3 января 2024 года в 2 часа 38 минут по киевскому времени наша планета пройдет перигелий — ближайшую к Солнцу точку своей орбиты. Расстояние между центрами двух тел составит 147 100 632 км. В прошлом году это произошло 4 января, в позапрошлом — 2 января, а в следующем году это событие снова придется на 4 января. Попробуем разобраться с главными вопросами, связанными с ним.
Почему мы вообще приближаемся к Солнцу и удаляемся от него?
Как установил еще гениальный Иоганн Кеплер, все планеты движутся по эллиптическим орбитам. Эллипс — это один из типов так называемых конических сечений, образующихся при пересечении конуса плоскостью под разными углами. Если эта плоскость перпендикулярна оси конуса, мы получим круг (замкнутую кривую с нулевым эксцентриситетом), если параллельна — разомкнутую параболу с эксцентриситетом, равным единице. Оба эти случая реализуются крайне редко, поскольку в природе почти не бывает ничего «точно равного» целому числу. Орбиты больших планет представляют собой эллипсы, очень близкие к кругу. Самый маленький эксцентриситет имеет Венера (0,0068), самый большой — ее «сосед» Меркурий (0,2056).
Не стоит забывать, что большие планеты своей гравитацией влияют друг на друга, а также на другие тела Солнечной системы. Поэтому их орбитальные элементы постоянно меняются. Это касается и эксцентриситета: теоретически возможно, что в определенный момент у какой-то из планет (включая Землю) он станет равным нулю, но такая ситуация не продлится долго — гравитационные возмущения снова сделают орбиту этой планеты отличной от «идеального круга».
Почему Земля проходит перигелий в различные даты?
Дело в том, что все тела Солнечной системы обращаются не вокруг Солнца, а вокруг общего центра масс, точное положение которого определяется их взаимным расположением. Больше всего на него влияет движение Юпитера — самой тяжелой планеты. В зависимости от того, как прямая «Солнце-Юпитер» ориентирована по отношению к Земле в момент прохождения перигелия, ближе всего к центральному светилу наша планета окажется немного раньше или позже условной средней даты. По той же причине расстояние Земли до солнечного центра в этот момент меняется из года в год в диапазоне примерно от 146 млн 320 тыс. км до 147 млн 875 тыс. км.
Почему, хоть в январе Земля и ближе к Солнцу, на улице все равно зима?
Эксцентриситет земной орбиты составляет 0,0167, то есть разница между наименьшим и наибольшим расстоянием от Земли до Солнца составляет всего 3,3%. Поток энергии от нашего светила обратно пропорционален квадрату расстояния до него, то есть в течение года он меняется менее чем на 7%. Это вполне ощутимая величина, но для отдельно взятого региона значительно более важно в этом смысле изменение освещенности, вызванное колебаниями продолжительности светового дня и угла падения солнечных лучей на земную поверхность в полдень (она связана с наклоном плоскости земного экватора к эклиптике). На широте Киева в день зимнего солнцестояния наше светило находится над горизонтом всего 8 часов, а в день летнего солнцестояния — 16 часов, то есть вдвое дольше. Только этот фактор дает удвоение потока энергии, что существенно больше упомянутых 7%. Однако для Марса, обладающего орбитальным эксцентриситетом 0,092, его положение на орбите тоже играет существенную роль в сезонных изменениях. Это приходится учитывать организаторам марсианских миссий.
Как определить момент перигелия?
Хотя ученые и научились определять момент прохождения Землей перигелия с точностью до минут, это не было легкой задачей. Действительно, напрямую измерить расстояние до Солнца мы не можем. Оценить его, измеряя диаметр солнечного диска, тоже не удастся: во-первых, вблизи перигелия и афелия, когда его значения достигают соответственно максимума и минимума, оно меняется очень медленно; во-вторых, наше светило представляет собой огромный раскаленный газовый шар, размеры которого не являются постоянными и зависят от многих факторов (например, от фазы солнечной активности). Наконец, мы до сих пор не имеем угломерных инструментов, которые обеспечили бы нужную точность.
Помогли астрономам законы Кеплера, согласно которым орбитальная скорость планеты в перигелии должна быть наибольшей, а в афелии — наименьшей. Измерить этот параметр можно, наблюдая спектры звезд, в данный момент расположенных на небесной сфере в том направлении, куда (или откуда) «летит» Земля. Благодаря эффекту Допплера линии в этих спектрах отклоняются от среднего положения: в «синюю» сторону — у звезд, к которым мы «приближаемся», и в «красную» — у тех, от которых удаляемся. Нетрудно понять, что вблизи перигелия такие отклонения будут максимальными. А дальше остается ввести поправки на скорость наблюдателя, связанную с вращением Земли вокруг оси, и на расстояние Солнца от общего центра масс. Лучше всего этот метод «работает» в радиодиапазоне.
Но существует и еще один интересный способ, которым ученые пользовались до изобретения высокоточной спектроскопии. Дело в том, что продолжительность истинных солнечных суток — промежутка времени между двумя последовательными верхними кульминациями Солнца — тоже меняется в течение года именно потому, что наше светило движется по эклиптике с неодинаковой скоростью. В афелии оно за день проходит по небу меньшее расстояние (поскольку Земля в это время двигается вокруг Солнца медленнее), и нашей планете нужно немного меньше времени, чтобы «вернуться» в то же положение относительно светила, что и в предыдущий день. Наоборот, в перигелии это время достигает максимума. Таким образом, день, когда истинные сутки длятся дольше всего, и будет днем наименьшего гелиоцентрического расстояния.
Всегда ли земной перигелий будет в январе?
Смена сезонов на нашей планете связана с положением в пространстве земной оси, а оно тоже не является постоянным. Благодаря явлению, известному как прецессия, точки весеннего и осеннего равноденствия (а также точки солнцестояний) медленно «ползут» по эклиптике навстречу движению Солнца, и те созвездия, которые мы сейчас считаем «зимними», то есть кульминирующими около полуночи в зимние месяцы, когда-то были «осенними», а через несколько тысяч лет станут «весенними». Положение перигелия Земли тоже меняется, но гораздо медленнее, поэтому с течением времени она будет проходить его все позже, пока его дата не переместится на февраль, март и так далее. Кстати, этот же процесс имеет еще одно примечательное следствие: Полярная звезда не всегда будет «полярной». Но это уже немного другая история…
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
