Повні сонячні затемнення
Повні сонячні затемнення відносяться до числа найбільш величних і красивих явищ природи.
У блакитних просторах неба світить Сонце. Воно безроздільно панує над земною кулею - над материками і океанами. Невичерпні потоки світла і тепла випромінюються Сонцем на земну поверхню. Але ось, без будь-якої видимої причини, Сонце починає згасати спочатку повільно, а потім швидше. На наших очах Сонце починає надщерблюватися. З правого боку сонячного краю все більше і більше починає насуватися якесь темне коло.
Сонце приймає вигляд надщербленого Місяця. Денне світло починає помітно слабшати. Небо набуває важкого свинцевого відтінку, повітря ніби втрачає свою прозорість, тіні від предметів стають слабо окресленими, обличчя людей сірими. А Сонце продовжує згасати. Скоро від нього залишається тільки вузенький серпик. Ось-ось і він зникне. Небо темніє ще більше, стає помітно прохолодніше. Кругом природа приймає зовсім незвичайний вигляд. Все живе охоплено тривогою, неспокоєм. Тварини відчувають якийсь особливий стан: чути виття псів, домашня худоба направляється з пасовища додому, кури піднімаються на сідало і т. д. Але поки світить хоча б незначна частина Сонця, поки залишається тонкий серповидний його ободок, все ще зберігається враження, що панування належить дню. Ще секунда - і Сонце, пославши Землі прощальний промінь, зовсім зникає. Спостерігачеві здається, що весь світ миттєво занурюється в темряву, немов якесь гігантське покривало з неймовірною швидкістю обволікає всю Землю: поля і ліси, гори і долини. На небі загоряються зірки, як це буває під час сутінків. В цей час на тому місці, де тільки що світило Сонце, з'являється прекрасне сріблясто-перлове сяйво, що оточує чорний кружок - сонячна корона.
Це дивовижне видовище триває 1 - 3 хвилини, а потім вся картина раптово змінюється. Із-за чорного круглого заслону несподівано вириваються бризки сліпучих променів Сонця, яке знову освітлює Землю. З першими ж променями Сонця природа ніби пробуджується від хвилинної зачарованості і події починають протікати у зворотному порядку. Все поступово набуває свого природного вигляду. Нарешті, зникає остання темна крапка біля лівого краю Сонця, і природа знову приймає свій звичайний вигляд. Затемнення скінчилося.
Чому відбуваються сонячні затемнення
Відомо, що Земля і Місяць представляють собою холодні, позбавлені власного світла небесні тіла, що освітлюються сонячним світлом. Тому, коли Місяць у своєму русі навколо Землі опиняється між Сонцем і Землею, місячна тінь падає на земну поверхню, послідовно затемнюючи то одну, то іншу її частину.
Середня відстань від Землі до Сонця становить близько 150 мільйонів км, а середня відстань від Землі до Місяця - 384 тисячі км. Таким чином, Сонце розташоване від нас в 400 разів далі, ніж Місяць. З іншого боку, поперечний переріз Сонця в 400 разів більший, ніж поперечний переріз Місяця. З цієї випадкової рівності співвідношень виходить, що видимі кутові розміри поперечних перерізів Сонця і Місяця приблизно рівні між собою.
Так як Земля навколо Сонця і Місяць навколо Землі рухаються по еліпсах, то видимі кутові розміри Сонця і Місяця злегка змінюються в ту чи іншу сторони. У результаті цього виявляється можливим закриття місячним диском Сонця частково або навіть повністю.
Повні, кільцеподібні та часткові сонячні затемнення
Розберемо це питання більш докладно. Уявімо собі конус, описаний близько Сонця і Місяця. У частині цього конуса від Місяця до його вершини знаходиться місячна тінь. Під час сонячного затемнення цей конус повернений своїм вістрям до Землі, тому тінь Місяця падає на Землю і утворює на ній пляму, не освітлену прямими променями Сонця. Звідси спостерігачеві затемнення представляється повним, так як Сонце від нього приховане повністю. Однак на Землю лягає не тільки повна тінь, але і півтінь. Всередині цієї півтіні Сонце лише частково закрите Місяцем, причому видима, незакрита частина сонячного диска тим більша, чим далі розташований спостерігач від місця повної тіні Місяця. На деякій відстані від повної тіні ми вже не спостерігаємо затемнення. Всередині півтіні затемнення спостерігається як часткове.
Моменти зіткнення краю диска Місяця з краєм сонячного диска називаються контактами. Перший контакт відбувається в момент початку часткового затемнення, коли диск Місяця вперше стикається з краєм диска Сонця і починає насуватися на нього. Другий контакт відбувається в момент початку повного затемнення, коли диск Сонця повністю ховається за диском Місяця.
