Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ
"АСТРОНОМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ В ШКОЛЕ"
методическая разработка для студентов педагогического отделения
Часть 2
Школьная обсерватория.
Наблюдения за движением тел солнечной системы.
Автор: зав. учебно.-методической
лабораторией кафедры
Физика космоса РГУ
г. Ростов-на-Дону
2003 г
О Г Л А В Л Е Н И Е
Стр
1. Наблюдения видимых движений небесных объектов.
1.1 Суточное движение звезд. 4
1.2 Сезонные изменения вида звездного неба.
1.3 Движение Солнца по эклиптике. 5
1.4 Движение Луны вблизи эклиптики. 6
1.5 Счет времени по Солнцу и звездам. 8
2. Движение планет.
2.1 Отличия в движении внешних и внутренних планет. 9
2.2 Определение расстояний до планет. 11
2.3 Определение угловых диаметров планет и их размеров.
2.4 Параллактические смещения небесных объектов. 12
2.5 Выявление синодических и сидерических периодов
обращения планет.
3. Наблюдения Луны.
3.1 Условия видимости Луны в зависимости от фазы. 13
3.2 Условия наступления затмений. 14
3.3 Общий обзор видимого полушария. 15
3.4 Наблюдения покрытий звезд Луной. 16
4. Наблюдение метеоров. 18
5. Список рекомендуемой литературы 21
6. Приложение 22
1. Наблюдения видимых движений небесных объектов
1.1 Суточное движение звезд. Вследствие вращения Земли мы наблюдаем кажущееся суточное вращение небесной сферы в сторону, обратную вращению Земли. Все светила поднимаются в восточной части горизонта и опускаются на западе, и только Полярная звезда в северной части неба остается неподвижной, т. к. на нее направлена ось вращения Земли. Начать наблюдения лучше всего в один из сентябрьских вечеров с какого-нибудь наиболее известного созвездия, например, Большой Медведицы. Полярная звезда находится на продолжении стенки ковша Большой Медведицы, удаленной от его ручки. Примерно на таком же расстоянии как ручка ковша по другую сторону от Полярной звезды находится созвездие Кассиопеи (см. Приложение, Рис 1). Следует, хотя бы грубо, зарисовать положение звезд относительно высоких деревьев или зданий в восточной или западной части неба. Через 1-2 часа можно убедиться в том, что в восточной части неба звезды поднимаются, а в западной - опускаются. В южной части неба звезды перемещаются параллельно горизонту.
Задачи:
1. Отыскать Полярную звезду по созвездию Большой Медведицы.
2. Указать, в каком направлении будет север, юг, восток и запад.
3. Отыскать созвездие Кассиопеи.
4. Проследить за перемещением какой-либо яркой звезды или группы звезд на востоке, на западе и на юге в течение вечера относительно земных ориентиров.
1.2. Сезонные изменения вида звездного неба. Следует продолжить зарисовки в одно и тоже вечернее время положения Большой Медведицы и Кассиопеи с интервалом в 15 дней (удобно через 2 недели) в течение осенних месяцев. Сравнивая рисунки, убедиться, что за месяц положение созвездий меняется так, как будто бы наблюдения были выполнены, на час позже. Звезды, видимые вечером на западе, заходят за горизонт все раньше и раньше, а звезды, видимые на востоке, поднимаются все выше. С течением времени по вечерам становятся видны ранее недоступные созвездия, такие, как Пегас, Андромеда, Телец. К весне ранее видимые с вечера созвездия Геркулеса, Лиры, Орла, Лебедя становятся не видны, но появляются по вечерам новые созвездия - Орион, Близнецы, Лев. Условия видимости основных созвездий в разное время года даны в Таблице 1 Приложения.
Задачи:
1. Заметить с вечера на западе положение Арктура ( Волопаса) и убедиться, что с каждым днем он заходит все раньше и, наконец, становится недоступным для наблюдений, исчезая в лучах вечерней зари.
2. Заметить и записать, в какой части неба созвездие Ориона бывает поздней осенью, зимой, ранней весной.
3. Пронаблюдать время появления на небе Плеяд.
4. Зарисовать положения Б. Медведицы и Кассиопеи около 8 часов вечера осенью, зимой, весной и летом.
1.3. Движение Солнца по эклиптике. Допустим, что можно остановить вращение Земли и наблюдать только смещение Солнца относительно звезд. Систематически наблюдая в одно и то же вечернее время за положением ярких звезд и созвездий в западной части неба, следует убедиться в том, что с каждым днем созвездия заходят все раньше и раньше, т. е. перемещаются навстречу Солнцу. Таким образом, исчезают для наблюдений те созвездия, в которые входит Солнце, и наоборот, утром становятся видимыми те, с которых сходит Солнце. Эти созвездия все раньше восходят в восточной части неба.
Но Солнце перемещается не только в плоскости небесного экватора (изменяется прямое восхождение - ), но и в перпендикулярном направлении (изменяется склонение - ). В этом можно убедиться, пронаблюдав высоту Солнца в полдень в разное время года. Звезды, имеющие постоянное склонение, куль-минируют всегда на одной и той же высоте, Солнце же в летнее время в полдень поднимается высоко над горизонтом, а зимой проходит низко, что отражается и на продолжительности дня и на количестве получаемой теплоты. Следовательно, Солнце летом отклоняется от плоскости небесного экватора в одну сторону, к северному полюсу, а летом - в другую, к южному полюсу. Точно в плоскости экватора Солнце находится в дни осеннего и весеннего равноденствий, когда продолжительность дня равна продолжительности ночи. Измерениями прос-тейшими угломерными приспособлениями или по тени от гномона (вертикального шеста) можно определить высоту Солнца в полдень летом - 
, а также зимой - 
. Из связи астрономических системы координат с широтой местности известно, что высота светила в верхней кульминации h равна
,
где 
- широта данного места, 
- склонение, угловое расстояние светила от небесного экватора.
