Тема 7. Солнечные и Лунные затмения

ИИСС «Планетарий»
Урок 7. Солнечные и лунные затмения
Тема. Солнечные и лунные затмения.
Цели урока.
Учащиеся должны усвоить:
1. Условия наблюдения полного, кольцеобразного и частного солнечного затмений.
2. Условия наступления солнечных затмений;
3. Условия наблюдения полного и частного лунного затмений.
4. Условия наступления лунных затмений;
5. Периодичность наступления лунных и солнечных затмений.
Основные понятия. полное, кольцеобразное и частное затмения, зона затмения, сарос.
Демонстрационный материал. Иллюстрации. Модели.
Самостоятельная деятельность учащихся. Выполнение тестовых заданий.
Мировоззренческий аспект урока. Развивать навыки логического мышления учащихся и
научного подхода к изучению мира.
Использование новых информационных технологий. Работа с моделями.
План урока.
Формы
Время Приемы
и
Краткое содержание урока
использования , мин
методы
планетария
1. Изучение нового материала:
25
Объяснение
1. Условия видимости солнечных затмений.
учителя.
 полные затмения
Иллюстрации,
 кольцевое затмение
модели
 частное затмение
2. Условия наступления солнечных затмений.
3. Условия видимости лунных затмений.
4. Условия наступления лунных затмений.
5. Периодичность наступления затмений.
2. Выполнение тестовых заданий
14
3. Домашнее задание
1
Запись
на
доске учителя
1
ИИСС «Планетарий»
Конспект урока.
1.1. Условия наблюдения солнечных затмений
Совершая свой ежемесячный цикл вокруг Земли, Луна иногда проходит между нею
и Солнцем. Видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы: диаметр Солнца в 400
раз превышает лунный, однако оно находится в 400 раз дальше. Это чистое совпадение,
но какая удача для нас! По этим причинам Луна во время своего движения периодически
частично или полностью заслоняет Солнце – такое явление называется солнечным
затмением.
Выясним условия видимости солнечных затмений.
Луна, освещаемая Солнцем, отбрасывает в пространство сходящийся конус тени и
окружающий его расходящийся конус полутени. Лунная тень и полутень на земной
поверхности имеют вид овальных пятен. Из мест, оказавшихся в лунной тени, видно
полное солнечное затмение – там Солнце полностью закрыто Луной. В это же время в
местах, расположенных в лунной полутени, происходят частные затмения.
Рис. 1 Построение лунной тени и полутени на поверхности Земли
Из-за движения Луны по орбите со скоростью около 1 км/с ее тень приблизительно
с той же скоростью перемещается относительно Земли. Максимальное время, в течение
которого тень Луны (область полного затмения Солнца) скользит по Земле, составляет
около 3,5 ч, а полутень (область частичного затмения) задерживается на Земле около 5,5 ч.
Рис. 2. Образование полосы лунной тени и полутени вследствие движения Луны
вокруг Земли.
Путь лунной тени на поверхности Земли образует полосу, называемую полосой
полной фазы. Жители, оказавшиеся на пути тени, т. е. в зоне полной фазы, наблюдают
полное затмение Солнца (рис. 3 – рисунок)
2
ИИСС «Планетарий»
Рис. 3а. Солнечное затмение 1994 года в Боливии
Рис 3 б. Пояснение: Находясь в миллионе километров от Земли, космический корабль
СТЕРЕО-Б на прошлых выходных заметил, что он в тени Луны. Камеры СТЕРЕО-Б,
используемые для исследований в далеком ультрафиолетовом излучении, были нацелены
на Солнце и смогли заснять этот любопытный фильм о прохождении Луны по
солнечному диску, или по-другому, затмении Солнца. Каждый кадр фильма представляет
собой изображение, составленное из снимков в четырех фильтрах, которые выделяют
области с различными температурными режимами и структурами в верхней атмосфере
Солнца. На именно этом кадре по бокам силуэта Луны видны обширные яркие активные
области, которые в видимом свете выглядят темными солнечными пятнами. Луна в
фильме в четыре раза меньше по размеру Луны, которую мы видим с поверхности Земли,
потому что корабль в то время находился на расстоянии более, чем в четыре раза
превышающем расстояние от Земли до Луны.
