Затмения

ЗАТМЕНИЯ, астрономические явления, при которых одни небесные объекты экранируются другими, более близкими к наблюдателю. Затмения обусловлены движением небесных тел в пространстве и могут быть полными или частными, в зависимости от соотношения угловых размеров объектов. Затмение Луны и спутников других планет возникают вследствие падения на них тени планеты. На ряде планет наблюдаются полные затмения Солнца, вызываемые прохождением тени спутника по диску соответствующей планеты. Такое затмение на Земле вызывает Луна, на Юпитере - четыре крупнейших спутника, на Сатурне - Титан, на Уране - различные спутники (угловой размер даже малых спутников Урана превышает угловой размер видимого диска Солнца). На Марсе полных затмений Солнца не бывает, так как тени от Фобоса и Деймоса не достигают поверхности планеты. Частичное экранирование Солнца внутренними планетами (Меркурием и Венерой) называют прохождениями планеты по диску Солнца. Экранирование звёзд или планет диском Луны называется покрытием звёзд или планет Луной. Планеты также могут экранировать другую планету или звезду. В системах двойных и кратных звёзд происходит экранирование одной звезды другой, что вызывает ослабление их общего блеска. Из перечисленных явлений для наблюдений с Земли невооружённым глазом доступны лишь лунные (затмение Луны Землёй) и солнечные (затмение Солнца Луной) затмения.

История наблюдений затмений. Археологические исследования свидетельствуют о том, что затмения наблюдались на протяжении 3 тысяч лет. Жрецы, обладавшие астрономическими знаниями, умели предсказывать затмение. У всех народов, имевших письменность, солнечные и лунные затмения заносились в летописи, часто в сопоставлении с различными историческими событиями. Так, в Ипатьевской летописи описано солнечное затмение, случившееся при выступлении князя Игоря Святославича в поход против половцев. По Канонам (каталогам затмений) легко установить, что это полное солнечное затмение 1.5.1185.

Многие годы основным источником сведений о затмениях был Канон затмений австрийского астронома Т. Оппольцера, изданный в 1887 году и содержавший данные о 8000 солнечных затмениях и 5200 лунных затмениях на период с 1207 до нашей эры по 2163 нашей эры. Последующие Каноны отличаются главным образом теориями, лежащими в основе вычислений. Обобщённый опыт работы нескольких поколений российских астрономов представлен в «Каноне солнечных затмений для России, 1000-2050» М. В. Лукашовой и Л. И. Румянцевой, опубликован в 2002 году. Подробные данные об условиях видимости солнечных и лунных затмений помещаются в ежегодниках астрономических и специальных бюллетенях НАСА.

Причины наступления затмений. Земля вокруг Солнца и Луна вокруг Земли движутся по эллиптическим орбитам, а видимые угловые размеры Солнца и Луны близки и периодически изменяются в пределах от 29’20" до 33’3О" для Луны и от 31’30" до 32’30" для Солнца. Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости орбиты Земли под углом около 5°9’.

Лунные затмения возникают потому, что конус тени Земли S в месте пересечения им лунной орбиты имеет поперечник, превышающий диаметр Луны в среднем в 2,7 раза (рисунок 1, а). Лунные затмения достаточно продолжительны: до 3,8 часов, в среднем 2 часа. Такие затмения происходят только во время полнолуний, причём Луна должна находиться в области, простирающейся до 11° в обе стороны от каждого узла орбиты.

Полное солнечное затмение возможно благодаря двум обстоятельствам: видимые угловые размеры Луны бывают больше видимых угловых размеров Солнца и во время новолуний Солнце, Луна и Земля могут находиться на одной прямой. Полное солнечное затмение происходит на Земле в среднем 1 раз в 1,5 года, а в одном и том же месте Земли - 1 раз в 300 лет. Через 1 миллиард лет полные солнечные затмения на Земле прекратятся: вследствие приливного взаимодействия с Землёй Луна ежегодно удаляется от Земли на 3 см, соответственно угловые размеры Луны постепенно уменьшаются. Солнечные затмения наблюдаются только при новолуниях. В данном месте Земли это явление достаточно редкое, так как Луна может отходить от плоскости эклиптики на 5°, что в 10 раз больше видимых угловых размеров Солнца и Луны. Вблизи каждого из узлов имеется зона солнечных затмений, простирающаяся по эклиптике на 16-18° в обе стороны от узла.