Поскольку широта местности не меняется, из изменений высоты Солнца следует, что меняется его склонение. Широту местности приближенно для данного населенного пункта можно определить по географической карте (для Ростова 
4713 ), тогда по измерениям высоты h можно найти, что летом макси-мальное удаление от небесного экватора составляет 23.5, а в зимнее время равно 23.5. Также можно установить, что на небесном экваторе Солнце находится 21 марта и 23 сентября, в эти дни склонение Солнца 
0. Таким образом, на звездной карте можно прочертить годичный путь Солнца относительно звезд, который представляет собой большой круг, наклоненный к экватору под углом в 23.5, называемый эклиптикой.
Созвездия, по которым проходит эклиптика, называются зодиакальными. В настоящее время выделено 12 таких созвездий и считается, что в течение месяца Солнце находится в каждом таком созвездии, примерно в 20-х числах переходя из одного созвездия в другое. Отсюда следует, что зодиакальное созвездие, в котором в данное время находится Солнце, не может быть наблюдаемо, т. к. оно выходит и заходит вместе с ярким диском Солнца, но зато в полночь хорошо наблюдаются противоположные созвездия, в которых Солнце находилось 6 месяцев назад. Различают хорошо наблюдаемые зимние зодиакальные созвездия такие, как Телец, Близнецы, Рак, Лев и летние - Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог.
Следует помнить, что годичное перемещение Солнца относительно звезд является в действительности результатом движения Земли вокруг Солнца.
Задачи:
1. Пронаблюдать изменение высоты Солнца в течение сентября, октября с помощью гномона.
2. Проследить перемещение Солнца относительно звезд по заходящим созвездиям.
3. Пронаблюдать и записать время кульминации зимних созвездий, осенних, летних.
4. Измерить высоту Солнца 23 сентября и определить широту местности (склонение Солнца в этот день равно нулю).
1.4. Движение Луны вблизи эклиптики. Аналогично движению Солнца Луна также перемещается относительно звезд, но по более сложной траектории. Движение Луны складывается из двух движений - вращение Луны вокруг Земли и движение вместе с Землей вокруг Солнца, при этом движение Луны, как и Солнца, происходит с запада на восток, в сторону, противоположную суточному движению. Обращение вокруг Земли в течение лунного месяца вызывает перемещение по зодиакальным созвездиям с месячным периодом (29.5 суток). Но за этот месяц Солнце само смещается по эклиптике на 30 и переходит в другое созвездие. Так что через месяц Луна заканчивает свой круг в другом зодиакальном созвездии и отсюда начинается новый круг по созвездиям. За это время Луна проходит все фазы: от новолуния (диск Луны находится в соединении с Солнцем), первой четверти (направления Земля - Луна и Земля - Солнце составляют прямой угол), полнолуния (Луна находится в стороне, противоположной Солнцу), последней четверти (аналог первой четверти) и вновь до новолуния, соединения с Солнцем. Совершая полный круг за месяц, Луна в течение суток смещается примерно на 13, и уже за час можно заметить относительно яркой звезды или планеты, что Луна сместилась на величину своего диаметра, т. е. на 0.5.
Луна за месяц в точности повторяла бы путь Солнца по эклиптике за год, если бы плоскость ее орбиты совпадала с плоскостью земной орбиты. Но т. к. эти плоскости наклонены друг к другу под углом 5, то траектория Луны отклоняется от эклиптики также на 5, т. е. в максимальной кульминации высота Луны будет на 5 выше, чем Солнца (для Ростова-на-Дону 
90
23.5571), а минимальная высота Луны в кульминации может быть h 
14.
Таким образом, Солнце совершает полный оборот по эклиптике за год (результат вращения Земли вокруг Солнца), а Луна за это время совершает около 12 прохождений по эклиптике (12 оборотов вокруг Земли за время одного оборота Земли вокруг Солнца). При каждом прохождении вдоль эклиптики склонение Луны может меняться от 28.5 до 28.5 (результат сложения наклона земной оси 23.5 и наклона орбиты Луны 5). При этом новолуние начинается в точке с координатами, соответствующими положению Солнца в этот день, а полнолуние будет происходить в точке эклиптики, противостоящей на 180 . В результате: новолуния в летние месяцы происходят в точке с большим положительным склонением и в это время Луна могла бы наблюдаться при кульминации высоко над горизонтом, но по мере выхода из-за Солнца склонение уменьшается, и Луна обычно наблюдается низко над горизонтом. В момент летнего полнолуния Луна имеет максимальное отрицательное склонение и, соответственно, кульминирует на минимальной высоте над горизонтом. В зимние месяцы, наоборот, новолуние происходит в южной части эклиптики, а полнолуние - при максимальном поло-жительном склонении, и в зимние ясные ночи полная Луна наблюдается близко к зенитной области неба.
Для ориентировочного представления о времени восхода Луны на следую-щий день следует помнить, что т. к. Луна за сутки смещается вдоль эклиптки на 13, то ее восход наступит примерно на 1 час позже (точнее на 40 минут, т. к. за один час небо поворачивается на 15 градусов).
Задачи:
1. Определить по календарю день новолуния и спустя 3-4 дней пронаблюдать появление узкого серпа на западе после захода Солнца.
2. Определить по календарю день полнолуния и пронаблюдать восход полной Луны на востоке в момент захода Солнца. Отметить точку восхода полной Луны (восток - в сентябре, марте; юго-восток - в летнее время; северо-восток - в зимнее время).
