Видимость созвездий и планет

Рисунок созвездий на небе сохраняется тысячелетиями, несмотря на то, что звезды хаотически движутся в пространстве со скоростями десятки километров в секунду. Но расстояния до звезд так велики, что заметить глазом взаимное перемещение звезд невозможно даже на протяжении тысячелетий. Тем не менее картина созвездий, доступных жителям разных областей Земли, заметно меняется от эпохи к эпохе. В этом повинно движение самой Земли. Напомню, как оно происходит.

Земля вращается вокруг собственной оси и обращается по орбите вокруг Солнца. Эклиптика — это отраженная на небесной сфере плоскость орбиты Земли в ее движении вокруг Солнца. Второе движение Земли — суточное вращение вокруг оси — определяет другую важнейшую линию — небесный экватор (отражение земного экватора). Эти два небесных круга пересекаются под углом 23°26′: под таким углом наклонена ось вращения Земли к ее орбитальной оси. Этот наклон определяет смену сезонов: полгода чуть больше солнечного тепла получает Северное полушарие Земли, вторые полгода — Южное. Будь этот угол больше, наше лето было бы жарче, а зима холоднее.

Для нас, жителей средней полосы, наклон земной оси проявляется в том, что зимой Солнце опускается под небесный экватор и ходит Днем низко у горизонта, а летом, поднимаясь выше экватора (максимум на те же 23,4°), рано восходит, поздно заходит, а в полдень поднимается почти в зенит. Осенью и весной — в дни равноденствий — Солнце пересекает небесный экватор в точках, которые так и называют: точка осеннего равноденствия и точка весеннего равноденствия Это и есть точки пересечения небесного экватора и эклиптики, с которыми связаны важнейшие системы небесных координат.

Рис. 1.2. Наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты служит причиной смены времен года.

Легко понять, что не каждому жителю Земли доступны для наблюдения все 88 созвездий нашего неба. Рассмотрим предельные случаи. Наблюдатель на Северном полюсе каждую безоблачную ночь может видеть все созвездия северной полусферы неба, но только их; южные созвездия он никогда не увидит — для него они всегда под горизонтом. А наблюдатель на Южном полюсе может видеть только южные созвездия. Этих наблюдателей можно уподобить двум пассажирам автобуса, сидящим у противоположных окон: каждый видит только свою сторону улицы. Зато наблюдатель на экваторе, как водитель автобуса, может в течение года увидеть все уголки звездного неба (в течение суток этого сделать не удастся, поскольку мешает Солнце). Соответственно, в средних широтах Северного полушария доступны для наблюдения все северные и только часть южных созвездий. В Южном полушарии — наоборот.

Теперь представим себе, что земная ось немного изменила свою ориентацию. Для наблюдателей на Северном и Южном полюсах — то есть для «пассажиров», сидящих у противоположных «окон», — этот маневр равноценен повороту автобуса; в результате наблюдателям становятся видны иные части неба, но все равно каждому из них остается доступной лишь половина небосвода. Для наблюдателя на экваторе ничего не изменилось: в течение года он все равно увидит все уголки неба, только в несколько иной последовательности. А для жителя средней полосы ситуация изменилась частично: некоторые звезды становятся ему недоступны, зато ранее не наблюдавшиеся звезды он начинает видеть.

Но к чему весь этот мысленный эксперимент? Разве ось вращения Земли может изменить свою ориентацию? Да, может, и делает это постоянно, хотя и не очень быстро.

Движение Земли можно уподобить вращению волчка на полу: он быстро крутится вокруг оси и медленно покачивается на острие, описывая осью конус. Это покачивание вызвано притяжением волчка к Земле. Сама Земля — тоже своеобразный волчок: она испытывает притяжение со стороны Луны и Солнца. Под их гравитационным влиянием земная ось совершает медленное конусообразное движение. Один полный оборот по конусу с раствором в 23,5° ось Земли завершает за 25 770 лет. Соответствующее колебание совершает плоскость земного экватора и ее продолжение — небесный экватор. Эклиптика же, как отражение плоскости земной орбиты, остается практически неподвижной, поэтому точки ее пересечения с экватором на небе — точки весеннего и осеннего равноденствий — перемещаются по эклиптике вместе с движущимся экватором с востока на запад, навстречу годичному движению Солнца. Это явление называют прецессией (лат. praecessio предшествование), т. е. предварением равноденствия. Происходит оно не совсем равномерно: на него накладываются небольшие колебания — нутация, вызванные тем, что с периодом 18,6 года «покачивается» орбита Луны, а Луна — главный виновник прецессии земной оси.

