Видимые и истинные движения небесных тел Солнечной системы

Видимые и истинные движения небесных тел Солнечной системы.

Видимые и истинные движения небесных тел.  

  Видимое движение небесных тел - наблюдаемое с Земли перемещение небесных тел по небесной сфере относительно системы координат, освобожденной от суточного вращения. 
Истинное движение небесных тел - движение небесных тел в космическом пространстве, определяемое действующими на эти тела силами. 
Видимое движение Солнца. В течение года Солнце перемещается среди звезд все время с запада на восток по эклиптике. 
Сидерический (звездный) год - период видимого обращения Солнца по эклиптике. Он равен 365,256 360 средних солнечных суток. Перемещение Солнца по эклиптике неравномерное: наиболее быстрое (около 1°7' в сутки) в начале января, наиболее медленное (около 57' в сутки) в первых числах июля. 
 
Главные даты годичного движения Солнца. 
 
21 марта: день весеннего равноденствия. Солнце пересекает в этот день экватор в точке γ, переходя из южной полусферы в северную. 
22 июня: день летнего солнцестояния.  Солнце достигает наибольшего северного склонения. Наибольшая полуденная высота Солнца в северном полушарии Земли. 
23 сентября: день осеннего равноденствия.  Солнце опять пересекает экватор, переходя из северной полусферы в южную. 
22 декабря: день зимнего солнцестояния. . Солнце достигает наибольшего южного склонения. Наименьшая полуденная высота Солнца над горизонтом в северном полушарии. 
 
Видимое движение планет. 
  Эклиптика - большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца, точнее — его центра. Т. к. это движение отражает действительное движение Земли вокруг Солнца, то Э. можно рассматривать как сечение небесной сферы плоскостью орбиты Земли. 
Планеты в своем видимом движении всегда остаются вблизи эклиптики (Плутон в пределах ±17°, остальные планеты - ±5° ÷ 6°). Бόльшую часть своего видимого пути планеты перемещаются между звездами с запада на восток (прямое движение). Каждая планета через некоторые промежутки времени замедляет свое прямое движение и, наконец, «останавливается» (момент стояния), после чего начинает перемещаться в обратном направлении (обратное или попятное движение). Продолжительность попятного движения для данной планеты каждый раз примерно одинакова. 

Соединение планеты с  Солнцем - момент, когда планета приближается к Солнцу и приобретает ту же эклиптическую долготу, что и Солнце. Вблизи соединений планета скрывается в лучах Солнца и условия ее видимости наименее благоприятные. 

 Нижние планеты - планеты, находящиеся к Солнцу ближе, чем Земля (Меркурий и Венера). 

 Верхние планеты - планеты, находящиеся от Солнца дальше, чем Земля (остальные планеты). Видимое движение нижних планет может быть привязано непосредственно к Солнцу. Различают верхнее соединение, во время которого планета имеет более быстрое прямое движение, чем Солнце, и нижнее соединение, во время которого планета перемещается навстречу Солнцу, имея обратное движение. При некоторых соединениях, когда планета находится очень близко к эклиптике, она проходит за диском Солнца или перед ним (прохождение планеты по диску Солнца). Для Меркурия прохождение по диску Солнца случается раз в несколько лет. Для Венеры это довольно редкое явление (прохождения Венеры по диску Солнца происходит парами): между двумя парами прохождений проходит более 100 лет. Между прохождениями в паре проходит несколько лет. 
После верхнего соединения планета удаляется от Солнца на восток и видна в восточной элонгации (восточном удалении) после захода Солнца. 
По мере удаления от Солнца движение планеты замедляется. Когда оно становится таким же, какое имеет Солнце, то планета находится на наибольшем расстоянии от Солнца к востоку (в наибольшей восточной элонгации). После этого Солнце догоняет планету и, затем, после нижнего соединения опережает ее. Планета наблюдается тогда по утрам на востоке в западной элонгации(западном удалении). Достигнув наибольшей западной элонгации, планета вновь начинает двигаться быстрее, чем Солнце, и весь цикл повторяется. 
Видимое движение верхних планет отличается от движения нижних планет. Угловое расстояние между Солнцем и планетой может быть любым, от 0 до 180° (у Венеры не более 46°, а у Меркурия - 28°). Верхние планеты перемещаются между звездами медленнее, чем Солнце. Когда планета находится в противоположной от Солнца точке небесной сферы, то имеет место противостояние (оппозиция) планеты. Оно приходится на середину попятного движения планеты. В этот период условия видимости планеты являются наилучшими. 
Когда долготы Солнца и планеты отличаются на 90°, то планета находится в квадратуре (восточной или западной). 

