Видимое движение планет

Издавна люди наблюдали на небе такие  явления как  видимое вращение звездного неба, смена фаз Луны, восход и заход небесных светил, видимое движение Солнца по небу в течение дня, солнечные затмения, изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года, лунные затмения.

Было ясно, что все эти явления  связаны, прежде всего, с движением небесных тел, характер которого люди пытались описать при помощи простых визуальных наблюдений, правильное понимание и объяснение которых складывалось веками. После признания революционной гелиоцентрической системы  мира Коперника, после того как Кеплер сформулировал три закона движения небесных тел и разрушил многовековые наивные представления о простом  круговом движении планет вокруг Земли, доказал расчетами и наблюдениями, что орбиты движения небесных тел могут быть только эллиптическими, стало наконец ясно, что видимое движение планет складывается из:

1. перемещения наблюдателя по поверхности Земли;
2. вращения Земли вокруг Солнца;
3. собственных движений небесных тел.

Сложное видимое движение планет на небесной сфере обусловлено обращением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Само слово "планета" в переводе с древнегреческого означает "блуждающая" или "бродяга".

Траектория движения небесного  тела называется его орбитой. Скорости движения планет по орбитам убывают с удалением планет от Солнца. Характер движения планеты зависит от того, к какой группе она принадлежит.

 Поэтому по отношению к  орбите и условиям видимости  с Земли планеты разделяются на внутренние (Меркурий, Венера) и внешние (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон), или соответственно, по отношению к Земной орбите, на нижние и верхние.

Внешние планеты всегда повернуты  к Земле стороной, освещаемой Солнцем. Внутренние планеты меняют свои фазы подобно Луне. Наибольшее угловое удаление планеты от Солнца называется элонгацией. Наибольшая элонгация у Меркурия – 28°, у Венеры – 48°. Плоскости орбит всех планет Солнечной системы (кроме Плутона) лежат вблизи плоскости эклиптики, отклоняясь от нее: Меркурий на 7њ , Венера на 3,5њ; у других наклон еще меньше.

При восточной элонгации  внутренняя планета видна на западе, в лучах вечерней зари, вскоре после  захода Солнца. При западной элонгации  внутренняя планета видна на востоке, в лучах утренней зари, незадолго  до восхода Солнца. Внешние же планеты могут находиться на любом угловом расстоянии от Солнца.

Угол фазы Меркурия и  Венеры изменяется в пределах от 0°  до 180°, поэтому Меркурий и Венера сменяют фазы так же, как и Луна. Около нижнего соединения обе планеты имеют наибольшие угловые размеры, но выглядят, как узкие серпы. При угле фазы ψ = 90°, освещается половина диска планет, фаза Φ = 0,5. В верхнем соединении нижние планеты освещены полностью, но плохо видны с Земли, так как находятся за Солнцем.

Итак, при наблюдениях с Земли на движение планет вокруг Солнца накладывается еще и движение Земли по своей орбите, планеты перемещаются по небосводу то с востока на запад (прямое движение), то с запада на восток (попятное движение). Моменты смены направления называются стояниями. Если нанести этот путь на карту, получится петля. Размеры петли тем меньше, чем больше расстояние между планетой и Землей. Планеты описывают петли, а не просто движутся туда-сюда по одной линии исключительно из-за того, что плоскости их орбит не совпадают с плоскостью эклиптики. Такой сложный петлеобразный характер был впервые замечен и описан на примере видимого движения Венеры (рисунок 1).

Рисунок 1 –  «Петля Венеры».

 

Известен факт, что  движение определенных планет можно  наблюдать с Земли только в  строго определенное время года, это связано с их положением с течением времени на звездном небе.

Характерные взаимные расположения планет относительно Солнца и Земли  называются конфигурациями планет. Конфигурации внутренних и внешних планет различны: у нижних планет это соединения и элонгации (наибольшее угловое отклонение орбиты планеты от орбиты Солнца), у верхних планет это квадратуры, соединения и противостояния.

Поговорим конкретнее о  каждом из видов конфигураций: конфигурации, при которых внутренняя планета, Земля и Солнце выстраиваются по одной линии, называются соединениями (рис. 2).

