По прошествии трех месяцев Солнце окажется в Близнецах/Тельце, а полуночный «звездный купол» сместится на запад и будет симметричен относительно Стрельца. Из-за орбитального движения Земли на востоке теперь видны новые звезды, а другие исчезают из вида на западе.

Скорость смещения можно рассчитать на основе времени, необходимого Земле для завершения полного оборота по орбите. Поскольку наша планета описывает круг в 360° примерно за 365 дней, оно составляет приблизительно 1° в день. Мы столь неотделимы от Солнца, что воспринимаем это смещение как ежедневную смену связанного с Солнцем времени восхода и захода звезд. Этот временной сдвиг можно высчитать, умножив ежедневное изменение угла, выраженное дробью, на полные 24 часа: (1°/360°) ∙ 24 часа = = 1/15 часа, или 4 минуты в день. Он объясняет и то, почему время, за которое Земля совершает один оборот вокруг своей оси относительно удаленных звезд, составляет 23 часа 56 минут, а период ее вращения относительно Солнца (т. е. солнечные сутки) на 4 минуты больше и ближе к привычной нам продолжительности в 24 часа.

«Странствующие» планеты

В отличие от звезд, видимое движение которых по ночному небу совершается сложным, но понятным способом, с планетами все сложнее. Вместо того чтобы медленно смещаться на запад вместе со звездами, они, как кажется, перемещаются из одного зодиакального созвездия в другое в течение недель (Меркурий), месяцев (Венера и Марс), лет (Юпитер и Сатурн) и десятилетий (Уран и Нептун). Эти «странствия» объясняются просто: планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной и той же плоскости, но с очень разными скоростями.

Меркурий и Венера гораздо ближе к Солнцу, чем Земля, и их орбитальные периоды значительно короче земного. Поэтому мы обычно видим их на западе вскоре после захода Солнца или на востоке незадолго до восхода, из-за чего рождаются ошибочные наименования «вечерняя звезда» и «утренняя звезда». Меркурий никогда не «отходит» от Солнца более чем на 28°, так что его обычно можно заметить в отблесках рассвета или заката. Он появляется то на утреннем, то на вечернем небе, меняя положение каждые четыре месяца. Я видел Меркурий раз десять, не больше, и самый запоминающийся случай произошел в моей юности, когда я работал охранником и сторожил парковку чайной фабрики «Липтон». Перед самым восходом, когда прибыли рабочие утренней смены, длинноволосый охранник, встретивший их, указывал на восточный горизонт и восклицал: «Смотрите, смотрите, Меркурий!» К сожалению, вряд ли мои призывы внушили им уверенность в своей безопасности.

Венера почти вдвое дальше от Солнца, чем Меркурий, и если наблюдать за ней с Земли, то мы увидим, что от предрассветного восточного горизонта – или от западного горизонта после заката – она отходит намного дальше, на целых 47°. Венера постепенно перемещается между вечерним и утренним небом и каждые девятнадцать месяцев оказывается в одной из так называемых наибольших элонгаций. Поэтому ей можно любоваться на протяжении нескольких часов после заката и до восхода, пока небо полностью темное. Венера выглядит настолько яркой, что часто ее ошибочно принимают за самолет или НЛО.

Орбита Марса в 1,5 раза дальше от Солнца, чем орбита Земли, поэтому можно увидеть, как он перемещается по всему зодиакальному кругу. Примерно каждые два года Земля обгоняет Марс – так атлет, бегущий по внутренней дорожке трека, «обходит» соперника, бегущего по внешней. Когда это происходит, создается впечатление, что Марс прекращает свой путь на восток и меняет курс на противоположный – говорят, что он совершает ретроградное движение, – а по прошествии нескольких месяцев вновь ненадолго останавливается и после снова идет на восток (рис. 2.7).