3. Пронаблюдать и отметить высоту полной Луны в момент кульминации в зимнее и летнее время. Заметить особенность: полная Луна летом описывает свою дугу низко над горизонтом (как Солнце зимой); зимой - высоко над горизонтом (как Солнце летом).
4. Заметить положение Луны относительно яркой звезды и оценить в диаметрах лунного диска ее смещение через час - два.
5. Пронаблюдать, что молодая растущая Луна наблюдается по вечерам в западной, юго-западной части неба после захода Солнца;
вблизи полнолуния Луна находится в стороне противоположной Солнцу;
старая убывающая Луна видна по утрам перед восходом Солнца в восточной и юго-восточной части неба.
1.5. Счет времени по Солнцу и звездам. Издавна счет времени измерялся сутками по времени оборота Земли вокруг своей оси. Промежуток времени между двумя кульминациями Солнца или какой-либо яркой звезды считается сутками. Более точно измерять время можно по наблюдениям звезд, тогда мы будем иметь так называемое звездное время и звездные сутки, чем и пользуются астрономы. Используя звездное время, легко найти наилучшее время наблюдения различных объектов, рассчитывать их положение. Однако в быту наша деятельность регу-лируется восходом и заходом Солнца, поэтому принято считать за сутки промежуток между двумя кульминациями центра Солнца, а, чтобы смена даты происходила в полночь, за начало отсчета принимается нижняя кульминация. Звездные и солнечные сутки совпадали бы всегда, если бы Солнце не смещалось относительно звезд. Но т. к. Солнце движется по эклиптике с запада на восток, смещаясь на 1 в сутки, то звездные сутки наступают каждый раз немного раньше. За звездные сутки небесная сфера совершит полный оборот (т. е. Земля повернется вокруг оси один раз), а Солнце, сместившись за это время на 1 в сторону, противоположную суточному вращению, запоздает и взойдет почти на 4 минуты позже. Эта разница, накапливаясь изо дня в день, за месяц достигает 2-х часов, а за целый год набегает 24 часа, т. е. сутки. Это означает, что когда Земля в действительности совершит 366 оборотов и по восходам звезд мы отсчитаем 366 звездных суток, Солнце совершит на один восход меньше, т. е. пройдет 365 солнечных суток. Один оборот Земли будет незамечен из-за обратного движения Солнца по эклиптике относительно звезд.
Более строго Земля за время своего оборота вокруг Солнца успевает повернуться вокруг своей оси не точно 365 раз, а еще на одну четверть оборота, т. е. 365.24 раза. Для устранения набегающей ошибки за 4 года приходится вводить один дополнительный день в високосном году.
Поскольку начало суток считается от момента кульминации звезды или Солнца, т. е. от момента пересечения светилом плоскости меридиана, который проходит через точку места наблюдения и зенита над головой наблюдателя, то в каждой точке Земли можно было бы считать свое местное время. Для устранения разнобоя в счете времени в разных населенных пунктах принято деление земной поверхности на часовые пояса, в пределах которых вводится среднее во всем поясе время, и только при переходе из пояса в пояс изменяется на один час. При реальных же наблюдениях Солнца или звезд приходится оперировать со строгим местным временем. Местным временем в астрономии считается время данного меридиана, а не среднее поясное время, как это принято в обыденной жизни.
Задачи:
1. Отметить по часам положение какой-либо яркой звезды относительно земного ориентира (здание, столб, деревья и т. д.). Убедиться, что через неделю этот объект будет в том же месте на полчаса раньше.
2. Зарисовать положение незаходящих созвездий (Большая Медведица, Кассио-пея) вечером, отметить момент времени. Повторить в это же время зарисовку через 1-2 недели. Сравнить рисунки.
3. Определить по тени от гномона момент истинного местного полудня. Сравнить с показанием часов, объяснить разницу.
4. Отметить точку захода или восхода Солнца. Повторить наблюдения через 1-2 месяца.
2. Движение планет
2.1. Отличия в движении внутренних и внешних планет. Планеты Солнечной системы делятся на внутренние, орбиты которых находятся внутри орбиты Земли, и внешние, орбиты которых больше орбиты Земли. Для наблюдений легко доступны Меркурий и Венера (внутренние) и Марс, Юпитер, Сатурн (внешние). Наблюдая за внутренней планетой с Земли, мы можем заметить следующие моменты. Соединение, когда планета находится за Солнцем и не видна. Через какое-то время планета (как и Луна после новолуния) выходит слева из-за Солнца и становится доступной для наблюдений на западе в лучах вечерней зари. Постепенно планета достигает наибольшего удаления от Солнца (восточной элонгации), при которой условия вечерней видимости наиболее благоприятны, а затем начинает, двигаясь относительно Солнца слева направо, приближаться к Солнцу и вновь вступает в соединение с Солнцем, находясь перед ним. Если бы плоскости их орбит совпадали с плоскостью орбиты Земли, то в этот момент планета проектировалась бы на диск Солнца и могла быть видима в виде черного пятнышка. Обычно же планета проходит выше или ниже Солнца и в соединении не наблюдается. После соединения планета оказывается справа от Солнца, достигает западной элонгации, проходя фазы от узкого серпа до половины диска, и видна на востоке по утрам. Затем движение меняется на обратное, справа - налево, планета перемещается к Солнцу, уменьшаясь в угловых размерах и приближаясь к полной фазе. После выхода из-за Солнца планета видна в полной фазе, в восточной элонгации видна половина освещенного диска, затем фаза начинает уменьшаться, но угловые размеры серпа увеличиваются, т. к. планета приближается к Земле. Внутренние планеты не отходят далеко от Солнца и всегда наблюдаются в лучах утренней или вечерней зари. Величина элонгации Меркурия невелика - не более 28, остальное время Меркурий постоянно скрывается в лучах Солнца и доступен наблюдениям только вблизи элонгаций. Венера отходит от Солнца на 45-48 и легко наблюдается в виде "утренней" или "вечерней звезды" как самый яркий объект на сумеречном небе. Примерно через полтора года положения Венеры повторяются.
