Предварение равноденствий. Прецессия и нутация Тропический и звездный год прецессия оси земли

Который соответствует интервалу от равноденствия до равноденствия. Поэтому эффект предварения равноденствий фактически включён в действующий календарь .

Причины

Основная причина предварения равноденствий - прецессия , периодическое изменение направления земной оси под влиянием притяжения Луны , а также (в меньшей степени) Солнца . Как указал Ньютон в своих «Началах» , сплюснутость Земли вдоль оси вращения приводит к тому, что гравитационное притяжение тел солнечной системы вызывает прецессию земной оси ; позже выяснилось, что к аналогичным последствиям приводит неоднородность плотности распределения масс внутри Земли. Величина прецессии пропорциональна массе возмущающего тела и обратно пропорциональна кубу расстояния до него; чем быстрее вращается прецессирующее тело, тем меньше скорость его прецессии .

В результате прецессии земная ось описывает в пространстве конус. Поворот земной оси смещает и связанную с Землёй экваториальную систему небесных координат относительно удалённых, практически неподвижных на небесной сфере звёзд. На небесной сфере ось описывает окружность так называемого малого круга небесной сферы с центром в северном полюсе эклиптики для северного полушария и в южном полюсе эклиптики - для южного полушария , с угловым радиусом примерно 23,5 градуса . Полный оборот по этой окружности происходит с периодом (по современным данным), составляющим примерно 25 800 лет . В течение года скорость земной прецессии, вызванной данным небесным телом, меняется - например, для Солнца она максимальна в дни солнцестояния , а в дни равноденствия равна нулю .

Существуют и другие причины смещения земной оси, в первую очередь - нутация , периодическое, быстрое относительно периода прецессии, «покачивание полюсов». Период нутации земной оси равен 18,61 года, и её средняя амплитуда составляет около 17" (угловых секунд). При этом на угол наклона земной оси к плоскости эклиптики прецессия (в отличие от нутации) не влияет .

Кроме Луны и Солнца, прецессионное смещение вызывают и другие планеты (в основном из-за уменьшения наклона плоскости эклиптики к экватору), но оно невелико, в сумме примерно 12 угловых секунд в столетие и направлено противоположно лунно-солнечной прецессии . Имеются и другие факторы, возмущающие направление земной оси - апериодическое «блуждание полюсов », изменения океанических течений, движение атмосферных масс, сильные землетрясения, изменяющие форму геоида и т. п., однако их вклад в смещение земной оси по сравнению с прецессией и нутацией ничтожен .

Аналогичные явления происходят на других планетах и их спутниках. Например, ось Юпитера под влиянием его многочисленных спутников и Солнца смещается на −3,269 секунды дуги в год (в начале XX века предполагалось, что угловая скорость прецессии юпитерианской оси составляет примерно полградуса за юпитерианский год, или примерно в 50 раз больше настоящего значения ). Ось Марса прецессирует с угловой скоростью −7,6061(35) секунды дуги в год . Существует и лунная прецессия двух типов - орбитальная прецессия с периодом 8,85 года и прецессия узлов с периодом 18,6 года .

Последствия

Поворот оси нашей планеты имеет разнообразные последствия. Направление прецессионного смещения противоположно направлению осевого вращения Земли, поэтому прецессия сокращает продолжительность тропического года , измеряемого от равноденствия до равноденствия. Другими словами, тропический год становится на 20 минут короче звёздного . Поскольку долготы звёзд отсчитываются от точки равноденствия, все они постепенно увеличиваются (на 50,26" ежегодно) - именно этот эффект и привёл к открытию данного явления .

В ходе прецессии вид звёздного неба, видимый в тех или иных широтах, меняется, так как меняются склонения тех или иных созвездий, и даже время года их наблюдения. Некоторые созвездия, видимые сейчас в средних широтах северного полушария Земли (например, Орион и Большой Пёс), постепенно опускаются под горизонт и через несколько тысяч лет будут почти недоступны для этих широт, зато на северном небе появятся созвездия Центавр , Южный Крест и ряд других. Конечно, не все созвездия южного полушария будут доступны в результате прецессии - выше всех поднимется современное «летнее» небо, меньше - «осеннее» и «весеннее», зимнее небо, наоборот, опустится, так как в настоящее время оно максимально «поднято» .

Схожие процессы будут и в Южном полушарии. Многие созвездия Северного полушария, которые в настоящее время не показываются в Южном, станут там видны, причём выше всего поднимется современное «зимнее» небо, которое видно из Южного полушария как летнее. Например, спустя 6 тысяч лет будет доступно из средних широт Южного полушария для наблюдения созвездие Большая Медведица , а 6 тысяч лет назад там была видна Кассиопея .

Полюс мира сейчас почти совпадает с Полярной звездой . Во времена строительства Великих пирамид в древнем Египте (около 4700 лет назад) он находился вблизи звезды Тубан (α Дракона). После 2103 года полюс начнёт удаляться от Полярной звезды и в V тысячелетии перейдёт в созвездие Цефея , а через 12 000 лет роль «полярной звезды» станет играть Вега . Античные астрономы видели точку весеннего равноденствия в созвездии Овна , а точку осеннего равноденствия - в созвездии Весов , поэтому обе точки до сих пор принято обозначать символами этих созвездий, хотя они переместилась в созвездие Рыб и созвездие Девы соответственно .

