Глава IV. Солнечная система

§ 37. Обзор Солнечной системы

Своим могучим притяжением Солнце удерживает около себя многие менее массивные небесные тела - планеты, астероиды, кометы, метеорные потоки и т. п. Все они движутся по орбитам вокруг Солнца, образуя Солнечную систему, и их движения подчиняются трем законам Кеплера, которые были обобщены Ньютоном на основе его теории тяготения.

Рис. 80. Поверхность конуса и конические сечения

Первый закон Кеплера утверждает, что движение притягиваемого Солнцем небесного тела происходит по одному из конических сечений. Как известно, кривые, называемые коническими сечениями, получаются при пересечении поверхности прямого кругового конуса плоскостями. Если конус пересечь плоскостью, перпендикулярной к его оси (рис. 80), то получается окружность. Наклоняя эту плоскость, мы превратим окружность в эллипс - вытянутую замкнутую кривую. По мере увеличения наклона плоскости эллипс будет все больше вытягиваться. Наконец, при некотором определенном наклоне замкнутая кривая разорвется и мы получим параболу - кривую, состоящую из одной ветви, приходящей из бесконечности и уходящей в бесконечность. При больших наклонах секущей плоскости будут получаться еще более развернутые бесконечные кривые - гиперболы, причем их будет при каждом сечении две; иными словами, гипербола состоит из двух ветвей. Таким образом, орбиты небесных тел могут быть замкнутыми - круговыми или эллиптическими, и движение по ним будет проис-

(В книге-источнике отсутствуют страницы: 127-130)

Рис. 83. Семейства орбит астероидов. Области концентрации орбит указаны сплошными линиями и стрелками. провалы образованы возмущающим притяжением Юпитера

Надо отметить, что комета Энке наблюдалась свыше чем в 40 приближениях к Солнцу, а комета Галлея, несмотря на 76-летний период обращения,- 28 раз!

Заметим, что комета Галлея, проходя через перигелий, входит внутрь земной орбиты, а вблизи афелия отходит за орбиту Нептуна! Обратим также внимание на комету Джакобини - Циннера, у которой перигелийное расстояние равно одной астрономической единице.

Небесные тела Солнечной системы движутся вокруг Солнца под действием его притяжения. Если бы не было взаимного притяжения этих тел, то элементы орбиты любой планеты или кометы оставались бы неизменными. Эти «добавочные» силы действуют возмущающе на элементы орбит, заставляя их медленно изменяться. Сильнее всего влияет притяжение Юпитера, коль скоро он обладает наибольшей массой, по сравнению с другими планетами, как это видно из таблицы III.

Притяжение Юпитера сказывается прежде всего на движении астероидов и комет. Во-первых, Юпитер может «захватить» астероид и заставить его с некоторого момента двигаться не вокруг Солнца, а вокруг него. Такой астероид превращается в спутник

Юпитера. Во-вторых, притяжение, действуя продолжительно, может внести изменения в орбиты многих астероидов. Действительно, как это видно из рис. 83, на котором изображены орбиты астероидов, притяжение Юпитера «рассортировало» малые планеты на «семейства» сходных орбит. Появились «сгущения» орбит и «провалы» между ними. Некоторые орбиты стали неустойчивыми и соответствующим образом, под влиянием притяжения Юпитера, изменились.

В-третьих, было обнаружено очень интересное семейство астероидов, которые были названы именами героев легендарной Троянской войны и получили общее название «троянцев». Задолго до их открытия Лагранж, рассматривая проблему движения трех тел под влиянием их взаимного притяжения, доказал, что конфигурация равностороннего треугольника устойчива. Это означает, что если в одной из вершин равностороннего треугольника находится Солнце, а во второй вершине Юпитер, то в третьей вершине может оказаться астероид и будет двигаться, оставаясь в этом положении, т. е. почти по такой же орбите, которую описывает вокруг Солнца Юпитер, но впереди него (или позади, так как могут быть образованы два треугольника).

Открытие троянцев подтвердило математическое предсказание Лагранжа. Эти «особые» точки - - вершины треугольников называются точками либрации.

