§ 6. Годичное движение Солнца по небу. Эклиптика

Определения и обозначения

Годичное движение Солнца — видимое изменение положения Солнца среди звёзд в течение года, обусловленное обращением Земли вокруг Солнца. Иными словами, меняется направление, в котором мы наблюдаем Солнце, если сравнивать его с далёкими звёздами. Это понятие помогает отличать годовое перемещение от ежедневного движения светил по небу.

Эклиптика — большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Большим кругом называют окружность, полученную пересечением сферы плоскостью, проходящей через её центр. Эклиптика нужна, чтобы описывать путь Солнца и отмечать его важные положения в течение года.

Точки равноденствий — точки пересечения эклиптики с небесным экватором, в которых Солнце пересекает его. Небесный экватор — проекция земного экватора на небесную сферу, а склонением называют угловое расстояние светила от него. Эти точки помогают определить моменты перехода Солнца из одного полушария небесной сферы в другое.

Точки солнцестояний — точки эклиптики, наиболее удалённые от небесного экватора к северу и к югу. В них склонение Солнца достигает наибольшего положительного или отрицательного значения. По этим положениям удобно объяснять крайние значения продолжительности дня и ночи в течение года.

Как это устроено

Суточное движение Солнца с востока на запад связано с вращением Земли вокруг своей оси. За год Земля ещё и обращается вокруг Солнца, поэтому её положение на орбите постоянно меняется. Из-за этого меняется направление от Земли к Солнцу относительно далёких звёзд: наблюдателю кажется, что Солнце медленно перемещается среди них в противоположном направлении. Так возникают два разных видимых движения — ежедневное и годичное.

Путь Солнца среди звёзд называют эклиптикой, потому что именно вдоль этого большого круга оно перемещается за год на небесной сфере. Небесный экватор задаётся плоскостью земного экватора, а эклиптика соответствует плоскости земной орбиты. Эти плоскости не совпадают, поэтому их круги пересекаются и наклонены друг к другу примерно на 23,5°. Если бы они совпадали, годичное склонение Солнца не менялось бы таким образом.

Поскольку эклиптика наклонена к небесному экватору, Солнце в течение года то оказывается севернее него, то южнее. Склонение — угловое расстояние светила от небесного экватора к северу или югу — поэтому меняется от отрицательного значения к положительному и обратно. При движении от зимнего солнцестояния к летнему склонение Солнца растёт, а после летнего солнцестояния начинает уменьшаться. Изменение склонения связано и с тем, как высоко Солнце поднимается над горизонтом в разные сезоны.

В точках равноденствий эклиптика пересекает небесный экватор, и склонение Солнца становится равным нулю. Весной Солнце пересекает экватор с юга на север, а осенью — с севера на юг. В эти даты освещённая половина Земли располагается относительно экватора так, что день и ночь оказываются примерно равными по длительности. Равенство не строгое: на него влияют особенности наблюдения и атмосфера.

В точках солнцестояний Солнце дальше всего от небесного экватора: его склонение достигает крайнего северного или южного значения. В Северном полушарии около июньского солнцестояния Солнце находится севернее экватора, и светлое время суток самое длинное. Около декабрьского солнцестояния оно находится южнее экватора, и день самый короткий. В Южном полушарии сезонная картина обратная.

Основные положения Солнца на эклиптике в течение года

Используй таблицу, чтобы сопоставить дату, положение Солнца относительно небесного экватора и длительность дня. Для Южного полушария сезонные особенности солнцестояний будут противоположными. Даты указаны приблизительно и могут немного меняться от года к году.

Разбор задач

Суточное и годичное движение

Условие. Объясните, почему Солнце в течение года меняет положение среди звёзд, хотя за сутки оно движется по небу с востока на запад. Нужно различить два видимых движения и связать каждое с движением Земли. Наблюдение за одним днём само по себе не показывает годичного перемещения.

1. Сначала рассматриваем изменения в течение суток: Земля вращается вокруг оси с запада на восток, поэтому светила кажутся движущимися с востока на запад.
2. Затем сравниваем положение Солнца относительно далёких звёзд в разные дни. Земля за это время перемещается по орбите, и направление на Солнце постепенно меняется.
3. Следовательно, суточное движение вызвано вращением Земли, а годичное — её обращением вокруг Солнца. Видимое перемещение Солнца среди звёзд идёт в направлении, противоположном орбитальному движению Земли.

