Астрономия. Популярные лекции - Владимир Георгиевич Сурдин

Рис. 1.15. Схема солнечного и лунного затмений. Принципиальная разница между ними состоит в том, что лунная тень покрывает малую часть земной поверхности, а земная тень полностью скрывает Луну от солнечного света.

Длительность лунного затмения зависит от того, насколько глубоко в земную тень проникает Луна. Самые длительные затмения — центральные, когда Луна проходит через центр земной тени. При этом полное теневое затмение продолжается около 2 часов.

Рис. 1.16. Лунные затмения.

Итак, теневое затмение Луны происходит, когда она попадает в тень, отброшенную Землей. Луна попадала бы туда каждый месяц в момент полнолуния, если бы плоскости лунной и земной орбит совпадали, но они не совпадают. Плоскость орбиты Луны более чем на 5° наклонена к эклиптике (среднее значение этого угла 5,15°, и он колеблется от 4,99° до 5,30°). Центр земной тени лежит на эклиптике, а угловой радиус этой тени для наблюдателя на Земле составляет около 0,7°. Угловой радиус лунного диска — около 0,25°. Следовательно, если Луна удаляется от эклиптики более чем на 1°, она не попадает в тень Земли. Именно поэтому Луна чаще проходит мимо земной тени, нежели попадает в нее.

Рис. 1.17. Взаимное расположение плоскости лунной орбиты и плоскости орбиты Земли. Точки А и В — узлы лунной орбиты.

Затмения как Луны, так и Солнца происходят лишь в те моменты, когда Луна проходит вблизи узлов своей орбиты, т. е. пересечений ее орбитальной плоскости с плоскостью эклиптики (в которой всегда находится Солнце). Вблизи узлов Луна проходит дважды в месяц, но для затмения нужно, чтобы в эти же моменты и Солнце тоже оказалось вблизи одного из узлов: если того же узла, где Луна, то наблюдается солнечное затмение, а если противоположного, то лунное. Происходит это не так уж часто: максимальное количество лунных затмений всех типов за год — 4 (например, это произойдет в 2020 и 2038 годах), минимальное — два в год. Солнечные затмения происходят приблизительно с такой же частотой, однако шанс увидеть полное лунное затмение намного выше, чем полное солнечное. Дело в том, что при наличии ясного неба лунное затмение видят все жители ночного полушария Земли, а солнечное — только те жители дневного полушария, кому посчастливилось попасть в узкую полосу, по которой пробегает маленькая (250–270 км) лунная тень.

Рис. 1.18. Лунное затмение.

В процессе полного теневого затмения Луны наш спутник сначала попадает в область полутени и чуть-чуть меркнет, а затем погружается в конус земной тени. Казалось бы, солнечный свет в тень не проникает, других источников света там нет, значит, Луна, пересекая земную тень (а это длится несколько часов), должна стать абсолютно невидимой. Но этого не происходит: она все же немножко видна в темно-багровых тонах. Дело в том, что ее освещают солнечные лучи, рассеявшиеся и преломившиеся в земной атмосфере. Голубая часть их спектра сильно рассеивается в воздухе и поэтому почти не попадает на Луну, а красные лучи рассеиваются в воздухе значительно слабее и, преломившись из-за атмосферной рефракции, направляются в область геометрической земной тени и освещают лунную поверхность.

Рис. 1.19. Солнечные и лунные затмения происходят только в моменты новолуния и полнолуния соответственно. Кроме этого, Луна должна располагаться вблизи узлов своей орбиты, иначе (как на этом рисунке) тени проходят мимо цели.

Поскольку полутеневое затмение Луны заметить глазом почти невозможно — настолько слабо уменьшается яркость лунного диска, — это явление редко привлекает внимание наблюдателей. А вот полные теневые затмения Луны в прошлом активно использовались для науки. Дело в том, что в момент затмения, в середине лунного дня, Солнце на несколько часов резко «выключается» и перестает освещать лунную поверхность, которая начинает понемногу охлаждаться. По тому, как быстро происходит охлаждение лунной поверхности, можно понять, какая у нее структура. Если бы Луна состояла из чистого металла — скажем, была бы плотным алюминиевым шаром, — то ее поверхность остывала бы очень медленно (из-за высокой теплопроводности вещества снизу постоянно подходило бы новое тепло). А если бы Луна была сделана из пемзы или синтепона, теплопроводность которых почти нулевая, температура поверхности падала бы быстро. Наблюдения показали, что в ходе затмения поверхность охлаждается быстро. Следовательно, она скорее «из пемзы или поролона», чем «из меди или алюминия». А если серьезно, то планетологи с помощью затмений еще до полетов на Луну роботов и людей поняли, что ее минеральная поверхность пористая и покрыта пылеобразным веществом, которое мы называем реголитом. Позже туда прилетели роботы и люди и подтвердили, что поверхность действительно покрыта пылью, рыхлой наверху и спекшейся в глубине. Так лунные затмения помогли астронавтам заранее узнать, по какой поверхности им предстоит ходить.

Солнечные затмения

Еще более замечательное явление — затмения Солнца. Раньше только они позволяли нам увидеть самую внешнюю область солнечной атмосферы — корону Солнца. Физики испытали настоящий шок, когда в середине XX в. была измерена температура этой области, ибо результаты оказались совершенно неожиданными. Что нам говорит нормальная физика? Что по мере удаления от источника тепла температура газа должна понижаться. Мы видим такие примеры сплошь и рядом. Источник тепла на Земле — ее поверхность, нагретая солнечными лучами, поэтому, поднимаясь на самолете, мы наблюдаем, как окружающий воздух становится всё холоднее; на высоте 10 км температура составляет –50 °С. Всё логично.

Рис. 1.20. Солнечное затмение 29 марта 2006 г. Северный Кавказ, Кисловодская солнечная станция ГАО РАН. Слева — Эльбрус. Фото: М. Лисаков, А. Юферев, Е. Казаков.

Энергия Солнца рождается в его ядре и затем просачивается наружу, а значит, снаружи температура должна быть ниже: действительно, в центре Солнца — около 15 000 000 K, а на поверхности — 6000 K: температура падает. И вдруг в области короны она опять начинает стремительно расти — до 2 млн кельвинов. С какой стати? Где источник энергии? В короне чрезвычайно разреженный газ,