Третій контакт відбувається в момент кінця повного затемнення, коли край сонячного диску знову з'являється із-за диску Місяця. Нарешті, четвертий контакт відбувається в момент закінчення часткового затемнення, коли Місяць повністю сходить з сонячного диску.
З огляду на те, що Земля навколо Сонця і Місяць навколо Землі рухаються по еліпсах, їх видимі діаметри змінюються. Звідси ясно, що характер сонячного затемнення буде в значній мірі залежати від видимих діаметрів Сонця і Місяця в момент затемнення.
Якщо видимий діаметр Місяця виявляється значно більшим від видимого діаметра Сонця, то ми будемо мати більш тривале повне затемнення, якщо ж видимий діаметр Місяця дуже мало відрізняється від діаметра Сонця, але все-таки більший за нього, то повне затемнення буде дуже короткочасним. Проте, може виявитися, що видимий діаметр Місяця буде меншим від видимого діаметра Сонця і тоді при найбільшому перекритті диску Сонця спостерігач побачить тільки вузеньке яскраве колечко, а вся інша поверхня Сонця буде перекрита Місяцем. Таке затемнення називається кільцеподібним. Нарешті, розташування Сонця і Місяця може виявитися таким, що на Землі відбудеться лише часткове затемнення. У цьому випадку ступінь перекриття Місяцем Сонця спочатку зростає до відомої межі, настає найбільша фаза затемнення, після чого Місяць починає сходити з Сонця, не закривши його повністю.
Прості розрахунки показують, що при існуючих відстанях до Сонця і Місяця і їх розмірах місячна тінь повинна утворити на земній поверхні невелике пляму з поперечним перерізом, що не перевищує 270 км. Що ж стосується півтіні, то вона досягає значно більших розмірів і її поперечний переріз 6 - 7 тисяч км. Так як Місяць рухається навколо Землі із швидкістю близько 1 км/с, то місячна тінь переміщується по земній поверхні зі швидкістю того ж порядку (різниця між швидкістю Місяця і швидкістю обертання відповідної точки на поверхні Землі), описуючи вузьку, але дуже довгу стрічку довжиною в 10 - 12 тисяч км. Неважко підрахувати, як довго може тривати повне затемнення Сонця в якому-небудь пункті земної поверхні. Уявімо, що повз нас проноситься тінь зі швидкістю 1 км/с, а розмір тіні близько 300 км. Очевидно, що ми опинимося в тіні приблизно 5 хвилин. У найбільш сприятливих та надзвичайно рідкісних випадках тривалість повного затемнення може досягати 8 хвилин. Це трапляється тоді, коли при великих розмірах тіні швидкість руху місячної тіні по земній поверхні виявляється найменшою. Звичайно ж тривалість повного затемнення для одного пункту буває 2 - 3 хвилини. Тривалість же повного затемнення для Землі в цілому, тобто час, протягом якого місячна тінь пробігає по земній поверхні, становить приблизно 2 - 3 години. Що стосується тривалості часткового затемнення, то з одного і того ж місця його можна звичайно спостерігати приблизно близько 2 годин.
Неважко зміркувати, що сонячні затемнення можуть відбуватися тільки в періоди молодика, так як саме в цей час Місяць розташовується між Сонцем і Землею. Але спостереження показують, що сонячні затемнення бувають далеко не в кожен молодик.
Земля з року в рік здійснює свій рух навколо Сонця. Цей рух відбувається в деякій площині, становище якої в просторі змінюється настільки повільно, що ми можемо для наших цілей вважати його незмінним. Площина ця називається площиною орбіти Землі, або площиною екліптики. Екліптикою ж, як відомо, називається велике коло, яке описується центром сонячного диску на небесній сфері при видимому переміщенні Сонця протягом року.
У свою чергу, і Місяць щомісяця обертається навколо Землі в площині місячної орбіти. Площина місячної орбіти нахилена під невеликим кутом 5° до площини орбіти Землі. Лінія перетину цих площин називається лінією вузлів місячної орбіти. Коли Місяць опиняється на лінії вузлів, вона очевидно знаходиться також і в площині земної орбіти. У всіх же інших випадках Місяць повинен перебувати або над площиною орбіти Землі, або під цією площиною. При цьому Місяць буде розташований або північніше, або південніше площини екліптики.
