С раннего детства каждый знает о том, что Солнце - это огромный раскалённый шар, звезда, находящаяся далеко-далеко. Но на вопрос о том, каково расстояние от Земли до Солнца, ответить может далеко не каждый взрослый человек с высшим образованием. В этой статье рассказывается о том, как меняется расстояние от Земли до Солнца на протяжении года, как учёные измеряют это расстояние и насколько оно значительно в сравнении с удалённостью других космических объектов.
Солнце удалено от Земли примерно на сто пятьдесят миллионов километров. представляет собой не правильный круг, а эллипс, поэтому расстояние между центром Солнечной системы и Землёй в разное время неодинаково. Его минимальную величину в астрономии называют перигелием, а максимальную - афелием. Перигелий равен ста сорока семи миллионам километров, а значение афелия составляет сто пятьдесят два миллиона километров. Перигелий приходится на январь, а афелий - на июль.
С Земли Солнце кажется нам небольшим. В действительности же диаметр его превышает диаметр Земли по экватору в 109 раз. Огромное расстояние от Земли до Солнца - вот причина, по которой мы видим на небе относительно небольшой красно-жёлтый круг. Луна расположена в разы ближе, но выглядит на ночном небе меньше. Расстояние от Земли до её единственного естественного спутника примерно равно 384,3 тысячи километров. Это в 390 раз меньше, чем расстояние от Земли до Солнца. Время, за которое солнечный свет достигает поверхности нашей планеты, равно восемь минут и двадцать секунд.
Как же учёным удалось от Земли до Солнца? Какие методы они применяли? Первые попытки в этом направлении были предприняты в Древней Греции, но говорить о реальных результатах можно стало только после семнадцатого века. В позднее средневековье использовался метод параллакса. Этот метод заключается в том, что на основании данных о и наблюдений с Земли за Солнцем определяется угол, под которым с находящегося на линии горизонта Солнца будет видна Земля. Расстояние от одного космического объекта до другого высчитывается по параллактическому смещению.
Во второй половине двадцатого века научно-техническая революция принесла новый способ измерения расстояний в космическом пространстве. Метод радиолокации заключается в следующем: в сторону космического объекта отправляется импульс, принимается сигнал от него, а затем на основании данных о времени прохождения импульсом двойного расстояния от Земли до интересующего объекта при известной скорости вычисляется расстояние. Сегодня динамично развивающаяся астрономия располагает новыми способами, позволяющими узнать, на сколько километров удалены от нас звёзды и планеты малоизученных галактик. Это эффект Сюняева-Зельдовича, основанный на фиксации изменения радиоизлучения объекта во времени, гравитационное линзирование, в основе которого лежит изучение отклонения световых лучей в объекта, метод молекулярных колец, обычно применяемый для первичной оценки расстояния от Солнечной системы до какой-либо галактики.
Как же ответить на вопрос о том, какое расстояние от Земли до Солнца? Большое оно или маленькое? Всё относительно. Оно значительно в сравнении с или до Луны, но оно практически ничтожно в сравнении с расстоянием до других звёзд и галактик. Ближайшей к Земле планетой является Венера, и она удалена на 41,4 миллиона километров. Между землёй и Марсом 78,3 миллиона километров, между Землёй и Меркурием - 91,6 км. А вот Юпитер и другие планеты-гиганты находятся от Земли дальше, чем Солнце.
Для измерения космических пространств часто используются такие величины, как парсек и световой год. На расстоянии в один парсек годовой параллакс космического объекта составляет одну секунду (отсюда и появилось название «парсек» - параллакс в секунду). Световой год - это такое расстояние, которое свет проходит за год. Эти величины используются при замерах для изучения удалённых небесных тел. Так, например, от Земли до звезды свет идёт четыре года, до Сириуса - восемь с половиной лет, а до оранжевого гиганта Бетельгейзе - 650 лет!
Движение Луны, блестяще исследованное Лапласом, явилось неисчерпаемым источником для извлечения самых неожиданных результатов, касавшихся не только других небесных тел, но и самой Земли. Выводы Лапласа, даже при кратком знакомстве с ними, представляют собой прекрасный пример плодовитости и поразительной интуиции их автора.
