В. В. Набоков Жизнь человека, даже если всю ее посвятить изучению неба, не позволит icon

В. В. Набоков Жизнь человека, даже если всю ее посвятить изучению неба, не позволит


Смотрите также:
О если б голос мой умел сердца тревожить...
«Роль и место предмета Самопознания в учебно-воспитательном процессе организаций образования...
Автореферат диссертации на соискание ученой степени...
Тема: «Наркомания»...
Фотографии, короткий реферат или доклад к уроку. Но...
Любовь и благополучие на всю жизнь. Часть I...
"Если бы у меня была вторая жизнь, я всю её посвятил бы изучению шаровой молнии "...
Школьный урок, как и школьный спектакль, своеобразный вид искусства...
Но если бы даже мы, или Ангел с неба стал благовествовать вам не то, что мы благовествовали вам...
Рассказы Янковского...
Положение о литературном конкурсе «Золотое пёрышко»...
Е. Р. Ганелин > Н. В. Бочкарева...



Загрузка...
скачать
Какие звезды, - какая мысль и

грусть наверху, - а внизу ничего не знают.

В.В.Набоков


Жизнь человека, даже если всю ее

посвятить изучению неба, не позволит

достичь его дальних пределов.

Сенека

Лекция 1

О роли и задачах астрономии.

Небесные координаты.

Видимое движение Солнца, времена года и тепловые пояса Земли

Роль и задачи астрономии

Астрономия изучает строение и эволюцию космических тел - от астероидов и планет до Солнца, звезд, звездных систем и Вселенной, как целого. История астрономии – это история поиска ответов на вечные вопросы об устройстве мира и о смысле существования человека.

Возможно, именно наблюдения звездного небосвода привели к развитию способности мыслить. Действительно, объединение ярких звезд в созвездие – геометрическую схему и сопоставление этой схеме реального животного означает формирование образного мышления. При дальнейшем развитии ум человека сам перешел к использованию абстрактных образов.

По данным археологии самым древним созвездием является созвездие Ориона. Его использовали жители Сибири уже 30 тысяч лет назад, по-видимому, для ориентации на местности и прогнозирования наступления зимы. Название этого созвездия пришло к нам от древних греков.

Обобщение опыта объединения звезд в созвездия и сопоставления им живописных образов земных предметов привело к появлению письменности и развитию способности считать. Например, у народов Ближнего Востока самым главным было созвездие Тельца. Это связано с тем, что в их жизни скотоводство играло огромную роль, а новый год начинался весной. С быком (тельцом) связывали созвездие Апис, в нем Солнце как бы побеждало зиму и возвещало приход весны и лета. Схематическое изображение быка - знак созвездия Апис ( у римлян TAURUS), послужило прообразом звука «а»: знак преобразовался в букву А в языках племен индоевропейской группы. Самая яркая звезда этого созвездия Альдебаран – яркая оранжевая звезда – гигант (К5III). Она в 38 раз больше Солнца. Вблизи Альдебарана находится рассеянное звездное скопление – Гиады, правее и выше рассеянное скопление Плеяды (М45). В созвездии Телец находится Крабовидная туманность (М1) – остаток сверхновой звезды, вспыхнувшей в 1054 году.





Первой задачей астрономии было составление календаря. Календари всех древних народов содержат прогноз смены фаз Луны, восходов и заходов планет, ярких звезд, перечисление возможных стихийных бедствий и рекомендации для сельскохозяйственных работ. Эти календари позднее назвали астрологическими книгами. Необходимость уточнения прогноза стимулировала развитие методов астрономических наблюдений. В результате были сделаны математические открытия:

  • угловая мера – градус (gradus) - означает «шаг Солнца за сутки по кругу», всего 360 шагов

  • арифметическая прогрессия и пропорция появились как методы вычисления пути Солнца

  • дроби

  • геометрические аналоги тригонометрических функций

  • свойства равнобедренных треугольников (открыты в астрологических расчетах)

