Удивительный мир, в котором мы живем: захватывающие путешествия по астрономии, физике и истории

Эта простая информация необходима в жизни каждого человека, но, удивительно, в интернете, на сайтах о туризме, даже в этих элементарных вопросах умудряются давать неправильное ориентирование. Поэтому будьте осторожны с интернетом и не заблудитесь!

Есть важная особенность! Если вы стоите лицом к экватору, то Солнце и звезды в Северном полушарии движутся по часовой стрелке, а в Южном – против часовой. Почему? Рассмотрим в следующем разделе.

2.2. Почему Солнце и звезды в Северном полушарии движутся по часовой стрелке, а в Южном – против часовой стрелки

Представьте: Солнце всегда движется близко к экватору. Экватор – это условная линия сечения земной поверхности плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно оси ее вращения, и, соответственно, экватор делит сферу Земли на Северное и Южное полушария. На экваторе в полдень Солнце стоит или прямо над головой – в зените, или близко к зениту (подробнее о том, в каком месте планеты Солнце в полдень находится прямо над головой, читайте в главе 5). Для наблюдателя на широтах Европы и России в полдень Солнце будет над экватором, то есть на юге. Для наблюдателя в Южной Африке в полдень Солнце будет над экватором, то есть на севере.

Рис. 2.10.а. Антиподы смотрят на Солнце

Если в Северном полушарии вы стоите лицом на юг, Солнце всходит на востоке, то есть для вас – слева. В полдень оно над экватором, то есть на юге, впереди вас. Вечером – на западе, справа от вас. Таким образом, вы видите: Солнце движется по часовой стрелке. Если вы в Южном полушарии и стоите лицом к экватору, то есть лицом на север, восход Солнца будет на востоке, справа. В полдень Солнце будет над экватором, то есть на севере, впереди вас. Вечером оно будет на западе, слева. Таким образом, вы видите: Солнце движется против часовой стрелки.

Дело в том, что из-за сферической формы Земли люди в Южном полушарии ходят вверх ногами для людей в Северном полушарии. Они для нас антиподы! Выберите три вещи в комнате и запомните их порядок по часовой стрелке. Затем встаньте на голову вверх ногами (можно лечь на диван, изогнуться и голову свесить вниз, как будто вы встали на нее. Только не упадите с дивана!) и посмотрите на эти вещи в том же порядке. Вы увидите, что они теперь для вас расположены против часовой стрелки!

В средних широтах Солнце всегда движется с востока к экватору и далее на запад, в Северном полушарии – по часовой стрелке и в Южном полушарии – против часовой стрелки. То же самое со всеми звездами, которые вам видны, когда вы повернуты в сторону экватора.

Но стоит вам повернуться в сторону полюса мира, то картина сразу изменится. Во-первых, глядя на полюс, вы уже не будете видеть Солнце, оно обычно несколько смещено к экватору. Во-вторых, когда вы смотрели в сторону экватора, вы как бы смотрели сверху вниз на движение Солнца и звезд. Когда вы поворачиваетесь в сторону полюса мира, то вы смотрите уже снизу вверх на звезды, и это практически то же самое, как если бы вы встали на голову. В Северном полушарии, глядя в сторону Полярной звезды, вы будете видеть звезды, которые находятся недалеко от Полярной и в течение суток делают полный оборот вокруг нее. Звезды, которые подальше от Полярной, поднимаются из-за горизонта на востоке, справа от вас, описывают видимую часть окружности вокруг Полярной звезды и уходят на западе за горизонт, слева от вас. Получается, что в Северном полушарии звезды движутся против часовой стрелки.

В Южном полушарии, глядя на Южный полюс мира, вы можете заметить, что звезды вращаются по часовой стрелке, а когда повернетесь к экватору, а значит на север, звезды будут двигаться против часовой стрелки.

