попереджання рівнодення

Попереджання рівнодення ( лат. praecessio aequinoctiorum) - історична назва для поступового зміщення точок весняного і осіннього рівнодення (Тобто точок перетину небесного екватора з екліптикою ) Назустріч видимому річному рухові Сонця. Іншими словами, кожен зоряний рік весняне рівнодення настає трохи раніше, ніж в попередньому році - приблизно на 20 хвилин 24 секунди [1] . У кутових одиницях зміщення становить зараз приблизно 50,3 "в рік, або 1 градус кожні 71,6 року [2] . Цей зсув є періодичним, і приблизно кожні 25776 років точки рівнодення повертаються на колишні місця.

Попереджання рівнодення не означає, що пори року переміщаються по календарю; застосовуваний в наші дні григоріанський календар відображає довжину трохи зоряного, а тропічного року , Який відповідає інтервалу від рівнодення до рівнодення. Тому ефект попереджання рівнодення фактично включений до чинного календар [3] .

Основна причина попереджання рівнодення - прецесія , Періодична зміна напрямку земної осі під впливом тяжіння місяця , А також (меншою мірою) сонця . як вказав ньютон в своїх «Засадах» , Сплюснутістю Землі уздовж осі обертання призводить до того, що гравітаційне тяжіння тіл сонячної системи викликає прецесію земної осі [4] ; пізніше з'ясувалося, що до аналогічних наслідків призводить неоднорідність щільності розподілу мас усередині Землі. Величина прецесії пропорційна масі обурює тіла і обернено пропорційна кубу відстані до нього; чим швидше обертається прецессирует тіло, тим менше швидкість його прецесії [5] .

В результаті прецесії земна вісь описує в просторі конус. Поворот земної осі зміщує і пов'язану із Землею екваторіальну систему небесних координат щодо віддалених, практично нерухомих на небесній сфері зірок. на небесній сфері вісь описує окружність так званого малого кола небесної сфери з центром в північному полюсі екліптики для північної півкулі і в південному полюсі екліптики - для південної півкулі , З кутовим радіусом приблизно 23,5 градуси [6] . Повний оборот по цій окружності відбувається з періодом (за сучасними даними), що складає приблизно 25 800 років. Протягом року швидкість земної прецесії, викликаної даними небесним тілом, змінюється - наприклад, для Сонця вона максимальна в дні сонцестояння , А в дні рівнодення дорівнює нулю [7] .

Існують і інші причини зсуву земної осі, в першу чергу - нутація , Періодичне, швидке щодо періоду прецесії, «погойдування полюсів». Період нутації земної осі дорівнює 18,61 року, і її середня амплітуда становить близько 17 "(кутових секунд). При цьому на кут нахилу земної осі до площини екліптики прецесія (на відміну від нутації) не впливає [8] .

Крім Місяця і Сонця, процесійний зміщення викликають і інші планети (в основному через зменшення нахилу площини екліптики до екватора), але воно невелике, в сумі приблизно 12 кутових секунд в сторіччя і направлено протилежно місячно-сонячної прецесії [6] [5] [7] . Є й інші чинники, ті, хто підбурює напрямок земної осі - апериодическое « блукання полюсів [En] », Зміни океанічних течій, рух атмосферних мас, сильні землетруси, які змінюють форму геоїда і т. п., проте їх внесок в зміщення земної осі в порівнянні з прецессией і нутацією нікчемний [9] .

Аналогічні явища відбуваються на інших планетах і їх супутники. Наприклад, вісь Юпітера під впливом його численних супутників і Сонця зміщується на -3,269 секунди дуги в рік [10] (На початку XX століття передбачалося, що кутова швидкість прецесії юпитерианской осі становить приблизно півградуса за юпітеріанскую рік, або приблизно в 50 разів більше реального значення [5] ). Ось Марса прецессирует з кутовий швидкістю -7,6061 (35) секунди дуги в рік [11] . існує і місячна прецесія двох типів - орбітальна прецесія з періодом 8,85 року і прецесія вузлів з періодом 18,6 року.

Поворот осі нашої планети має різноманітні наслідки. Напрямок прецесійного зміщення протилежно напрямку осьового обертання Землі, тому прецесія скорочує тривалість тропічного року , Вимірюваного від рівнодення до рівнодення. Іншими словами, тропічний рік стає на 20 хвилин коротше зоряного . оскільки довго ти зірок відраховуються від точки рівнодення, всі вони поступово збільшуються (на 50,26 "щорічно) - саме цей ефект і привів до відкриття даного явища [12] .

