“Прохождение Венеры по диску Солнца” На тему: Ученицы 10-А класса
advertisement
На тему: “Прохождение Венеры по диску Солнца” Ученицы 10-А класса ДОШ І-ІІІ ступеней № 20 Бельковой Анны Учитель: Скляр Л.А. Венера — внутренняя планета, вторая по удалённости от Солнца планета Солнечной системы и на земном небе не удаляется от Солнца дальше 48°. Венера — третий по яркости объект на небе; её блеск уступает только блеску Солнца и Луны. Она относится к числу планет, известных человечеству с древнейших времён. Среднее расстояние Венеры от Солнца 108 млн км (0,723 а. е.). Её орбита очень близка к круговой — эксцентриситет составляет всего 0,0068. Период обращения вокруг Солнца равен 224,7 суток; средняя орбитальная скорость — 35 км/с. Наклон орбиты к плоскости эклиптики равен 3,4°. Венера вращается вокруг своей оси, наклонённой к плоскости орбиты на 2°, с востока на запад, т. е. в направлении, противоположном направлению вращения большинства планет. Один оборот вокруг оси занимает 243,02 суток. Комбинация этих движений даёт величину солнечных суток на планете 116,8 земных суток. Интересно, что один оборот вокруг своей оси по отношению к Земле Венера совершает за 146 суток, а синодический период составляет 584 суток, т. е. ровно вчетверо дольше. В результате, в каждом нижнем соединении Венера обращена к Земле одной и той же стороной. Пока неизвестно, является ли это совпадением, или же здесь действует гравитационное притяжение Земли и Венеры. По размерам Венера довольно близка к Земле. Радиус планеты равен 6051,8 км (95 % земного), масса — 4,87×1024кг (81,5 % земной), средняя плотность — 5,24 г/см³. Ускорение свободного падения равно 8,87 м/с², вторая космическая скорость — 10,4 км/с. Венеру легко распознать, так как по блеску она намного превосходит самые яркие из звёзд. Отличительным признаком планеты является её ровный белый цвет. Венера, так же, как и Меркурий, не отходит на небе на большое расстояние от Солнца. В моменты элонгаций Венера может удалиться от нашей звезды максимум на 48°. Как и у Меркурия, у Венеры есть периоды утренней и вечерней видимости: в древности считали, что утренняя и вечерняя Венеры — разные звёзды. Венера — третий по яркости объект на нашем небе. В периоды видимости её блеск в максимуме около m = −4,4. В телескоп, даже небольшой, можно без труда увидеть и пронаблюдать изменение видимой фазы диска планеты. Их впервые наблюдал в 1610 году Галилей. Атмосферу на Венере открыл М. В. Ломоносов 6 июня 1761 г. (по новому стилю). Прохождение Венеры по диску Солнца — разновидность астрономического прохождения — имеет место тогда, когда планета Венера находится точно между Солнцем и Землёй, закрывая собой крошечную часть солнечного диска. При этом планета выглядит с Земли как маленькое чёрное пятнышко, перемещающееся по Солнцу. Прохождения схожи с солнечными затмениями, когда наша звезда закрывается Луной, но хотя диаметр Венеры почти в 4 раза больше, чем у Луны, во время прохождения она выглядит примерно в 30 раз меньше Солнца, так как находится значительно дальше от Земли, чем Луна. До наступления эпохи покорения космоса наблюдения этого явления позволили астрономам вычислить расстояние от Земли до Солнца методом параллакса. Это явление можно безопасно наблюдать, принимая те же меры предосторожности, что и при частичном солнечном затмении. Наблюдение яркого солнечного диска без защиты глаз может серьёзно или даже полностью повредить сетчатку глаза. Последовательность прохождений повторяется каждые 243 года, по два (через 8 лет) с промежутками 121,5 и 105,5 лет. Это объясняется тем, что 243 сидерических орбитальных периодов Земли (каждый — по 365,25636 дня, что чуть больше тропического года) составляют 88 757,3 дня, и 395 сидерических орбитальных периодов Венеры (224,701 дня) составляют 88 756,9 дня. Таким образом, через этот промежуток времени и Венера, и Земля возвращаются почти на ту же точку в своих орбитах. Этот период соответствует 152 синодическим периодам Венеры. Если воображаемый наблюдатель находится в центре Земли и над головой у него — Северный полюс мира (т.н. геоцентрическое положение), то во время прохождения Венера будет двигаться по диску Солнца слева направо (поскольку в нижнем соединении она движется попятно) и сверху вниз в случае нисходящего узла (июньские прохождения, например, в 2004 и 2012 гг.), либо слева направо и снизу вверх в случае восходящего узла (декабрьские прохождения, например, в 1874 и 1882 гг.). При реальном наблюдении с поверхности Земли направление движения Венеры при её прохождении по диску Солнца зависит от координат точки наблюдения. Особый интерес для науки представляли наблюдения «явления Венеры на Солнце», которые сделал М. В. Ломоносов 6 июня 1761 года. Это космическое явление было также заранее вычислено и с нетерпением ожидалось астрономами всего мира. Исследование его требовалось для определения параллакса, позволявшего уточнить расстояние от Земли до Солнца (по методу, разработанному английским астрономом Э. Галлеем), что требовало организации наблюдений из разных географических точек на поверхности земного шара — совместных усилий учёных многих стран. Аналогичные визуальные исследования производились в 40 пунктах при участии 112 человек. На территории России организатором их был М. В. Ломоносов, обратившийся 27 марта в Сенат с донесением, обосновывавшим необходимость снаряжения с этой целью астрономических экспедиций в Сибирь, ходатайствовал о выделении денежных средств на это дорогостоящее мероприятие, он составил руководства для наблюдателей и т. д. Результатом его усилий стало направление экспедиции Н. И. Попова в Иркутск и С. Я. Румовского — в Селенгинск. Немалых усилий также стоила ему организация наблюдений в Санкт-Петербурге, в Академической обсерватории, при участии А. Д. Красильникова и Н. Г. Курганова. В их задачу входило наблюдение контактов Венеры и Солнца — зрительного касания краёв их дисков. М. В. Ломоносов, более всего интересовавшийся физической стороной явления, ведя самостоятельные наблюдения в своей домашней обсерватории, обнаружил световой ободок вокруг Венеры. Это прохождение наблюдалось во всём мире, но только М. В. Ломоносов обратил внимание на то, что при соприкосновении Венеры с диском Солнца вокруг планеты возникло «тонкое, как волос, сияние». Такой же светлый ореол наблюдался и при схождении Венеры с солнечного диска. М. В. Ломоносов дал правильное научное объяснение этому явлению, считая его результатом рефракции солнечных лучей в атмосфере Венеры. «Планета Венера, — писал он, — окружена знатной воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного». Так впервые в истории астрономии, ещё за сто лет до открытия спектрального анализа, было положено начало физическому изучению планет. В то время о планетах Солнечной системы почти ничего не было известно. Поэтому наличие атмосферы на Венере М. В. Ломоносов рассматривал как неоспоримое доказательство сходства планет и, в частности, сходства между Венерой и Землёй. Эффект увидели многие наблюдатели: Шапп д’Отерош, С. Я. Румовский, Л. В. Варгентин, Т. О. Бергман, но только М. В. Ломоносов правильно его истолковал. В астрономии этот феномен рассеяния света, отражение световых лучей при скользящем падении (у М. В. Ломоносова — «пупырь»), получил его имя — «явление Ломоносова». Если бы Венера совершала своё движение в плоскости эклиптики, то в течение каждого синодического оборота её, то есть каждые 584 дня, имело бы место одно прохождение планеты перед солнечным диском, так как в течение этого времени Венера один раз непременно занимает положение между землёй и солнцем. Однако, так как наклонность орбиты Венеры превышает 3°, а видимый диаметр солнца составляет только 0,5°, то часто случается, что эта планета во время своего нижнего соединения, когда она занимает положение между Землёй и Солнцем, проходит или слишком высоко над этим последним, или слишком низко под ним и потому не может проектироваться на солнечный диск. Прохождение Венеры возможно только тогда, когда геоцентрическая широта её не превосходит суммы видимых радиусов солнца и планеты, то есть когда эта широта не больше 16' 35", так как видимый радиус солнца в среднем составляет 16'2", а радиус Венеры во время нижнего соединения равняется 33". Поэтому для возможности прохождения Венера должна находиться в это время вблизи от одного из своих узлов, и при помощи небольшого вычисления можно показать, что расстояние планеты от узла по долготе не должно превышать 1°50'. Так как это случается в общем один раз в течение 100 лет, и так как, с другой стороны, в 8 земных годах заключается почти 13 оборотов Венеры около солнца, то есть через каждые 8 лет гелиоцентрическая долгота планеты во время соединения этой последней принимает приблизительно прежнее значение, то по истечении некоторого большого промежутка времени мы обыкновенно имеем возможность наблюдать два прохождения Венеры, отделённые одно от другого 8-летним промежутком. Чтобы возможно было прохождение Меркурия перед солнечным диском, расстояние этой планеты от узла не должно превышать 3°28', и так как это расстояние гораздо больше соответственного расстояния для Венеры, то вполне понятно, что прохождения Меркурия перед солнечным диском случаются гораздо чаще, чем прохождения Венеры. Ещё реже бывают прохождения одной планеты перед другой. Такой случай имел место 13 октября 1590 года, когда Марс был вполне покрыт Венерой. С начала XVII столетия прохождения Венеры бывают постоянно или в первой половине июня, или в первой половине декабря, и это будет так продолжаться до 3000 года нашего летоисчисления. При этом два следующих одно за другим прохождения случаются в июне, а после этого новые два в декабре и так далее. Если начать с такого прохождения, которое является первым из июньских, например, с прохождения, наблюдавшегося в 1761 году, то новые прохождения будут следовать одно за другим