§ 116. Видимые движения небесных тел

Определения и обозначения

Видимое суточное движение небесных тел — кажущееся перемещение светил по небесной сфере с востока на запад, связанное прежде всего с вращением Земли вокруг оси. Это понятие описывает то, что видит наблюдатель, а не реальное обращение всех светил вокруг Земли. Оно помогает объяснить ежедневные восходы и заходы.

Эклиптика — большой круг небесной сферы, вдоль которого Солнце совершает видимое годичное движение среди звёзд. Её используют как ориентир для описания положения Солнца и планет на небе. Эклиптика не совпадает с небесным экватором, который связан с земным экватором.

Прямое движение планеты — её видимое перемещение на фоне звёзд с запада на восток. Так обычно меняется положение планеты при наблюдении в течение многих ночей. Термин нужен, чтобы отличать это направление от временного попятного движения.

Попятное движение планеты — временное видимое перемещение на фоне звёзд с востока на запад, сменяющее прямое движение. Планета при этом не разворачивается на своей орбите вокруг Солнца. Понятие позволяет описывать изменение направления, наблюдаемое с движущейся Земли.

Как это устроено

В течение суток звёзды и другие далёкие светила кажутся движущимися с востока на запад. Земля вращается вокруг своей оси в противоположную сторону — с запада на восток, поэтому наблюдатель поворачивается вместе с планетой, а небесная сфера словно уходит навстречу. Это похоже на ощущение движения окружающего пейзажа, когда едет поезд: меняется положение наблюдателя, а не всего мира вокруг него. Так объясняются восход светил на востоке и их заход на западе.

Видимое положение Солнца на фоне звёзд меняется в течение года, потому что Земля обращается вокруг Солнца. По мере движения Земли меняется направление, в котором наблюдатель видит Солнце, и оно проецируется на разные участки небесной сферы. Поэтому кажется, что Солнце перемещается среди звёзд по большому кругу — эклиптике. Это годичное движение не следует путать с ежедневным перемещением Солнца по небу.

Созвездия, на фоне которых наблюдается Солнце, тоже меняются от месяца к месяцу. Днём свет звёзд рядом с Солнцем обычно теряется в ярком сиянии, но положение Солнца относительно звёзд можно определить астрономическими наблюдениями. Наклон земной оси к плоскости орбиты приводит к тому, что в разные части года полушария получают неодинаковое количество солнечного света. Поэтому смена положения Солнца на небе и движение по эклиптике помогают описывать сезонные изменения, но сами времена года объясняются наклоном оси Земли.

Планеты обычно смещаются на фоне далёких звёзд в прямом направлении, однако иногда на время меняют его на попятное. Земля и планеты движутся вокруг Солнца по орбитам с разными радиусами и скоростями, поэтому взаимное положение тел постоянно меняется. Когда Земля обгоняет внешнюю планету, например Марс, направление на неё относительно звёзд временно смещается в обратную сторону. На небесной сфере такая смена направления создаёт видимую петлю, хотя реальная орбита планеты остаётся непрерывной.

Описание движения зависит от выбранной системы отсчёта — тела или системы тел, относительно которых мы определяем положение. С Земли Солнце ежедневно движется по небу, а планета может временно перемещаться среди звёзд назад. Если же рассматривать движение планет относительно Солнца, они обращаются вокруг него и не выполняют видимых петель вокруг Земли. Следовательно, кажущаяся картина полезна для описания наблюдений, но её нельзя напрямую принимать за устройство Солнечной системы.

Видимые движения небесных тел

В таблице сопоставлены направления видимого движения и причины, которые создают наблюдаемую картину. Слова «прямое» и «попятное» относятся к смещению планет на фоне звёзд, а не к их движению вокруг Солнца. Сначала определите, какой период рассматривается — сутки или год, — и затем прочитайте объяснение в последнем столбце.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Объясните, почему звёзды за ночь перемещаются по небу с востока на запад, хотя Земля вращается в противоположном направлении. Нужно сопоставить направление вращения Земли и кажущийся ход светил. Звёзды не требуется считать участниками суточного обращения вокруг нашей планеты.

1. Установим направление реального вращения Земли: она вращается с запада на восток.
2. Представим, что наблюдатель стоит на поверхности и поворачивается вместе с Землёй. Из-за такого движения далёкие звёзды кажутся смещающимися в противоположную сторону.
3. Сопоставим направления: кажущееся движение светил происходит с востока на запад, поэтому они восходят на востоке и заходят на западе.