  • диаметр – хорда, которая делит окружность пополам

Удачное выполнение астрологических прогнозов формировало представление о мистической взаимосвязи земных и небесных явлений, потому что авторы календарей еще не могли объяснить причины фаз Луны и затмений Солнца, почему жизнь растений и животных как-то связана с циклом смены лунных фаз. По-видимому, ощущение присутствия богов казалось столь реальным, что для описания происходящих событий допускался только возвышенный стихотворный стиль. Рифмованный текст использовался в календарях и юридических трактатах, в бытовой переписке. Астрология, возбуждая фантазию, способствовала развитию языка и поэзии. Интересно, что в своих началах юридического права шумеры (Месопотамия – территория современного Ирака, III тыс. до н.э.) использовали Солнце, Луну и звезды как символы справедливости, добра и мудрости, соответственно.

Развитие геометрических методов описания астрономических наблюдений позволило к VI в. до н.э. выделить сферическую симметрию как свойство космоса. Осмысление этого факта привело к открытиям:

  • Земля является сферой

  • Солнце, Луна и планеты движутся по поверхностям сфер

  • тепловые пояса Земли (Парменид)

  • закон единства и борьбы противоположностей (Гераклит)

  • детерминизм (связывали с упорядоченностью и повторяемостью движения светил на небе)

  • атомизм (звезды – частицы божественного эфира, в земном мире все вещества тоже состоят из частиц) (Анаксагор, Эмпедокл, Левкипп, Демокрит)

  • измерение радиуса Земли (Эратосфен)

  • закон сложения угловых скоростей

  • гелиоцентризм и измерение относительных размеров Земли и Солнца (Аристарх, Архимед)

Интерес к астрологии и астрономии сыграл историческую роль в возрождении европейской науки в VIII в. В IX в. с арабского на латинский язык был переведен астрологический трактат греческого астронома Птолемея «Тетрабиблос». Он возродил интерес к исследованиям в области астрономии, медицины, физики и геометрии. В XII-XIII вв. в европейских университетах начали переводить и изучать труды Евклида, Архимеда, Аристотеля, Гиппарха и Птолемея. Первая астрономическая обсерватория в Европе была построена в XII в. при короле Кастилии Альфонсе Мудром. На этой обсерватории проводились наблюдения светил для составления календаря. В XIV в. астрономию включили в число предметов факультета свободных искусств. Такой факультет был обязательной ступенью образования во всех университетах.

Астрономия сыграла фундаментальную роль в научной деятельности основоположников современной науки.

Николай Коперник (1473-1543 г.г.) предложил гелиоцентрическую модель планетной системы. Эта модель позволила улучшить методы расчета календаря. С современной точки зрения значение книги Коперника « О вращении небесных сфер» состоит в следующем:

  • показано, как можно упростить математические расчеты, изменив систему отсчета;

  • содержатся интуитивные представления о законах инерции и сохранения импульса;

  • есть гипотеза о свойстве Земли и планет притягивать другие тела.

^ Тихо Браге (1546-1601 гг.) - знаменитый датский астроном-наблюдатель, конструктор астрономических инструментов, основоположник точных методов астрономических наблюдений (создание точных угломерных приборов и статистический анализ многолетних рядов наблюдений). Он создал первую в Европе крупную астрономическую обсерваторию – Уранибург. Здесь были проведены многолетние наблюдения планет за период около двадцати лет. Исторически наиболее важными оказались наблюдения за перемещениями Солнца и Марса.

