5. Видимое движение планет и Солнца

Определения и обозначения

Эклиптика — большой круг небесной сферы, вдоль которого Солнце перемещается среди звёзд в течение года. Плоскость орбиты Земли пересекает небесную сферу по этому кругу. Эклиптика нужна, чтобы описывать годовой путь Солнца и положение планет рядом с ним.

Прямое движение — видимое смещение планеты на фоне звёзд с запада на восток. Оно направлено так же, как годовое движение Солнца по небесной сфере. Это обычное направление, которое помогает прослеживать положение планеты относительно звёзд.

Попятное движение — временное видимое смещение планеты с востока на запад. Оно возникает из-за изменения взаимного положения Земли и планеты, когда обе движутся вокруг Солнца. Термин описывает видимое явление, а не реальный разворот планеты на орбите.

Элонгация — угловое расстояние планеты от Солнца на небесной сфере. Это не расстояние между телами в километрах, а угол между направлениями на них с Земли. Элонгация особенно важна для внутренних планет: она показывает, насколько далеко от солнечного блеска их можно наблюдать.

Как это устроено

Звёзды находятся очень далеко, поэтому за год направление на каждую из них из-за движения Земли меняется мало. Земля же перемещается по орбите вокруг Солнца, и наблюдателю кажется, что Солнце медленно смещается на фоне звёзд. Так возникает годовое движение вдоль эклиптики. За полный оборот Земли Солнце возвращается примерно к тем же участкам звёздного фона.

Созвездия, через которые проходит эклиптика, образуют зодиакальный пояс. В разные месяцы Земля оказывается в разных точках орбиты, поэтому направление от неё к Солнцу указывает на разные созвездия. Суточное движение имеет другую причину и масштаб: из-за вращения Земли вокруг оси небесные объекты за ночь кажутся перемещающимися с востока на запад. Годовой путь Солнца среди звёзд значительно медленнее и наблюдается при сравнении его положения в разные дни.

Планеты тоже обращаются вокруг Солнца, а потому меняют положение относительно далёких звёзд. Обычно их видимое смещение направлено на восток — это прямое движение. Но Земля движется по своей орбите и периодически обгоняет внешнюю планету или оказывается в таком положении относительно внутренней, что направление на неё меняется иначе. На фоне звёзд возникает временное смещение на запад, называемое попятным движением; после него прямое движение возобновляется.

Планеты, расположенные внутри орбиты Земли, — Меркурий и Венера. С Земли они всегда находятся недалеко от Солнца, поэтому видны преимущественно вскоре после заката или перед рассветом. Их максимальное угловое удаление от Солнца ограничено, а сами планеты могут находиться на восточной или западной стороне от него на небесной сфере. Планеты за орбитой Земли могут удаляться от Солнца на небе сильнее и наблюдаться ночью.

По мере движения Земли и планеты меняется угол между направлениями на планету и Солнце: они то кажутся расположенными рядом, то расходятся. Наибольшее такое угловое расстояние называют наибольшей элонгацией. У внешней планеты возможна конфигурация, при которой Земля оказывается между ней и Солнцем: планета видна в противоположной от Солнца части неба, и это положение называется противостоянием. Такие изменения положения помогают выбирать подходящее время для наблюдений.

Особенности видимого движения Солнца и планет

Сначала определите, находится ли планета внутри орбиты Земли или за ней: от этого зависит её положение относительно Солнца на небе. Затем обратите внимание на направление видимого движения и на конфигурацию, удобную для наблюдений. Таблица помогает сопоставить общие особенности, но конкретное время видимости зависит от положения планеты на орбите.

Разбор задач

Задача 1. Ученик заметил, что в разные месяцы Солнце находится на фоне разных созвездий. Нужно объяснить причину и назвать круг, вдоль которого оно перемещается. Сравним положения Солнца не в течение суток, а в разные месяцы года.