Исторический очерк

На основании некоторых косвенных данных предполагают, что различие между звёздным и тропическим годом (простым логическим следствием чего является движение точек равноденствия на фоне звёзд) впервые установил в III веке до н. э. Аристарх Самосский . Разность между звёздным и тропическим годом, вычисленная на основании этих данных, соответствует скорости прецессии 1° за 100 лет, или 36" в год (по современным данным, 1° за 71,6 года).

Исходя из наблюдений звёзд, предварение равноденствий было открыто выдающимся древнегреческим астрономом Гиппархом во II веке до н. э. В его распоряжении были результаты наблюдений греческого астронома III века до н. э. Тимохариса , из которых Гиппарх обнаружил, что все долготы звёзд увеличиваются примерно (по его оценке) на 1° каждые 100 лет. Во II веке н. э. существование прецессии подтвердил Клавдий Птолемей , причём скорость прецессии по его данным составляла всё те же 1° в 100 лет .

Большинство астрономов доптолемеева периода полагали, что все звёзды закреплены на одной сфере (сфере неподвижных звёзд), являющейся границей Вселенной. Видимое суточное вращение небосвода при этом считалось отражением вращения этой сферы вокруг своей оси - оси мира. Для объяснения прецессии Птолемей был вынужден ввести за пределами сферы неподвижных звёзд (на рисунке слева обозначена цифрой 1) ещё одну сферу, которая вращается с периодом в одни сутки вокруг оси мира (NS). К ней прикреплена сфера неподвижных звёзд 2, вращающаяся с периодом прецессии вокруг оси AD, перпендикулярной плоскости эклиптики. Таким образом, вращение сферы звёзд есть суперпозиция двух вращений, суточного и прецессионного. Наконец, внутрь этой сферы вложена ещё одна сфера 3, вращающаяся вокруг той же оси AD, но в противоположном направлении, что компенсирует прецессионное движение для всех внутренних сфер (но эта сфера по-прежнему принимает участие в суточном вращении) .

В V веке н.э. существование прецессии подверг сомнению знаменитый философ, математик и астроном Прокл Диадох , но её существование подтвердил его ученик Аммоний, сын Гермия .

Ведущий американский астроном Саймон Ньюком в 1896 году дал формулу прецессии, которая показывала и скорость изменения её величины :

P = 50,256 4 ″ + 0,000 222 ″ ⋅ T {\displaystyle P=50{,}2564""+0{,}000222""\cdot T} Здесь T - число лет, прошедших после 1900 года. P = 50,290 966 ″ + 0,000 222 ″ ⋅ T {\displaystyle P=50{,}290966""+0{,}000222""\cdot T} Здесь T - число лет, прошедших после 2000 года.

См. также

Примечания

1. , Глава «Почему изменяется склонение звезд?».
2. , Глава «Как измерить прецессию?».
3. Прецессия .
4. , с. 183.
5. , Глава «Всегда ли Полярная останется Полярной».
6. , с. 354-355.
7. , с. 114-115.
8. Куликов К. А. Движение полюсов Земли. - Изд. 2-е. - М. : Изд-во АН СССР, 1962. - 87 с. - (Научно-популярная серия).
9. Le Maistre S., Folkner W.M., Jacobson R.A., Serra D. Jupiter spin-pole precession rate and moment of inertia from Juno radio-science observations // Planetary and Space Science. - 2016. - Vol. 126. - P. 78-92. -

Вызывающая прецессию волчка, пропадёт, прецессия прекратится, а волчок займёт неподвижное положение в пространстве. В примере с волчком, вращающемся в гравитационном поле Земли , этого не произойдет, поскольку вызывающая прецессию сила - гравитация Земли - действует постоянно.

Можно получить эффект прецессии, не дожидаясь замедления вращения волчка: толкните его ось (приложите силу) - начнётся прецессия. С прецессией напрямую связан другой эффект, показанный на иллюстрации ниже - это нутация - колебательные движения оси прецессирующего тела. Скорость прецессии и амплитуда нутации связаны со скоростью вращения тела (изменяя параметры прецессии и нутации в случае, если есть возможность приложить силу к оси вращающегося тела, можно изменить скорость его вращения).

Прецессия небесных тел

Подобное движение совершает ось вращения Земли , что было отмечено Гиппархом как предварение равноденствий . По современным данным, полный цикл земной прецессии (прецессионный тур) составляет около 25 765 лет, что соответствует частоте прецессии 1,23 пикогерц .

Колебание оси вращения Земли влечёт изменение положения звёзд относительно экваториальной системы координат . В частности, через некоторое время Полярная звезда перестанет быть ближайшей к северному полюсу мира яркой звездой, а Турайс будет Южной Полярной звездой примерно в 8100 году н. э.

Физика явления

В основе объяснения явления прецессии лежит экспериментально подтверждаемый факт, что скорость изменения момента импульса вращающегося тела $\backslash vec\; L$ прямо пропорциональна величине приложенного к телу момента силы $\backslash vec\; M$:

$\backslash frac\; \{d\backslash vec\; L\}\{dt\}\; =\; \backslash vec\; M$

Пример

На рис. 1 изображено вращающееся велосипедное колесо, висящее на двух нитях «a» и «b». Вес колеса уравновешивается силами, вызванными деформациями нитей. Колесо обладает моментом импульса $\backslash vec\; L$, направленным по его оси, и в том же направлении направлен вектор угловой скорости вращения колеса $\backslash vec\; \{\backslash omega\}$.