^ Иоганн Кепле (1571-1630 г.г.) выполнил математический анализ наблюдений Браге и открыл три закона движения планет вокруг Солнца. Кеплер

  • применил принцип симметрии, или в его терминах - мировой гармонии, для анализа строения Солнечной системы (этот метод Кеплера стал использоваться в теоретической физике только в XX в.);

  • исследовал преломление света;

  • изобрел оптическую систему, применяемую в современных телескопах-рефракторах;

  • подготовил открытие дифференциального, интегрального и вариационного исчислений;

  • первый использовал логарифмы (их открыл Непер в 1614 г.), аналогичные современным, в астрономических расчетах;

  • для объяснения существования эллиптических орбит Кеплер придал телам способность сопротивляться силе. Эту способность он назвал латинским словом «инерция» (лат. inertia — «неподвижность», «бездеятельность»). До него, следуя Аристотелю, считали, что инерционным или бессиловым движением обладают только небесные (божественные) тела, которые равномерно двигаются по окружностям. Этого же представления придерживался современник Кеплера астроном Галилео Галилей (1564-1642 г.г.), который определил свойство инерции как способность тела сохранять состояние равномерного движения по окружности. Кеплер первый понял, что равномерное движение – это движение по прямой.

  • Кеплер утверждал, что движение планет по эллипсам связано с силовым воздействием на них Солнца. Пытаясь понять, как осуществляется это воздействие, Кеплер открыл:

- закон изменения освещенности при удалении от источника света;

- сформулировал фотометрический парадокс и проблему бесконечности Вселенной.

Роль астрономии в научной деятельности ^ Исаака Ньютона (1643-1727 г.г.) огромна. Его труд «Начала натуральной философии» (1687г.) посвящен объяснению трех законов Кеплера с помощью закона тяготения. Знаменитые теперь три закона динамики Ньютон сформулировал в виде лемм во Введении «Начал». Астрономические наблюдения Тихо Браге сыграли роль фундамента, на котором построена теоретическая механика и теория тяготения.

^ Математический аппарат дифференцирования был открыт Ньютоном в процессе исследования линз и зеркал для телескопов.

Восемнадцатый век вошел в историю цивилизации как эпоха становления ньютоновской картины мира. В начале века вышла в свет книга И.Ньютона «Оптика». В конце века П.Лаплас опубликовал книгу «Изложение системы мира», благодаря которой гипотеза Ньютона о тяготении была признана законом природы не только физиками и математиками.

В XVIII в. развивалась техника изготовления телескопов. Небольшие телескопы не были очень дорогими. Астрономическими наблюдениями стали заниматься не только астрономы, но и философы, врачи, поэты. В результате было сделано много астрономических открытий, которые необходимо было понять. Это стимулировало развитие математики, физики и химии.

Бурное развитие экспериментальной физики XIX в. привело к открытию эффекта Доплера, фотографии, спектрального анализа, законов электромагнетизма. Эти открытия превратили астрономию в астрофизику.

К началу ХХ века естественнонаучная картина мира казалась почти завершенной. В бесконечной Вселенной происходят процессы, подчиняющиеся уже известным физическим законам. Задача науки - это решение прикладных проблем. Правда эту спокойную картину нарушали «небольшие» астрономические проблемы: объяснение спектров звезд, проблема трех тел, энергетика Солнца, не наблюдаемость светового эфира, фотометрический и гравитационный парадоксы, парадокс тепловой смерти Вселенной. Именно попытки решения астрономических проблем привели к пересмотру основ всех наук. Появились теория относительности и квантовая механика, открыты расширение Вселенной и ядерные источники энергии, началось освоение человеком ближнего космоса.

Опыт развития мировоззрения показывает, что его поступательное развитие определяется астрономическими исследованиями. Эти исследования позволяют нам прикоснуться к тайнам Вселенной. «Ощущение тайны – самое прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и настоящей науки…» (А. Эйнштейн).

Современная астрономия состоит из двух взаимосвязанных направлений: наблюдательная астрономия и астрофизика. Наблюдательная астрономия посвящена методам наземных и космических наблюдений астрономических явлений. Астрофизика объясняет астрономические явления на основе законов физики, которые установлены в земных лабораториях.