Наблюдения показывают, что все планеты, орбиты которых пролегают за пределами земной, в какой-то момент прерывают движение на восток и движутся попятно, на запад, причем иногда на протяжении нескольких месяцев, после чего снова возобновляют свой путь на восток. Опять же, эти необычные передвижения можно объяснить тем, что примерно за один земной год Земля «обгоняет» эти медленные планеты. Запомнить, как движется по небу Юпитер, довольно легко. Его орбитальный период почти равен двенадцати годам, и из одного зодиакального созвездия в другое он переходит примерно за год. В тот год, когда я начал писать эту книгу (2015), а также в следующем году (2016) Юпитер пребывал в созвездии Льва, как и в 2004, 1992 и 1980 годах, когда я впервые начал следить за его продвижением по зодиаку. В 2017 году он пребывал в созвездии Девы, а в последующие годы – в Весах, Скорпионе и так далее. К ретроградному движению Юпитер переходит по прошествии каждых 399 земных суток (у него этот период гораздо ближе к земному году, чем у Марса). У более далеких планет на полный оборот вокруг Солнца уходит еще больше времени, поэтому каждый год они проходят через соразмерно меньшие участки ночного неба, а их крошечные ретроградные «петли» происходят почти ежегодно (и почти точно отражают орбитальное движение «обгоняющей» Земли). В четвертой главе мы еще поговорим о планетах.

Рис. 2.7. Орбиты, по которым Земля и Марс обращаются вокруг Солнца. Земля на внутренней орбите движется быстрее и «обгоняет» Марс, и возникает впечатление, что Марс меняет курс на противоположный и движется попятно (см. линии 2–4). Только по прошествии нескольких месяцев наблюдатель увидит, что Марс возобновил свое прямое движение на восток через зодиакальные созвездия (см. линию 5). (Материалы любезно предоставлены Brian Brondel, Wikimedia Commons.)

Облики Луны

Луна совершает полный оборот вокруг Земли каждые 27,3 суток – это ее так называемый сидерический период обращения. Но с нашей «орбитальной платформы» кажется, будто Луна запаздывает и возвращается в одну и ту же точку неба каждые 29,5 суток. Этот наблюдаемый период обращения, названный синодическим, побудил наших далеких предков установить календарный «месяц», составляющий двенадцатую часть полного земного года. Чтобы обогнуть Землю за считаные дни, Луна движется по ночному и дневному небу с солидной скоростью в 12° в сутки и благодаря этому каждые 2,5 суток проходит через новое зодиакальное созвездие.

Но с Луной происходит не только это! На пути по небу она поразительно меняет свой облик, или видимую форму. Через несколько дней после новолуния (периода, когда Луна практически невидима) перед нами предстанет молодой, или растущий, месяц, отчетливо видный на безоблачном западном горизонте после заката, в наступающих сумерках. По прошествии еще нескольких дней Луна переместится на восток, окажется под углом в 90° к заходящему Солнцу, и можно будет рассмотреть ее сторону, обращенную к Земле, в тот момент, когда эта сторона освещена наполовину, – в так называемой фазе первой четверти. В этот день Луна восходит около полудня, около шести вечера достигает наивысшей точки в своем пути на запад и заходит ближе к полуночи. Еще несколько дней – и Луна начнет прибывать, поскольку Солнце осветит больше половины ее стороны, видимой с Земли. В это время она восходит днем, ближе к вечеру, и заходит перед рассветом. По истечении пятнадцати дней с новолуния, верно рассчитав время, можно застать момент, когда на востоке восходит полная Луна, а на западе, озаряя ее, садится Солнце. Оказавшись между светилами, вы увидите самый совершенный лунный облик, – и поверьте, это потрясающий миг. В полнолуние светло всю ночь, поскольку Луна восходит в час заката, в полночь достигает вершины в своем пути на запад и заходит на рассвете.