В ході прецесії вид зоряного неба, видимий в тих чи інших широтах, змінюється, так як змінюються відміни тих чи інших сузір'їв, і навіть пору року їх спостереження. Деякі сузір'я, видимі зараз в середніх широтах північної півкулі Землі (наприклад, Оріон і великий Пес ), Поступово опускаються під горизонт і через кілька тисяч років будуть майже недоступні для цих широт, зате на північному небі з'являться сузір'я Центавр , Південний Хрест і ряд інших. Звичайно, не всі сузір'я південної півкулі будуть доступні в результаті прецесії - вище всіх підніметься сучасне «літній» небо, менше - «осіннє» і «весняний», зимове небо, навпаки, опуститься, так як в даний час воно максимально «піднято» [5] .

Схожі процеси будуть і в Південній півкулі. Багато сузір'я Північної півкулі, які в даний час не відображаються в Південному, стануть там видно, причому найвище підніметься сучасне «зимовий» небо, яке видно з Південної півкулі як літнє. Наприклад, через 6 тисяч років буде доступно з середніх широт Південної півкулі для спостереження сузір'я Велика Ведмедиця , А 6 тисяч років тому там була видна Кассіопея [5] .

Полюс світу зараз майже збігається з полярної зіркою . За часів будівництва Великих пірамід в стародавньому Єгипті (Близько 4700 років тому) він знаходився поблизу зірки Тубан (α дракона ). Після 2103 року полюс почне віддалятися від Полярної зірки і в V тисячолітті перейде в сузір'я Цефея , А через 12 000 років роль «полярної зірки» стане грати Вега . Античні астрономи бачили точку весняного рівнодення в сузір'ї Овна , А точку осіннього рівнодення - в сузір'ї Терезів , Тому обидві точки досі прийнято позначати символами цих сузір'їв, хоча вони перемістилася в сузір'я Риб і сузір'я Діви відповідно [6] [12] .

Передбачуване вплив на клімат Землі прецесії і інших астрономічних факторів залишається дискусійною темою [13] ; див. про це статтю цикли Миланковича .

На підставі деяких непрямих даних припускають, що відмінність між зоряним і тропічним роком (простим логічним наслідком чого є рух точок рівнодення на тлі зірок) вперше встановив в III столітті до н. е. Аристарх Самоський . Різниця між зоряним і тропічним роком, обчислена на підставі цих даних, відповідає швидкості прецесії 1 ° за 100 років, або 36 "в рік [14] (За сучасними даними, 1 ° за 71,6 року).

Виходячи зі спостережень зірок, попереджання рівнодення було відкрито видатним давньогрецьким астрономом Гиппархом в II столітті до н. е. У його розпорядженні були результати спостережень грецького астронома III століття до н. е. Тімохаріса , з яких Гіппарх виявив, що все довготи зірок збільшуються приблизно (за його оцінкою) на 1 ° кожні 100 років. У II столітті н. е. існування прецесії підтвердив Клавдій Птолемей , Причому швидкість прецесії за його даними становила все ті ж 1 ° в 100 років [15] .

Більшість астрономів доптолемеева періоду вважали, що всі зірки закріплені на одній сфері (сфері нерухомих зірок), яка є кордоном Всесвіту. Видиме добове обертання небосхилу при цьому вважалося відображенням обертання цієї сфери навколо своєї осі - осі світу. Для пояснення прецесії Птолемей був змушений ввести за межами сфери нерухомих зірок (на малюнку зліва позначена цифрою 1) ще одну сферу, яка обертається з періодом в одну добу навколо осі світу (NS). До неї прикріплена сфера нерухомих зірок 2, що обертається з періодом прецесії навколо осі AD, перпендикулярної площини екліптики. Таким чином, обертання сфери зірок є суперпозиція двох обертань, добового і прецесійного. Нарешті, всередину цієї сфери вкладена ще одна сфера 3, що обертається навколо тієї ж осі AD, але в протилежному напрямку, що компенсує процесійний рух для всіх внутрішніх сфер (але ця сфера як і раніше бере участь в добовому обертанні) [16] .

Теона Олександрійський , Коментатор Птолемея (IV століття), висунув гіпотезу, що сфера нерухомих зірок відчуває періодичні коливання в межах 8 °, після чого повертається в попереднє положення. Це явище було названо трепідаціей. У IX столітті цю модель підтримав знаменитий арабський астроном Сабіт ібн Куррі [17] [18] . Уже арабські астрономи більш пізнього часу показали, що прецесія носить монотонний характер. Проте, вони вважали, що швидкість прецесії періодично змінюється, так що зміна довгот зірок можна розкласти на дві складові: рівномірне збільшення (власне прецесія), на яке накладено періодичне коливання (трепідація). Такої точки зору дотримувався, в тому числі, Микола Коперник , І лише тихо Браге довів повну відсутність трепідаціі [5] . Ат-Тусі і Бразі до цього часу з хорошою точністю оцінили величину прецесії: 51 кутова секунда за рік [19] .