Продолжительность этого явления зависит от широты местности, поскольку
поверхность Земли вращается в том же направлении – с запада на восток, куда движется
лунная тень, с максимальной скоростью на экваторе 0,46 км/с. Поэтому в районе экватора
полные затмения могут длиться до 7 мин 40 с, а на широте 45 – до 6,5 минут. В каждой
точке Земли полное затмение происходит в среднем один раз за 360 лет.
3
ИИСС «Планетарий»
Ширина полосы полной фазы, равная поперечнику лунной тени, зависит от
взаимных расстояний Луны, Земли и Солнца во время затмений. При самом
благоприятном стечении обстоятельств диаметр лунной тени не превышает 270 км (рис.
4а, 4б)
Рис.4а. На поверхности Земли хорошо заметна лунная тень
Рис.4б. Полное солнечное затмение 11 августа 1999 года
Перед началом полного затмения яркость заметно убывает и узкий серпик Солнца можно
наблюдать без светофильтра. Серпик быстро сужается, и когда он занимает совсем
небольшой участок дуги, это называют «брильянтовым кольцом». В последний момент
этот участок разбивается на цепочку ярких пятен, называемых «четками Бейли», – это
лучи Солнца светят сквозь неровности лунного края (лунные долины). Вдруг наступает
темнота, и появляется белоснежная солнечная корона. Ее яркость в полмиллиона раз
ниже, чем у диска Солнца, и быстро спадает к краям, но при наступившей темноте
отдельные лучи короны можно проследить до расстояния в несколько градусов. Вдоль
края лунного диска видна розоватая полоска хромосферы. Иногда видны яркие розовые
язычки протуберанцев, вытянувшиеся над хромосферой. Кое-где на небе заметны звезды.
Через несколько минут с противоположной стороны солнечного диска появляются «четки
Бейли» и «брильянтовое кольцо» – полное затмение закончилось и корона померкла в
лучах Солнца.
4
ИИСС «Планетарий»
Рис. 5. «Четки Бейли» (справа) и «бриллиантовое кольцо» (слева) во время солнечного
затмения
На Луне в то время, когда у нас затмение Солнца, идет затмение Земли (рис.6 -).
Эти затмения схожи по сценарию с лунными на Земле, с той лишь существенной
разницей, что даже лунная полутень не может укрыть весь диск Земли. Луна невелика.
Поэтому наибольшая возможная длительность полной фазы солнечного затмения
составляет всего семь с половиной минут. И это еще не виданный идеальный случай.
Частное затмение длится около 2-х часов.
Рис 6. Солнечное затмение на Луне.
Если в момент солнечного затмения Луна проходит перигей (ближайшую к Земле
точку орбиты), то она полностью затмевает Солнце. Но, в апогее (наиболее удаленной
точке орбиты) угловой размер ее диска меньше солнечного, поэтому происходит
кольцевое затмение. Средняя длина лунной тени 373 тыс. км, тогда как среднее
расстояние от Земли до Луны 385 тыс. км. Поэтому в большинстве затмений лунная тень
не дотягивается до земной поверхности (рис. 7).
5
ИИСС «Планетарий»
Рис. 7. Образование кольцеобразного солнечного затмения.
При таком положении Луна не полностью закрывает солнечный диск, а оставляет
видимым тонкий ободок (рис. 8)
Рис 8. Кольцеобразное солнечное затмение
При таком кольцевом затмении яркий ободок Солнца не позволяет увидеть ни
корону, ни звезды вблизи Солнца. Поэтому кольцевые затмения не представляют
большого научного интереса.
При частных же затмениях Солнца общий поток его света ослаблен незначительно,
т. ч. многие люди даже не замечают этого явления, если заранее не были предупреждены.
Не закрытая Луной часть солнечного диска сияет в виде «месяца»; это легко увидеть, если
посмотреть на Солнце через плотный светофильтр, например кусок засвеченной
фотопленки.
Пронаблюдать ход и фазу солнечных затмений в зависимости от географической
широты можно на примере затмения 11 августа 1999 года с помощью модели «Солнечные
затмения».