После полнолуния освещенная часть Луны, обращенная к Земле, начинает уменьшаться, – и говорят, что Луна «убывает». В этой фазе она восходит после наступления темноты и заходит в середине утра. В последней четверти Луна восходит в полночь, достигает наивысшей точки на восходе и заходит в полдень, – ее легко увидеть днем. Потом наступает фаза «старой» Луны, заметной в предрассветные часы над восточным горизонтом. Все эти фазы – итог «сценического» освещения, создаваемого Солнцем. Поскольку Солнце для Луны – это единственный источник света, их взаимное положение определяет, насколько сильно будет озарена обращенная к Земле половина нашего спутника (рис. 2.8). Когда Солнце и Луна находятся в одной части неба, Солнце, находясь дальше от нас, подсвечивает Луну сзади, и при этом сторона Луны, обращенная к Земле, почти не освещена. Именно в это время мы видим серпы полумесяца. Постепенно Луна отходит все дальше от направления, в котором движется Солнце, и ее сторона, обращенная к Земле, освещается все сильнее. А полнолуние знаменует тот идеальный миг, когда Луна располагается напротив Солнца и вся ее половина, обращенная к Земле, светится, словно личико фарфоровой куколки.

Рис. 2.8. Схематический рисунок Луны во всех ее положениях на орбите. Свет удаленного Солнца озаряет Луну и Землю. Размеры даны условно. На Земле отмечены места восхода, полудня, заката и полуночи. Пунктирные линии, идущие от Земли к Луне, показывают, какие части Луны видны с нашей планеты. Например, в полнолуние обращенная к Земле сторона Луны полностью освещена, и в полночь создается впечатление, что полная Луна располагается на самой вершине неба. Для сравнения: в первой четверти у Луны освещена только половина стороны, видимой с Земли. В этом случае Луна кажется самой высокой на небе тем, кто смотрит на закат.

Очарование затмений

Если бы Луна обращалась вокруг Земли в той же плоскости, в какой Земля совершает оборот вокруг Солнца, то при наступлении новолуния она неизменно затмевала бы Солнце, а в полнолуние всегда бы скрывалась в тени Земли. Но и солнечные, и лунные затмения не настолько часты – а значит, все немного иначе. На самом деле плоскость лунной орбиты отличается от плоскости земной и наклонена к ней примерно на 5°. Как правило, этого хватает, чтобы в новолуние наш спутник прошел выше или ниже Солнца, не закрывая его от наблюдения с Земли. И этого же углового смещения достаточно для того, чтобы земная тень не коснулась полной Луны. Однако лунная орбита все же пересекается с земной, и когда Луна в новолуние или полнолуние оказывается в точке этих пересечений, происходят затмения. Поэтому примерно каждые 1,5 года в новолуние где-то на Земле видно солнечное затмение, а пятнадцать дней спустя, в полнолуние, – затмение лунное (рис. 2.9).

Полное солнечное затмение – одно из самых захватывающих космических явлений, которое можно увидеть с Земли. Поскольку Луна в новолуние проходит точно между Солнцем и Землей, она отбрасывает тень, которая мчится по земной поверхности со скоростью свыше 1500 км/ч. Ширина полосы тени – чуть больше полутора сотен километров, и она затемняет то или иное место на Земле не более чем на семь минут. Но и за эти мимолетные мгновения вы невольно содрогнетесь, когда тьма стремительно окутает весь мир и Солнце скроется во мраке. В этот миг Луна находится на таком расстоянии от Солнца, что затмевает его целиком, и в светлом ореоле, окружающем почерневший диск, предстают границы солнечной короны, обычно скрытой за блистающей поверхностью нашей звезды. За пределами короны, на затемненном небе, видны планеты и самые яркие звезды, а вдоль горизонта, на границе лунной тени, небо озарено цветами вечерних зарниц. Но проходит совсем немного времени, и Луна перемещается настолько, что показывается крошечный отблеск солнечной поверхности и Солнце становится похожим на «кольцо с бриллиантом». Самая темная часть лунной тени уходит, полное затмение завершается, – и наблюдателям остается лишь любоваться фазами частного затмения, пока Солнце снова не засияет в полную силу.