В астрономии выделяют следующие разделы:

  • Астрометрия

  • Небесная механика

  • Физика планет

  • Физика звезд

  • Физика межзвездной среды

  • Физика звездных систем

  • Космология.

Взаимосвязь этих разделов позволяет построить астрономическую картину мира.


Небесные координаты

Основной задачей астрометрии является определение положения космических тел в пространстве. Эта задача решается путем построения двух систем координат: одна связана с Землей, другая - фундаментальная система координат сопутствует космическому пространству.

Фундаментальная система координат необходима для изучения движения тел во Вселенной. Земная система координат необходима для планирования наблюдений и изучения вращения Земли.

Космическое пространство мы видим благодаря свету звезд. Поэтому звезды используются как тела отсчета в фундаментальной системе координат. Звезды находятся на разных расстояниях от земного наблюдения и двигаются с различными скоростями. Расстояния до звезд очень велики. Поэтому видимое расположение звезд относительно друг друга изменяется очень мало в течение столетий. В древности люди описывали движения Солнца и Луны относительно неподвижных звезд. Они ввели созвездия – группы ярких звезд. С современной точки зрения использование созвездий соответствует введению звездной системы отсчета – звездного неба, без учета различия расстояний до звезд. Эта система отсчета называется небесной сферой - сфера произвольного радиуса, центр которой совпадает с глазом наблюдателя, и на которой звезды изображены так, как их видит наблюдатель.

Наблюдая звездное небо, легко заметить, что высота звезд над горизонтом изменяется в течение ночи. Есть восходящие и заходящие звезды. Они подобно Солнцу восходят в восточной части горизонта и заходят в западной его части. Есть звезды, которые не заходят за горизонт. Эти наблюдения подсказывают, что горизонт можно использовать как линию отсчета. Около 5 тысяч лет назад именно так поступили астрономы цивилизации шумеров. Они ввели систему горизонтальных координат (земная система координат). В современном виде эта система координат строится с помощью отвесной линии, которая проходит через глаз наблюдателя. Пересечение отвесной линии с небесной сферой над головой наблюдателя называют точкой зенита (рис.1.1). Диаметрально противоположная зениту точка называется надиром . ^ Математическим (истинным) горизонтом называется большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через глаз наблюдателя ортогонально отвесной линии ZZ'. Расстояние светила М от истинного горизонта называется высотой светила h. Высота светила измеряется дугой большого круга, который проходит через светило, через зенит Z и надир Z'. Этот круг называется кругом высоты светила. Для светил над горизонтом

,

для светил под горизонтом

.

Для светил, не опускающихся под горизонт, удобно использовать вместо высоты расстояние светила от точки зенита. Это расстояние называется зенитным расстоянием :

.

Все светила, имеющие одинаковое зенитное расстояние, находятся на малом круге небесной сферы, который в древности назвали альмукантарат.

Для определения положения звезды на небесной сфере кроме высоты (или зенитного расстояния) необходимо ввести вторую координату. Ее называют азимут . Азимут измеряется дугой истинного горизонта от точки юга S до точки пересечения круга высоты и истинного горизонта в сторону запада W (рис.1.1). Азимут измеряется в градусной мере:

.

Горизонтальные координаты светила изменяются в течение суток.

Горизонтальная система координат связана с Землей. Она используется для изучения вращения Земли.

Наблюдая звездное небо в течение нескольких часов, можно заметить, что звезды плавно движутся вокруг точки небесной сферы, которая находится вблизи звезды α Малой Медведицы. Звезды совершают полный оборот за сутки. Это движение называют суточным движением светил. Оно происходит с востока на запад (или по часовой стрелке) и является следствием вращения Земли относительно собственной оси с запада на восток. Северный полюс мира - это точка на небесной сфере, вокруг которой движутся звезды в северном полушарии. Его находят из наблюдений (рис.1.2, 1.3). Звезду Малой Медведицы называют Полярной звездой из-за ее близости к северному полюсу мира. Расстояние Полярной звезды от северного полюса мира в настоящее время равно . Вблизи южного полюса мира ярких звезд нет.