Солнечные затмения могут быть разных типов. Частное затмение - конус лунной тени не вступает на Землю, по поверхности Земли проходит лишь лунная полутень в области S₃; солнечный диск закрыт лишь с одного края. Полное затмение - по поверхности Земли проходит лунная тень областью конуса тени S₁ (рисунок 1, б); на короткое время солнечный диск закрывается полностью. Кольцеобразное затмение - по Земле проходит лунная тень областью конуса тени S₂ (рисунок 1, в); остаётся открытой узкая полоса вдоль края солнечного диска. Кольцеобразнополное затмение - вершина конуса тени проходит близко к поверхности Земли; в области наблюдается полное затмение, в области S₂ - кольцеообразное. Нецентральное полное затмение - аналог полного затмения, но ось конуса тени не вступает на Землю. Нецентральное кольцеобразное затмение - аналог кольцеобразного затмения, но ось конуса тени не вступает на Землю.

Периодичность затмений. Солнечные и лунные затмения происходят группами. Если солнечные затмения произошли во время двух последовательных новолуний на краях области затмения, то промежуточное полнолуние обязательно должно сопровождаться лунным затмением. Наибольшее число затмений в году равно семи: из них 5 солнечных и 2 лунных (что наблюдалось, например, в 1935) или 4 солнечных и 3 лунных (1917).

Наименьшее число затмений в году равно двум, оба обязательно солнечные (например, 1933). Наступление солнечных затмений зависит от трёх периодов: смены лунных фаз (синодический месяц, S = 29,25-29,83 суток), возвращения Луны к одному из лунных узлов (драконический месяц, S_D = 27,21 суток) и возвращения Солнца к одному и тому же узлу (драконический год, Т_D = 346,6 суток). Между этими периодами существует близкая соизмеримость: 223 S = 6585,32 суток; 224 S_D = 6585,36 суток; 19 T_D = 6585,78 суток. Период в 6585,3 суток (около 18 лет) называется сарос. Все затмения, которые имели место в течение сароса, повторяются в течение следующих саросов в прежней последовательности. Дробное число суток в саросе объясняет тот факт, что аналогичные затмения, происходящие через 6585,3 суток, наблюдаются в другом месте Земли: за 0,3 суток Земля повернётся вокруг оси на 120°, поэтому и лунная тень пробежит на 120° западнее.

Наблюдения затмений. Тень, отбрасываемая Луной и Землёй, не имеет резкой границы вследствие того, что Солнце обладает значительными угловыми размерами. Моменты наступления лунных затмений выражены нечётко. Потемнение Луны, вызываемое полутенью, происходит медленно, почти незаметно для глаза. Во время затмения Луна обычно продолжает быть слабо видимой, что объясняется освещением Луны светом, отражённым от земной атмосферы. Яркость и цвет диска Луны (чаще всего красно-бурый) определяются состоянием земной атмосферы. Лунные затмения видны одновременно на всём полушарии Земли, где Луна находится над горизонтом, поэтому в данном месте они наблюдаются достаточно часто.

Наибольшей фазой солнечного затмения называют долю диаметра Солнца, покрытого лунным диском. Моменты касания видимых дисков Луны и Солнца называются контактами: Т₁ и Т₄ – моменты внешних касаний, соответствующие началу и концу частных фаз, Т₂ и Т₃- моменты внутренних касаний, соответствующие началу и концу полной фазы затмения. Примерно 2/3 солнечных затмений - частные. За 1 год может произойти 5 солнечных затмений, но в этом случае все они будут частными; минимальное число солнечных затмений в году - 2, и оба они могут быть полными (например, затмение 17 апреля и 10 октября 1912).

Полное солнечное затмение представляет собой впечатляющее зрелище. Лунная тень проходит по Земле с запада на восток со скоростью порядка 1 км/с, прочерчивая полосу шириной менее 270 км. Западные и  восточные границы видимости затмения на Земле формируют области, в которых начало и конец затмения наблюдаются при восходе и заходе Солнца. Чёрное пятно лунной тени окружено широкой размытой полутенью диаметром около 7000 км, определяющей регионы частного затмения на Земле. Максимальная продолжительность полной фазы достигается в экваториальных областях и составляет 7,5 минуты, частного затмение - около 3,5 часов.