по порядку через 8, 105 1/2, 8, 121 1/2 лет, затем опять через 8, 105 1/2 и так далее. На основании этих соображений легко можно предсказывать будущие прохождения, если одно какое-нидудь прохождение было предвычислено или наблюдалось. Так, имея в виду, что последнее прохождение Венеры наблюдалось в декабре 1882 года, мы по предыдущему находим, что будущие прохождения произойдут в июне 2004 и 2012, в декабре 2117 и 2125, в июне 2247 и 2255 и так далее. Помимо того, что это очень редкое событие, настоящий научный интерес прохождений кроется в другом: при их наблюдении, используя метод параллакса, можно определить размеры Солнечной системы. Смысл состоит в том, чтобы измерить незначительные различия времени начала (или окончания) в двух достаточно удалённых точках планеты. Расстояние между точками в дальнейшем используется как длина базы для определения расстояний до Солнца и Венеры методом триангуляции. Предположим, что AB на рис. 119 представляет землю, V-Венеру и S-солнце. Если мы допустим, что земля не перемещается по своей орбите, но зато заставим мысленно Венеру совершать движение около солнца со скоростью, равною разности скоростей этих двух планет, то такое допущение, очевидно, не окажет никакого влияния на явление прохождения Венеры перед солнечным диском. Пусть же поэтому aVb представляет тот путь, который Венера проходит в таком относительном движении в промежутках времени, равным продолжительности всего явления. Для большей простоты выберем на поверхности земли положения A и B двух наблюдателей так, чтобы они находились на противоположных концах одного и того же диаметра AB, перпендикулярного к плоскости эклиптики, и, оставляя предварительно без рассмотрения также и суточное вращение земли, таким образом примем, что оба наблюдателя не меняют своего положения относительно солнца. В таком случае в некоторый определённый момент для одного наблюдателя A центр Венеры проектируется в точку s солнечного диска, а для другого B - в точку S. Если оба наблюдателя тем или другим способом с удовлетворительною точностью измерят расстояния точек s и S от центра солнца или от его края, то таким образом определится величина дуги sS. Так как линии sS и AB, будучи обе перпендикулярны к плоскости эклиптики, взаимно параллельны, то на основании простых геометрических соображений мы выводим следующую пропорцию: sS:AB=SV:VB. Здесь SV есть расстояние от солнца до Венеры, а VB - расстояние от Венеры до земли. Принимая расстояние BS от солнца до земли за единицу, мы по третьему закону Кеплера легко получаем, что SV приблизительно равно 0,72 и что следовательно VB=0,28. Таким образом получается: sS:AB=72:28. Эту пропорцию с достаточным приближением мы можем переписать в следующем виде: Ss:AB=5:2. Следовательно, эта дуга sS занимает на поверхности солнца протяжение, которое в 2 1/2 раза больше земного диаметра AB. Если мы обе дуги выразим в секундах дуги, то между ними должно существовать то же самое отношение. В таком случае, переходя от дуги к углам, мы можем сказать, что угол SAs также в 2 1/2 раза больше угла BSA. Но этот последний угол есть ни что иное, как удвоенный параллакс солнца Поэтому, если угол SAs, равный в угловых единицах дуги Ss, заключает в себе, например, 44", то удвоенный параллакс солнца должен быть равен 44 X 2/5 = 17,6", и, следовательно, сам параллакс солнца составляет 8,8". В 2012 году 6 июня по Москве время прохождения следующее: 02ч:08м - начало прохождения планеты Венера по диску Солнца (восход с планетой на диске) 05ч:34м - середина прохождения планеты Венера по диску Солнца (восход с планетой на диске) 08ч:57м - конец прохождения планеты Венера по диску Солнца (восход с планетой на диске) Это явление можно безопасно наблюдать, принимая те же меры предосторожности, что и при частичном солнечном затмении. Наблюдение яркого солнечного диска без защиты глаз может серьёзно или даже полностью повредить сетчатку глаза. Для того чтобы пронаблюдать это замечательное астрономическое явление, необходимо иметь бинокль или телескоп, а зоркие люди смогут увидеть Венеру и невооруженным глазом! Диаметр видимого диска Венеры на момент прохождения будет равен 60 угловых секунд, что на пределе разрешения человеческого глаза. Видимый радиус Солнца в это время будет равен 945,3 угловых секунд или 15,75 угловых минут. Телескоп или бинокль должен быть установлен на жесткую опору (штатив), которая позволит избежать дрожания изображения. Наблюдения, имеющие некоторую научную ценность, заключаются в фиксации моментов контактов краев диска Венеры с краем диска Солнца. Точность такой фиксации может составлять 0,1 секунды. Наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца необходимо проводить сквозь темное стекло, которое ослабляет солнечный свет! Иначе можно повредить зрение. Подойдет защитное стекло, которым пользуются электросварщики. Фильтр желательно устанавливать пред объективом, а не за окуляром оптического инструмента.