Пусть в некоторый момент времени нить «b» будет разрезана. В таком случае, вопреки ожиданиям, вращающееся колесо не изменит горизонтального направления своей оси и, подобно маятнику, не будет качаться на нити «a». Но его ось начнёт поворачиваться в горизонтальной плоскости благодаря действию на него момента $\backslash vec\; M$ силы тяжести $P$:

$\backslash \; \backslash vec\; r\backslash times\backslash vec\; P\; =\; \backslash vec\; M$

Поскольку

$dL\; =\; \{d\; \backslash phi\}\; \{L(t)\}$ и $dL\; =\; M\; dt$ , то $\backslash frac\; \{d\backslash phi\}\{dt\}\; =\; \backslash frac\{M\}\{L\}$

и, так как угловая скорость прецессии: $\backslash omega\_p$ равна: $\backslash frac\; \{d\backslash phi\}\{dt\}\; =\; \backslash omega\_p$, получаем:$\backslash omega\_p\; =\backslash frac\; \{M\}\{L\}$ или, с учётом того, что $L\; =\; I\; \backslash omega$, где $I$ есть момент инерции колеса: $\backslash omega\_p\; =\backslash frac\; \{M\}\{I\backslash omega\}$

Формальное объяснение такого поведения вращающегося колеса заключается в том, что вектор приращения момента количества движения $dL$ всегда перпендикулярен вектору $\backslash vec\; L$, кроме того, он всегда параллелен вектору момента силы тяжести $\backslash vec\; M$, находящегося в горизонтальной плоскости перпендикулярно плоскости чертежа, так как сила тяжести $\backslash vec\; P$ вертикальна. Поэтому ось колеса прецессирует в данном случае в горизонтальной плоскости.

Приведённое объяснение показывает, как происходит прецессия, но не даёт ответа, почему , который состоит в том, что в начальный момент под действием силы тяжести ось колеса всё же немного наклоняется в плоскости чертежа и вектор количества движения меняет своё положение в пространстве, становясь $\backslash vec\; L^\backslash prime$. Однако сила тяжести не создаёт никакого момента в вертикальной плоскости, и поэтому направление и величина вертикальной составляющей момента количества движения должна оставаться прежними, что может быть достигнуто только появлением дополнительного момента количества движения $\backslash delta\backslash vec\; L$ в выражении:

$\backslash vec\; L$ = $\backslash vec\; L^\backslash prime$ + $\backslash delta\backslash vec\; L$.

Такой дополнительный момент соответствует направленной горизонтально перпендикулярно плоскости чертежа силе, которая и вызывает прецессию .

Преследуемая стотысячною французскою армией под начальством Бонапарта, встречаемая враждебно расположенными жителями, не доверяя более своим союзникам, испытывая недостаток продовольствия и принужденная действовать вне всех предвидимых условий войны, русская тридцатипятитысячная армия, под начальством Кутузова, поспешно отступала вниз по Дунаю, останавливаясь там, где она бывала настигнута неприятелем, и отбиваясь ариергардными делами, лишь насколько это было нужно для того, чтоб отступать, не теряя тяжестей. Были дела при Ламбахе, Амштетене и Мельке; но, несмотря на храбрость и стойкость, признаваемую самим неприятелем, с которою дрались русские, последствием этих дел было только еще быстрейшее отступление. Австрийские войска, избежавшие плена под Ульмом и присоединившиеся к Кутузову у Браунау, отделились теперь от русской армии, и Кутузов был предоставлен только своим слабым, истощенным силам. Защищать более Вену нельзя было и думать. Вместо наступательной, глубоко обдуманной, по законам новой науки – стратегии, войны, план которой был передан Кутузову в его бытность в Вене австрийским гофкригсратом, единственная, почти недостижимая цель, представлявшаяся теперь Кутузову, состояла в том, чтобы, не погубив армии подобно Маку под Ульмом, соединиться с войсками, шедшими из России.
28 го октября Кутузов с армией перешел на левый берег Дуная и в первый раз остановился, положив Дунай между собой и главными силами французов. 30 го он атаковал находившуюся на левом берегу Дуная дивизию Мортье и разбил ее. В этом деле в первый раз взяты трофеи: знамя, орудия и два неприятельские генерала. В первый раз после двухнедельного отступления русские войска остановились и после борьбы не только удержали поле сражения, но прогнали французов. Несмотря на то, что войска были раздеты, изнурены, на одну треть ослаблены отсталыми, ранеными, убитыми и больными; несмотря на то, что на той стороне Дуная были оставлены больные и раненые с письмом Кутузова, поручавшим их человеколюбию неприятеля; несмотря на то, что большие госпитали и дома в Кремсе, обращенные в лазареты, не могли уже вмещать в себе всех больных и раненых, – несмотря на всё это, остановка при Кремсе и победа над Мортье значительно подняли дух войска. Во всей армии и в главной квартире ходили самые радостные, хотя и несправедливые слухи о мнимом приближении колонн из России, о какой то победе, одержанной австрийцами, и об отступлении испуганного Бонапарта.
Князь Андрей находился во время сражения при убитом в этом деле австрийском генерале Шмите. Под ним была ранена лошадь, и сам он был слегка оцарапан в руку пулей. В знак особой милости главнокомандующего он был послан с известием об этой победе к австрийскому двору, находившемуся уже не в Вене, которой угрожали французские войска, а в Брюнне. В ночь сражения, взволнованный, но не усталый(несмотря на свое несильное на вид сложение, князь Андрей мог переносить физическую усталость гораздо лучше самых сильных людей), верхом приехав с донесением от Дохтурова в Кремс к Кутузову, князь Андрей был в ту же ночь отправлен курьером в Брюнн. Отправление курьером, кроме наград, означало важный шаг к повышению.
Ночь была темная, звездная; дорога чернелась между белевшим снегом, выпавшим накануне, в день сражения. То перебирая впечатления прошедшего сражения, то радостно воображая впечатление, которое он произведет известием о победе, вспоминая проводы главнокомандующего и товарищей, князь Андрей скакал в почтовой бричке, испытывая чувство человека, долго ждавшего и, наконец, достигшего начала желаемого счастия. Как скоро он закрывал глаза, в ушах его раздавалась пальба ружей и орудий, которая сливалась со стуком колес и впечатлением победы. То ему начинало представляться, что русские бегут, что он сам убит; но он поспешно просыпался, со счастием как будто вновь узнавал, что ничего этого не было, и что, напротив, французы бежали. Он снова вспоминал все подробности победы, свое спокойное мужество во время сражения и, успокоившись, задремывал… После темной звездной ночи наступило яркое, веселое утро. Снег таял на солнце, лошади быстро скакали, и безразлично вправе и влеве проходили новые разнообразные леса, поля, деревни.
На одной из станций он обогнал обоз русских раненых. Русский офицер, ведший транспорт, развалясь на передней телеге, что то кричал, ругая грубыми словами солдата. В длинных немецких форшпанах тряслось по каменистой дороге по шести и более бледных, перевязанных и грязных раненых. Некоторые из них говорили (он слышал русский говор), другие ели хлеб, самые тяжелые молча, с кротким и болезненным детским участием, смотрели на скачущего мимо их курьера.
Князь Андрей велел остановиться и спросил у солдата, в каком деле ранены. «Позавчера на Дунаю», отвечал солдат. Князь Андрей достал кошелек и дал солдату три золотых.
– На всех, – прибавил он, обращаясь к подошедшему офицеру. – Поправляйтесь, ребята, – обратился он к солдатам, – еще дела много.