Ответ. Движение с востока на запад за сутки — следствие вращения Земли вокруг оси. Изменение положения среди звёзд в течение года связано с обращением Земли по орбите. Поэтому эти наблюдаемые движения имеют разные причины.

Пересечение небесного экватора

Условие. Определите характерное положение Солнца на эклиптике в день, когда оно пересекает небесный экватор с юга на север. Уточните, к какому виду ключевых точек относится это положение. Направление пересечения важно для ответа.

1. Точки пересечения эклиптики с небесным экватором называются точками равноденствий. Значит, искомое положение не является точкой солнцестояния.
2. При движении Солнца с южной стороны экватора на север оно проходит весеннюю точку равноденствия. Это переход к положительному склонению.
3. Проверяем сезонную последовательность: после этой точки Солнце продолжает двигаться по эклиптике к крайнему северному положению, то есть к летнему солнцестоянию.

Ответ. Солнце находится в точке весеннего равноденствия. В этот момент оно пересекает небесный экватор с юга на север, а его склонение равно нулю. День и ночь примерно равны по длительности.

Летнее и зимнее солнцестояния

Условие. Сопоставьте летнее и зимнее солнцестояния в Северном полушарии. Нужно указать, по какую сторону небесного экватора находится Солнце и в какой день светлое время суток длиннее. Сравнивать следует положения Солнца по склонению.

1. При летнем солнцестоянии Солнце достигает крайнего северного склонения, то есть находится севернее небесного экватора. Для Северного полушария это соответствует наиболее длинному световому дню.
2. При зимнем солнцестоянии Солнце достигает крайнего южного склонения. В Северном полушарии день в это время самый короткий, а ночь — самая длинная.
3. Сверяем вывод с сезонной картиной: летом полушарие получает больше светлого времени, зимой — меньше. В Южном полушарии соотношение сезонов обратное.

Ответ. Летом Солнце находится севернее небесного экватора, зимой — южнее. В Северном полушарии световой день длиннее при летнем солнцестоянии. При зимнем солнцестоянии он короче.

Типичные ошибки

Считать годичное движение реальным обращением Солнца вокруг Земли. Так можно решить, если смешать наблюдаемое движение с его причиной. Но Земля обращается вокруг Солнца, а годовое перемещение Солнца среди звёзд — видимое. Проверка: спроси себя, какое тело действительно движется по орбите вокруг другого.

Путать эклиптику с небесным экватором. Оба объекта — большие круги небесной сферы, поэтому их легко объединить в один. Однако небесный экватор связан с земным экватором, а эклиптика — с плоскостью земной орбиты; они наклонены друг к другу. Проверка: равноденствия находятся там, где эти круги пересекаются.

Считать точки равноденствий точками солнцестояний. Ошибка возникает из-за того, что оба названия обозначают важные положения Солнца в течение года. Равноденствия — пересечения эклиптики с небесным экватором, солнцестояния — крайние удаления от него. Проверка: у равноденствия склонение равно нулю, у солнцестояния оно достигает крайнего значения.

Утверждать, что день и ночь при равноденствии строго одинаковы везде и всегда. Это удобное приближение, а не точное правило для любых условий. На наблюдаемую продолжительность влияют атмосфера и то, как определяют момент восхода и захода. Проверка: формулируй вывод как «примерно равны», а не как абсолютное равенство.

Связь с другими темами

Для изучения годичного движения нужно знать модель небесной сферы, понятие небесного экватора и склонение светил. Эти представления позволяют описывать положение Солнца не только относительно горизонта, но и относительно небесных кругов. Далее тема помогает объяснить смену времён года и изменение продолжительности дня и ночи. Та же модель полезна при разборе видимого движения других небесных тел.

Что запомнить

• Годичное движение Солнца — видимое следствие обращения Земли вокруг Солнца.
• Путь Солнца среди звёзд на небесной сфере называется эклиптикой.
• Эклиптика наклонена к небесному экватору.
• В точках равноденствий Солнце пересекает небесный экватор.
• В точках солнцестояний склонение Солнца достигает крайних значений.
• Солнцестояния и равноденствия связаны с изменением продолжительности дня и ночи.