Лунные затмения, по сравнению с солнечными, гораздо спокойнее и лучше подходят для того, чтобы ближе к полуночи устроить вечеринку с коктейлями. По размерам Земля превосходит Луну, и полутень, отбрасываемая нашей планетой во время лунного затмения, намного больше, чем у Луны во время солнечного, поэтому вся сторона Луны, обращенная к Земле, скрывается во тьме и остается в ней дольше. Более того, видеть Луну во время затмения могут все, кто находится на ночной стороне Земли. Незачем тратить огромные деньги и преодолевать огромные расстояния только для того, чтобы оказаться на каком-то особом участке земной поверхности: шансов застать лунное затмение, оставаясь в родном городе, у вас гораздо больше. И, возможно, еще вы увидите, что каждое лунное затмение имеет свои особые черты. Когда солнечный свет проходит через земную атмосферу, его часть рассеивается к затемненной Луне, и если атмосфера полна пыли – скажем, после недавнего извержения вулкана, – то рассеяние будет более выраженным и Луна приобретет красновато-медный цвет. Так перемены в атмосфере Земли меняют у затмеваемой Луны яркость и оттенок.

Рис. 2.9.Слева: геометрическая схема полного солнечного затмения. С участков Земли, попадающих в область тени, видно полное затмение, с тех, что находятся в полутени, – частное. Справа: геометрическая схема полного лунного затмения. Здесь область тени, отбрасываемой Землей, шире Луны. (На основе материалов Paul Derrick’s Stargazer, www.stargazerpaul.com/s_eclips.htm.)

Времена года: оборот, вращение, наклон

О временах года я решил поговорить лишь в самом конце этой главы, поскольку во многом понять их сложнее всего. Задайте кому-нибудь вопрос, как происходит смена сезонов, и вам, возможно, ответят, что это как-то связано с наклоном земной оси. Хорошо, пусть так. Действительно, мы уже упоминали, что земная ось наклонена на 23,5° к плоскости орбиты нашей планеты. Помимо прочего, этот ответ означает, что ваш собеседник отверг идею, согласно которой расстояние от Земли до Солнца меняется настолько сильно, чтобы вызвать смену сезонов. Земная орбита – почти круговая, и перемены в расстоянии до Солнца, на котором оказывается Земля в своем годичном пути, настолько несущественны, что на характер времен года они не влияют. И даже если бы это расстояние изменилось серьезно, это отразилось бы на обоих полушариях, – но все свидетельствует об ином. Большинству людей известно: когда в Северном полушарии зима, в Южном царит лето, и наоборот. Но если мы продолжим задавать вопросы, то выяснится вот что: оказывается, многие часто полагают, что именно из-за наклона оси вращения Земли одно полушарие оказывается значительно ближе к Солнцу и поэтому нагревается сильнее, чем другое. Вот здесь и пригодятся некоторые простые вычисления. Учитывая наклон земной оси в 23,5°, максимальное смещение земной поверхности по направлению к Солнцу или от него составляет всего 2543 км. Сравните это с расстоянием в 150 млн км от Земли до Солнца, и наибольшая величина эффекта, полученная при расчетах, составит 0,01695 %. Видимо, у столь ярко выраженных изменений климата при переходе между зимой и летом все же иная причина.