Внешние планеты отходят от Солнца на любое расстояние и всегда видны в полной фазе. Когда внешняя планета видна после захода Солнца на западе, она перемещается среди звезд прямым движением, т. е. с запада на восток как и Солнце. Но скорость ее движения меньше, Солнце постепенно нагоняет планету, и она перестает быть видимой в лучах Солнца, вступая в соединение. Затем, когда Солнце обгонит планету, она становится видимой на востоке перед восходом Солнца. Скорость прямого движения постепенно уменьшается, планета останав-ливается и затем начинает перемещаться среди звезд попятным движением с востока на запад, описывая замкнутую петлю или просто зигзаг. Через некоторое время планета снова останавливается, меняет направление своего движения на прямое, снова ее с запада нагоняет Солнце, и она перестает быть видимой. Из-за большого расстояния от Солнца внешние планеты почти не имеют фаз и всегда видны полным диском. В середине дуги своего попятного движения планеты находятся в созвездии, противоположном тому, в котором находится Солнце и доступны для наблюдений всю ночь. Планеты движутся всегда по зодиакальным созвездиям вблизи эклиптики, т. к. углы наклона их орбит не превышают 2-3 (у Меркурия 7). Наиболее быстро относительно звезд перемещаются Венера и Марс, медленнее Юпитер и еще медленнее Сатурн.
Задачи:
1. Найти Венеру, внимательно осмотрев небо на западе в вечерних сумерках (восточная элонгация, "вечерница", вечерняя "звезда") или перед рассветом на востоке (западная элонгация, утренняя "звезда", "зорица"). В бинокль пронаблюдать фазы Венеры.
2. Найти, зарисовать зодиакальное созвездие, в котором находится одна из внешних планет (Юпитер, Марс, Сатурн). Повторить зарисовки через неделю, месяц. Определить прямым или попятным движением перемещается планета.
3. Описать условия видимости наблюдаемой планеты в течение ближайшего полугода.
4. Предсказать сезоны и условия видимости планеты на последующие 1-2 года.
2.2. Определение расстояний до планет от Земли. В справочных таблицах даются средние гелиоцентрические расстояния планет (от Солнца). Зная угловое расстояние планеты от Солнца, несложно, вычертив в масштабе расположение Солнца, Земли и планет, определить геоцентрическое (от Земли) расстояние планеты. Положение планеты относительно звезд определяется непосредственно из наблюдений и наносится на звездную карту. Положение Солнца можно приближенно найти от точки весеннего или осеннего равно-денствий, считая его движение по эклиптике равномерным. Зная расположение светил на звездной карте, легко по координатной сетке оценить угловое расстояние между ними. Если известны прямые восхождения и склонение светил из астрономического календаря, то приближенно угловое расстояние между ними d равно разности прямых восхождений или более точно можно вычислить по формуле
2.3. Определение угловых диаметров планет и их размеров. Угловые размеры планеты можно измерить с помощью небольшого телескопа или бинокля, имеющего в окуляре крест нитей, или хотя бы одну черту. Подведя планету левым краем к линии (изображение в телескопе перевернутое, и суточное движение звезд идет справа налево, в бинокле изображение прямое) при неподвижно устано-вленном телескопе, включить секундомер и заметить время пересечения линии правым краем планеты t. Время t не зависит от применяемого телескопа, т. к. при большем увеличении виден больший диск планеты, но движущийся с большей скоростью. Время t следует измерять в секундах времени, тогда для перевода в угловые секунды необходимо t умножить на 15. В Приложении Таблица 2 даются для ориентировки сведения о средних угловых и линейных размерах планет. Зная расстояние и угловой диаметр планет, несложно вычислить линейные размеры. Для простоты расчетов можно пользоваться формулой
d = 10900 R t,
где R - расстояние в а. е., t - в секундах времени, d - в километрах.
Для наблюдений лучше всего подходит Юпитер с хорошо видимым диском, Венера при сближении с Землей и Сатурн вблизи противостояния.
2.4. Параллактические смещения небесных объектов. Для демонстрации параллактического смещения следует выбрать на слабо освещенной улице фонарь на расстоянии около километра и считать его бесконечно удаленной "звездой фона". Найти другой фонарь или установить карманный фонарик на расстоянии 100-200 метров - "звезда", расстояние до которой необходимо определить. Переместившись на несколько шагов перпендикулярно направлению на фонарь в ту или другую сторону, сразу заметим, что более удаленная "звезда" будет сдвигаться в ту же сторону, что и наблюдатель. Несколько метров имитируют то расстояние, которое вызывает параллактическое смещение звезды при пере-мещении Земли за полгода на 300 млн. км. Наблюдаемое параллактическое смеще-ние можно измерить с помощью угломерного приспособления, величину переме-щения можно измерить шагами, тогда расстояние до объекта будет также выражено в шагах. Следует помнить, что параллактические углы обычно малы и достаточно вместо синусов и тангенсов пользоваться величинами самих углов в радианной мере.
Наблюдения параллактических смещений небесных объектов обычно затруднены из-за малости углов. Наибольшим суточным (вызванным суточным вращением Земли) параллаксом обладает Луна - 58, однако его трудно выделить из-за быстрого собственного движения относительно звезд (на 0.5 за час). Остальные даже ближайшие объекты имеют параллакс не более Годичные параллаксы звезд (базой служит расстояние, на которое Земля перемещается вокруг Солнца за полгода 300 млн. км) составляют десятые и сотые доли секунды.