Осью мира называют линию, которая проходит через северный полюс мира , южный полюс мира и центр небесной сферы (рис.1.4). Ось мира параллельна оси вращения Земли. Большой круг небесной сферы, плоскость которого ортогональна оси мира, называется небесным экватором. На небесном экваторе выделяют точку, в которой Солнце бывает в день весеннего равноденствия. Этот день длится половину суток и равен длине ночи. Диаметрально противоположная точка на небе соответствует дню осеннего равноденствия.

Ось мира, небесный экватор и точку используют для введения системы экваториальных координат. В этой системе вводят две координаты – склонения и прямое восхождение.

Склонение звезды - это расстояние звезды от небесного экватора. Оно измеряется длиной дуги большого круга, который проходит через полюса мира и звезду (рис.1.4). Этот круг называется кругом склонения светила. В северном полушарии склонения звезд принимают значения

,

в южном полушарии склонения отрицательные:

.

Звезды, имеющие одинаковые склонения, расположены на малом круге небесной сферы, который параллелен небесному экватору. Этот круг называется небесной параллелью. Суточное движение звезд происходит по небесным параллелям.




Рис.1.4 – ^ Экваториальные координаты звезды
Прямое восхождение
- это расстояние круга склонения светила от точки весеннего равноденствия . Оно измеряется длиной дуги небесного экватора от точки до точки пересечения небесного экватора и круга склонения, в сторону, противоположную направлению вращения небесной сферы (с запада на восток) (рис. 1.4). В этом же направлении происходит смещение Солнца относительно звезд в течение года. Прямое восхождение измеряется в единицах времени – часах, минутах и секундах, и принимает значения

.

Система экваториальных координат и связана с небесной сферой и совершает вместе с ней суточное вращение. Эта система координат является простейшей фундаментальной двумерной системой. Координаты звезд в фундаментальной системе не должны изменяться. Наблюдения за движением Солнца свидетельствуют о том, что положение точки медленно изменяется. Она смещается вдоль небесного экватора со скоростью около 50'' в год навстречу движению Солнца. Это движение было обнаружено греческим астрономом Гиппархом около двух тысяч лет назад. Он назвал это движение прецессией, что означает предварение равноденствий.

Из-за прецессии экваториальные координаты медленно изменяются у всех звезд. Поэтому при составлении звездных атласов и каталогов вводят понятие эпохи атласа и каталога. Так называют момент времени, который соответствует определенному положению точки среди звезд. Современные каталоги составлены для эпохи 2000 г.

^ Небесный меридиан наблюдателя – это большой круг небесной сферы, который проходит через полюса мира , , точку Q, точки севера N и юга S. Положение небесного меридиана не изменяется при суточном вращении небесной сферы, потому что он «прикреплен» к истинному горизонту наблюдателя в точках севера и юга. Небесный меридиан параллелен географическому меридиану, который проходит через точку наблюдения на поверхности Земли, поэтому иногда его называют местным меридианом. В течение суток каждое светило пересекает небесный меридиан дважды. Кульминация светила – это момент времени, в который светило пересекает меридиан. В верхней кульминации светило находится на максимальной высоте над горизонтом. В нижней кульминации высота светила минимальная.