Рассмотрим ситуацию, представленную на рис. 2.10. Земля находится в той части своей орбиты, где Северное полушарие максимально отклонено от Солнца, а Южное максимально наклонено к нашей звезде. Теперь посмотрите на солнечные лучи, направленные к земной поверхности. В Северном полушарии они падают под малым углом к горизонту, и «северяне», посмотрев на Солнце, увидели бы, что оно располагается низко на южном небе. Если уподобить лучи параллельным световым потокам, то мы увидим, что каждый из них распространится по значительной площади Земли, и поэтому его способность освещать Землю будет соразмерно слабее. Тусклое освещение земной поверхности приводит к наступлению зимы, причем чем севернее широта, тем суровее условия. А на Южное полушарие солнечные лучи падают одновременно, под большими углами к горизонту, и в небе «южан» солнце стоит высоко. И поскольку угол падения солнечных лучей по отношению к горизонту в данном случае больше, их способность освещать земную поверхность гораздо выше, поэтому и возникают условия лета.

В конечном итоге угловая высота Солнца над горизонтом зависит от местной широты и от угла наклона земной оси к Солнцу или от него. В день летнего солнцестояния угловая высота полуденного Солнца высчитывается так: 90° – широта места + 23,5°, а в день зимнего – так: 90° – широта места – 23,5°. Например, мой дом в Рокпорте, штат Массачусетс, располагается на широте + 42,5°. В день летнего солнцестояния угловая высота Солнца в наивысшей точке полуденного неба составляет 71°, и полученного солнечного излучения хватает, чтобы ходить в шортах и футболке. Подождите полгода, когда полуденное Солнце поднимется над южным горизонтом всего на 24° – и настанет время утепляться!

В дни весеннего и осеннего равноденствий Земля, идущая по орбите, достигает такого положения, когда ее ось не наклонена к Солнцу и не отклонена от него. В этом случае, когда наклон оси не играет никакой роли, угловая высота Солнца зависит только от широты, так что для обоих равноденствий она высчитывается так: 90° – широта. В Рокпорте я бы видел полуденное Солнце на средней угловой высоте в 47,5° над горизонтом, и мир вокруг меня получал бы достаточно солнечного тепла, чтобы мне было комфортно в легком свитере или куртке.

Рис. 2.10. Освещение Земли солнечными лучами 21 декабря. Показаны различия на севере и юге. Разница в угловой высоте Солнца над местным горизонтом – низкое положение в небе для «северян» и высокое для «южан» – приводит к ощутимой разнице в том, как Солнце нагревает поверхность Земли. По воле случая полная Луна, расположенная напротив Солнца, кажется «северянам» самой высокой на небе, и в это время зимние полуночные прогулки по заснеженным полям могут быть особенно прекрасны.

Завершающий пассаж

Итак, мы представили наше положение на сферической поверхности родной планеты, вращающейся и вокруг себя, и вокруг своей звезды, и попытались осмыслить дневное и ночное небо в его вечном непостоянстве. Когда речь идет о звездах, планетах, Солнце и Луне, то многое из того, что мы видим, можно понять лишь в том случае, если в нашем разуме будет надежная трехмерная модель – неудивительно, что нашим далеким предкам потребовалось так много времени, чтобы во всем разобраться! Важнейший аспект этой пространственной рекогносцировки всегда состоял в том, чтобы измерить расстояния до самых разных объектов, которые в неисчислимом множестве предстают перед нами на небосводе. Если бы мы не сумели высчитать эти расстояния, то с чем бы нам пришлось остаться? Разве что с увлекательным, но непознаваемым «ассортиментом» дневных и ночных небесных светил. Поэтому первейшая задача астрономии заключается в установлении все более точных расстояний до небесных объектов, насколько бы далеко они ни находились. В следующей главе мы исследуем удивительную пространственную иерархию материи, которую мы постигали на протяжении всей нашей истории, всматриваясь в космическую даль. Потом мы кратко изучим Солнечную систему, а дальше отправимся в другие звездные миры – ко Млечному Пути, к иным галактикам, в глубины нашей вечно расширяющейся Вселенной.

3. Космические дали

Это пространство мы называем бесконечным, потому что нет основания, условия, возможности, смысла или природы, которые должны были бы его ограничить; в нем находится бесконечное множество миров, подобных нашему… ^[1]