Каково расстояние от Земли до Солнца - вот вопрос, которым задавалось человечество уже с первых шагов развития цивилизации. Знание этого расстояния играет особенно важную роль, потому что при помощи третьего закона Кеплера все расстояния в Солнечной системе можно выразить через расстояние Земля - Солнце (так называемая астрономическая единица).
До Лапласа наиболее точным методом определения расстояния до Солнца считались наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца. Этот метод был предложен Галлеем, и заключается он в следующем. Путь Венеры вокруг Солнца целиком ^расположен внутри земной орбиты, и потому эта планета по временам, оказываясь как раз между Солнцем и Землей, проектируется на солнечный диск в виде маленького черного кружка. Когда она проходит между Землей и Солнцем, то видно, как планета пересекает солнечный диск. Такие прохождения Венеры по диску Солнца не из всех мест Земли видны одинаково хорошо, но и сам видимый путь Венеры на солнечном диске оказывается различным для наблюдателей, находящихся в разных точках Земли. Расстояние между двумя наблюдателями на Земле называется в этом случае базисом, и чем он больше, тем больше кажущееся смещение видимого пути Венеры на диске Солнца. Его называют параллактическим смещением. Зная длину базиса и величину этого смещения, можно вычислить расстояние от Земли до Венеры, а затем по третьему закону Кеплера найти и величину астрономической единицы.
К сожалению, прохождения Венеры по диску Солнца случаются очень редко. Например, они наблюдались в 1631 и 1639 годах, а затем лишь в 1761 и 1769 годах - в годы ранней молодости Лапласа. Следующие прохождения должны были случиться только в 1874 и 1882 годах. В нашем столетии это явление вовсе не будет наблюдаться.
Понятное дело, астрономы всячески готовились к наблюдениям прохождения Венеры по методу, на который Галлей возлагал большие надежды. Поскольку знание расстояния от Земли до Солнца необходимо для решения ряда практических задач астрономии, правительства не жалели денег на организацию далеких и трудных экспедиций. В 1761 г. для наблюдения упомянутого явления с концов возможно большего базиса экспедиции ученых отправились, с большим риском и затратами, в Тобольск, на остров Св. Елены, на мыс Доброй Надежды, в Индию; кроме того, повсеместно производились наблюдения из различных мест Европы. Физические явления при этом прохождении наблюдал и Ломоносов (в Петербурге), впервые доказавший при этом, что Венера, подобно Земле, окружена атмосферой. Результаты астрометрических наблюдений оказались в ряде случаев противоречивыми, поэтому прохождению 1769 г. было уделено еще больше внимания.
Некоторое представление о трудностях, с которыми были сопряжены эти экспедиции, дают следующие примеры.
Верона, посланный в Индию для первого наблюдения, умер по дороге, не доехав до места назначения. Война, расстроив правильные пути сообщения, помешала Лежантилю и Мазону добраться до Индии вовремя. Лежантиль опоздал и высадился на сушу, когда явление уже закончилось. Путешествия были так трудны, что, по рассказу Лапласа, Лежантиль остался в Индии готовиться к наблюдениям следующего прохождения Венеры, до которого оставалось восемь лет. Желанный день настал, погода радовала наблюдателя, но в самый момент начала прохождения случайное облачко закрыло Солнце, и плоды многолетней подготовки пропали даром. Пропавшего без вести ученого считали во Франции уже мертвецом и справили по нему гражданскую панихиду. С похоронами поторопились, хотя и ненамного. Расстроенный своим неуспехом и измученный трудной дорогой, Лежантиль умер вскоре после возвращения на родину.
Лаплас подошел к проблеме с другого, неожиданного конца и определил расстояние от Земли до Солнца без всяких экспедиций, не выходя из своего кабинета.