В задачах астрономии, связанных с измерением времени, удобно использовать кроме прямого восхождения координату – часовой угол светила (рис.1.4). Часовой угол светила измеряется длиной дуги небесного экватора от верхней точки экватора Q до круга склонения светила в сторону вращения небесной сферы. Точка Q – пересечение небесного экватора и небесного меридиана наблюдателя - находится выше всех других точек экватора над горизонтом (над точкой юга S в северном географическом полушарии). Из-за суточного вращения небесной сферы часовой угол светила изменяется:



Используя геометрию сферы, можно найти следующую связь между горизонтальными и экваториальными координатами:





^ СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ КООРДИНАТ

Элемент

Горизонтальная

Экваториальная

Географическая система

Основной круг

Истинный горизонт

Небесный экватор

Земной экватор

Полюсы

Зенит и надир

Северный и южный полюсы мира

Северный и южный географические полюсы

Угловое расстояние от основного круга

Высота

Склонение

Широта

Угловое расстояние вдоль основного круга

Азимут

Прямое восхождение

Долгота

Опорная точка на основном круге

Точка юга S

Точка весеннего равноденствия

Пересечение с гринвичским меридианом





Рис.1.5 – Высота полюса мира над горизонтом
Высота полюса мира зависит от географической широты наблюдателя. Оказывается, . Это ясно из рис.1.5. Действительно, горизонт наблюдателя в точке земной поверхности т.О ортогонален радиусу Земли. Этот радиус совпадает с отвесной линией наблюдателя. Ось мира наблюдателя параллельна оси вращения Земли и ортогональна экватору Земли. Тогда широта и высота равны как углы с взаимно ортогональными сторонами. Таким образом, в точках с различной географической широтой ось мира относительно горизонта расположена по-разному. Соответственно, по-разному выглядит звездное небо относительно горизонта наблюдателей на различных широтах.

Например, на северном географическом полюсе и ось мира совпадает с отвесной линией. В этом случае все светила с положительным склонениями являются незаходящими и их небесные параллели параллельны истинному горизонту. Полярный наблюдатель никогда не видит светил с отрицательным склонением (рис.1.6).




Рис.1.7 – Небесные параллели на экваторе Земли



Рис.1.8 – Небесные параллели на широте
Если наблюдатель находится на экваторе , то высота полюса мира равна нулю и ось мира совпадает с полуденной линией NS, которая находится в плоскости истинного горизонта. В этом случае небесный экватор ортогонален истинному горизонту. Все светила восходят и заходят. В течение года экваториальный наблюдатель сможет увидеть все звезды небесного свода (рис.1.7). На любой широте часть звезд является незаходящими, часть – восходящими и заходящими, часть – невосходящими (рис. 1.8).

Расположение лунного месяца относительно горизонта наблюдателя разное на различных географических широтах. Например, если на широте Москвы месяц виден как серп,




Рис.1.9а – Серп Луны на широте Москвы



Рис.1.9б – Серп Луны на экваторе




перпендикулярный горизонту (рис.1.9а), то в тот же момент на земном экваторе наблюдатель увидит месяц, похожим на лодочку (рис.1.9б). Этот факт используется в сказках различных народов.


^ Видимое движение Солнца

Видимое движение Солнца состоит из двух движений: суточного и годичного. Суточное движение Солнца, как и у всех небесных светил, происходит с востока на запад по небесной параллели. Оно является следствием вращения Земли вокруг оси с запада на восток с периодом одни сутки.

Годичное движение Солнца среди звезд происходит с запада на восток, оно является следствием обращения Земли вокруг Солнца.

В течение года азимуты точек восхода и захода Солнца изменяются. Высота Солнца в момент верхней кульминации (полдень) тоже изменяется в течение года (рис. 1.10). В дни весеннего (около 21 марта) и осеннего ( около 23 сентября) равноденствий Солнце находится на небесном экваторе (склонение ). Оно восходит в точке востока E и заходит в точке запада W истинного горизонта наблюдателя (рис.1.10). Времена суточного движения Солнца над горизонтом (день) и под горизонтом (ночь) одинаковы в дни весеннего и осеннего равноденствий. Экваториальные координаты Солнца в день весеннего равноденствия равны:

,,

в день осеннего равноденствия:

,.

В северном полушарии Земли в весенне-летний период, начиная с дня весеннего равноденствия и до дня осеннего равноденствия, Солнце восходит на северо-востоке, а заходит на северо-западе.