Ответ. Звёзды перемещаются по небу с востока на запад кажущимся образом, потому что Земля вращается вокруг оси с запада на восток. Наблюдаемое движение не означает, что звёзды за ночь совершают оборот вокруг Земли.

Задача 2

Условие. Солнце находится на фоне разных созвездий в разные месяцы года. Объясните смену положений и назовите линию, вдоль которой происходит видимое перемещение. Здесь важно не перепутать годичный путь Солнца с его ежедневным движением от восхода к закату. Также нужно назвать причину, из-за которой меняется направление на Солнце.

1. Земля обращается вокруг Солнца, поэтому в течение года наблюдатель оказывается в разных точках орбиты.
2. Из разных точек орбиты направление от Земли к Солнцу меняется. На фоне далёких звёзд это выглядит как последовательное перемещение Солнца среди созвездий.
3. Назовём большой круг небесной сферы, соответствующий видимому годовому пути Солнца: это эклиптика.

Ответ. Солнце оказывается на фоне разных созвездий, потому что Земля обращается вокруг него и направление наблюдения меняется. Видимое перемещение Солнца проходит по эклиптике.

Задача 3

Условие. Марс на несколько недель меняет обычное направление перемещения среди звёзд, а затем снова движется в прежнюю сторону. Объясните попятное движение, не предполагая, что Марс действительно разворачивается на орбите. В решении рассматриваем наблюдение с Земли и различаем направление на фоне звёзд и движение вокруг Солнца. Для Марса, как внешней планеты, особенно наглядно проявляется обгон Земли.

1. Учитываем, что Земля и Марс непрерывно обращаются вокруг Солнца, но их орбиты и скорости различаются.
2. Когда Земля проходит по своей орбите быстрее и обгоняет Марс, направление на Марс относительно далёких звёзд постепенно меняется.
3. На коротком отрезке времени это изменение выглядит как смещение Марса с востока на запад. После обгона видимое смещение снова становится прямым.
4. Проверяем объяснение: меняется положение планеты на небе относительно наблюдателя, а не направление движения Марса по орбите вокруг Солнца.

Ответ. Попятное движение Марса — кажущийся эффект относительного движения Земли и Марса. Марс продолжает обращаться вокруг Солнца в прежнем направлении, а его видимый путь на фоне звёзд на время образует петлю.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что суточное движение звёзд вызвано их обращением вокруг Земли. Такое объяснение принимают, если описывают только наблюдаемую картину и не учитывают вращение наблюдателя вместе с Землёй. Проверка: сравните направления — Земля вращается с запада на восток, а светила кажутся движущимися с востока на запад.

Вторая ошибка — путать эклиптику с небесным экватором. Обе линии представляют собой большие круги небесной сферы, поэтому их легко принять за одно и то же. Проверка: эклиптика соответствует видимому годовому пути Солнца, а небесный экватор связан с земным экватором.

Третья ошибка — считать, что при попятном движении планета физически меняет направление на орбите. Так происходит, если слово «движение назад» понимать буквально, не уточняя точку наблюдения. Проверка: речь идёт о положении планеты относительно звёзд при наблюдении с Земли, тогда как обращение планеты вокруг Солнца продолжается.

Четвёртая ошибка — принимать видимые петли планет за доказательство их сложного движения вокруг Земли. Петли действительно можно заметить на небе, но они описывают траекторию относительно наблюдателя. Проверка: учтите, что Земля сама движется, а планеты обращаются вокруг Солнца с разными скоростями; тогда петля объясняется изменением взаимного положения тел.

Связь с другими темами

Для понимания видимых движений нужны знания о вращении Земли вокруг оси, её обращении вокруг Солнца и небесной сфере, относительно которой описывают положения светил. Эти идеи помогают изучать движение планет и сравнивать геоцентрическую систему мира, где центр отсчёта — Земля, с гелиоцентрической, где планеты обращаются вокруг Солнца. Эклиптика и годичное движение Солнца дают ориентиры для наблюдений в разные сезоны, но сами времена года связаны прежде всего с наклоном земной оси.

Что запомнить

• Суточное движение небесных тел с востока на запад в основном объясняется вращением Земли с запада на восток.
• Видимый годичный путь Солнца проходит по эклиптике.
• В течение года Солнце оказывается на фоне разных созвездий.
• Планеты обычно перемещаются среди звёзд в прямом направлении.
• Попятное движение планеты — кажущееся следствие относительного движения планет и Земли.
• Видимое движение небесного тела не всегда совпадает с его движением относительно Солнца.