2.5. Выявление синодических и сидерических периодов обращения планет. Истинным периодом обращения планет вокруг Солнца следует считать сидерический (звездный, измеряемый относительно звезд) период обращения. Однако с движущейся Земли определить его невозможно, т. к. к окончанию сидерического периода Земля успевает сместиться в новую точку пространства, и проекция планеты на фон неподвижных звезд также оказывается смещенной. Окажется, что планета не дошла или перешла ту точку среди звезд, откуда было замечено начало ее движения. Обычно с Земли определяют синодический период обращения, или период полной смены фазы (например, для Луны от полнолуния до полнолуния ), а затем по известной формуле вычисляют сидерический, действительный период :
для внутренних планет 
для внешних планет 
где S - синодический период, T - сидерический период, 
- сидерический период Земли, т. е. звездный год 365,26 средних солнечных суток.
Приближенно можно считать сидерические периоды ближайших планет следующими:
Венера 240 суток,
Марс 2 года,
Юпитер 12 лет,
Сатурн 30 лет.
3. Наблюдение Луны.
3.1. Условия видимости Луны в зависимости от фазы. После новолуния, которое происходит в дневное время, когда совпадают направления на Луну и Солнце, через 3 дня на западе после заката появляется молодой месяц - узкий серпик, ярко освещенный лучами Солнца, а остальная, слабо светящаяся часть Луны, освещена светом, отраженным от поверхности Земли. Наилучшие условия наблюдения молодой или растущей Луны приходятся на летнее время. В другие сезоны молодая Луна поднимается невысоко над горизонтом и поэтому условия ее наблюдения неблагоприятны.
Примерно через неделю диск Луны выглядит освещенным наполовину. Эта фаза называется первой четвертью, и наиболее благоприятный для ее наблюдения сезон приходится на весну, когда в течение первой половины ночи Луна находится над горизонтом. Весь этот период наиболее эффектен для наблюдений, т. к. линия терминатора (граница освещеной и неосвещенной поверхности) постепенно смещается от одного края Луны к другому, а именно, на линии терминатора наиболее рельефно вырисовываются горные пики, кольцевые валы кратеров и другие подробности. По мере увеличения фазы скользящее освещение переходит в лобовое, при котором уменьшаются тени, и рельеф поверхности исчезает.
Через две недели после новолуния Луна вступает в фазу полнолуния, диск освещен полностью, яркость его, особенно в телескоп, значительна. Вместо теней у некоторых крупных кратеров наблюдаются светлые лучи, радиально пролегающие на сотни километров. Наиболее благоприятный сезон для наблюдений Луны в полнолуние - зимние морозные ночи, когда Луна почти всю ночь находится высоко над горизонтом, восходя на северо-востоке и круто опускаясь на северо-западе.
Через неделю после полнолуния Луна вступает в фазу последней четверти, когда линия терминатора опять разделяет диск на освещенную и неосвещенную половины. В это время Луна видна под утро и наибольшую высоту имеет осенью.
3.2. Условия наступления затмений. Известно, что плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости земной орбиты под углом 5, а точки пересечения орбит называются узлами. Если полнолуние или новолуние происходит в тот момент, когда Луна находится вблизи одного из своих узлов, то происходит затмение. В фазе полнолуния Луна, находясь в стороне, противоположной Солнцу, попадает в конус тени, отбрасываемой Землей, и мы наблюдаем лунное затмение. В фазе новолуния Луна находится между Землей и Солнцем, и своим телом закрывает Солнце. Благодаря тому удачному обстоятельству, что угловые размеры дисков Солнца и Луны почти одинаковы, мы наблюдаем, как черный диск закрывает ослепительную поверхность Солнца, оставляя видимой окружающую корону.
При лунном затмении яркость лунного диска в момент полнолуния начинает ослабевать, когда Луна входит в полутень Земли, но благодаря меняющейся чувствительности глаза (адаптации) это явление практически незаметно. Когда же Луна начинает входить в собственную тень Земли, на левой стороне диска появляется постепенно увеличивающийся ущерб. Видимый диск Луны принимает вид серпа, отличающегося от серпа лунных фаз кривизной терминатора. Терминатор затмения выглядит дугой круга, радиус которого в 2.5 раза больше радиуса Луны, а терминатор лунных фаз имеет вид полуэллипса с большой полуосью, равной радиусу Луны. После полного вхождения в тень Земли диск Луны остается виден, но значительно уменьшается по яркости и изменяет окраску, приобретая красный или оранжевый оттенок. Расцветка затемненного диска Луны зависит от состояния земной атмосферы, т. к. освещается лучами, преломляющимися в атмосфере Земли. Длительность полного затмения может достигать 2 часов, после чего в обратном порядке Луна выходит из конуса лунной тени. Во время затмения желательно провести измерение степени ослабления блеска видимого диска Луны, а также отметить изменение цвета. При наличии небольшого телескопа или телеобъектива типа МТО-1000 или МТО-500 возможно сфотографировать частные и полную фазы затмения. Снимки могут быть выполнены через различные светофильтры на черно-белую пленку для оценки цвета Луны, либо на цветную пленку для демонстрационных целей. Для съемки частных фаз затмения при чувствительности фотопленки 65 ед. ГОСТа и отно-сительном отверстии 1/8 необходимо выдержка 1/50 - 1/100 секунд. С этой выдержкой можно снимать до начала полной фазы, после чего выдержку следует увеличить до 1 - 5 секунд в зависимости от яркости полной фазы. Если затмив-шаяся Луна хорошо выделяется на фоне звезд, имеет оранжевый оттенок, и на ее поверхности без особого труда различаются моря, выдержку можно выбрать равной 1 секунде, если же Луна очень темная, моря практически неразличимы, лучше остановиться на выдержке 5 секунд. Во всех случях нельзя применять одну выдержку, а следует варьировать в пределах 10-20 кратного изменения. Например, задать серию выдержек с двукратным изменением экспозиции: 0.5 с; 1 с; 2 с; 4 с; 8 с. При фокусном расстоянии объектива 300-500 мм вполне допустимы выдержки до 5-10 с при установке фотоаппарата на неподвижном штативе. Наличие у теле-скопа часового механизма или хотя бы микрометренных винтов для ручного ведения за Луной позволяет увеличить выдержку до нескольких минут. Изображение Луны в таком случае будет передержанным, но зато проработаются на снимке окружающие звезды.