В день летнего солнцестояния (около 22 июня) точки восхода и захода Солнца находятся ближе всего к точке севера N истинного горизонта (рис.1.10). В этот день время суточного движения Солнца над горизонтом максимально для каждого наблюдателя в северном полушарии Земли. Длина дня летнего солнцестояния в Москве превышает 17 часов.

В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) точки восхода и захода Солнца находятся ближе всего к точке юга S истинного горизонта (рис. 1.10) . В этот день время суточного движения Солнца над горизонтом минимально в северном полушарии. Длина дня зимнего солнцестояния в Москве не превышает 7,5 часов. Экваториальные координаты Солнца в день летнего солнцестояния равны


,

,

в день зимнего солнцестояния:

,

.

В
Рис.1.11 – Высота Солнца в верхней кульминации на широте
ысота Солнца на широте в полдень равна (рис.1.11)

.

Эта высота максимальна в день летнего солнцестояния:

,

и минимальна в день зимнего солнцестояния:

.





Рис.1.12 – ^ Положение эклиптики относительно небесного экватора
Изменение координат Солнца в течение года означает, что оно движется относительно звездного неба. Это годичное движение Солнца происходит с запада на восток. Годичный путь Солнца на небесной сфере называется эклиптикой. Эклиптика наклонена к небесному экватору под углом (рис.1.12). Интервал времени, в течение которого Солнце проходит эклиптику (от одного весеннего равноденствия до следующего весеннего равноденствия), называется тропическим годом.

Экваториальные координаты Солнца определяют в момент его верхней кульминации. В этот момент измеряют зенитное расстояние Солнца . Затем вычисляют склонение Солнца по формуле:



Прямое восхождение Солнца вычисляют по формуле:

Последняя формула выводится с помощью сферической тригонометрии.

Эклиптика проходит через тринадцать созвездий: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей. Современные границы этих созвездий были приняты в 1922 г. на 1-ом съезде Международного астрономического союза.

В древности шумерские астрономы делили эклиптику на двенадцать равных частей - знаков. Каждый знак имел астрологический смысл, ему сопоставлялись свойства предметов и живых существ. Одиннадцать знаков имели названия животных. Древние греки назвали полосу небесной сферы, по которой проходят видимые пути Солнца и Луны, зодиак (по-гречески ZOON означает «животное»). Сейчас для названий зодиакальных

созвездий (кромеЗмееносца) используют древние названия астрологических знаков (рис.1.13).


Овен



Телец



Близнецы



Рак



Лев



Дева



Весы



Скорпион



Змееносец



Стрелец



Козерог



Водолей



Рыбы


Солнце движется по эклиптике неравномерно. Склонение Солнца быстрее всего изменяется вблизи весеннего и осеннего равноденствий , :

Медленнее всего склонение Солнца изменяется в дни солнцестояний , :



Отсюда и название этих дней, т.к. Солнце почти неподвижно относительно небесного экватора.

Прямое восхождение Солнца в течение года изменяется тоже неравномерно:

в дни равноденствий , :

,

в дни солнцестояний:

(),


().

О неравномерности движения Солнца свидетельствует известный еще древним астрономам факт: в северном полушарии Земли продолжительность весенне-летнего сезона длиннее примерно на неделю продолжительности осенне-зимнего сезона.


^ Времена года

Существование времен года на нашей планете связано с изменением склонения Солнца в течение года. Действительно, тепловой баланс поверхности Земли определяется потоком излучения от Солнца и потоком тепла из земных недр. Причем поток солнечного тепла примерно в 104 раз больше теплового потока из недр Земли. Поэтому нагрев поверхности Земли зависит от освещенности, создаваемой Солнцем. Угол падения солнечных лучей равен зенитному расстоянию Солнца. В верхней кульминации (полдень) зенитное расстояние равно (рис. 1.14):


Рис.1.14 – Угол падения луча Солнца равен зенитному расстоянию Солнца
.