Последовательные фазы полного солнечного затмения (рисунок 2) показывают уменьшение ширины яркого солнечного серпа до полного исчезновения. За несколько секунд до наступления полной фазы наблюдается так называемое бриллиантовое кольцо (рисунок 3): на фоне тёмного диска, очерченного тонкой светлой полосой, сияет последний открытый участок солнечной поверхности. При полной фазе на потемневшем небе (освещённость может снижаться до уровня астрономических сумерек) появляются наиболее яркие звёзды и планеты, а вокруг лимба (края) Луны вспыхивает серебристо-жемчужное сияние солнечной короны. Вблизи контактов Т₂ и Т₃ над  восточным и западным лимбом Солнца на несколько секунд вспыхивает тонкая пурпурная полоска хромосферы Солнца. Во время полной фазы во внутренних областях коронального пространства наблюдаются пурпурные протуберанцы, цвет которых в основном обусловлен свечением в красной и голубой линиях нейтрального водорода. На видимом диске Луны видны детали лунной поверхности, освещённые светом, отражённым от дневной стороны Земли. Вдоль горизонта может наблюдаться оранжево-лимонное заревое кольцо (рисунок 4). По окончании полной фазы вновь появляется серповидный край Солнца и затмение переходит в частную фазу, которая длится менее 1,5 часа.

Рисунок затмения «Бриллиантовое кольцо».

С появлением сверхзвуковых самолётов, скорость которых достигает скорости движения лунной тени по земной поверхности, открылась возможность значительного увеличения длительности наблюдения полной фазы затмения. Во время солнечного затмения 30.6.1973 продолжительность полной фазы для наблюдателей на борту англо-французского сверхзвукового самолёта «Конкорд», пролетевшего вдоль большей части полосы полной фазы, составила почти полтора часа.

Наблюдение Солнца невооружённым глазом ведёт к потере зрения, поэтому частные фазы затмения наблюдают сквозь специальные фильтры (ослабляющие свет Солнца в 10-100 тысяч раз), которые удаляют только после момента второго контакта Т₂.

Значение затмений. Наблюдения затмений позволяют устанавливать даты исторических событий, корректировать их последовательность, сопоставлять различные системы летосчисления с современным календарём. Затмения спутников Юпитера в прошлом использовались для определения скорости света и географических долгот. Наблюдения затмений дают информацию об эволюции орбит Земли и Луны, о вращении Земли, физике Солнца, Земли и Луны. Наблюдения лунных затмений могут дать сведения о строении верхних слоёв земной атмосферы. Явления, сопровождающие полное солнечное затмение, важны также для физики межпланетной среды, поиска подтверждений теории относительности, гравитационных исследований. Сведения о солнечной короне, полученные во время полных солнечных затмений, легли в основу концепции корпускулярного излучения Солнца, развитой в середине 20 века. Любительские наблюдения полных солнечных затмений играют существенную роль в формировании научного мировоззрения общества, хотя возможность для таких наблюдений предоставляется крайне редко (смотри карту).

Значение полных солнечных затмений в исследовании Солнца и относительно простая геометрия этих явлений привели к идее создания искусственных затмений Солнца: в 1930-х годах французский астроном Б. Лио предложил телескоп, получивший название коронографа Лио. Эти инструменты, установленные на высокогорных обсерваториях, позволили провести исследования внутренних областей солнечной короны. С 1960-х годов на борту космических обсерваторий работают коронографы, в которых используются специальные экраны, выполняющие роль искусственной Луны. Эксперимент «Искусственное солнечное затмение», предложенный советскими учёными Г. М. Никольским и А. И. Симоновым, был успешно реализован в 1975 году во время совместного полёта космических кораблей «Аполлон» и «Союз». Корабль «Аполлон», поперечное сечение которого в первом приближении имело форму круга, играл роль Луны для наблюдателей, находившихся на корабле «Союз». Результаты программы стимулировали подготовку будущих экспериментов по моделированию искусственных солнечных затмений в космосе.

Лит.: Никольский Г. М. Солнечная корона и межпланетное пространство. М., 1975; Лукашова М. В., Румянцева Л. И. Канон солнечных затмений для России, 1000-2050 годы СПб., 2002; Куликовский П. Г. Справочник любителя астрономии. 5-е изд. М., 2002.