Знаток лунного движения, он понял, что обычные наблюдения за движением Луны определяют величину возмущений, которым оно подвержено. Небесная механика дает теоретическую связь этих возмущений, главной причиной которых является Солнце, с расстоянием Луны от этого светила. Таким образом, расстояние системы Земля - Луна от Солнца, от которого зависит величина возмущений, может быть вычислено теоретически. Лаплас его и вычислил. Его результат был не хуже, чем результаты, полученные ценой дорогих экспедиций и многолетней кропотливой обработки наблюдений.
Впоследствии, пользуясь открытием новых небесных тел, подходящих к Земле ближе, чем Венера, астрономы нашли и другие точные способы определения расстояний до Солнца.
Точность способа, связанного с наблюдением прохождения Венеры по диску Солнца, оказалась гораздо ниже ожидаемой из-за того, что между краем Солнца и Венерой показывалась «черная капля»: края Солнца и Венеры на некоторое время как бы слипались. Это оптическое явление объясняли по-разному, но оно существовало и мешало регистрации момента касания двух дисков - черного (Венера) и ослепительно яркого (Солнце).
Новый, радиолокационный метод определения межпланетных расстояний по времени прохождения радиосигнала впервые был применен для определения расстояния Луны от Земли в СССР в 1946 г. Через 15 лет повышение мощности радиосигналов позволило определить расстояние до Венеры, а затем и до других планет с небывалой точностью. Методом радиолокации исследуется теперь вращение планет и измеряется диаметр кометных ядер, неуловимый оптически из-за их малости. Среднее расстояние от Земли до Солнца теперь установлено радиометодами с точностью около 1 км.
Страница 3 из 10
СОЛНЦЕ И ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Далеко ли Солнце от Земли?
Наша Земля обращается вокруг Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это идеально для обитаемой планеты, потому что при таком удалении живые организмы не испытывают ни чрезмерной жары, ни леденящего холода.
Солнце находится от нас почти в 400 раз дальше, чем Луна, но оно во столько же раз больше ее. Поэтому оба небесных тела кажутся нам одинакового размера. Расстояние до Солнца так велико, что пешеход мог бы преодолеть его за 4400 лет, поезд - за 166 лет, а реактивный лайнер - за 22 года. Свет или радиосигнал достигают Солнца за 8,3 минуты, а ведь нет ничего в природе быстрее их: они распространяются со скоростью 300 000 км/сек.
Если представить Солнце в виде футбольного мяча, то Земля - крохотный шарик размером в 3 мм, удаленный от него примерно на 30 м. Насколько велико расстояние от Земли до Солнца для нас, людей, настолько же оно ничтожно по сравнению с размером Вселенной. Даже ближайшая к Солнцу звезда находится от нас в 270 000 раз дальше, чем наше светило.
Меняется ли расстояние между Землей и Солнцем?
Расстояние между Землей и Солнцем не остается неизменным. За год Земля совершает один оборот вокруг Солнца,
Но ее путь, который астрономы называют орбитой, представляет собой не точный круг, а эллипс. На такой орбите расстояние между Солнцем и Землей меняется в течение года. В ближайшей к Солнцу точке (в перигелии) оно составляет 147,1 млн. км, а в самой дальней от Солнца (в афелии) - 152,1 млн. км.
Среднее расстояние при этом составляет 149,6 млн. км. Обращаясь вокруг Солнца, Земля не может ни упасть на него, ни вырваться из его притяжения.
Что такое эклиптика?
Из-за движения Земли по орбите мы наблюдаем Солнце каждый день на фоне различных звезд.
Но нам кажется, что оно перемещается от одного созвездия к другому. Путь, который как бы проходит при этом Солнце по небу, называется эклиптикой. Созвездия, расположенные вдоль эклиптики, получили название зодиакальных. На протяжении года можно видеть Солнце в созвездиях Стрельца, Козерога, Водолея, Рыб, Овна, Тельца, Близнецов, Рака, Льва, Девы, Весов, Скорпиона и Змееносца.
Например, 1 января Солнце находится в Стрельце. Звезды его не видны, так как созвездие вместе с Солнцем располагается на дневной части неба и его затмевает солнечный свет.