Интерактивная модель «Солнечные затмения»
1.2. Условия наступления солнечного затмения
Если бы орбиты Земли и Луны лежали в одной плоскости, то солнечное затмение
происходило бы при каждом новолунии, но в действительности лунная орбита наклонена
по отношению к земной орбите, а, значит, к эклиптике, по углом примерно равным 5,
поэтому в большинстве случаев новая Луна проходит невидимой под Солнцем или над
ним. Чтобы произошло затмение, новая Луна должна находится очень близко к узлу,
точке, где её орбита пересекает плоскость эклиптики.
6
ИИСС «Планетарий»
Насколько близко к узлу лунной орбиты должна находится Луна в момент
новолуния? Чтобы произошло частное затмение необходимо видимое касание солнечного
и лунного дисков, диаметры которых близки к 0,50, и следовательно угловое расстояние
между центрами диском должно быть 0,50. Учитывая параллактическое смещение Луны,
расчеты показывают, частные солнечные затмения могут произойти при новолуниях,
наступающих не далее 18˚ от лунных узлов, а при расстояниях менее 16˚солнечные
затмения происходят обязательно (рис. 9).
Рис.9. Новолуние. Если в это время угловое расстояние Солнца до узла лунной орбиты
меньше 16,50, земной наблюдатель увидит, как диск Луны проскользнет по диску Солнца
Представим себе на небе эклиптику, пересекающийся с нею в лунных узлах лунный путь
(рис.10). Отметим положения Солнца и Луны в различные новолуния.
Рис. 10. Эклиптика и лунный путь, на котором указаны положения Луны в новолуния
При новолуниях, происходящих вдали от лунных узлов (1, 5, 6, 7, 8, 12)
солнечные затмения невозможны – Луна проходит на небе ниже (южнее) или выше
(севернее) Солнца. И только при новолуниях вблизи лунных узлов наступают частные
(2, 4, 9, 11) и полные или кольцеобразные солнечные затмения. (3, 10)
Дуга эклиптики, в пределах которой происходят солнечные затмения, имеет
протяженность в 32˚–36˚ и называется зоной солнечных затмений. Солнце,
ежесуточно смещаясь по эклиптике на 1˚, проходит эту зону за 32–36 суток. За этот
период обязательно наступает хотя бы одно новолуние, а иногда два (вблизи краев
зоны), так как они чередуются через синодический месяц 29,53 суток.
Зоны солнечных затмений диаметрально противоположны, и Солнце, выйдя из
одного лунного узла, должно подойти к другому ровно через полгода, 183 дня. Но из-за
отступления лунных узлов сами зоны затмений смещаются за полгода навстречу Солнцу
на 10˚, а Луна движется в прямом направлении, и поэтому солнечные затмения
происходят на 5 дней раньше, т. е. через 178 суток. Таким образом, ежегодно происходят
обязательно 2 солнечных затмения любого вида, а в очень редкие годы – до пяти
солнечных затмений с малыми фазами.
1.3. Условия наблюдения лунных затмений
7
ИИСС «Планетарий»
В отличие от солнечных лунные затмения представляют собой физическое
явление прохождения Луны сквозь земную тень (рис. 11).
Рис. 11. Схема наблюдения лунного затмения
Тень Земли как бы делится на две области: внутренний темный конус (область
тени) и более широкий и менее темный конус (область полутени). Затмение Луны,
возникающее при прохождении ею области полутени (1), менее интересно, поскольку при
этом Луна лишь слегка тускнеет, едва заметно меняя яркость. Частное лунное затмение,
когда часть Луны проходит область тени (2, 4). Наибольший интерес представляет полное
лунное затмение; оно наступает, когда Луна полностью погружается в тень Земли. Полное
лунное затмение достигает максимальной продолжительности (1 ч 42 мин), когда Луна
пересекает тень Земли по её центру (рис.12).