Полные солнечные затмения, хотя они и происходят чаще, наблюдаются редко. Частные фазы возможно фотографировать применяя очень плотные светофильтры. Фотосъемку солнечной короны следует вести также как и съемку полнолуния, примерно с теми же выдержками.
3.3. Общий обзор видимого полушария. При хороших атмосферных условиях в обычный бинокль на лунном диске можно свободно различать кратеры диаметромкм. В полнолуние хорошо видны лучевые системы и отдельные протяженные лучи. Если воспользоваться телескопом с диаметром объективамм, то можно различить кратеры размеромкм, а кратеры размеромкм видны уже с подробностями: наличие центральной горки, наличие вторичных кратеров на дне и валу. Качество изображения в первую очередь зависит от высоты Луны над горизонтом. У самого горизонта диск Луны настолько искажается турбуленцией, что детальные наблюдения невозможны.
Наиболее удобно проводить наблюдения в течение нескольких дней, вслед за передвижением линии терминатора. При среднем возрасте Луны около 3-х дней терминатор проходит через центральную часть Моря Кризисов (Приложение, Рис.2). На поверхности этого кругового моря становятся заметными пологие валы, поскольку при низком расположении Солнца над горизонтом Луны эти образования отбрасывают длинные тени. Обращают на себя внимание окружающие Море Кризисов горы, отдельные пики которых видны за терминатором на фоне темной неосвещенной части диска. Чем выше вершина, тем ранее она освещается восходящим Солнцем и, следовательно, видна на большем расстоянии от терминатора. Это время удобно для изучения структуры таких крупных кратеров, как Лангрен, Петавий, Фурнерий, характерных центральными горками.
В первой четверти близ терминатора область богата замечательными деталями лунного рельефа. В северной части видна половина Моря Холода - отличающаяся внешним видом и яркостью от типичной морской поверхности. С юга к Морю Холода примыкают окружающие Море Дождей горы Альпы, рассеченные прямой трещиной длиной 170 км при ширине 10 км - Долиной Альп. Южнее располагаются горы Кавказ и Апенины, которые замыкают кольцо вокруг Моря Дождей с востока, отделяя его от Моря Ясности и от Моря Паров в юго-восточном направлении. Высота гор достигает 8 км. Несколько южнее центра диска Луны выстроились цепочкой с севера на юг крупные кратеры Птолемей (146 км), Альфонс (124 км), Арзахель (92 км). Кратер Альфонс неоднократно был заподозрен в проявлении вулканической деятельности, а в 1958 году астроному удалось сфотографировать спектр газов, выходящих из кратера. Впоследующие ночи появится кратер Платон, расположеный к северу от Моря Дождей, и примечательный темным дном, а южнее - кратер Коперник (90 км), у которого в фазе полнолуния обнаруживаются светлые лучи, простирающиеся радиально по пересеченной местности на сотни километров. В южной части в Море Облаков виден сброс материковой поверхности - Прямая Стена высотой до 300 метров при длине более 100 км. На 12-й день после новолуния появляется кратер Кеплер (30 км) и кратер Аристарх (40 км) - наиболее яркий объект видимого полушария с лучами повышенной яркости. По-видимому, он является молодым кратером, а весь район носит явные следы проявления лунного вулканизма.
В последующие две ночи возможно ознакомиться с западной окраиной Океана Бурь, на поверхность которого в 1966 году впервые опустилась автоматическая станция "Луна-9", передавшая на Землю изображения лунного ландшафта.
Первые люди на Луне побывали в 1969 году, высадившись на поверхность Моря Спокойствия, установив там ряд приборов и взяв образцы грунта.