Вероятно, вы не раз наблюдали вращение волчка и обратили внимание на то, что его ось практически, не бывает неподвижна. Под действием силы земного тяготения, в соответствии с законами вращательного движения, ось волчка перемещается, описывая коническую поверхность.

Земля - большой волчок. И ее ось вращения под действием сил тяготения Луны и Солнца на экваториальный избыток (как известно, Земля сплюснута и, таким образом, у экватора расположено как бы больше вещества, чем у полюсов) также медленно вращается.

Ось вращения Земли описывает около оси эклиптики конус с углом в 23,5°, вследствие чего полюс мира движется вокруг полюса эклиптики по малому кругу, совершая один оборот примерно за 26 ООО лет. Это движение называется прецессией.

Следствием прецессии является постепенное смещение точки весеннего равноденствия навстречу видимому движению Солнца на 50,3" в год. По этой причине Солнце ежегодно вступает в точку весеннего равноденствия на 20 мин раньше, чем оно совершает полный оборот на небе.

В результате прецессии медленно изменяется картина суточного вращения звездного неба: около 4600 лет назад полюс мира был вблизи звезды а Дракона, теперь он расположен вблизи Полярной звезды, а через 2000 лет полярной звездой станет у Цефея. Через 12 000 лет право называться полярной перейдет к звезде Веге (α Лиры), которая в настоящее время отстоит от полюса на 51°.

Изменение положения небесного экватора и полюса мира, а также перемещение точки весеннего равноденствия вызывает изменение экваториальных и эклиптических небесных координат. Поэтому, приводя координаты небесных светил в каталогах, изображая их на картах, обязательно указывают эпоху, т. е. момент времени, для которого были приняты положения экватора и точки весеннего равноденствия при определении системы координат.

Явление прецессии было открыто во II в. до н. э. греческим астрономом Гиппархом при сравнении долгот звезд, определенных им из наблюдений, с долготами этих же звезд, найденными за 150 лет до него греческими астрономами Тимохарисом и Аристиллом. В значительной мере прецессия возникает под действием сйл тяготения Луны.

Силы, которые вызывают прецессию, вследствие изменения расположения Солнца и Луны относительно Земли постоянно меняются. Поэтому, наряду с движением оси вращения Земли по конусу, наблюдаются небольшие ее колебания, названные нутацией. Наибольшее из таких колебаний имеет амплитуду 9,2" и период 18,6 г. Под воздействием прецессии и нутации полюс мира описывает среди звезд сложную волнообразную кривую.

Скорости изменения координат звезд вследствие прецессии зависят от положения звезд на небесной сфере. Склонения разных звезд изменяются за год на величины от +20" до -20" в зависимости от прямого восхождения. Прямые восхождения вследствие прецессии меняются более сложным образом, и их поправки зависят как от прямых восхождений, так и от склонений звезд. Для близполюсных звезд прямые восхождения могут меняться весьма заметно даже за небольшие интервалы

времени. Например, прямое восхождение Полярной звезды меняется за 10 лет почти на целый градус. Таблицы прецессии публикуются в астрономических ежегодниках и календарях.

Следует иметь в виду, что прецессия и нутация изменяют лишь ориентировку оси вращения Земли в пространстве и не влияют на положение этой оси в теле Земли. Поэтому ни широты, ни долготы мест земной поверхности из-за прецессии и нутации не изменяются и влияния эти явления на климат не оказывают.

