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.