Земля совершает один оборот вокруг Солнца за год. При этом нам кажется, что Солнце передвигается по зодиакальным созвездиям. Например, 1 января оно находится в Стрельце, 1 февраля - в Козероге и т. д. Видимый путь Солнца называют эклиптикой.
Почему Солнце восходит и заходит?
Раньше люди верили, что Солнце совершает за сутки один оборот вокруг Земли. Считалось, что бог Солнца каждый день пересекает небо с востока на запад в золотой колеснице, а вечером исчезает под горизонтом. На самом же деле Солнце не восходит и не заходит.
В древности люди думали, что Солнце который каждый день пересекает небо востока на запад.
Это наша Земля каждый день совершает один оборот вокруг своей оси. Ось Земли - воображаемая линия, соединяющая ее Северный и Южный полюсы. В течение суток каждая часть Земли, скажем Россия, один раз оказывается на солнечной стороне планеты, а другой раз - на темной. Тогда в России наступает ночь. Ранним утром мы движемся в направлении Солнца, пока оно не покажется на горизонте. В этом случае говорят, что «Солнце восходит». Вечером мы отворачиваемся от Солнца, и оно «заходит».
Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток. Поэтому нам кажется, что Солнце движется с востока на запад.
Земля вращается вокруг своей оси. Ось - это линия, соединяющая Северный и Южный полюсы.
Земля совершает один оборот вокруг своей оси за 24 часа. Для наблюдателя 1 Солнце восходит. Для наблюдателя 2 уже полдень. Для наблюдателя 3 Солнце заходит, а у наблюдателя 4 уже ночь.
Как происходит смена времен года?
Земная ось не перпендикулярна плоскости земной орбиты, а немного наклонена к ней. Этот наклон почти не меняется. Летом северное полушарие, в котором мы живем, наклонено в сторону Солнца. Поэтому летние месяцы так богаты теплом и светом. Солнце в полдень стоит высоко на небе, и дни длинные. Зимой наше полушарие отворачивается от Солнца и получает намного меньше солнечного тепла. Дни становятся короткими, Солнце стоит низко.
Смена времен года происходит из-за наклона земной оси, а не от изменения расстояния между Солнцем и Землей.
Например, в середине зимы, 2 января, мы находимся ближе всего к Солнцу. Однако это совершенно не влияет на его высоту в полдень над горизонтом.
Самое благоприятное для нас положение Солнце занимает в начале лета - 21 или 22 июня. Но все же в северном полушарии самые теплые в году месяцы - июль и август, поскольку океаны, воздух и почва нагреваются медленно.
Их температура достигает максимума лишь через некоторое время после того, как полуденное положение Солнца пройдет через наивысшую точку над горизонтом.
Смена времен года происходит из-за наклона земной оси. Летом северное полушарие Земли наклонено в сторону Солнца. Мы получаем больше тепла и света. Зимой, наоборот, наше полушарие отклонено в противоположную сторону.
Начало лета в северном полушарии. Для наблюдателя в полярной области (1) Солнце вообще не заходит, даже в полночь. В Центральной Европе (2) Солнце дольше находится на дневной стороне и меньше - на ночной.
Начало зимы в северном полушарии. Наблюдатель, находящийся в полярной области (1), никогда не оказывается на дневной стороне Земли (полярная ночь). Северная Европа (2) дольше находится на ночной стороне, чем на дневной.
С раннего детства каждый знает о том, что Солнце - это огромный раскалённый шар, звезда, находящаяся далеко-далеко. Но на вопрос о том, каково расстояние от Земли до Солнца, ответить может далеко не каждый взрослый человек с высшим образованием. В этой статье рассказывается о том, как меняется расстояние от Земли до Солнца на протяжении года, как учёные измеряют это расстояние и насколько оно значительно в сравнении с удалённостью других космических объектов.
Солнце удалено от Земли примерно на сто пятьдесят миллионов километров. Орбита Земли представляет собой не правильный круг, а эллипс, поэтому расстояние между центром Солнечной системы и Землёй в разное время неодинаково. Его минимальную величину в астрономии называют перигелием, а максимальную - афелием. Перигелий равен ста сорока семи миллионам километров, а значение афелия составляет сто пятьдесят два миллиона километров. Перигелий приходится на январь, а афелий - на июль.