Коперник першим зрозумів, що зміщується НЕ небесний екватор, а земна вісь, і отримав швидкість прецесії, близьку до сучасних уявлень - 1 ° за 72 року. Причина зсуву була детально пояснена в «Засадах» Ньютона , Причому Ньютон окремо виділив внесок в цю величину Місяця і Сонця [4] . У математичної моделі Ньютона Земля була подумки розділена на кулясту частина і кільцеподібне екваторіальна потовщення ; з відкритих Ньютоном законів механіки випливало, що тяжіння Місяця створює для потовщення додатковий момент сили , Що приводить до повороту земної осі. Цей момент сили найбільш великий тоді, коли Місяць максимально віддалена від площини земного екватора. Аналогічний механізм діє з боку Сонця [6] [5] . Міркування Ньютона були принципово вірні, хоча його математична модель і містила неточності, так як щільність Землі не є постійною, а параметри ньютонівської моделі (маси Місяця і Сонця, відстані до них) були в той час відомі з великою похибкою.

У XVIII столітті великий внесок у вивчення питання внесли двоє вчених. Джеймс Бредлі відкрив нутацію, склав таблиці, що дозволяли враховувати при точних астрономічних вимірах прецесію, нутацію і аберацію світла . Даламбер в своїй праці «Дослідження попереджання рівнодення» (Recherches sur la precession des equinoxes, 1749) виправив і розвинув модель Ньютона, дав першу теорію нутації [19] . У XIX столітті теорію прецесії в основному завершили Фрідріх Вільгельм Бессель і Отто Вільгельм Струве [5] .

Провідний американський астроном Саймон Ньюком в 1896 році дав формулу прецесії, яка показувала і швидкість зміни її величини [2] :

P = 50,256 4 "+ 0,000 222" ⋅ T {\ displaystyle P = 50 {,} 2564 '' + 0 {,} 000222 '' \ cdot T} Тут T - число років, що минули після 1900 року.

У 1976 році XVI з'їзд Міжнародного астрономічного союзу в Греноблі уточнив формулу Ньюкома і прийняв за нову базу 2000 рік [2] :

P = 50,290 966 "+ 0,000 222" ⋅ T {\ displaystyle P = 50 {,} 290966 '' + 0 {,} 000222 '' \ cdot T} Тут T - число років, що минули після 2000 року.

1. ↑ Михайлов А. А., 1978 , Глава «Чому змінюється схиляння зірок?».
2. ↑ 1 2 3 Михайлов А. А., 1978 , Глава «Як виміряти прецесію?».
3. ↑ прецессия .
4. ↑ 1 2 Єремєєва А. І., Цицин Ф. А., 1989 , С. 183.
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Інтерес .
6. ↑ 1 2 3 4 Михайлов А. А., 1978 , Глава «Чи завжди Полярна залишиться Полярної».
7. ↑ 1 2 Жаров В. Є., 2002 , С. 354-355.
8. ↑ Кононович, Мороз, 2011 , С. 114-115.
9. ↑ Куликов К. А. Рух полюсів Землі. - Изд. 2-е. - М.: Изд-во АН СРСР, 1962. - 87 с. - (Науково-популярна серія).
10. ↑ Le Maistre S., Folkner WM, Jacobson RA, Serra D. Jupiter spin-pole precession rate and moment of inertia from Juno radio -science observations // Planetary and Space Science. - 2016. - Vol. 126. - P. 78-92. - DOI : 10.1016 / j.pss.2016.03.006 . - Bibcode : 2016P & SS..126 ... 78L . [ виправити ]
11. ↑ Kuchynka P. et al. New constraints on Mars rotation determined from radiometric tracking of the Opportunity Mars Exploration Rover // Icarus. - 2014. - Vol. 229. - P. 340-347. - DOI : 10.1016 / j.icarus.2013.11.015 . - Bibcode : 2014Icar..229..340K . [ виправити ]
12. ↑ 1 2 Кононович, Мороз, 2011 , С. 115-116.
13. ↑ цикли Миланковича (неопр.). Елементи. Дата обігу 4 серпня 2016. Читальний зал 30 травня 2012 року.
14. ↑ Rawlins D. Continued-Fraction Decipherment: Ancestry of Ancient Yearlengths & (pre-Hipparchan) Precession (Англ.) // DIO: The International Journal of Scientific History. - 1999. - Vol. 9.1. - P. 31-38.
15. ↑ Єремєєва А. І., Цицин Ф. А., 1989 , С. 88-91.
16. ↑ Evans J. The History and Practice of Ancient Astronomy . - New York: Oxford University Press, 1998..
17. ↑ Рожанська М. М., 1976 .
18. ↑ Куртика Г. Е., 1986 .
19. ↑ 1 2 Колчинский І. Г., Корсунь А. А., Родрігес М. Г. Астрономи. Біографічний довідник. - Київ: Наукова думка, 1986. - С. 42-43, 83, 249.

Теорія прецесії Історичні дослідження