Рис. 1.3. Прецессия земной оси.

Итак, под влиянием прецессии за несколько тысячелетий заметно изменяется направление земной оси, поэтому в разные эпохи она смотрит на разные звезды: сегодня ось Земли направлена почти точно на звезду α Малой Медведицы, которую мы называем Полярной, а, скажем, 5000 лет назад эту роль исполняла весьма тусклая звезда α Дракона, а через 12 000 лет полярной звездой станет Вега — α Лиры. Поскольку Вега очень яркая, для путешественников это будет удобно. Но далеко не всегда ось Земли бывает направлена на заметное светило; чаще центр вращения (по астрономической терминологии — полюс мира) лежит вдали от ярких звезд. Например, сейчас положение северного полюса мира удачно отмечено довольно яркой Полярной звездой, зато вблизи южного полюса мира заметного светила нет, поэтому в Южном полушарии ориентироваться по звездам сложнее.

Вместе с перемещением полюсов мира иным становится и годичный ход созвездий по небу: для жителей определенных географических широт одни созвездия со временем становятся наблюдаемыми, а другие, меняя свое расстояние от полюса, на многие тысячелетия скрываются под горизонтом. Любопытный пример этого могли отметить те, кто читал «Одиссею» Гомера. Древнегреческий поэт упоминает созвездие Большая Медведица, которое «никогда не погружает своих звезд в волны моря». Но сегодня в Греции мы видим совсем иное: Большая Медведица исправно окунает свои звезды в волны Ионического и Эгейского морей. Это и не удивительно: Греция — южная страна, на ее широтах высота северного полюса мира мала, и Большая Медведица является заходящим за горизонт созвездием. Значит, Гомер ошибся? Нет. Просто за прошедшее время прецессия повернула земную ось, и видимое движение звезд изменилось. Ковш Большой Медведицы заметно удалился от полюса и стал описывать на небе более широкий круг. Для нас, жителей России, Большая Медведица по-прежнему осталась незаходящим созвездием, зато в более южной Греции ее Ковш стал пересекать горизонт и — с точки зрения морских путешественников — «черпать воду». Астрономы вычислили, что 3000 лет назад, во времена Гомера, звезды Ковша для наблюдателей в Греции не приближались к горизонту менее чем на 11°, так что действительно Медведица тогда не «окунала своих звезд в волны моря». Таким образом, стихи Гомера не оставляют сомнений относительно родины великого поэта, они подтверждают греческое происхождение поэмы.

Хотя направление земной оси меняется, ее наклон к плоскости орбиты, эклиптике, остается почти неизменным. Поэтому сохраняется смена сезонов года, так же как и видимый путь Солнца на небе для жителей каждой географической широты, и Зодиак всегда остается Зодиаком. То есть Солнце всегда перемещается по небу среди тех же звезд, что и сегодня. Единственное, что заметно меняется в результате прецессии земной оси, — это видимость созвездий в разные сезоны года: если сейчас для жителей Северного полушария Орион — зимнее созвездие, то через 13 тысяч лет оно станет летним. Незначительные изменения происходят и в видимости планет: если сейчас великие противостояния Марса приходятся на конец августа, то через 13 тысяч лет они будут наблюдаться в конце февраля. Для жителей Северного полушария это, с одной стороны, выгодно, поскольку зимой эклиптика по ночам выше над горизонтом и Марс будет виден лучше, но, с другой стороны, в феврале холодно, особенно в ясные ночи. Куда приятнее любоваться Марсом в августе.

Если уж мы заговорили о погоде, то можно вспомнить, что и она немного меняется в результате прецессии земной оси. Как мы уже знаем, смена сезонов в основном вызвана наклоном земной оси: полгода солнечные лучи обильнее освещают северное полушарие Земли, вторые полгода — южное. Но на этот главный эффект накладывается слабый второстепенный. Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, поэтому в декабре — январе она на 3% ближе к Солнцу, чем в июне — июле. Это приводит к 6%-му изменению интенсивности потока солнечного света у Земли и немного сглаживает колебания температуры от зимы к лету в нашем Северном полушарии. Зато в Южном это делает перепады температуры более резкими. Поэтому сейчас мы в выигрышном положении. Но через 13 тысяч лет ситуация изменится: в Австралии климат станет мягче, а у нас колебания температуры усилятся.