В-четвертых, если комета пройдет достаточно близко к Юпитеру, то его притяжение может существенно изменить ее орбиту. Долгопериодическая комета может превратиться в коротко-периодическую. Может быть и обратное, а именно, возмущающее притяжение Юпитера может так изменить орбиту кометы, что она покинет Солнечную систему. На движение комет большое влияние оказывает также возмущающее притяжение Сатурна, Урана и Нептуна. В состав Солнечной системы входят также и спутники планет. У Земли один спутник - Луна, у Марса - два, у Юпитера - 12, у Сатурна - 10, у Урана - 5 и у Нептуна - 2. Некоторые из спутников Юпитера - по-видимому, захваченные его притяжением астероиды.

Остановимся теперь на условиях наблюдений планет. Рассмотрим сначала нижние планеты - Меркурий и Венеру, у которых радиусы орбит меньше радиуса орбиты Земли. Особенности их наблюдений легко попять из рис. 84, на котором изображены различные положения планеты на ее орбите, Мх, М3, М2 и М4, и положение Земли Т. БуАвой S обозначено положение Солнца; TS -луч зрения, соединяющий наблюдателя и Солнце. Если планета находится в точке Mlt то происходит ее верхнее соединение с Солнцем. Допустим, что Земля неподвижна, что не отразится на дальнейших рассуждениях. Луч зрения ТМ, направленный от наблюдателя к планете, будет, по мере передвижения планеты по орбите, отклоняться от луча TS, а так как Земля вращается против часовой стрелки (что показано на рисунке 84), Солнце зайдет за горизонт раньше, чем планета. Наступает вечерняя пора видимости планеты. Угловое расстояние луча ТМ от TS будет возрастать до положения М₃, которое называется наибольшей восточной элонгацией планеты. Планета достигает наибольшего возможного удаления на небе от Солнца. После этого луч ТМ начинает приближаться к лучу TS и условия вечерней видимости планеты ухудшаются.

Рис. 84. Различные положения нижней планеты на ее орбите

Когда планета приходит в положение М2, наступает ее нижнее соединение с Солнцем. В это время планету наблюдать нельзя -она скрыта в лучах Солнца. При некоторых положениях Земли и планеты, которые можно заранее вычислить, диск планеты проектируется на яркий диск Солнца. Происходит редкое явление прохождения планеты по диску Солнца. У Меркурия такие прохождения бывают сравнительно часто, в среднем одно за 15 лет. У Венеры прохождения по диску Солнца случаются гораздо реже. Ближайшее прохождение Венеры произойдет в 2004 г. Сведения о прохождениях обычно даются в астрономических календарях.

Проследим за дальнейшим движением луча зрения ТМ. Он снова отклоняется от луча TS, но теперь в другую сторону. Наступает пора утренней видимости планеты: она наблюдается в восточной стороне небосвода перед восходом Солнца. Наибольшее отклонение наступает в положении М₄, которое называется наибольшей западной элонгацией.

Возможное максимальное удаление планеты от Солнца зависит от отношения радиусов орбит планеты и Земли. Из рис. 84 следует, что sin a = M3S/ST. Меркурий может отходить от Солнца на 28°, а Венера - на 48°. Таковы особенности видимого движения нижних планет.

С иными свойствами мы встречаемся при рассмотрении движения верхних планет - Марса, Юпитера и т. д. На рис. 85 изображены орбиты Земли (Земля отмечена буквой Т) и верхней планеты, например, Марса - М. Положение М1, при котором Марс и Земля находятся по разные стороны oт Солнца и расстояние между ними максимально, называется верхним соединением планеты с Солнцем (в этот момент должны быть равны астрономические эклиптикальные долготы Солнца и планеты).

Чтобы проследить за видимым движением верхней планеты и выделить ее характерные конфигурации, мы должны принять во внимание орбитальные движения планеты и Земли. На рис. 85 стрелками показаны направления орбитальных движений. Так как период обращения верхней планеты вокруг Солнца более продолжителен, чем период орбитального обращения Земли, то угловая скорость движения планеты меньше угловой скорости движения Земли. Это означает, что за некоторый промежуток времени Земля проходит по орбите угол Т₁SТ₂, больший, чем верхняя планета (угол M₁SM₂).

