Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Шрифт:
2. Дневное и ночное небо
Самое непостижимое во Вселенной — это то, что она вообще постижима.
Альберт Эйнштейн. Мир, каким я его вижу
Если бы мы сумели беспечно воспарить над Землей и улететь в межпланетное пространство, то увидели бы одну и ту же космическую картину: с небесной сферы на нас, и сверху, и снизу, изливался бы, подобно покрову, блистающий звездный свет. Но, к сожалению, в ближайшее время это вряд ли случится, и поэтому нам приходится считаться с тем, что все мы живем на сферической планете, которая каждые 23,93 часа совершает полный оборот вокруг своей оси, а каждые 365,26 суток — вокруг Солнца.
Взгляд с Земли
Поскольку
Рис. 2.1. Вид с поверхности Земли, как показано на этой схеме, зависит от высоты, на которой находится наблюдатель (h), и от радиуса Земли (R). Чем больше высота, тем дальше линия горизонта (d).
Даже с Международной космической станции невозможно увидеть всю половину Земли одновременно. Астронавты МКС, пребывая на орбите над нами на средней высоте в 340 км, видят изогнутый горизонт, отдаленный от них на 2110 км. Это примерно треть земного радиуса и двадцатая часть окружности земного шара. Чтобы кривизна стала гораздо более выраженной, потребуется переместиться намного дальше; скажем, при взгляде с Луны облик Земли кажется нам почти идеальной полусферой. Вот почему снимки нашей планеты, сделанные экипажем «Аполлона», вызвали в обществе преобразующий эффект такой огромной силы, — ведь впервые в истории человечества Землю можно было увидеть во всей полноте, и она предстала перед нами, словно драгоценная голубая сфера, окутанная непроглядным космическим мраком.
Важность географической широты
Кривизна земной поверхности не только ограничивает наш обзор — из-за нее различаются даже предстающие перед нами картины дневного и ночного неба. В зависимости от того, к северу или к югу от экватора окажется наша географическая широта, мы увидим разные небесные половины. Вот почему на севере можно и невооруженным глазом, и в бинокль любоваться Плеядами и Гиадами в созвездии Тельца, Двойным скоплением в созвездии Персея и туманностью Андромеды в одноименном созвездии, — но не получится восхититься столь же прекрасными видами Южного Креста, туманности Киля и Магеллановых Облаков. Те храбрецы, которые отважатся отправиться на Северный полюс, увидят прямо у себя над головой созвездие Малой Медведицы и Полярную звезду. Все остальные звезды — до небесного экватора — будут каждые 23,93 часа обращаться вокруг Полярной звезды против часовой стрелки (рис. 2.2), а светила с южной небесной широтой неизменно останутся невидимыми.
Рис. 2.2.Сверху вниз. Ночной вид звездных следов на Северном полюсе при взгляде в зенит, в сравнении со снимком с экватора (вид на север) и аналогичным видом с экватора, если смотреть на запад или на восток. На Северном полюсе все звезды, расположенные к северу от небесного экватора, видны непрерывно — они никогда не восходят и не заходят. На экваторе полюсы мира видны на горизонте и нет постоянно видимых околополюсных звезд; вместо этого наблюдатель видит, что все звезды восходят над горизонтом и заходят за него. (На основе материалов из нескольких источников.)
В северной зоне умеренных широт Полярная звезда все еще видна строго на севере, но уже не в зените. Измерив ее высоту над горизонтом, легко определить широту, на которой вы находитесь, — кстати, вспомните об этом, если вдруг когда-нибудь заблудитесь без GPS. В зависимости от широты вы увидите, что некоторые созвездия и их звезды всегда остаются околополярными и не заходят за горизонт, а вот другие звездные группы, с более низкой небесной широтой, как раз будут за ним скрываться. Особенно ярко это проявляется у созвездий, расположенных вдоль небесного экватора; прекрасный пример — Орион. С ноября по март его можно увидеть ночью: он восходит над горизонтом на востоке, поднимается на южное небо (в Северном полушарии) и опускается за горизонт точно на западе.