 Синодический период обращения планеты S - промежуток времени, в течение которого планета возвращается в прежнее положение относительно Солнца. Его определяют как промежуток времени между двумя последовательными противостояниями или соединениями (для нижних планет одноименными). 
 
Истинное орбитальное движение планет. 
 
Орбита - путь планеты или какого-нибудь другого тела в пространстве. Орбитальное движение - поступательное движение планеты (движение ее центра масс) в пространстве. Его необходимо отличать от вращательного движения вокруг центра масс. Закономерности орбитального движения планет и других небесных тел определяются силами, действующими на эти тела. Главным образом это силы притяжения со стороны Солнца и других планет. 
 
а) Невозмущенное (кеплерово) движение - движение, которое происходило бы только под действием силы притяжения Солнца. Это движение подчиняется законам движения планет Кеплера. При невозмущенном движении планета двигалась бы вокруг Солнца все время в одной плоскости по эллиптической орбите с Солнцем в одном из фокусов орбиты. 

 Афелий А - наиболее удаленная от Солнца точка эллиптической орбиты. 

 Перигелий П - наиболее близкая к Солнцу точка эллиптической орбиты. 

 Афелийное и перигелийное расстояния - расстояния от центра Солнца до точек А и П. 

  Среднее расстояние планеты от Солнца - большая полуось а эллиптической орбиты. Период обращения планеты Р зависит от а и от массы планеты. Движение планеты по орбите происходит неравномерно: вблизи перигелия она движется быстрее, а вблизи афелия - медленнее. Средняя скорость движения каждой планеты по своей орбите обратно пропорциональна квадратному корню из большой полуоси. Все планеты движутся по своим орбитам в одном направлении. 
Эксцентриситеты е планетных орбит малы: наибольшие у орбит Меркурия (0,206) и Плутона (0,249), поэтому они мало отличаются от окружности. Плоскости орбит всех планет различны, но очень мало наклонены друг к другу (кроме Плутона). 

 Сидерический (звездный) период Р - период обращения любой планеты вокруг Солнца. Сидерический период Р связан с синодическим периодом S формулами 
 
1/S = 1/P - 1/E - для нижних планет, 
1/S = 1/E - 1/P - для верхних планет, 
 
где Е - сидерический (звездный) год (сидерический период Земли). Фаза Ф планеты - отношение площади освещенной части видимого диска ко всей его площади. Фазовый угол ψ - угол между направлением с планеты на Солнце и на Землю. 
При фазовом угле ψ = 180° (планета находится между Солнцем и Землей) фаза равна 0, так как половина планеты обращенная к Земле не видна совсем. При фазовом угле ψ = 0 (Земля и Солнце находятся по одну сторону от планеты) фаза равна 1, видимая часть планеты освещена полностью. В общем случае фаза равна 
 
Ф = cos²(ψ/2). 
 
Для верхних планет фазовый угол никогда не превышает величины, которая достигается в момент квадратур. Поэтому для Марса фаза всегда не меньше 0,84, а для других верхних планет она всегда близка к единице. 
Элементы невозмущенной орбиты - шесть величин, определяющих кеплерово движение планеты вокруг Солнца. 
Большая полуось а и эксцентриситет е характеризуют размеры и форму эллиптической орбиты. 
Для характеристики орбиты в пространстве рассматривают гелиоцентрическую небесную сферу. 

 Гелиоцентрическую точку γ, а также используют следующие понятия: линия узлов - линия пересечения плоскостей орбит Земли и планеты; узлы орбиты - точки на эклиптике, в которых линия узлов пересекает небесную сферу. 