Уважаемые любители астрономии! "Каждый человек в наше время сталкивается со знаками "Зодиака". Таким образом он узнает, под какой звездой (созвездием) он родился. Но часто, сравнив астрологические и астрономические даты нахождения Солнца в том или ином созвездии, люди удивляются несовпадению этих дат. Все дело в том, что за 2 тысячи лет со времени создания гороскопов все звезды сместились на небосводе относительно точек равноденствий. Это явление называется прецессией (предварением равноденствий) и об этом явлении рассказывается в замечательной статье академика А.А. Михайлова "Прецессия". Впервые статья была опубликована в журнале "Земля и Вселенная" №2 за 1978 год."

Академик А. А. Михайлов.

ПРЕЦЕССИЯ.

26 апреля Александру Александровичу Михайлову исполнится 90 лет. Труды академика А. А. Михайлова получили мировое признание. Поразительна многогранность его научных интересов. Это - практическая и теоретическая гравиметрия, теория затмений, звёздная астрономия и астрометрия. Велики заслуги академика А. А. Михайлова в становлении и развитии советской астрономии. Редакционная коллегия и читатели «Земли и Вселенной» сердечно поздравляют Александра Александровича с юбилеем и желают ему здоровья и новых творческих успехов.

«Прецессия» в переводе с латинского означает «хождение вперед». Что представляет собой прецессия и как определяется ее величина!

ГДЕ НАЧАЛО ОТСЧЕТА КООРДИНАТ?

Положение точки на поверхности Земли определяется двумя координатами - широтой и долготой. Экватор как начало отсчета широты дан самой природой. Это-линия, во всех точках которой отвес перпендикулярен оси вращения Земли. Начало же отсчета долгот приходится выбирать условно. Это может быть меридиан, проходящий через какую-нибудь точку, которая принимается за исходную. Поскольку вычисление долготы связано с измерением времени, то за такую точку принимают астрономическую обсерваторию, где время определяется наиболее точно. Так, во Франции в старину долготы исчислялись от Парижской обсерватории; в России после основания в 1839 году Пулковской обсерватории - от меридиана, проходящего через центр ее главного здания. Были попытки взять за исходную точку такую, чтобы на данной территории все долготы отсчитывались в одну сторону. Например, в XVII веке за начало была принята самая западная точка Старого света - Ферро, один из Канарских островов, к востоку от которого лежала вся Европа, Азия и Африка. В 1883 году по международному соглашению за начальный принят меридиан, проходящий через оптическую ось пассажного инструмента Гриничской обсерватории («Земля и Вселенная», № 5, 1975, с. 74-80.- Ред.).

Выбор начального меридиана для отсчета долгот не имеет принципиального значения и диктуется целесообразностью и удобством. Важно лишь, чтобы исходная точка была устойчива и не находилась бы в сейсмически неспокойном районе. Нужно также, чтобы она не располагалась слишком близко к полюсу, где положение меридиана определяется не очень уверенно. При соблюдении этих условий постоянство начального меридиана будет обеспечено на тысячи лет, так как смещение блоков земной коры не превышает нескольких миллиметров в год, что может вызвать изменение долготы на 0,1" лишь за тысячелетие.

На небесной сфере положение светил тоже определяется двумя сферическими координатами, аналогичными географическим координатам. Широта здесь заменена склонением, равным угловому расстоянию точки от небесного экватора - большого круга, плоскость которого перпендикулярна оси вращения Земли. Географической долготе соответствует прямое восхождение, которое отсчитывается с запада на восток - в сторону движения планет Солнечной системы. Однако выбор начальной точки на небесной сфере сложнее. Понятно, что такая точка должна быть неподвижной, но относительно чего? Нельзя брать за начало какую-нибудь звезду, ведь каждая звезда имеет собственное движение, и у некоторых оно превышает \" в год. Это в десятки тысяч раз больше, чем движение нуль-пункта географической долготы.

ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЕТСЯ СКЛОНЕНИЕ ЗВЕЗД?

Астрономия как наука возникла в глубокой древности отчасти вледст-вие потребности в измерении времени, связанного с видимым суточным и годичным движениями Солнца, которые вызывают смену дня и ночи и времен года. Отсюда сама собой появилась тесно связанная с Солнцем система астрономических координат. За нуль-пункт прямых восхождений была принята точка пересечения небесного экватора с эклиптикой, через которую Солнце проходит в момент весеннего равноденствия. Во времена древних астрономов эта точка находилась в зодиакальном созвездии Овна, знак которого Т похож на греческую букву гамма. Такое обозначение точки весеннего равноденствия сохранилось до сих пор. Она ничем не отмечена на небе и определить ее положение можно, лишь измеряя вблизи равноденствия склонения Солнца: в момент, когда при переходе из южного полушария в северное его склонение равно нулю, центр Солнца и будет находиться в точке весеннего равноденствия. Привязку ее к звездам астрономы умели делать более 2000 лет тому назад. В то время не было средств для наблюдения звезд днем наряду с Солнцем, так что приходится удивляться остроумию и умению древних наблюдателей.

Греческий астроном Клардий Пто-лемей в знаменитом сочинении, известном нам под искаженным арабским названием «Альмагест» (середина II века), писал, что живший за три столетия до него величайший греческий астроном Гиппарх определял широты звезд (угловые расстояния от эклиптики), а также их склонения (расстояния от экватора) и сравнивал их с аналогичными наблюдениями Тимохариса, произведенными на 100 лет раньше. Гиппарх нашел, что широты звезд остались неизмененными, а склонения заметно изменились. Это указывало на смещение экватора относительно эклиптики. Птолемей проверил выводы Гип-парха и получил следующие склонения звезд: а Тельца а Девы Альдебаран Спика + 8°45" +1°24" (Тимохарпс) + 9°45" +0°36" (Гиппарх) +11°0" -0°30" (Птолемей) Оказалось, что склонение Альде-барана со временем увеличилось, а Спики уменьшилось. Гиппарх истолковал это перемещением среди звезд точки весеннего равноденствия. Она движется навстречу Солнцу, поэтому Солнце возвращается к ней раньше, чем опишет полный оборот по эклиптике. Отсюда и произошел термин «предварение» равноденствия (по-латыни, ргаесезэеге). Перемещение точки весеннего равноденствия (Г) за период с III века до нашей эры по II век. Изменение склонений звезд Алъдебарана (А) и Спики (8) К. Птолемей связал со смещением экватора относительно эклиптики, а значит, и с движением точки их пересечения Г навстречу Солнцу (направление его движения указано стрелкой).