Рис.12 Прохождение Луны через земную тень
Вследствие рефракции земная атмосфера действует как фокусирующая линза,
преломляя солнечные лучи и частично направляя их в область тени; поэтому во время
затмения Луна обычно бывает видна. Так как синий цвет сильнее рассеивается и
поглощается атмосферой, чем красный, то в область земной тени в основном проникают
красные лучи и поэтому луна во время затмений окрашена в темно-красный цвет (рис 13 –
рисунок 01030501 из «Открытой астрономии 2.6).
8
ИИСС «Планетарий»
Рис. 13 Красный цвет Луны во время лунного затмения.
Но иногда Луна становится очень темной или совсем исчезает. Степень яркости и
окраска Луны во время затмения определяются свойствами верхних слоев земной
атмосферы, которые в свою очередь зависят от многих факторов.
Коль скоро Луна реально погружается в земную тень, лунные затмения видны со
всего ночного полушария Земли, где Луна находится над горизонтом, значит наблюдать
их удобнее, чем солнечные.
Наблюдение лунного затмения на модели 1.11 «Лунные затмения» из «Открытой
астрономии 2.6»
1.4. Условия наступления лунного затмения
Чтобы произошло лунное затмение, Луна должна противостоять Солнцу, т. е. быть
в фазе полнолуния. Но, Луна отходит от эклиптики на угловое расстояние до 5˚09,
поэтому далеко не при всех полнолуниях, наступающих в разных точках лунного пути,
Луна попадает в земную тень, а проходит либо ниже (южнее), либо выше (севернее) тени
(положения 1, 5, 6, 7, 8, 12 на рис. 14).
Рис. 13. Схема наступления лунных затмений.
9
ИИСС «Планетарий»
Если полнолуния наступают вблизи лунных узлов, то Луна частично (2, 4, 9, 11)
или полностью (полнолуния 3, 10) погружается в земную тень.
Участок эклиптики, на котором происходят лунные затмения, называется зоной
лунных затмений. Ее границы определяются внешним касанием Луны с земной тенью.
Границы зоны частных затмений отстоят от лунного узла на 11. Полные лунные затмения
могут происходить не далее чем в 4,5–5,5 от лунного узла.
Пояснение к рис 15: Когда полная Луна находится около эклиптики, может
произойти лунное затмение. Эта космическая расстановка проиллюстрирована на
показанной здесь картинке, в которую включены изображения затмения, полученные в
прошлую субботу около Парижа во Франции. Проекция плоскости эклиптики плоскости, в которой Земля обращается вокруг Солнца - показана длинной синей
линией, пересекающей картинку по диагонали. Вдоль орбиты Луны, наклоненной к
плоскости эклиптики под небольшим углом, расположены изображения самого
затмения, показывающие движение Луны (направленное к нижнему левому углу) сквозь
тень Земли. Маленький синий кружок, центр которого находится на эклиптике,
показывает размер темной области тени, или умбры. Выше белыми линиями
соединены основные звезды созвездия Льва, а на правом краю находится еще один
небесный странник, который не удаляется от эклиптики - Сатурн.
Часто ли происходят лунные затмения? Как мы видели, лунные затмения
происходят только в зоне протяженностью 22˚, причем в это время Луна перемещается
вблизи одного узла, а Солнце – вблизи диаметрально противоположного. Смещаясь по
эклиптике ежесуточно на 1˚, Солнце проходит зону затмений за 22–23 дня. За это время
может произойти только одно полнолуние, а может быть и не одного, т. к. оно
повторяется через синодический месяц равный 29,53 суток. Обе зоны лунных затмений
Луна проходит ежемесячно, Солнце же поочередно вступает в каждую зону примерно
через 177–178 суток. Поэтому лунные затмения могут повторяться через 177–178 суток.
Таким образом, на протяжении года происходит одно–два лунных затмения, в некоторые
годы их может и не быть, а иногда наступает три затмения (за счет смещения узлов), если
первое произошло в самом начале года.
1.5. Периодичность затмений
На протяжении одного календарного года происходит от 2 до 5 солнечных и от 0
до 3 лунных затмений и, казалось бы, наибольшее число затмений в году равно 8. Однако,
10
ИИСС «Планетарий»
здесь, образно говоря, «арифметика нарушается». Вспомним, что пятое солнечное
затмение и третье лунное затмение в году происходит из-за смещения лунных узлов
навстречу Солнцу и Луне, и поэтому лишь одно из них может произойти в конце текущего
года, а второе придется уже на начало следующего (ведь, от новолуния до полнолуния
проходит примерно 2 недели!). Таким образом, наибольшее число затмений не превышает
семи в одном календарном году. Однако, обычно на протяжении года происходит 2–3
солнечных и 1–2 лунных затмения, т. е. первые бывают почти в полтора раза чаще вторых.