Таким образом, все зависит от того, в какую сторону смотрит наблюдатель. И это объясняет, почему ведутся такие горячие споры о том, по часовой или против часовой стрелки вращаются звезды в Северном и Южном полушарии. Каждый из спорщиков упорно смотрит в одну сторону и не понимает, что надо иногда поглядывать и в другую сторону. ;-)

Во всей этой круговерти фундаментальным является факт, что Земля вращается с запада на восток в относительно неподвижном, из-за огромных расстояний, звездном пространстве и наблюдатель на поверхности Земли несется с огромной скоростью – около тысячи километров в час – в результате вращения планеты (линейная скорость точки на поверхности Земли возрастает при приближении к экватору от 0 на полюсе до 1 667 километров в час на экваторе). И сама планета несется вокруг Солнца со скоростью 107 218 километров в час.

Рис. 2.10.б. Вращение Земли вокруг своей оси

Наблюдатель же на Земле считает, что он неподвижен, так как деревья, горы, воздух – все вокруг несется с той же огромной скоростью вместе с ним. Наблюдатель видит, что на востоке из-за горизонта появляются звезды и очень медленно движутся по небосводу на запад или описывают круги вокруг полюсов мира. При этом, где бы ни находился наблюдатель, в Южном или Северном полушарии, если он стоит лицом на север, восток у него справа, а запад слева, и звезды движутся против часовой стрелки. Если наблюдатель повернется на юг, то восток будет слева, а запад справа, и он видит, что звезды движутся по часовой стрелке. Но здесь важный нюанс: когда вы на одном месте будете поворачиваться и видеть, что звезды движутся то по часовой, то против часовой стрелки, учитывайте, что вы видите совершенно разные звезды, сначала одни, затем другие.

Солнце – совсем небольшая звезда, в сравнении с масштабом бесконечного звездного пространства, и движется всегда в области экватора, поэтому, как ни крути головой и как ни крутись сам, в Северном полушарии Солнце движется по часовой стрелке, а в Южном – против часовой стрелки. Также если выбрать одну звезду, которую видно с обоих полушарий, то, как и Солнце, в Северном полушарии для наблюдателя звезда будет двигаться по часовой стрелке, а в Южном – против часовой стрелки.

2.3. Движение звезд на разных широтах

Если наблюдатель стоит на Северном полюсе, он видит все звезды Северного полушария на небесной сфере, так как линия горизонта совпадает для него с небесным экватором. Все звезды Южного полушария для него всегда остаются невидимыми. Полярная звезда будет находиться в зените, и все звезды в течение суток опишут вокруг нее параллельные круги, оставаясь на неизменной высоте над горизонтом (Рис. 2.11.1.). Никакие звезды при этом не восходят и не заходят. Подобным образом на Южном полюсе движутся все звезды Южного полушария вокруг Южного полюса мира.

Рис. 2.11.1. Движение звезд на Северном полюсе. На всех рисунках шар – это небесная сфера, не путать с земной сферой. Стрелки указывают направление движения звезд на небесной сфере

Рис. 2.11.2. Рисунок с фотографии движения звезд в течение суток на Северном полюсе. Фотографии движения звезд сделаны с длинной выдержкой

В средних широтах Северного полушария часть звезд на небесной сфере никогда не заходит и вращается вокруг Полярной звезды. Другая часть звезд Северного полушария и часть звезд Южного полушария восходят из-за горизонта на востоке и заходят на западе. Также есть часть звезд Южного полушария, которая остается невидимой для наблюдателя. При перемещении наблюдателя от полюса к экватору высота Полярной звезды над горизонтом будет уменьшаться, угол между плоскостями небесного горизонта и небесного экватора будет увеличиваться, и над линией горизонта, кроме всех звезд Северного полушария, будет появляться все больше звезд Южного полушария.