Изменилось и положение Северного полюса мира с Р на Р"

Скорость движения точки весеннего равноденствия по эклиптике весьма мала, Гиппарх оценил ее в 1° за 100 лет, или 36" в год. Птолемей получил большее значение-почти 60" в год. С тех пор эта фундаментальная для астрометрии величина уточнялась по мере накопления наблюдений, совершенствования техники и течения времени. Арабские ученые в Х-XI веках находили, что точка весеннего равноденствия смещается за год на 48-54", великий узбекский астроном Улугбек в 1437 году получил 51,4". Последний, кто проводил наблюдения невооруженным глазом, был Тихо Браге. В 1588 году он оценил эту величину в 51".

Год природы, то есть период повторения сезонов, называемый тропическим годом, определяется движением Солнца относительно точки весеннего равноденствия и равен 365,24220 средних солнечных суток. Полное обращение Солнца относительно неподвижной точки эклиптики, например звезды с исчезающе малым собственным движением, известно как звездный, или сидерический, год. Он равен 365,25636 суток, то есть на 0,01416 суток, или 20 минут 24 секунды, длиннее тропического года. Именно такой промежуток времени требуется Солнцу для прохождения отрезка эклиптики, на который отступила за год точка весеннего равноденствия.

ВСЕГДА ЛИ ПОЛЯРНАЯ ОСТАНЕТСЯ ПОЛЯРНОЙ

Итак, более 2000 лет назад было обнаружено явление прецессии, но объяснение его дал лишь в 1687 году Исаак Ньютон в своем бессмертном сочинении «Математические начала натуральной философии». Он правильно заключил, что вследствие суточного вращения вокруг оси Земля имеет форму слегка сплющенного у полюсов эллипсоида. Ее можно рассматривать как шар с добавочной массой, расположенной вдоль экваториального пояса. Притяжение Земли Луной и Солнцем в этом случае можно разделить на две части: притяжение земного шара силой, приложенной к его центру, и притяжение экваториального пояса. Когда Луна 2 раза в месяц, а Солнце 2 раза в год отходят от плоскости земкого экватора, их притяжение создает момент силы, стремящийся повернуть Землю так, чтобы ее экватор проходил через эти светила.

Силы притяжения Луны, действующие на центр нашей планеты и ее экваториальный пояс экватора, их притяжение создает момент силы, стремящийся повернуть Землю так, чтобы ее экватор проходил через эти светила. Если бы Земля не вращалась, то такой поворот действительно произошел бы, но быстрое вращение Земли (ведь точка ее экватора перемещается со скоростью 465 м/с) создает гироскопический эффект, как у вращающегося волчка. Сила тяжести стремится повалить волчок, но вращение удерживает от падения, и его ось начинает движение по конусу с вершиной в точке опоры. Подобно этому и земная ось описывает конус вокруг оси эклиптики, ежегодно отходя на 50,2" и совершая полный оборот почти за 26 000 лет. Это изменение направления земной оси в пространстве приводит к тому, что Северный полюс мира описывает вокруг Северного полюса эклиптики малый круг с радиусом около 23,5°, то же происходит и с Южным полюсом. Поскольку собственные движения звезд малы по сравнению с прецессионным движением, можно считать звезды практически неподвижными, а полюсы - перемещающимися среди них.

В настоящее время Северный полюс мира находится очень близко к яркой звезде 2-й величины к Малой Медведицы, которая поэтому называется Полярной. В 1978 году угловое расстояние полюса от этой звезды равно 50", а в 2103 году оно станет минимальным - всего 27". Мы бы назвали такую близость полюса мира к яркой звезде удачной. Действительно, в практической астрономии и ее приложениях к географии, геодезии, навигации и авиации Полярная звезда используется для определения широты и азимута. К 3000 году Северный полюс удалится от нынешней Полярной звезды почти на 5°. Затем долгое время не будет близкой к полюсу яркой звезды. Около 4200 года полюс подойдет на расстояние 2° к звезде а Цефея 2-й величины. В 7600 году полюс окажется близ звезды б Лебедя 3-ей величины, а в 13800 году полярной, хотя и далекой от полюса (на 5°), будет наиболее яркая звезда северного полушария Вега в созвездии Лиры.

