V.6. Прецессия и нутация (движение оси вращения Земли)

Астрономы и астрологи древности считали, что ось Земли (ось ее вращения) неподвижна относительно звездной сферы. Но за 160 лет до н.э. Гиппарх из Никеи — величайший астроном древности — сравнил эклиптические координаты звезд, полученные им из собст­венных наблюдений, и данные александрийских астрономов Аристиппа и Тимохариса, полученные ими за 150 лет до него. Гиппарх обнаружил, что широты звезд не изменились, а долготы

увеличились на 2°. Им был сделан вывод, что сместилась система отсчета по долготе.

Точка весеннего равноденствия медленно двигалась навстречу годичному движению Солнца, т.е. против хода зодиакальных знаков. Это явление получило название прецессия (от латинского praecessio — предшествование), или лунно-солнечная прецессия (предварение равноденствий). Смещение составляет 50,371" за год. Полный круг точка весеннего равноденствия соверша­ет за 25729 лет. Нетрудно рассчитать, что точка весеннего равно­денствия сместится на 1° примерно за 72 года.

Основным ориентиром на небесной сфере для жителей северного полушария Земли является северный полюс мира. При кажущемся суточном вращении небесной сферы он остается неподвижным, но вследствие прецессии медленно перемещается среди звезд вокруг полюса эклиптики против часовой стрелки по окружности сфериче­ского радиуса 23°27'. В наше время он все ближе и ближе подходит к Полярной звезде (угловое расстояние между полюсами и Полярной звездой составляет 57') и на самое близкое расстояние (28') подойдет к ней в 2100 году. В дальнейшем он прошествует по созвездиям Цефей, Лебедь и Лира и примерно через 12 тысяч лет окажется вблизи самой яркой звезды северного полушария — Веги. Полный круг на звездной сфере полюс мира опишет через 25729 лет.

V.6.I. Физические причины прецессии

Земля окружена многими небесными телами, взаимодейству­ющими с ней и между собой по закону всемирного тяготения. Наибо­лее существенное влияние на Землю оказывают силы притяжения со стороны Солнца и Луны.

Земля — сложное сплюснутое тело, имеющее утолщение у эква­тора. Силы притяжения Луны и Солнца действуют на более близкую к ним часть экваториального утолщения сильнее, чем на более дале­кую, и создают две пары сил. Каждая из этих пар лежит в плоскости

того меридиана Земли, где в данный момент светило находится в кульминации.

При любом положении Солнца на эклиптике создаваемую им пару сил можно разложить на две пары, причем одна из них, лежащая в плоскости солнцестояний, всегда будет поворачивать Землю около прямой, направленной в точку весеннего равноденствия, против ча­совой стрелки.

Другая пара, лежащая в плоскости равноденствий, меняет свое направление вращения в зависимости от положения Солнца на эклиптике, смещая ось вращения Земли периодически то в сторону осеннего, то в сторону весеннего равноденствия. Очевидно, что величина пары сил, создаваемых Солнцем, зависит от положения Солнца на эклиптике.

Масса Луны примерно в 27 млн раз меньше массы Солнца, зато Луна в 374 раза ближе к Земле и влияет на нее сильнее Солнца, создавая другую пару сил, которая стремится совместить плоскость земного экватора с плоскостью лунной орбиты. Но движение Луны значительно сложнее движения Солнца, так как Луна смещается по орбите, наклоненной на 5°9' к эклиптике. Кроме того, движение Луны испытывает существенные возмущения со стороны Земли и, в меньшей степени. Солнца, а точки пересечения эклиптики и орбиты Луны (лунные узлы) смещаются в сторону, обратную движению Луны, с периодом около 18,6 года. В целом же пара сил, создаваемая притяжением Луны, действует аналогично паре сил, создаваемых притяжением Солнца.

Вследствие непрерывного суммарного действия двух пар сил ось вращения медленно смещается около неподвижной оси, направлен­ной в полюс эклиптики. Соответственно северный полюс мира будет двигаться вокруг полюса эклиптики, который можно считать не­подвижным среди звезд. Движение происходит по малому кругу со сферическим радиусом 23°27' с приблизительно постоянной скоро­стью 20^м в год. Так как вектор смещения полюса направлен в точку весеннего равноденствия, то последняя непрерывно отступает по

эклиптике навстречу кажущемуся годичному движению Солнца со скоростью 50,371" в год.

V.6.2. Нутация

В 1737 году Дж. Брадлей открыл небольшие колебания оси вра­щения Земли, накладывающиеся на прецессионное движение оси вращения, главный член которых имеет период колебаний 18,6 года. Это движение земной оси получило название нутация.

Причины колебательно-периодического движения оси вращения Земли, накладывающегося на прецессионное, — силы притяжения со стороны Солнца и Луны.

Движение Солнца по эклиптике вызывает годичный и полу­годичный периоды в колебании земной оси, движение Луны — период 18,6 года, соответствующий движению лунных узлов по эклиптике, а также месячный и другие более мелкие периоды (13,7 суток, 10 суток и др.).

Полюс мира, обладающий только вековым прецессионным движением, называется средним полюсом мира Р₀, а соответству­ющий ему небесный экватор — средним небесным экватором в дан­ный момент. Точка весеннего равноденствия, соответствующая положению среднего экватора, является средней точкой весеннего равноденствия в этот момент.

Полюс мира, обладающий не только вековым (прецессионным), но и периодическим (нутационным) движением, называется истинным полюсом мира Р. Небесный экватор и точка весеннего равноденствия, ему соответствующая, будут истинным экватором и истинной точкой весеннего равноденствия в этот момент.

В нутационном относительном движении истинный полюс мира движется около среднего по сложной кривой эллиптического вида.

Вследствие векового движения среднего полюса мира средняя точка весеннего равноденствия движется почти с постоянной скоро­стью и смещается по эклиптике навстречу годичному движению Сол­нца, а вследствие периодического движения истинного полюса мира

истинная точка ве­
сеннего равно­
денствия колеблется
около средней с
различными
периодами, глав­
нейший из которых
18,6 года (рис. V.10).
Силы, действу­
ющие на Землю и Лу­
ну со стороны планет,
вызывают прецессию
от планет, — сме­
щение точки весенне­
го равноденствия на
0,13"в год.
Итак, лунно-солнечная прецессия, складываясь с прецессией от
планет, дает полную прецессию средней точки весеннего равно­
денствия. Лунно-солнечная прецессия и колебания плоскости
эклиптики вызывают периодические отклонения истинной точки ве­
сеннего равноденствия от средней. Истинная точка ЧР совершает
относительно средней небольшие колебания как вдоль эклиптики,
так и вдоль экватора. Амплитуды колебаний истинной точки весен­
него равноденствия относительно средней по эклиптике составляют
±18", а по экватору примерно ±16". Амплитуда колебаний наклона
эклиптики к экватору составляет ±10".

Из-за явления прецессии Солнце приходит к точке весеннего равноденствия каждый раз раньше, чем в предыдущем году (т.е. раньше, чем Земля завершит оборот вокруг Солнца).

Промежуток времени между двумя последовательными прохож­дениями Солнцем точки весеннего равноденствия называется тропическим годом. Последний короче звездного года на 20 мин 24

секунды и его продолжительность составляет 365 дней 48 минут 46