Рис. 2.12.1. Суточное движение звезд на средних широтах. Звезды бывают незаходящими, заходящими и восходящими, невосходящими

Рис. 2.12.2. Рисунок с фотографии движения звезд в течение суток на средних широтах. Видно, что в течение суток часть звезд не заходит за линию горизонта, другая часть восходит и заходит за горизонт, и третья часть остается невидимой для наблюдателя. Фотографии движения звезд сделаны с длинной выдержкой

Звездное небо на экваторе Земли – уникальное и волнующее. Наблюдатель имеет возможность видеть из одной точки все звезды Южного и Северного полушарий. Одновременно над линией горизонта находится половина всех звезд обоих полушарий. Каждая из звезд 12 часов находится ниже уровня горизонта, то есть невидима, а другие 12 часов – над горизонтом, и за сутки над горизонтом перед наблюдателем проходят абсолютно все звезды Вселенной, и нет никаких невидимых звезд! Все зависит от технических возможностей наблюдателя, которые позволят ему обозревать открытый перед ним бескрайний космический мир.

Видимое движение звезд происходит по вертикальным полукругам, параллельным небесному экватору. Звезды поднимаются на востоке перпендикулярно плоскости горизонта, достигают своего наивысшего положения, верхней кульминации, а затем опускаются на западе, заходят за горизонт опять перпендикулярно плоскости горизонта и за горизонтом проходят невидимую нижнюю кульминацию. При этом движение звезд на экваторе происходит симметрично для Северного и для Южного полушария относительно плоскости небесного экватора, также симметрия наблюдается относительно плоскости небесного меридиана, в этой плоскости находится глаз или фотокамера наблюдателя, полюсы мира и точки зенита и надира. Если смотреть фотографии движения звезд над экватором на длинной выдержке, то вы как будто находитесь посредине огромного туннеля, уходящего в бесконечность: с одной стороны – в направлении к Южному полюсу мира, с другой стороны – в направлении к Северному полюсу мира.

Вид звездного неба в Южном полушарии необычный и захватывающий. Созвездие Ориона проходит через зенит. Большая Медведица стоит низко над северным горизонтом, а Полярная звезда или видна очень близко к горизонту, или же совсем исчезает, смотря по тому, находится наблюдатель к северу или к югу от линии экватора. На южном небе бросается в глаза Южный Крест, Большое и Малое Магелланово облако и насыщенно-черный Угольный Мешок, невидимые на северных широтах.

Рис. 2.13. Схема движения звезд на экваторе

Рис. 2.14.1. Рисунок с фотографии движения звезд над экватором, фотокамера направлена на восток. Если сделать снимок фотокамерой, направленной на запад, будет практически такая же фотография

Рис. 2.14.2 Рисунок с фотографии движения звезд над экватором, фотокамера направлена на юг. Если сделать снимок фотокамерой, направленной на север, будет практически подобная фотография, но Полярная звезда и рядом расположенные звезды будут более выразительно создавать эффект бесконечного туннеля

Рис. 2.15. Рисунок с фотографии движения звезд недалеко от экватора

Рис. 2.16. Фотография Хуана Карлоса Касадо (Juan Carlos Casado). Панорамный снимок, который захватывает более 180 градусов. Панорамный снимок, который захватывает более 180 градусов. Фотография сделана достаточно близко к экватору. В соответствии со смещением от экватора на фотографии видно,

что один «звездный туннель» приподнят над горизонтом, и это, несомненно, звезды Северного полушария с Полярной звездой в центре, а другой «звездный туннель» – Южного полушария – несколько ушел за горизонт

Зная, как звезды перемещаются на небе, легче отслеживать перемещение знакомых созвездий и по ним ориентироваться в пространстве и во времени.

2.4. Почему и как звездное небо меняется в течение года. Звездные и солнечные сутки и год

Для наблюдателя на Земле звезды вращаются вокруг полюсов мира, и вид звездного неба все время меняется, поэтому нельзя обойтись одной-единственной звездной картой.