За час свого місячного обороту навколо Землі Місяць двічі перетинає площину земної орбіти в точках, розташованих на лінії вузлів. Напрямок лінії вузлів, відповідний точці, в якій Місяць піднімається на північ від екліптики, називається напрямком висхідного вузла; протилежний напрямок, де Місяць опускається на південь від екліптики, називається напрямком спадного вузла. Так як Земля рухається навколо Сонця, площина місячної орбіти переміщається в просторі паралельно самій собі. Тому і лінія вузлів, що проходить завжди через Землю, буде переміщатися в площині земної орбіти паралельно самій собі, і тоді лінія вузлів двічі на рік буде повернена до Сонця: один раз напрямком висхідного вузла, другий раз напрямком спадного вузла.
Постараємося перш за все з'ясувати, яку роль у можливості сонячного затемнення грає розташування площини місячної орбіти до площини орбіти Землі. З цією метою ми розглянемо два крайніх випадки.
Припустимо спочатку, що обидві площини збігаються одна з одною. Легко уявити, що в цьому випадку затемнення Сонця регулярно будуть мати місце в кожне новомісяччя, тобто один раз на місяць.
Розглянемо тепер другий крайній випадок, допустивши, що площина місячної орбіти розташована перпендикулярно до площини орбіти Землі. Тоді затемнення Сонця виявиться виключно рідкісним явищем. Воно буде можливим тільки тоді, коли і Місяць і Сонце одночасно опиняться на лінії вузлів.
Насправді ж, як було відзначено вище, площина місячної орбіти лише незначно нахилена до площини орбіти Землі. Наслідком цього буде те, що Місяць, навіть при найбільшому видаленні від лінії вузлів, тобто при найбільшому відхиленні від площини земної орбіти, все ж таки буде розташований від цієї площини порівняно недалеко - вище або нижче неї. Тому сонячне затемнення може відбутися не тільки тоді, коли Сонце і Місяць будуть строго розташовані на самій лінії вузлів, але і тоді, коли обидва небесних тіла виявляться досить близько до цієї лінії. Так як кутові діаметри кожного з них приблизно рівні 160, то очевидно, що край Місяця в змозі заслонити частину сонячного диска вже в тому випадку, коли кутова відстань між центрами Сонця і Місяця виявиться меншою. Таким чином можна сказати, що існує деякий «допуск» , в межах якого Сонце і Місяць можуть відхилятися від лінії вузлів, і коли все ж таки Сонце буде закритим Місяцем.
Кут між площинами орбіти Місяця і Землі такий незначний і шлях Місяця відносно земної орбіти розташований так полого, що кордон «допуску» має місце тоді, коли лінія вузлів утворює з напрямком на Сонце кут приблизно 16°. Інакше кажучи, дуга екліптики 16°, починаючи від вузла, відповідає положенням Сонця, при яких затемнення можливе. Цю дугу 16° в один і 16° у інший бік від вузла, тобто дугу 32 - 33°, можна назвати зоною сонячних затемнень. Якщо буде молодик, коли Сонце і Місяць опиняться в цій зоні, відбуватимуться сонячні затемнення.
Так як Сонце в своєму видимому русі за екліптикою за одну добу проходить приблизно один градус воно буде знаходитися в зоні затемнень близько 32 дні. Для того щоб відбулося сонячне затемнення, досить лише, щоб протягом цього терміну був молодик. Але так як молодик буває через кожен синодичний місяць, тобто через кожні 29,5 доби, то очевидно, що всякий раз, коли Сонце буде потрапляти в зону затемнень, неминуче має статися сонячне затемнення.
Таких зон буде дві: одна, відповідна напрямку висхідного, а інша - низхідного вузла. Оскільки Сонце вступає в кожну з цих зон по одному разу на рік, то протягом року має бути не менше двох сонячних затемнень, відокремлених строком на півроку.
Але обставини можуть скластися і так, що за час перебування Сонця в якісь із зон відбудеться не одне затемнення, а два. Це буде тоді, коли молодик трапиться при вступі Сонця в зону затемнення. Тоді через 29,5 доби настане наступний молодик, який застане Сонце ще на краю зони до його повного виходу з неї. Таким чином, за час перебування Сонця в одній зоні можуть відбутися два сонячних затемнення, відокремлених один від одного проміжком в один місяць. Такий сприятливий для сонячних затемнень збіг обставин можливий тому, що тривалість перебування Сонця в будь-якій із зон більший від тривалості синодичного місяця.
При цьому слід врахувати, що коли Сонце в момент молодика знаходиться далеко від лінії вузлів (біля кордону зони), Місяць в змозі закрити лише невелику частину Сонця (безпосередньо після вступу в зону і перед виходом Сонця із зони). Але чим ближче будуть обидва світила до лінії вузлів, тим більша частина Сонця виявиться закритою. Коли ж і Місяць і Сонце будуть досить близько від лінії вузлів, то Сонце може виявитися цілком заступленим Місяцем, і відбудеться повне затемнення.