3.4. Наблюдения покрытий звезд Луной. Поскольку Луна довольно быстро перемещается относительно звезд вдоль эклиптики (за 1 час на величину диаметра своего диска), то временами она закрывает собой звезды, происходят так называемые покрытия звезд Луной. Различают покрытия темным краем, светлым краем, а также открытия, когда звезда появляется из-за темного или светлого края Луны. Наблюдения этих явлений дают ценный материал для определения радиуса Луны, уточнения теории движения Луны, определения долготы местности. Покрытия звезд выглядят довольно эффектно, особенно темным краем, когда звезда светит, не меняя своего блеска, и внезапно происходит ее исчезновение, что объясняется отсутствием атмосферы на Луне. Само явление покрытия наблюдать несложно, трудности может вызвать предвычисление данных о покрытий - какая звезда и когда будет закрыта диском Луны. Астрономический календарь (Переменная часть, выпускаемая ежегодно) публикует моменты покрытий звезд для ряда городов, используя которые можно интерполяцией вычислить данные для своего места. При наблюдении необходимо за 15-20 минут навести телескоп на звезду, покрытие которой ожидается. Если телескоп имеет часовой мехенизм, то можно оторваться от окуляра и начать более внимательно смотреть за 3-5 минут до покрытия, в зависимости от точности предвычислений. Более длительное непрерывное слежение за звездой утомляет наблюдателя и сам момент покрытия может быть пропущен. Момент исчезновения звезды следует отметить по хорошо выверенным часам, подав сигнал голосом: "Есть", а помощник в этот момент должен заметить показания часов; или включить секундомер и остановить его потом по сигналам точного времени или по показаниям часов. Наблюдения представляют ценность, если они проводятся регулярно и обеспечивается точность не хуже секунд. Через час после покрытия можно ожидать выхода звезды из-за Луны, но этот момент уловить гораздо труднее, т. к. неизвестно точно место появления звезд и наблюдателю трудно сосредоточиться на появлении ненаблюдаемого объекта. Впрочем, если открытие происходит не из-за освещенного края Луны, а из-за темного, то момент вспышки до того не существовавшей звезды улавливается легко. При наблюдении покрытий целесообразно применять большие увеличения, доходящие до 2D(мм) с тем, чтобы за счет малого поля зрения вывести освещеную часть Луны за его пределы и сосредоточить внимание на самой звезде. За счет большого увеличения яркость фона неба уменьшается, т. к. собираемый объективом свет "размазывается" на большую площадь, а яркость звезды не изменяется, потому что звезда из-за своей удаленности по-прежнему остается точечным объектом.
При наблюдении открытий приходится применять меньшее увеличение с тем, чтобы можно было видеть значительную часть лунного края, из-за которого должна появиться звезда. В противном случае легко ошибиться и вообще не увидеть появления. Наблюдения легко удаются при ранних и поздних фазах, но затруднены во время полнолуния из-за большой яркости Луны и сильной засветки неба, особенно при плохой прозрачности атмосферы.
Задачи:
1. Пользуясь картой учебника отождествить на лунной поверхности наиболее заметные "моря": Море Дождей, Океан Бурь, Море Ясности, Море Облаков, Море Спокойствия.
2. Вблизи полнолуния найти кратеры с лучами: Коперник, Тихо, Кеплер.
3. Вблизи первой четверти найти и рассмотреть кратер Арзахель с центральной горкой, Птолемей с плоским дном, древний кратер Жансен, вал которого перекрыт более молодыми кратерами.
4. Найти окаймляющие Море Дождей горные цепи Апенины, Кавказ, Альпы.
5. Найти трещины и сбросы: в Море Облаков - Прямая Стена, в Море Дождей - Долина Альп.
6. Найти в Океане Бурь место "прилунения" первой автоматической станции Луна-9 (между кратерами Архимед, Аристилл, Автолик), место высадки первого человека (Море Спокойствия), места высадки Луноходов-1 и -2 (Море Дождей и Море Ясности).
4. Наблюдение метеоров.
Метеоры, или "падающие звезды" - это световые явления в атмосфере Земли, вызываемые вторжением небольших твердых частиц со скоростью от 15 до 80 км/сек. Масса таких частиц обычно не превышает нескольких граммов, а чаще составляет доли грамма. Нагреваясь от трения о воздух, такие частицы раска-ляются, дробятся и распыляются на высоте 50-120 км. Все явление длится от долей до 3-5 секунд. Яркость и цвет метеора зависят от массы метеорной частицы и от величины скорости относительно Земли. "Встречные" метеоры загораются на большей высоте, они ярче и белее; "догоняющие"метеоры всегда слабее и желтее. В тех редких случаях, когда частица достаточно велика, наблюдается болид - ярко светящийся шар с длинным следом, днем - темным, ночью - светящимся. Появление часто сопровождается звуковыми явлениями (шум, свист, грохот) и выпадением метеорного тела на Землю.
В настоящее время могут наблюдаться явления связанные с вхождением и сгоранием в атмосфере тел земного происхождения - спутников, ракет и их различных деталей. При меньшей скорости входа в плотные слои атмосферы (не более 8 км/сек) свечение происходит на меньшей высоте, более продолжительное время и при больших размерах и сложной структуре тела сопровождается распадом на отдельные части. Возникающие при этом световые эффекты весьма разнообразны, и при отсутствии возможности оценить реальные размеры и удаление, а, значит, скорость и направление перемещения предмета, у непод-готовленного наблюдателя могут вызвать различные описания и толкования. Большинство же реально наблюдаемых необыкновенных световых явлений в атмосфере после внимательного анализа объясняются именно деятельностью связанной с космическими запусками.
Для квалифицированного описания наблюдаемого явления следует запомнить основные пункты, на которые следует обратить внимание, чтобы составить "словесный портрет" происходящего. Все оценки надо делать словами произнесенными вслух. Слова, высказанные в краткий миг происходящего лучше запоминаются и впоследствии меньше возникает сомнений в оценке и реальности существования того или иного факта.
1. Сразу же после явления записать по возможности точнее время и дату события.
2. Оценить положение и направление полета либо относительно земных пред-метов, либо по ярким хорошо известным звездам или хотя бы по частям созвездий.
3. Оценить угловую длину пути метеора в радиусах лунного диска, сжатых или раскрытых пальцев ладони на расстоянии вытянутой руки.
4. Назвать угловую скорость полета: медленный, средний, быстрый, очень быстрый.
5. Оценить в секундах продолжительность полета. Для получения опыта таких оценок полезно потренироваться с секундомером.
6. Заметить относительно ближайших ярких звезд яркость метеора и "привязать" его к звездам. Например, ярче такой-то звезды, но слабее Венеры. Всегда отмечается максимум яркости метеора.
7. По условной шкале назвать цвет метеора: белый, желтоватый, чисто желтый, красновато-желтый, оранжевый, красный.