Если смотреть на небо примерно каждый час на протяжении ночи, то можно заметить перемену. Звезды, которые прошлый раз виднелись на западе, ушли за горизонт. Звезды, которые стояли высоко, опустились ниже и сместились к западу. Звезды, которые были видны у восточного горизонта, вскарабкались повыше, а на востоке взошли новые. И так все время, без конца. (Рис. 2.17. Звездное небо)

Вид звездного неба изменяется не только от часа к часу, но и от ночи к ночи, от недели к неделе, от месяца к месяцу, от одного времени года к другому. Январским вечером небо выглядит совсем не так, как в апреле, июле или октябре.

Но мы рассмотрели в главе 5, что при вращении Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, в соответствии с законом сохранения момента импульса, в его упрощенной формулировке – первым законом Ньютона для вращательных движений, ось вращения Земли не меняет своего направления в космическом пространстве. Размеры орбиты Земли ничтожно малы по сравнению с расстоянием до ближайших звезд и созвездий. И если направление земной оси в космическом пространстве не меняется, мы каждый день в одно и то же время, независимо от сезона, должны видеть одно и то же расположение звезд, так как Земля делает оборот вокруг своей оси за 24 часа. Абсолютно одно и то же!

Однако если мы каждый день будем выходить на улицу, например, в 22 часа и фиксировать положение Большой Медведицы на небе, то мы увидим ежедневное небольшое смещение созвездия. За месяц это смещение будет уже значительным, а за шесть месяцев Большая Медведица будет уже с другой стороны от Полярной звезды, и эти смещения будут продолжаться в течение всего года. То же самое и с другими созвездиями.

Что это? Чертовщина? Хваленые законы Ньютона, да и других тоже, работают только на бумаге у ботаников, которые захватили мир и нам пытаются чушь вдалбливать в голову? Когда реальный мир – вот он! Живет своей жизнью, а не по вашим законам!

Остановитесь на несколько минут, задумайтесь, на чьей вы стороне – ботаников или реалистов, знающих жизнь не по учебникам? Если на стороне реалистов, то надо быть последовательным до конца и докопаться до страшной тайны: космонавты всё врут и говорят, то что им велено говорить, все видео и фотографии в космосе сделаны в павильонах или в фотошопе, а на самом деле Земля плоская! И уши по бокам… от слонов, на которых она стоит. :-)

В любом непонятном вопросе надо уметь последовательно, настойчиво, используя знания из учебников и научных трудов, с проверенных сайтов, находить то, что не было очевидным сначала. При затруднениях – шире смотреть на проблему, учитывать больше параметров, которые не учитывали ранее.

Если вникать в детали, полный оборот вокруг своей оси относительно звезд Земля совершает не за 24 часа, а за 23 часа 56 минут 4 секунды, то есть на 4 минуты быстрее, чем принято считать. Следовательно, каждый день звезды восходят на 4 минуты раньше, чем накануне. Если бы не было этих четырех минут разницы, то есть если бы полный оборот Земли относительно звезд занимал ровно 24 часа, каждую ночь в определенное время звезды были бы на том же самом месте, что и накануне, и запомнить вид звездного неба было бы проще простого.

Казалось бы, 4 минуты в сутки – совсем немного, но это не так. За месяц набегает 30 × 4 = 120 минут, а это целых 2 часа. Это значит, что через месяц те же звезды взойдут над горизонтом на 2 часа раньше, чем сегодня, месяцем позже – еще на 2 часа раньше. Вот такая простая формула движения звезд. 2 часа в месяц – это 24 часа в год, то есть, поднимаясь над линией горизонта на 4 минуты раньше каждые сутки, для наблюдателя звезды как бы проворачиваются на небосводе вокруг полюса мира и за год они вернутся в исходное положение. Таким образом, через год весь цикл начинается сначала. Например, в 22 часа 22 июня этого года небо выглядит точно так же, как в 22 часа вечера 22 июня прошлого года или, например, 2002 года.