Тем не менее, лунные затмения наблюдаются чаще потому, что они видны со всего
ночного полушария Земли, в то время как солнечные только из области лунной тени или
полутени.
Лунные и солнечные затмения неизбежно повторяются, т.к. их наступление
зависит от трех периодов. Во-первых, новолуния и полнолуния повторяются через
синодический месяц S = 29, 53 сут. Во-вторых, из-за отступления лунных узлов на 19˚ в
год Солнце, выйдя из одного лунного узла, снова к нему возвращается через период Т =
346,62 сут, называемый драконическим годом. Наконец, по той же самой причине Луна
возвращается к тому же узлу через драконический месяц S = 27,21 день. Можно
подсчитать, что
223 S = 223 ·29,53 сут. = 6585,32 сут.
242 S = 242 · 27,21 сут. = 6585,35сут
19 Т = 19 · 346,62 сут. = 6585,78 сут.
Следовательно, каждое затмение повторяется через период 6585 суток = 18 лет 11 дней,
называемый саросом, на протяжении которого происходит 70 затмений, в том числе 42
солнечных и 28 лунных. Однако по истечении сароса каждое затмение повторяется в
несколько иных условиях, так как он не содержит целого числа суток. За избыток около
1/3 суток (сверх 6585 дней) Земля повернется вокруг своей оси примерно на 120˚, поэтому
лунная тень побежит по земной поверхности примерно на 120˚ западнее, чем 18 лет назад,
да и Солнце с Луной будут на несколько иных расстояниях от лунного узла. Этим и
объясняется, что последовательность затмений очень медленно, но все же постепенно
нарушается.
1.6. Значение наблюдения затмений.
С середины 19 в. солнечные затмения начали активно использовать для изучения
физики Солнца. К 1900 астрономы обнаружили, что форма короны и интенсивность ее
спектра изменяются в течение 11-летнего цикла солнечных пятен. В те годы это можно
было узнать, только наблюдая затмения; позже был создан телескоп-коронограф,
искусственно затмевающий Солнце и позволяющий наблюдать внутреннюю часть короны
в любой день. Но и сейчас мы можем изучать слабые корональные лучи, исследовать
тонкие детали в спектре короны и проверять «эффект Эйнштейна» только во время
затмений. С 1950 на затмениях стали использовать радиотелескопы, и во время
экспедиции на Алеутские о-ва удалось на различных радиочастотах измерить при
затмении эффективный диаметр Солнца, несмотря на облака и дождь.
Затмение 8 июля 1842, наблюдавшееся в Европе и Центральной Азии, было очень
плодотворным для изучения Солнца. Тогда впервые были детально описаны
протуберанцы. Во время затмения 28 июля 1851 были сделаны дагеротипы
протуберанцев и открыта хромосфера Солнца. Во время затмения 18 августа 1868 П.
Жансен (1824–1908) обнаружил, что спектры протуберанцев содержат яркие линии, и
сразу понял, что протуберанцы можно наблюдать вне затмений с помощью
спектроскопа. Одна желтая линия в этих спектрах никогда не наблюдалась в
лабораториях. Элемент, которому она принадлежит, открыли только в 1895 и назвали
гелием.
Фраунгоферов спектр короны также впервые наблюдали во время затмения 1868.
Он образуется при рассеянии солнечного света на мелких частицах межпланетной пыли.
11
ИИСС «Планетарий»
При затмении в следующем году американский астроном Ч. Юнг (1834–1908)
обнаружил в спектре излучения короны неизвестную зеленую линию, которую
приписали гипотетическому элементу «коронию». Только в 1942 шведский астрофизик
Б.Эдлен показал, что эту линию излучают атомы железа, под действием высокой
температуры потерявшие 13 из своих 26 электронов.