В южном полушарии, наоборот, полюс сейчас находится в области неба, крайне бедной яркими звездами. Ближайшая к полюсу звезда о Октанта имеет всего 5-ю величину и едва видна невооруженным глазом. Зато в будущем, хотя и далеком, в южном полушарии будет «урожай» на близполюсные звезды. Однако движение полюсов не строго равномерно, оно медленно изменяется вследствие векового уменьшения наклона экватора к эклиптике, а также уменьшения эксцентриситета земной орбиты. Кроме того, происходят более значительные периодические колебания в положении полюсов, вызванные изменениями склонений Луны и Солнца. Когда их склонения увеличиваются - светила удаляются от экватора,- возрастает их стремление повернуть Землю в свою сторону. Хотя Луна имеет массу в 27 млн. раз меньше массы Солнца, но она настолько ближе к Земле, что ее действие в 2,2 раза сильнее действия Солнца. Таким образом, почти 70% прецессионного движения вызывается Луной.Луна и Солнце периодически изменяют свое положение относительно экватора. Склонение Солнца регулярно меняется в пределах ±23,5° с годичным периодом, склонение Луны меняется более сложно, в зависимости от положения узлов лунной орбиты, которые совершают один оборот по эклиптике за 18,6 года. Наклон лунной орбиты к эклиптике составляет 5° и, когда восходящий узел близок к точке весеннего равноденствия, наклон орбиты складывается с наклоном эклиптиг.ч, так что склонение Луны в течение месяца колеблется между ±28,5°. Через 9,3 года, когда к точке весеннего равноденствия подходит нисходящий узел, наклоны вычитаются и склонение Луны меняется в пределах ±18,5°. Месячные изменения склонения Луны и годичные изменения склонения Солнца не успевают произвести значительного действия на прецессионное движение. Колебание же склонения Луны с периодом 18,6 года вызывает колебания земной оси с амплитудой 9,2", называемые нутацией. Это явление открыл английский астроном Джеймс Брад-лей в 1745 году.

Имеется еще одно обстоятельство, не влияющее на склонения звезд, но тем не менее вызывающее небольшое движение точки весеннего равноденствия. Это - притяжение планет Солнечной системы.Положения Северного (вверху) и Южного (внизу) полюсов мира среди, звезд. Положения полюсов отмечены цифрами через каждую тысячу лет, начиная с 2000 года до нашей эры (-2) и кончая 23000 годом (23). Планеты слишком далеки от Земли, чтобы их действие на экваториальный пояс Земли было ощутимым. Однако вследствие наклонов планетных орбит к эклиптике возникает некоторый, хотя и очень слабый момент сил, стремящийся повернуть плоскость земной орбиты до совпадения с плоскостью орбиты данной планеты. Суммарное действие всех больших планет слегка изменяет положение эклиптики, что сказывается и на положении точек пересечения ее с экватором, то есть на положении точки весеннего равноденствия. Это дополнительное смещение, равное примерно 0,1" в год, называется прецессией от планет, тогда как основное движение есть лунно-солнечная прецессия. Суммарное действие лунно-солнечной прецессии и прецессии от планет называется общей прецессией.

КАК ИЗМЕРИТЬ ПРЕЦЕССИЮ?

Зная массы планет и элементы их орбит, можно точно вычислить значение прецессии от планет, но лунно-солнечную прецессию приходится определять из наблюдений почти тем же способом, как это впервые сделал Гиппарх,- по изменениям планет Солнечной системы.

Прецессия и нутация земной оси (масштаб нутационных колебаний для наглядности увеличен)склонении звезд. Такой способ проще и надежнее, чем нахождение положений точки весеннего равноденствия среди звезд. Однако дело осложняется тем, что все звезды имеют собственные движения, также влияющие на их склонения, и приходится тщательно исследовать и исключать эти движения из наблюдавшихся склонений звезд. Особенно трудно исключить систематические движения звезд, вызванные перемещением Солнца в пространстве и вращением Галактики.

Большую работу по точному определению значения общей прецессии выполнил в конце прошлого века американский астроном Саймон Ньюком. Полученное им значение было утверждено в 1896 году международной комиссией, хотя теперь мы знаем, что определение этой важной постоянной, произведенное почти на полвека раньше пулковским астрономом, а впоследствии директором Пулковской обсерватории О. В. Струве, точнее. Значение общей прецессии, вычисленное Нью-комом для 1900 года, равно: 50,2564" + 0,000222" Т (второй член дает годичное изменение, Т-число лет, протекших с начала 1900 года). Постоянной прецессии Ньюкома пользовались все астрономы в течение 80 лет. Лишь в 1976 году XVI съезд Международного астрономического союза в Гренобле принял новое значение для 2000 года: 50,290966" + 0,0002222" Т. Старое значение для 2000 года (50,2786") на 0,0124" меньше нового. В заключение опишем способ определения постоянной прецессии, разработанный в последние десятилетия. Мы уже задавались вопросом, как найти на небесной сфере неподвижную точку для обоснования нуль-пункта прямых восхождений. Еще в 1806 году французский астроном и математик Пьер Лаплас высказал мысль, что наименьшими, исчезающе малыми собственными движениями обладают слабые и далекие туманные пятна, видимые в телескопы во многих местах неба. Лаплас считал их большими звездными системами, удаленными от нас на огромные расстояния. Впоследствии Лаплас, пытаясь обосновать свою космогоническую гипотезу, изменил мнение о природе туманностей. Он полагал, что это - планетные системы, находящиеся в стадии формирования, то есть образования, гораздо меньшие и более близкие к нам. Теперь мы знаем, что правильно первое мнение Лапласа, но на это предположение в свое время не обратили внимания, да и не было тогда для него обоснования. Практическое осуществление идеи Лапласа - определить нуль-пункт прямых восхождений относительно внегалактических туманностей - стало возможным только после усовершенствования астрофотографии.