С Земли Солнце кажется нам небольшим. В действительности же диаметр его превышает диаметр Земли по экватору в 109 раз. Огромное расстояние от Земли до Солнца - вот причина, по которой мы видим на небе относительно небольшой красно-жёлтый круг. Луна расположена в разы ближе, но выглядит на ночном небе меньше. Расстояние от Земли до её единственного естественного спутника примерно равно 384,3 тысячи километров. Это в 390 раз меньше, чем расстояние от Земли до Солнца. Время, за которое солнечный свет достигает поверхности нашей планеты, равно восемь минут и двадцать секунд.
Как же учёным удалось измерить расстояние от Земли до Солнца? Какие методы они применяли? Первые попытки в этом направлении были предприняты в Древней Греции, но говорить о реальных результатах можно стало только после семнадцатого века. В позднее средневековье использовался метод параллакса. Этот метод заключается в том, что на основании данных о радиусе Земли и наблюдений с Земли за Солнцем определяется угол, под которым с находящегося на линии горизонта Солнца будет видна Земля. Расстояние от одного космического объекта до другого высчитывается по параллактическому смещению.
Во второй половине двадцатого века научно-техническая революция принесла новый способ измерения расстояний в космическом пространстве. Метод радиолокации заключается в следующем: в сторону космического объекта отправляется импульс, принимается сигнал от него, а затем на основании данных о времени прохождения импульсом двойного расстояния от Земли до интересующего объекта при известной скорости вычисляется расстояние. Сегодня динамично развивающаяся астрономия располагает новыми способами, позволяющими узнать, на сколько километров удалены от нас звёзды и планеты малоизученных галактик. Это эффект Сюняева-Зельдовича, основанный на фиксации изменения радиоизлучения объекта во времени, гравитационное линзирование, в основе которого лежит изучение отклонения световых лучей в гравитационном поле объекта, метод молекулярных колец, обычно применяемый для первичной оценки расстояния от Солнечной системы до какой-либо галактики.
Как же ответить на вопрос о том, какое расстояние от Земли до Солнца? Большое оно или маленькое? Всё относительно. Оно значительно в сравнении с расстоянием от Земли до Марса или до Луны, но оно практически ничтожно в сравнении с расстоянием до других звёзд и галактик. Ближайшей к Земле планетой является Венера, и она удалена на 41,4 миллиона километров. Между землёй и Марсом 78,3 миллиона километров, между Землёй и Меркурием - 91,6 км. А вот Юпитер и другие планеты-гиганты находятся от Земли дальше, чем Солнце.
Для измерения космических пространств часто используются такие величины, как парсек и световой год. На расстоянии в один парсек годовой параллакс космического объекта составляет одну секунду (отсюда и появилось название «парсек» - параллакс в секунду). Световой год - это такое расстояние, которое свет проходит за год. Эти величины используются при замерах для изучения удалённых небесных тел. Так, например, от Земли до звезды альфа Центавра свет идёт четыре года, до Сириуса - восемь с половиной лет, а до оранжевого гиганта Бетельгейзе - 650 лет!
На протяжении многих веков мечтали люди о полетах к далеким мирам Вселенной. Бесспорно, на пути к межпланетным перелетам предстоит преодолеть еще много, очень много трудностей и препятствий. Даже полет к Луне требует решения задач колоссальной сложности. Необходимы почти фантастическая точность, четкая работа сложнейшей аппаратуры. Для примера скажем, что если при расчете траектории не учитывать сжатие Земли, которым пренебрегают в обычных вычислениях, то ошибка составит сотни километров. Изменение в скорости всего на 1 метр в секунду приведет к отклонению от точки встречи с Луной на 250 километров.