1. Земля обращается вокруг Солнца, поэтому направление от Земли к Солнцу постепенно меняется относительно далёких звёзд.
2. Из-за этого Солнце кажется перемещающимся по небесной сфере и оказывается на фоне разных созвездий.
3. Его годовой видимый путь проходит вдоль эклиптики.

Ответ: смена созвездий связана с обращением Земли вокруг Солнца; годовой путь Солнца проходит по эклиптике.

Задача 2. В течение нескольких недель Марс сначала смещался на фоне звёзд к востоку, а затем к западу. Требуется объяснить, почему это не означает реального разворота планеты. Сравним её видимое положение с движением Земли и Марса по орбитам.

1. Планета и Земля одновременно движутся вокруг Солнца, поэтому взаимное положение наблюдателя и Марса меняется.
2. В некоторый период это изменение приводит к тому, что направление на Марс относительно далёких звёзд смещается к западу.
3. Такое временное смещение называют попятным движением; после него видимое прямое движение возобновляется.

Ответ: Марс не разворачивается на орбите. Попятное движение — наблюдаемый эффект относительного движения Земли и Марса.

Задача 3. Внутреннюю планету наблюдают вечером невысоко над горизонтом, а в другой период — перед восходом Солнца. Нужно связать время наблюдения с положением планеты относительно Солнца. Здесь важно учитывать, что такая планета находится внутри орбиты Земли и не удаляется от Солнца на небе далеко.

1. Если планета видна после заката, она расположена на небесной сфере со стороны, где Солнце уже зашло, и наблюдается в вечерних сумерках.
2. В другой части орбиты она может оказаться с противоположной стороны от Солнца на небе и стать видимой перед рассветом.
3. Угловое расстояние между направлениями на планету и Солнце — её элонгация; у внутренней планеты она ограничена.

Ответ: вечерняя и утренняя видимость соответствуют разному расположению внутренней планеты относительно Солнца на небесной сфере; из-за небольшой элонгации она видна только в сумерках.

Типичные ошибки

Смешивать суточное движение и годовой путь Солнца. За ночь светила кажутся перемещающимися по небу из-за вращения Земли вокруг оси, а положение Солнца среди звёзд меняется в течение года из-за движения Земли по орбите. Их смешивают, потому что оба явления выглядят как перемещение по небесной сфере. Проверь себя: сравни время наблюдения и причину — сутки или год.

Принимать попятное движение за разворот планеты. Направление её движения по орбите не меняется так, как кажется наблюдателю с Земли. Ошибка возникает, если считать видимый путь прямым отражением движения планеты в пространстве. Проверь себя: учитывай, что Земля тоже обращается вокруг Солнца.

Считать, что планеты всегда движутся на восток. Обычно наблюдается прямое движение, но временами планета смещается на запад — попятно. Это легко упустить, если следить за объектом короткое время или считать обычное направление неизменным. Проверяй положение относительно одних и тех же звёзд в разные даты.

Путать элонгацию с расстоянием до планеты. Элонгация выражает угол между направлениями на планету и Солнце, а не расстояние между ними в километрах. Путаница появляется из-за слова «расстояние», которое употребляют и для угловой меры. Проверь себя: если речь о небе, элонгацию измеряют углом.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что Земля обращается вокруг Солнца, и уметь представлять небесную сферу как способ описания видимых положений светил. Эклиптика связана с эклиптической системой координат, которая задаёт ориентиры на небе. Сопоставление видимых движений помогает изучать строение Солнечной системы и конфигурации планет. Эти знания также понадобятся при объяснении наблюдений и смены фаз внутренних планет.

Что запомнить

• Годовое видимое движение Солнца происходит вдоль эклиптики.
• Эклиптика связана с плоскостью орбиты Земли.
• Планеты обычно движутся на фоне звёзд в прямом направлении.
• Попятное движение — видимый эффект, обусловленный движением Земли и планеты.
• Элонгация — угловое расстояние планеты от Солнца.
• Внутренние планеты наблюдаются на небольшом угловом расстоянии от Солнца.