Внегалактические туманности - галактики - нельзя считать абсолютно неподвижными. Как следует из теории расширяющейся Вселенной, галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными их расстояниям. Если принять, что поперечные линейные скорости одного порядка со скоростями удаления, то они составляют примерно 75 км/с на 1 млн. парсек, или 3, 26 млн."световых лет. Тогда получается, что смещения далеких галактик на небесной сфере станут заметными лишь через миллионы лет. Таким образом, галактики могут служить основой инерциальной системы координат - системы, которая не имеет вращения, а обладает только поступательным прямолинейным движением («Земля и Вселенная», № 5, 1967, с. 14-24.-Ред.). Строго говоря, движение должно быть и равномерным, но мы не располагаем способом обнаружения неравномерности и потому вынуждены с ней не считаться.

Лишь в 30-х годах текущего столетия пулковские и московские астрономы подняли вопрос о привязке системы звездных положений к далеким галактикам. Предложение советских астрономов подробно обсуждалось в 1952 году на VIII съезде Международного астрономического союза в Риме, и вскоре А. Н. Дейч в Пулкове и С. Василевские на Лик-ской обсерватории в США получили многочисленные фотографии галактик и слабых звезд. Эти снимки можно было использовать в качестве «первых эпох», дающих положения звезд для некоторых исходных моментов. Повторение таких снимков через 20 и более лет послужило для определения абсолютных собственных движений звезд относительно галактик. Эти работы выполнялись в Пулкове, Москве, Ташкенте и на нескольких зарубежных обсерваториях. Установление инерциальной системы с помощью далеких галактик осложняется тем, что галактики, которые имеют достаточно светлое и четкое ядро для уверенного измерения на фотонегативах, не ярче 15-й звездной величины. Такой же примерно величины бывают и «привязанные» к ним звезды. Для практики же интересны положения ярких звезд - от 1-й до 6-й или 7-й величины, блеск которых в десятки тысяч раз превосходит звезды 15-й величины. Поэтому приходится повторно фотографировать участки неба и производить необходимую привязку часто даже в две ступени, включая промежуточные звезды примерно 10-й величины.

С момента получения фотографий «первых эпох» прошло еще недостаточно времени, чтобы в полной мере использовать преимущества нового способа определения постоянной прецессии. В будущем этот метод даст уверенное и точное обоснование инерциальной системы координат. И тогда положение точки весеннего равноденствия - нуль-пункт прямых восхождений - будет «закреплено» на небесной сфере на многие тысячелетия.

Вследствие возмущающего действия, оказываемого на вращение Земли телами Солнечной системы, ось вращения Земли совершает в пространстве очень сложное движение. Земля имеет форму сфероида, и поэтому различные части сфероида притягиваются Солнцем и Луной неравномерно.

1. Ось медленно описывает конус, оставаясь всё время наклонённой к плоскости движения Земли под углом около 66 º ,5. Это движение называетсяпрецессионным , период его около 26 000 лет. Оно определяет среднее направление оси в пространстве в различные эпохи.

2. Ось вращения Земли совершает различные мелкие колебания около своего среднего положения, главные из которых имеют период 18,6 года, (этот период есть период обращения узлов лунной орбиты, так как нутация есть следствие действия притяжения Луны на Землю) и называются нутацией земной оси. Нутационные колебания возникают, потому что прецессионные силы Солнца и Луны непрерывно меняют свою величину и направление. Они = 0, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли и достигают максимума при наибольшем удалении от него. Истинный полюс мира вследствие нутации описывает вокруг среднего полюса сложную кривую. Его движение на небесной сфере совершается приблизительно по эллипсу, большая полуось которого равна 18",4, а малая 13",7. Вследствие прецессии и нутации взаимное расположение полюсов мира и полюсов эклиптики непрерывно изменяется.

3. Притяжение планет мало, чтобы вызывать изменения положений земной оси. Но планеты влияют на положение земной орбиты. Изменения положений плоскости эклиптики под воздействием притяжения планет называется планетной прецессией .

Полюс мира, определяемый средним направлением оси вращения Земли, т.е. обладающий только прецессионным движением, называется средним полюсом мира .Истинный полюс мира учитывает и нутационные движения оси. Средний полюс мира вследствие прецессии за 26 000 лет описывает около полюса эклиптики окружность радиусом 23º,5. За один год перемещение среднего полюса мира на небесной сфере составляет около 50",3. На такую же величину перемещаются на запад и равноденственные точки, двигаясь навстречу видимому годовому движению Солнца. Это явление называетсяпредварением равноденствий . Вследствие этого Солнце попадает в равноденственные точки раньше, чем на то же самое место на фоне звёзд. Полюс мира описывает незамыкающийся круг на небесной сфере. 2000 лет до н.э. полярной звездой былаДракона, через 12 000 лет полярной станетЛиры. В начале нашей эры точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна, а точка осеннего равноденствия в созвездии Весов. Сейчас точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб, а осеннего в созвездии Девы.

Прецессионное движение полюса мира вызывает изменение координат звёзд с течением времени. Влияние прецессии на координаты:

d/dt = m + n sintg,

d/dt = n sin,

где d/dt, d/dt - изменения координат за год, m - годичная прецессия по прямому восхождению, n - годичная прецессия по склонению.

Из-за непрерывного изменения экваториальных координат звёзд, происходит медленное изменение вида звёздного неба для данного места на Земле. Некоторые невидимые ранее звёзды будут восходить и заходить, а некоторые видимые - станут невосходящими. Так, через несколько тысяч лет в Европе можно будет наблюдать Южный Крест, но нельзя будет увидеть Сириус и часть созвездия Ориона.

Прецессия была открыта Гиппархом и объяснена И. Ньютоном.