Итак, Земля делает оборот вокруг своей оси не за 24 часа, а на 4 минуты быстрее. Что это? Неточность определения длительности секунд, минут, часов, суток? По этому вопросу смотрите материал в главе 3. Далее возникает вопрос: если Земля вращается быстрее на 4 минуты в сутки, то разница во времени за 6 месяцев составит 12 часов (4 минуты × 180 дней), то есть вместо дня у нас должна быть ночь? Опять ничего не сходится и надо искать и учитывать другие параметры в системе «Земля – Солнце – звезды».

При внимательном рассмотрении движения планеты можно видеть, что Земля, сделав полный оборот вокруг своей оси относительно звезд, пролетает по орбите некоторое расстояние относительно Солнца из положения 1 в положение 2 (рис. 2.18), и точка на Земле, которая была обращена к Солнцу, в положении 2 уже не ориентирована к центру нашей звезды. Чтобы эта точка повернулась в сторону Солнца, планете требуется пролететь еще некоторое расстояние в положение 3 и сделать небольшой поворот вокруг своей оси, на что и уходят дополнительные 4 минуты.

Рис. 2.18. Положение Земли на орбите относительно Солнца: 1 – Земля начинает отсчет новых суток, точка, в которой начинается стрелка, обращена прямо к Солнцу, там полдень, на противоположной стороне – полночь; 2 – Земля делает полный оборот вокруг оси относительно звезд за 23 часа 56 минут 4 секунды (звездные сутки); 3 – Земля делает полный оборот относительно Солнца, только в этой позиции в контрольной точке наступает полдень и проходят сутки, ровно 24 часа (солнечные сутки)

С учетом рассмотренного эффекта различают солнечные сутки и звездные сутки. Солнечные сутки – это период между двумя последовательными повторениями одного и того же положения нашей планеты с ориентацией на Солнце, после полного оборота вокруг своей оси относительно Солнца. Солнечные сутки составляют ровно 24 часа.

Звездные сутки, или сидерические сутки (от лат. sidereus – «звездный»), – это период между двумя последовательными повторениями одного и того же положения нашей планеты с ориентацией на звезды, после полного оборота вокруг своей оси относительно звезд. Звездные сутки составляют 23 часа 56 минут 4 секунды.

Таким образом, за 23 часа 56 минут 4 секунды Земля делает ровно один оборот вокруг своей оси. А за 24 часа она поворачивается тем же боком к Солнцу с учетом вращения вокруг него. Соответственно, за 24 часа Земля делает чуть больше одного оборота. За один год набегает ровно еще один оборот, то есть Земля за 365 дней делает 366 оборотов вокруг своей оси относительно звездного пространства.

Если быть точным, земной год состоит из 365,2422 солнечных суток. Эти 0,2422 солнечных суток вычитают в течение четырех лет и выдают целым днем в високосном году. Так какое количество звездных суток содержится в одном звездном году? Ответ очень прост – ровно на одни сутки больше, то есть 366,2422 звездных суток.

Астрономы привыкли пользоваться особыми, звездными часами, которые отмеряют сидерическое время: 24 сидерических часа равны 23 часам 56 минутам 4 секундам солнечного времени. Сидерические часы, минуты и секунды немного короче соответствующих им единиц измерения солнечного времени. Использование сидерических часов позволяет астрономам следить за звездами и правильно направлять телескопы. Если бы наблюдатель использовал сидерические часы и по ним в 22 часа выходил наблюдать за Большой Медведицей, то он видел бы Большую Медведицу и другие созвездия всегда в одном и том же положении, и изучение звездного неба было бы намного проще. Но теперь ни астрономам, ни вам больше нет необходимости самим следить за звездными часами. Компьютерные программы-планетарии сделают за вас все вычисления. В современных обсерваториях компьютерные программы проводят вычисления и устанавливают телескопы на заданный участок неба, поэтому сидерические часы как устройство стали не нужны в работе астрономов.