Во время затмения 22 декабря 1870 Юнг открыл солнечный «обращающий слой».
В обычном спектре Солнца множество темных линий поглощения. Но непосредственно
перед началом полного затмения, когда виден лишь узенький яркий ободок, темные
линии вдруг становятся яркими. Это наблюдается всего несколько секунд и потому
называется «спектром вспышки». Впервые он был сфотографирован на затмении в
Бразилии 16 апреля 1893.
Задания учащимся для самостоятельной работы
1. Назовите основные причины лунных и солнечных затмений.
1) Вращение Земли вокруг своей оси.
2) Движение Земли вокруг Солнца.
3) Движение Луны вокруг Земли.
4) Наличие спутника Земли - Луны
5) Практическое равенство видимых с Земли размеров дисков Солнца и Луны
6) Прецессия земной оси
2. Наступление солнечных затмений на других планетах
1) невозможно;
2) зависит от размеров спутников, расстояния от спутника до планеты
3) происходит также как и на Земле, но с другой частотой.
3. В какой фазе должна находиться Луна, чтобы
произошло лунное затмение?
1. новолуние
2. первая четверть
3. полнолуние
4. третья четверть
4. В какой фазе должна находиться Луна, чтобы
произошло солнечное затмение?
1. 1
2. 2
3. 3
4. 3
5. Полное солнечное затмение в принципе можно наблюдать...
1. со всего дневного полушария
2. в небольшой области Земли, на которую падает пятно лунной тени.
3. в узкой полосе около экватора.
4. в полосе шириной около 200 км, положение которой на земной поверхности
изменяется.
6. Слева на рисунке 2 дана схема солнечного затмения.
Какую картину увидит наблюдатель, находящийся в т. А
(рис.3)
?
12
ИИСС «Планетарий»
7. Во время лунного затмения наблюдатель видит картину,
изображенную на рисунке 4 справа. Укажите на чертеже (см.
рис 5 ниже) положение Луны соответствующее данной картине.
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
8. Приведите в соответствие положение наблюдателя картине затмения (рис.6).
Рис. 6 К вопросу № 8
Ответ.
9. На рисунке показаны положения Солнца и
Луны во время полнолуния. При каком
положении
может
наблюдаться
полное
солнечное затмение?
1. 1
13
ИИСС «Планетарий»
2.
3.
4.
2
3
4
10. На рисунке 8 показаны положения Солнца и
Луны во время новолуния. Если светила
находятся в положении 4, то
А) может произойти полное солнечное
затмение.
Б) произойдет частное солнечное затмение.
В) может произойти частное лунное затмение.
Г) ничего не произойдет.
11. Сегодня наблюдалось полное солнечное затмение. Через неделю ....
1. произойдет лунное затмение.
2. Луна будет в первой четверти.
3. будет полная Луна
4. Луна будет в последней четверти.
12. Лунные и солнечные затмения происходят:
1) крайне редко;
2) раз в году точно;
3) ежегодно и может не по одному разу.
13. Лунное затмение в принципе можно наблюдать...
1. каждый месяц
2. каждые полгода
3. каждый год
4. от 0 до 3-х раз в год
14. Сегодня наблюдалось полное солнечное затмение. Через две недели ....
1. произойдет лунное затмение
2. Луна будет в первой четверти.
3. будет полная Луна
4. Луна будет в последней четверти.
15. Земной наблюдатель видит полное лунное затмение. В это же время для наблюдателя
на Луне наступило...
1. полное затмение Земли
2. полное затмение Солнца.
3. Земля видна в полной фазе
4. ничего необычного.
16. Земной наблюдатель видит полное солнечное затмение. В это же время для
наблюдателя на Луне-…
1) полное затмение Земли
2) полное затмение Солнца
3) Земля видна в полной фазе
4) ничего не видно.
17. Назовите явления, изображенные на фотографиях ниже
1. Полное солнечное затмение
2. Кольцеобразное солнечное затмение
3. Частное солнечное затмение
14
ИИСС «Планетарий»
4. Частное лунное затмение
5. «Бриллиантовое кольцо»
Рис. 9. К вопросу №17
15