Если расположения Т₁ и M₁ соответствовали верхнему соединению, то когда Земля придет в положение Т₂, а верхняя планета в положение М₂, луч зрения Т₂М₂ отклонится к западу от направления T₃S. Это означает, что после верхнего соединения планета будет видна утром, перед восходом Солнца.

При дальнейшем движении луч зрения, соединяющий наблюдателя с планетой, все больше будет отклоняться к западу от направления, соединяющего наблюдателя с Солнцем. В некоторый момент наступит такая конфигурация, при которой луч Т3М3 отклонится от луча T₃S на 90°. Это положение называется западной квадратурой (разность эклиптикальных долгот планеты и Солнца должна быть в данный момент равна 270°).

Вблизи этого момента взаимные расположения Земли и планеты становятся такими, что при дальнейшем их перемещении по орбитам луч ТМ перемещается параллельно самому себе. Наблюдатель видит, что планета «остановилась». Такое положение называется стоянием. Начиная с этого момента Земля «обгоняет» верхнюю планету и наблюдатель видит, что планета стала двигаться в обратную сторону, попятным движением.

Через некоторое время наступает такой момент, когда лучи Т₄М₄ и Т₄S диаметрально противоположны (разность эклиптикальных долгот планеты и Солнца составляет 180°). Эта конфигурация называется противостоянием. В этот момент планета кульминирует в полночь, а расстояние планеты от Земли наименьшее - это наилучшая пора для наблюдений верхней планеты (В том случае, если орбита планеты обладает очень большим эксцентриситетом, момент наибольшего сближения с Землей может не совпадать с моментом противостояния.) Через некоторое время планета приходит во вторую точку стояния, ее движение снова становится прямым и она приближается к такой конфигурации, когда она удалена на 90° от направления на Солнце. Это положение мы отметили лучами Т₅М₅ и T₅S. Taкое положение планеты называется восточной квадратурой (разность эклиптикальных долгот планеты и Солнца должна быть равна 90°).

Пройдя через восточную квадратуру, планета постепенно приближается к своему новому верхнему соединению. На рис. 86 изображен видимый путь Юпитера на небесной сфере, который поясняет сказанное.

Рис. 86. Видимый путь Юпитера на небесной сфере за один сезон

Видимое петлеобразное движение планет было известно еще астрономам античных времен, но правильное его объяснение было найдено Коперником. Размер петли зависит от отношения радиусов орбит планеты и Земли. У Юпитера угловой размер петли около 11°, а у Плутона всего 3°.

Описанные особенности движения планет потребовали введения двух периодов обращения планеты. Полный обход планеты вокруг Солнца по отношению к звездам получил название сидерического периода обращения; мы до сих пор его обозначали через Р. Промежуток времени между последовательными противостояниями (или соединениями) называется синодическим периодом обращения Т. Если обозначить продолжительность года через Е, то оказывается справедливой формула:

Из рисунков 84 и 85 также следует, что вид планеты должен зависеть от ее положения на орбите: у планеты должны наблюдаться фазы, подобные лунным. Особенно они выражены у нижних планет - Меркурия и Венеры. Когда нижняя планета находится вблизи верхнего соединения (точки М₁), мы могли бы видеть все ее полушарие, освещенное лучами Солнца. Вблизи нижнего соединения (точки М₂) планета обращена к нам темной, не освещенной Солнцем стороной. В это время планета становится невидимой, но вблизи нижнего соединения мы видим большой узкий серп планеты, обращенный выпуклостью в сторону Солнца. В положениях М₃ и М₄ видна половина диска планеты. Граница света и тени, терминатор, делит диск планеты пополам.

Верхние планеты также имеют фазы, но мы предоставляем самому читателю самостоятельно убедиться в том, что эти фазы не столь резко выражены и что вид верхней планеты всегда мало отличается от полного диска.

После всех этих вводных замечаний мы могли бы приступить к описанию физических свойств планет. Однако для того чтобы лучше понимать эти свойства, подчас весьма своеобразные, мы хотим описать нашу Землю как одну из планет Солнечной системы.