Рис. 2. Конфигурации планет: 
Земля в верхнем соединении с Меркурием, 
в нижнем соединении с Венерой и в противостоянии с Марсом

 

Если А - Земля, В - внутренняя планета, С - Солнце, небесное явление называется нижним соединением. В "идеальном" нижнем соединении происходит прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца.

Если А - Земля, В - Солнце, С - Меркурий или Венера, явление называется верхним соединением. В "идеальном" случае происходит покрытие Солнцем планеты, которое, конечно, не может наблюдаться из-за несравнимой разницы в блеске светил.

Для системы Земля - Луна - Солнце в нижнем соединении происходит новолуние, в верхнем соединении - полнолуние.

Предельный угол между Землей, Солнцем  и внутренней планетой называется наибольшим удалением или элонгацией и равен: для Меркурия - от 17њ30' до 27њ45' ; для Венеры - до 48њ. Внутренние планеты могут наблюдаться только вблизи Солнца и только по утрам или вечерам, перед восходом или сразу после захода Солнца. Видимость Меркурия не превышает часа, видимость Венеры - 4 часов (рис. 3).

 

Рис. 3. Элонгация планет

 

Конфигурация, при которой Солнце, Земля и внешняя планета выстраиваются на одной линии, называется (рис. 2):

1) если А - Солнце, В - Земля,  С - внешняя планета - противостоянием;

2) если А - Земля, В - Солнце, С - внешняя планета - соединением планеты с Солнцем.

Конфигурация, в которой Земля, Солнце и планета (Луна) образуют в  пространстве прямоугольный треугольник, называется квадратурой: восточной при расположении планеты в 90њ к востоку от Солнца и западной при расположении планеты в 90њ к западу от Солнца.

Движение внутренних планет на небесной сфере сводится к их периодическому отдалению от Солнца вдоль эклиптики то к востоку, то к западу на угловое расстояние элонгации.

Движение внешних планет на небесной сфере носит более сложный  петлеобразный характер. Скорость видимого движения планеты неравномерна, поскольку ее величина определяется векторной суммой собственных скоростей Земли и внешней планеты. Форма и размеры петли планеты зависит от скорости планеты по отношению к Земле и наклона планетной орбиты к эклиптике.

Теперь введем понятие конкретных физических величин, характеризующих  движение планет и позволяющих произвести некоторые расчеты: Сидерическим (звездным) периодом обращения планеты называется промежуток времени Т, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца по отношению к звездам.

Синодическим периодом обращения планеты называется промежуток времени S между двумя последовательными одноименными конфигурациями.

Для нижних (внутренних) планет: 

Для верхних (внешних) планет:   

 

Продолжительность средних солнечных суток s для планет Солнечной системы зависит от сидерического периода их вращения вокруг своей оси t, направления вращения и сидерического периода обращения вокруг Солнца Т.

Для планет, обладающих прямым направлением вращения вокруг своей оси (тем же, в котором они движутся вокруг Солнца):

Для планет, обладающих обратным направлением вращения (Венера, Уран):

Формулы связи синодического и  сидерического периодов выводят  по аналогии с движением часовых стрелок. Аналогией синодического периода S будет промежуток времени между совпадениями часовой и минутной стрелок, аналогией сидерических - периоды вращения часовой стрелки (Т₁ = 12 ч) и минутной стрелки (Т₂ = 1 ч). Стрелки встречаются вновь в разных местах циферблата. Их угловые скорости равны:

;

За синодический период времени  часовая стрелка описывает дугу , минутная стрелка .

Тогда    => .

 

Однако насколько бы мы точно  не производили расчеты, существует ряд космических и атмосферных явлений которые искажают истинную картину:

1) Атмосферная рефракция,  которая включает:

- искажение небесных координат  светил;

- необходимость поправки экваториальных координат небесных светил на рефракцию;

- искажение формы и угловых  размеров небесных светил по  высоте на восходе и закате;

- мерцание звезд;

- "зеленый луч".

2) Рассеяние света  в атмосфере Земли, которое включает:

- голубой цвет дневного неба;

- синий, сиреневый цвет вечернего  (утреннего) неба;

- сумерки.

- продолжительность светового  времени суток (дня) всегда  превышает промежуток времени  от восхода до захода Солнца;

- белые ночи; полярный день и  полярная ночь на высоких широтах;

- свечение ночного неба;

- заря; красный цвет зари;

- покраснение дисков Солнца  и Луны на восходе и закате.