2.5. Движение полюсов мира, изменения климата и как долго Полярная звезда будет полярной

В предыдущих разделах говорилось, что полюсы мира не смещаются на небосводе не только в течение суток, но и при полном обороте Земли вокруг Солнца за год, потому что ось вращения Земли сохраняет свое направление при движении Земли вокруг Солнца в соответствии с законом сохранения момента импульса, который в данном случае для упрощения можно рассматривать как первый закон Ньютона применительно к вращающимся телам. Этот закон является фундаментальным для понимания, что происходит с различными космическими объектами на просторах Вселенной. Космические объекты – это галактики, звезды, планеты, астероиды, кометы и другие объекты, находящиеся в космосе. Поэтому повторим этот важный закон применительно к вращающимся телам: если нет моментов сил, которые изменяют угловую скорость вращения (вектор которой совпадает с осью вращения), то тело продолжает вращаться с постоянной угловой скоростью, вектор которой будет постоянным как по величине, так и по направлению. Отсюда ось вращения Земли не меняет своего направления в пространстве при движении вокруг Солнца.

При более точном рассмотрении на Землю все-таки действуют моменты суммарных гравитационных сил от Солнца и Луны и ось вращения Земли медленно смещается и описывает окружность с максимальным смещением 23,5 градуса. Опять 23,5 градуса! С прохождением по всей окружности за 26 тысяч лет. Это явление движения Северного и Южного полюсов мира по небесной сфере называется прецессией Земли (рис. 2.19).

Под действием ряда факторов, в первую очередь связанных с особенностями орбит Луны и Земли, в процессе медленного прецессионного движения ось вращения Земли испытывает периодические колебания – нутацию, с гармониками, основные из которых имеют периоды 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год, 18,6 года. По сравнению с тысячелетним прецессионным движением земной оси, нутационные колебания быстрые и имеют очень маленькую амплитуду, как дрожание оси. Гармоника с периодом 18,6 года имеет максимальную амплитуду 0,025 градуса. Остальные нутационные гармоники имеют еще меньшие амплитуды. В результате нутационного движения ось вращения описывает сложные петли в пространстве (рис. 2.20).

Рис. 2.19. Конус от прецессионного движения земной оси с мелкой спиралью нутационных колебаний. Сложное строение Земли (твердая кора, полужидкая мантия и твердое ядро) также оказывает влияние на ее прецессию

Рис. 2.20. Нутация оси Земли (без учета прецессионного движения) с 1983 по 1998 год. Нутационное движение разложено на две компоненты: нутацию в долготе и нутацию в наклоне. Главная нутационная гармоника, имеющая период, равный 18,6 года, определяется поворотом плоскости лунной орбиты. Меньшие петли вызваны эллиптичностью орбит Луны и Земли, наклоном орбиты Луны к эклиптике и рядом других причин4

Исследователи выяснили, что прецессия и нутация зависят от гравитационных сил Луны, Солнца, планет Солнечной системы, овальной формы и внутреннего строения Земли, от наклона земной оси к плоскости орбиты, от приливов-отливов морей и океанов и многих других причин.

В результате совместного воздействия Солнца, Луны, планет Солнечной системы и звезд Вселенной на Землю параметры ее движения и вращения постоянно меняются. У каждого параметра своя цикличность изменения. Например, эксцентриситет – это когда траектория движения Земли вокруг Солнца с круговой переходит на более эллиптическую и обратно каждые 95, 125 и 400 тысяч лет (рис. 2.21.А). Ось вращения планеты отклоняется в пределах трех градусов от эклиптики – плоскости обращения Земли вокруг Солнца – примерно каждую 41 тысячу лет (рис. 2.21.В). А цикл прецессии – вращения земной оси по конусу на манер детского волчка – в среднем 26 тысяч лет (рис. 2.21.С), и за это время земная ось описывает полный круг.

Рис. 2.21. Орбитальные параметры Земли: А – эксцентриситет; В – наклон оси вращения; С – прецессия

Древние египтяне и греки знали о прецессионном движении и имели точные данные о том, что полный круг прецессионного оборота длится 25 920 лет. И с древних времен этот период называют Великим или Платоновым годом Земли.