8. Запомнить положение максимума яркости на траектории, мысленно разделив ее на 5 частей (например: на расстоянии 2/5 от конца траектории). Отметить наличие вспышек на траектории, впечатление от объекта: очень плотный звездообразный, рыхлый и тусклый, заметен или нет диаметр.
9. Если после полета остался след, то отметить по часам время его видимости, плотность, скорость дрейфа в атмосфере.
Сразу же после наблюдения записать все произнесенное, уточнить положение и длину траектории, но не следует делать дополнительных, кажущихся оценок. Полезно также сделать рисунок с нанесением земных ориентиров, изображенной в масштабе длины траектории, ее характерных особенностей.
По нескольким квалифицированным сообщениям можно установить причину события разыгравшееся на глазах наблюдателя. Особенно ценно, если явление сопрвождалось звуковыми явлениями (шипением, свистом, вплоть до удара о землю). В этом случае надо обязательно постараться сообщить о происшедшем специалисту.
Список рекомендуемой литературы
Астрономический календарь, ежегодник: Переменная часть (ВАГО), - М. :
Гостехиздат, ред.
Астрономический календарь : Постоянная часть. 7-е изд. - М.: Наука, 1981 .
Бронштен движется Луна. М. : Наука, 1984.
Бронштен и их наблюдение. 2-е изд. , перераб. и доп. - М. :
Наука, 1979.
Дагаев звездного неба. - М. : Наука, 1988.
Азбука звездного неба. - М.: Наука, 1990.
Климишин астрономия. - М. : Наука, 1991.
Куликовский любителя астрономии. - М. : Наука, 1971.
, Звездный атлас (до 8. 5 зв. вел.). - ГТТИ, 1953.
Цесевич и как наблюдать на небе. - М. : Наука, 1983
Приложение
Таблица 1
Видимость созвездий в средних широтах
Название | Видно | Видно | Видно | Не видно совсем |
созвездия | вечером | всю ночь | после | |
полуночи | ||||
Андромеда | с февраля | осенью | с августа | март-май |
Близнецы | в апреле | зимой | с сентября | в апреле |
Б. Медведица | н е з а х о д я щ е е | |||
Б. Пес | с апреля | зимой | с октября | май-июнь |
Весы | с апреля | май-июнь | с января | сент.-ноябрь |
Водолей | с декабря | сентябрь | с июня | январь-март |
Возничий | в декабре | с октября | частично незаходящее | |
Волопас | в мае | с января | частично незаходящее | |
Волосы Вероники | с июня | в апреле | с декабря | сентябрь-ноябрь |
Ворон | с июня | в апреле | с декабря | в ноябре |
Геркулес | с сентября | в июне | с марта | частично незаходящее |
Гончие Псы | с июня | в апреле | с декабря | частично незаходящее |
Дева | с июня | апрель-май | с декабря | в августе-октябре |
Дельфин | с декабря | август | с мая | январь-март |
Дракон | н е з а х о д я щ е е | |||
Жираф | н е з а х о д я щ е е | |||
Змееносец | с сентября | июнь-июль | с марта | декабрь-январь |
Змея | с сентября | май-июнь | с марта | октябрь-декабрь |
Кассиопея | н е з а х о д я щ е е | |||
Кит | с января | в октябре | ноябрь-декабрь | март-май |
Козерог | с декабря | в августе - сентябре | с июня | январь-март |
Лебедь | с декабря | в августе - сентябре | с мая | частично незаходящее |
Лев | с мая | март-апрель | с ноября | июль-сентябрь |
Лира | н е з а х о д я щ е е | |||
М. Медведица | н е з а х о д я щ е е | |||
Малый Пес | с апреля | в феврале | с октября | май-август |
Овен | с февраля | в ноябре | с сентября | март-май |
Орел | с ноября | в августе | с мая | декабрь-февраль |
Орион | с апреля | в январе | с сентября | май-июнь |
Пегас | с января | в сентябре | с июля | январь-март |
Персей | с марта | в декабре | с августа | частично незаходящее |
Рак | с мая | в феврале | с октября | июль-сентябрь |
Рыбы | с января | в октябре | с июля | февраль-апрель |
Северная Корона | с июля | в июне | с января | октябрь-декабрь |
Скорпион | с сентября | в июле | с февраля | октябрь-ноябрь |
Стрелец | с октября | в июле | с марта | ноябрь-январь |
Телец | с марта | в декабре-январе | с сентября | апрель-июнь |
Цефей | н е з а х о д я щ е е |
Рис. 1 Карта основных созвездий.
Рис. 2 Карта лунной поверхности "вид в телескоп".
Таблица 2
Расстояния от Земли, видимые угловые размеры,
и звездные величины планет
Планета | Расстояние | Угловой | Блеск | |||
от Земли | экваториальный | (в звездных | ||||
(в а. е.) | диаметр | величинах) | ||||
наибольший | наименьший | наибольший | наименьший | наибольший | наименьший | |
Меркурий | 1.5 | 0.5 | 12.9" | 4.5" | -1.0 | +1.3 |
Венера | 1.7 | 0.3 | 66.0 | 9.6 | -4.3 | -3.0 |
Марс | 2.6 | 0.4 | 25.7 | 3.5 | -2.8 | +1.6 |
Юпитер | 6.4 | 4.0 | 50.1 | 30.4 | -2.2 | -1.9 |
Сатурн | 11.1 | 8.0 | 21.0 | 15.0 | -0.4 | +1.5 |
Уран | 21.0 | 17.3 | 3.7 | 3.0 | +5.4 | +6.0 |
Нептун | 31.3 | 28.8 | 2.2 | 2.0 | +7.6 | +7.7 |
Плутон | 50.5 | 28.7 | 0.3 | 0.2 | +14.3 | +14.3 |