Для расчета траекторий космических кораблей исключительно важно знать наиболее точное значение среднего расстояния до Солнца, то есть астрономической единицы. Достигнутая в настоящее время точность удовлетворяет большинство астрономических запросов, но она недостаточна для современных проблем космонавтики. При запуске межпланетных ракет к Венере, или другим планетам ошибка в определении астрономической единицы даже на несколько тысяч километров поведет к тому, что ракета не попадет в заданное место планеты или даже вообще на планету. Отсюда ясно, что величину астрономической единицы необходимо знать с точностью до немногих сотен километров - с такой же относительной точностью, с какой производятся наиболее точные линейные измерения на Земле.
Каким способом определяется астрономическая единица длины? Известно несколько способов, результаты которых хорошо согласуются между собой. О некоторых из них и будет рассказано в этой статье.
КАКУЮ ДЛИНУ ЧЕМ МЕРИТЬ
Огромное расстояние отделяет от Земли. Чтобы добраться до Солнца, пешеходу потребовалось бы не менее 3 400 лет непрерывного хода, курьерскому поезду - 200 лет, скоростному самолету - 20. Насколько можно доверять этим числам? Точности в одну тысячную (то есть 1 мм на метр измеряемой длины) для длины порядка одного метра легко достигнуть даже с помощью хорошей масштабной линейки или мерной ленты. Но точность в одну миллионную (1 мм на километр длины) уже близка к пределу возможного при современной технике.
Для космических расстояний применяются более удобные единицы, чем метры и километры. Например, радиус земного шара (точнее, земного экватора) применяется для измерения планет и расстояний до Солнца; средний радиус земной орбиты - для пределов ; а единица в 206 265 раз более крупная, называемая парсеком, - для вычисления расстояний до звезд.
Но чтобы все эти единицы привести к одной общей мере - метру, нужно знать, сколько метров содержится в радиусе земного экватора и сколько таких радиусов укладывается в среднем радиусе земной орбиты (или, как говорят, в ее большой полуоси), равном среднему расстоянию от Земли до Солнца. Это расстояние называется астрономической единицей длины. Вообще же расстояние до Солнца вследствие эллиптичности земной орбиты может меняться на 1/60 долю в ту и другую сторону. Вот почему под расстоянием до Солнца обычно подразумевается именно средняя величина этого расстояния.
ПРЕЖДЁ ИЗМЕРИМ ЗЕМЛЮ
Прежде чем «покинуть» нашу планету и отправиться «промерять» космос, нужно сначала обмерить земной шар и найти длину радиуса экватора. Землю измеряют методом триангуляции. Для этого разбивают путь между измеряемыми пунктами на сеть треугольников, в вершинах которых устанавливаются вышки, называемые геодезическими сигналами. В Треугольниках, по возможности близких по форме к равносторонним, определяются со всей точностью углы и длина одной из сторон. Базис измеряется особыми проволоками, длина которых контролируется по точным копиям международного метра, имеющимся во многих странах мира.
Так устанавливается длина в метрах некоторой дуги на поверхности Земли, а астрономическими наблюдениями на концах дуги определяют, какую долю всей окружности Земли составляет промеренная дуга. Так находят и радиус земного шара в разных местах, что нужно и для исследования фигуры Земли и для определения радиуса земного экватора, который употребляется дальше в качестве новой меры длины.
Все эти измерения совершаются на твердой земной поверхности, на которой можно строить геодезические вышки, подвешивать на штативах мерные проволоки, устанавливать теодолиты для определения углов. А как быть, когда речь идет об огромных расстояниях в космическом пространстве, где подобные действия невозможны?
В землемерном деле существует способ определения расстояния до недоступного предмета. Это способ засечки: с двух пунктов, расстояние между которыми известно, визируют недоступный предмет. И определяют направления, по которым он виден. В точке пересечения прямых линий и находится определяемый предмет.
Но для того, чтобы такая засечка дала уверенный результат, нужно, чтобы прямые пересекались не под очень острым углом. Чем острее угол, тем менее уверенно определяется точка пересечения. Если бы землемеру предложили определить расстояние до предмета, линии на который пересекаются под углом в 9 градусов, то он отказался бы от решения такой задачи как совершенно безнадежной. А именно с такой задачей мы встречаемся при определении расстояния до Солнца тригонометрическим методом. Посмотрим, как она решается. Но уже в следующей статье.
Продолжение следует.