 Восходящий узел - узел, в котором планета, если ее наблюдать с Солнца, пересекает эклиптику, перемещаясь с юга на север, противоположный узел - нисходящий. 
Следующие три элемента определяют положение плоскости орбиты и ориентацию орбиты в этой плоскости: 

• наклон орбиты i - угол между плоскостью эклиптики (плоскостью орбиты Земли) и плоскостью орбиты планеты; 
• долгота восходящего узла ζ - угол между точкой γ и восходящим узлом ζ орбиты, отсчитываемым от γ вдоль эклиптики с запада на восток; 
• аргумент перигелия ω (угловое расстояние от перигелия до узла) - угол между линией узлов и направлением из Солнца на перигелий орбиты, отсчитываемый от восходящего узла в направлении движения планеты.

Эти элементы называются угловыми элементами и зависят от выбранной системы  отсчета. 
Шестой элемент фиксирует положение планеты на орбите. Обычно таким элементом выбирают среднюю аномалию М. 
б) Возмущенное движение - фактическое движение планет (и других небесных тел), зависящее от всех действующих на них сил.

Возмущения - отклонения фактического движения планеты от невозмущенного. 

Возмущающие силы - силы, которые вызывают возмущения. Практически это силы притяжения данной планеты другими планетами, хотя они и очень малы по сравнению с силой притяжения Солнца. Остальные возмущающие силы: притяжение планет своими спутниками, астероидами и кометами, дополнительные силы за счет отличия формы планет от точной шарообразной, сопротивление межпланетной среды и т. д. настолько малы, что их можно не учитывать. Исключение составляют системы Земля - Луна и Плутон - Харон, в которых влияние спутников учитывать необходимо, так как они сравнимы с массой самой планеты и оказывают на ее движение существенное влияние.  
В каждый данный момент планета движется по некоторой эллиптической орбите, но элементы этой орбиты все время меняются. В таком случае говорят, что планета движется по оскулирующей (изменяющейся) орбите. Такая орбита математически описывается при помощи оскулирующих (изменяющихся) элементов. Изменения элементов называются их возмущениями. В случае планет имеют место малые возмущения элементов орбит периодического характера и более существенные, но очень медленные изменения монотонного типа (в одном направлении), называемые вековыми возмущениями. Вековые возмущения больших полуосей планетных орбит отсутствуют. Оскулирующие элементы орбиты, находимые с учетом только вековых возмущений, называются средними элементами. 
Перигелии орбит всех планет обладают прямым движением (перемещаются в направлении движения планеты, их долготы возрастают), узлы орбит Юпитера и Урана имеют также прямое движение (перемещаются по эклиптике с запада на восток), а узлы орбит остальных планет имеют обратное движение. Периодические возмущения планет малы. 

  в) Вращательное движение планет. Каждая планета, в том числе и Земля, обладает вращением, происходящим вокруг воображаемой линии, называемой осью вращения планеты. Направление оси вращения в пространстве и период вращения каждой планеты остаются в течение длительного времени практически постоянными. Планеты – газовые гиганты : Юпитер и Сатурн вращаются не как твердые тела - период вращения экваториальных зон меньше, чем период вращения высокоширотных зон.. 
Теоретически вращательное движение планет должно влиять на их орбитальное движение. Однако это явление настолько мало, что практически не наблюдается. 
г) Смена времен года. Наблюдаемая на Земле смена времен года есть следствие того, что ось вращения Земли сохраняет практически постоянное направление в пространстве и, вместе с тем наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 90° - ε ≈ 66°,5 (ε- наклон эклиптики к экватору). Ось вращения Земли меняет в течение года свое положение по отношению к линии между центрами Солнца и Земли, а вместе с тем и к направлению солнечных лучей. Солнечные лучи отдают северным областям Земли с 21 марта по 22 сентября гораздо больше энергии, чем с 23 сентября по 20 марта. В южном полушарии Земли наблюдается противоположная картина. 
 
Движение спутников планет. 
 