А на экваторе видно, как почти все звезды поднимаются над восточным горизонтом, описывают дугу по небу по параллельным траекториям и уходят за западный горизонт. Здесь Полярная звезда, расположенная у самой границы северного горизонта, была бы едва заметна, а Орион в своей наивысшей точке находился бы прямо у нас над головой. В Южном полушарии все почти так же, только наоборот: скажем, в Антарктике видна вся южная половина неба, а северная скрыта. И хотя сейчас нет «полярной» звезды, обозначающей Южный полюс мира, мы могли бы увидеть,
что все небесные звезды движутся вокруг него по часовой стрелке. В южной зоне умеренных широт этот «звездный пояс» сместился бы из зенита к южному горизонту, а Орион в своей наивысшей точке выглядел бы «перевернутым» к северу.
ОТКУДА НАМ ИЗВЕСТНО О ВРАЩЕНИИ ЗЕМЛИ?
Вид Солнца, Луны, планет и звезд, день ото дня идущих по небу с востока на запад, привычен многим из нас. Если спросить, почему это происходит, то хотя бы кто-то вспомнит о вращении Земли вокруг ее оси. Но если мы спросим, откуда известно, что вращается именно Земля, а не Солнце, Луна, планеты и звезды, то, возможно, собеседникам будет непросто найти аргументированный ответ. И это неудивительно, ведь доказать вращение Земли не так-то просто. Более того, до Галилея большинство ученых противились самой мысли о подобном, полагая, что если бы Земля вращалась, то все, не закрепленное на ней, улетело бы прочь. Вот несколько неоспоримых доказательств, подтверждающих гипотезу о вращении Земли, и один популярный отвлекающий маневр:
• Вид Земли с Луны. Астронавты, впервые высадившись на Луну 20 июля 1969 года, вскоре сделали снимки Земли, ясно подтвердившие ее вращение, совершаемое час за часом. На протяжении веков мы не располагали подобными изображениями, снятыми с другой планеты.
• Маятник Фуко. В 1851 году французский физик Жан Бернар Леон Фуко изобрел маятник, впоследствии названный по имени создателя. Он представляет собой груз, подвешенный на тонкой и очень длинной нити. Запущенный маятник совершает колебания и дает нам инерциальную систему отсчета, независимую от движущейся Земли. (По такому же принципу работают и гироскопы.) Земля под маятником вращается, и можно наблюдать за тем, как груз, висящий на нити, мерно колеблется относительно связанных с Землей ориентиров, которые медленно поворачиваются в течение дня. Поскольку маятник — если не прилагать к нему внешних сил — не может изменить направления своих колебаний, получается, что на него влияет вращение Земли.
• Закономерности атмосферной циркуляции. Земля оборачивается вокруг своей оси как твердое тело, поэтому линейная скорость, с которой вращается ее поверхность, максимальна у экватора — там ее величина почти вдвое выше, чем у реактивного самолета, а в северных и южных широтах, превышающих 60°, самолет уже оказывается быстрей. Любые воздушные течения, идущие от экватора к полюсам, сперва обладают той же высокой скоростью, с какой вращается на экваторе наша планета. На пути к более высоким широтам они проходят над территорией, которая движется медленнее, и начинают обгонять земную поверхность в ее вращении с запада на восток. Их движение, как отмечают наблюдатели, сравнимо с потоком, который, отклоняясь на восток, идет над Землей. Воздушные массы, направленные от полюсов к экватору, по той же причине отклоняются на запад. Эти два потока создают атмосферную систему, которая циркулирует по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Кроме того, здесь проявляется эффект Кориолиса, легко объясняющий круговращение воздуха в атмосферных системах высокого давления. Когда воздушный поток устремляется из областей с высоким давлением в области с низким, его суммарное отклонение, вызванное вращением Земли, закручивает его против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. С этими циркулирующими зонами низкого атмосферного давления связаны наиболее активные и бурные штормовые системы.