Це станеться тоді, коли Сонце буде знаходитися від вузла на відстані, не більшій 10° в ту або іншу сторону. З цього випливає, що якщо зона часткових затемнень Сонця в середньому становить 32 - 33°, то для повних сонячних затемнень існує зона протяжністю в середньому в 20 - 21°.
З того, що було розібрано вище, випливає, що протягом року не може бути менше двох затемнень: по одному при проходженні Сонцем кожної із зон затемнень.
Що стосується максимальної кількості затемнень за один календарний рік, то воно при найбільш сприятливих умовах може досягати п'яти. Це відбудеться, якщо Сонце опиниться в зоні одного з вузлів на самому початку року і якщо за час перебування Сонця в цій зоні будуть два молодика. Через приблизно півроку Сонце вступить у зону другого вузла, і тут теж відбудеться два сонячні затемнення. Нарешті, в самому кінці року Сонце знову опиниться в зоні першого вузла, де трапиться ще одне затемнення. Так, у сприятливий рік може відбутися п'ять сонячних затемнень.
Поряд з сонячними затемненнями будуть відбуватися і місячні затемнення. В усіх наведених випадках протягом року відбувається сім затемнень: у першому випадку п'ять сонячних і два місячних, а в другому - чотири сонячних і три місячних. У першому випадку протягом одного календарного року ми маємо дві групи, по три затемнення в кожній, і одне ізольоване затемнення в кінці або на початку року, а в другому випадку - дві групи затемнень, по два затемнення в кожній, на початку і в кінці року, і одна група з трьох затемнень в середині року.
Такі вдалі роки в сенсі великої кількості затемнень зустрічаються дуже рідко. Перший випадок (п'ять сонячних і два місячних затемнення) мав місце в минулому тисячолітті лише три рази: в 1285 р., 1805 р., і зовсім недавно, в 1935 р.
Що стосується другого випадку, то і він буває вкрай рідко. Останній раз він мав місце в 1917 і в 1982 р.р.
Значення теорії про місячні та сонячні затемнення
Теорія затемнень має величезне значення для різноманітних розділів астрономії і, як побачимо далі, навіть для історії. Сучасні наглядові засоби дозволяють з великою точністю визначати моменти настання сонячних затемнень. Зіставлення наглядових даних з теоретичними розрахунками дає багатий матеріал для уточнення теорії руху Місяця, обертання Землі навколо осі і т. д. З цієї причини велику роль грають спостереження моментів контактів країв Сонця і Місяця, що дають точний час початку і кінця затемнення. Крім того, дуже важливими є старовинні спостереження затемнень, цінність яких, незважаючи на їх крайню неточність, зростає тим більше, чим більший проміжок відділяє нас від епохи спостереження.
Теорія затемнень грає важливу роль і у встановленні хронологічних даних про час тієї чи іншої історичної події, коли ця подія випадково співпала із затемненням. Так було, наприклад, в день бою між лідійцями та мідянами. В історичній науці йшла тривала дискусія щодо цієї дати. Історики встановлювали для цієї події різні терміни, і в них не було даних для остаточного вирішення питання.
Безперечне вирішення питання прийшло тоді, коли астрономи, користуючись вказівками Геродота про настання затемнення в день битви, зробили обчислення і встановили, що зазначена битва мала статися 25 травня 585 р. до н. е. Про це затемнення Геродот розповідає наступне: два війська - лідійців і мідян - зійшлися на полі бою біля річки Аліс. Битва була жорстокою. Однак у момент рішучої сутички несподівано для воїнів настало затемнення Сонця, яке викликало у всіх величезний жах. Воїни покидали зброю і повтікали.
Встановлення точної дати цього затемнення дозволило пролити світло на хронологію інших відомих історичних подій.
Крім того, теорія затемнень дає можливість уточнити наявні в літописах дані про час того чи іншого затемнення для висвітлення питання про початок рахунку годин у добі і тривалість години.
І старовину рахунок годин у добі вівся по-різному і, крім того, різною була тривалість однієї години. Всі ці неясні питання вирішуються на підставі історичних даних про місячні чи сонячні затемнення. Якщо, наприклад, у літописі зазначено час початку затемнення по тому рахунку годин, який був у старовину то, зробивши потрібні обчислення, ми встановимо, о котрій годині за нашим відліком повинно було відбутися затемнення, а отже, дізнаємося як відраховувалися години в колишні часи.