Движение спутников вокруг планет напоминает движение планет вокруг Солнца. Спутники движутся по эллиптическим орбитам, эксцентриситеты которых невелики; если планета имеет систему спутников (например, планеты-гиганты), то эти спутники движутся в плоскостях, близких друг к другу; в большинстве случаев спутники движутся в одном направлении. При рассмотрении эллиптического движения спутников определяют, как и в случае планет, элементы орбиты. Общее название ближайшей к центру планеты точки орбиты - перицентр, а наиболее удаленной - апоцентр. Основной плоскостью при определении угловых элементов орбит спутников является плоскость экватора планеты. Большие полуоси орбит спутников планет выражают обычно в долях радиуса планеты. 
Заметные отклонения спутников от эллиптического движения происходят за счет взаимного притяжения спутников, а также притяжения Солнца, которое, в данном случае, играет роль возмущающего тела. 
 
Движение Луны. 
 
Так как Луна является спутником Земли, то в отношении нее справедливы все утверждения, относящиеся к движению спутников планет вообще. Однако вопрос о ее движении рассматривается особо, так как Луна - ближайшее к Земле небесное тело, движущееся непосредственно вокруг Земли, и ее движение изучается весьма детально. При этом возмущения, которые испытывает орбита Луны велики; они значительно больше, чем возмущения орбит планет. 
Видимое движение Луны изучается еще с древних времен. Луна перемещается по небу, как и Солнце все время с запада на восток и описывает большой круг примерно за один месяц. За сутки Луна перемещается на 12° - 13°. Различают сидерический период обращения (сидерический месяц) и синодический месяц. 
  Сидерический месяц равен периоду обращения Луны вокруг Земли, по истечении которого Луна возвращается в то же место среди звезд (27^d,32). По истечении синодического месяца (29^d,53) Луна возвращается в то же самое положение в пространстве относительно Солнца и Земли. Поскольку каждому взаимному расположению Солнца, Луны и Земли соответствует определенная видимая фаза, то фазы Луны повторяются в течение каждого синодического месяца. 
При детальном рассмотрении обнаруживаются некоторые особенности движения Луны. Видимый путь Луны с каждым месяцем изменяется, и ее движение по этому пути происходит очень неравномерно. Отклонения от равномерного перемещения обусловлены, во-первых, тем, что Луна движется по эллипсу с эксцентриситетом 0,055, а во-вторых, возмущениями от Солнца и от сжатия Земли. Эти возмущения настолько велики по сравнению с возмущениями в движении планет, что постоянная эллиптическая орбита при описании движения Луны на протяжении хотя бы одного года уже непригодна. 
Средний промежуток времени между возвращениями Луны в перигей орбиты называется аномалистическим месяцем (27^d,55), а в узел орбиты - драконическим месяцем (27^d,21). 
 
Движение астероидов (малых планет). 
 
Большинство астероидов располагается в своем движении между орбитами Марса и Юпитера. Название астероиды(звездоподобные) они получили потому, что в телескоп они выглядят как звезды. Название малые планеты они получили потому, что по характеру движения вокруг Солнца и видимого движения по небу они близки к планетам, но по своим размерам они гораздо меньше планет. 
Орбиты многих астероидов, в отличие от планетных орбит, обладают довольно большими эксцентриситетами (до 0,20) и наклонениями (до 30°). Кроме того астероиды испытывают значительно более сильные возмущения, нежели планеты. Ввиду малой яркости астероидов они наблюдаются обычно только вблизи моментов противостояний с Солнцем. Промежуток времени между последовательными противостояниями равен синодическому периоду обращения астероида. 
Те же особенности характеризуют и движение тел пояса Койпера - относительно недавно открытого образования, аналогичного поясу астероидов, но расположенному, в основном, за орбитой Нептуна. 
 
Движение комет. 
 
Задача двух тел допускает решения, соответствующие движениям по эллипсам, параболам или гиперболам с фокусом в центре Солнца. В отличие от эллипсов параболы и гиперболы являются незамкнутыми кривыми. Тело движущееся по параболе или гиперболе, может лишь однажды приблизиться к Солнцу, а затем оно удаляется от него навсегда.