Тогда освещенность, создаваемая Солнцем в полдень, на широте , равна

,

где - светимость Солнца, – расстояние Земли от Солнца. Расстояние в течение года изменяется мало, т.к. видимый угловой размер Солнца изменяется всего на 4: от 32 31.8 в начале января до 32 27.8 в начале июля. Поэтому изменение освещенности связано с изменением склонения Солнца . Найдем отношение освещенностей в полдень для дней летнего и зимнего солнцестояний:



Для широты Москвы это отношение равно 4.7

На земном экваторе и смены времен года нет.


Рис.1.15 – Годичное изменение распределения освещенности поверхности Земли
С физической точки зрения смена времен года на Земле связана с тем, что ось вращения Земли наклонена к плоскости её орбиты и в течение года сохраняется момент вращения Земли. В этом случае сохраняется направление оси вращения Земли и, соответственно, угол наклона плоскости экватора планеты к плоскости ее орбиты – эклиптике. Летом северное полушарие Земли наклонено в сторону Солнца и освещается в течение суток полностью (рис.1.15). Зимой приполярные области северного полушария не освещаются.



^ Таблица 1. ПОСТУПЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ВЕРХНЮЮ ГРАНИЦУ АТМОСФЕРЫ (Вт/м2 в сутки)

Широта, °с.ш.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

21 июня

375

414

443

461

470

467

463

479

501

510

21 декабря

399

346

286

218

151

83

23

0

0

0

Среднегодовое значение

403

397

380

352

317

273

222

192

175

167



Если бы эклиптика совпадала с небесным экватором, т.е. всегда склонение Солнца было бы равно нулю: , то смены времен года не было.

^ Тепловые пояса





Рис.1.16 – тепловые пояса Земли
Тепловые пояса на поверхности Земли ввел Парменид (V в. до н.э.), используя астрономические явления.

Теплый тропический пояс образуют географические параллели, на которых наблюдатель хотя бы один раз в году может увидеть в полдень Солнце в зените. В этом случае зенитное расстояние Солнца равно нулю(см. рис. 1.14), поэтому

.

П
Рис.1.17 – Солнце – невосходящее светило
оскольку , то тропическому поясу соответствует полоса географических широт (рис. 1.16). Тропический пояс самый теплый на планете, т.к. в его пределах максимальна освещенность, создаваемая Солнцем. С древних времен сохранились названия Тропик Рака (северное полушарие Земли) и Тропик Козерога (южное полушарие Земли). Тропик Рака – это географическая параллель, на которой наблюдатель увидит Солнце в зените в день летнего солнцестояния в знаке Рака. Тропик Козерога – это географическая параллель, на которой наблюдатель увидит Солнце в зените в день зимнего солнцестояния в знаке Козерога.

Холодные полярные пояса образуют географические параллели, на которых Солнце может быть невосходящим светилом, т.е. даже в верхней кульминации высота Солнца может быть отрицательной (рис.1.17):

.

В северном полушарии это условие выполняется для широт:

,

а в южном полушарии для широт .


Время, в течение которого Солнце остается невосходящим светилом, называется полярной ночью. Полярная ночь на северном географическом полюсе длится пока склонение Солнца отрицательно , т.е. в осеннее - зимний период. В это время на южном географическом полюсе длится полярный день (Солнце является незаходящим светилом). На южном географическом полюсе полярная ночь примерно на неделю длиннее, чем на северном полюсе, потому что осенне-зимний период в южном полушарии длиннее из-за неравномерности движения Земли вокруг Солнца.

В Антарктиде находится полюс холода планеты – станция «Восток», где температура опускается до из-за несферичности формы Земли (рис.1.18). На рис. 1.18 показаны тепловые пояса Земли, соответствующие распределению среднегодичных температур.








Скачать 258.42 Kb.
оставить комментарий
Дата17.10.2011
Размер258.42 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх