Определить расстояние до солнца. От земли до солнца

Движение Луны, блестяще исследованное Лапласом, явилось неисчерпаемым источником для извлечения самых неожиданных результатов, касавшихся не только других небесных тел, но и самой Земли. Выводы Лапласа, даже при кратком знакомстве с ними, представляют собой прекрасный пример плодовитости и поразительной интуиции их автора.

Каково расстояние от Земли до Солнца - вот вопрос, которым задавалось человечество уже с первых шагов развития цивилизации. Знание этого расстояния играет особенно важную роль, потому что при помощи третьего закона Кеплера все расстояния в Солнечной системе можно выразить через расстояние Земля - Солнце (так называемая астрономическая единица).

До Лапласа наиболее точным методом определения расстояния до Солнца считались наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца. Этот метод был предложен Галлеем, и заключается он в следующем. Путь Венеры вокруг Солнца целиком ^расположен внутри земной орбиты, и потому эта планета по временам, оказываясь как раз между Солнцем и Землей, проектируется на солнечный диск в виде маленького черного кружка. Когда она проходит между Землей и Солнцем, то видно, как планета пересекает солнечный диск. Такие прохождения Венеры по диску Солнца не из всех мест Земли видны одинаково хорошо, но и сам видимый путь Венеры на солнечном диске оказывается различным для наблюдателей, находящихся в разных точках Земли. Расстояние между двумя наблюдателями на Земле называется в этом случае базисом, и чем он больше, тем больше кажущееся смещение видимого пути Венеры на диске Солнца. Его называют параллактическим смещением. Зная длину базиса и величину этого смещения, можно вычислить расстояние от Земли до Венеры, а затем по третьему закону Кеплера найти и величину астрономической единицы.

К сожалению, прохождения Венеры по диску Солнца случаются очень редко. Например, они наблюдались в 1631 и 1639 годах, а затем лишь в 1761 и 1769 годах - в годы ранней молодости Лапласа. Следующие прохождения должны были случиться только в 1874 и 1882 годах. В нашем столетии это явление вовсе не будет наблюдаться.

Понятное дело, астрономы всячески готовились к наблюдениям прохождения Венеры по методу, на который Галлей возлагал большие надежды. Поскольку знание расстояния от Земли до Солнца необходимо для решения ряда практических задач астрономии, правительства не жалели денег на организацию далеких и трудных экспедиций. В 1761 г. для наблюдения упомянутого явления с концов возможно большего базиса экспедиции ученых отправились, с большим риском и затратами, в Тобольск, на остров Св. Елены, на мыс Доброй Надежды, в Индию; кроме того, повсеместно производились наблюдения из различных мест Европы. Физические явления при этом прохождении наблюдал и Ломоносов (в Петербурге), впервые доказавший при этом, что Венера, подобно Земле, окружена атмосферой. Результаты астрометрических наблюдений оказались в ряде случаев противоречивыми, поэтому прохождению 1769 г. было уделено еще больше внимания.

Некоторое представление о трудностях, с которыми были сопряжены эти экспедиции, дают следующие примеры.

Верона, посланный в Индию для первого наблюдения, умер по дороге, не доехав до места назначения. Война, расстроив правильные пути сообщения, помешала Лежантилю и Мазону добраться до Индии вовремя. Лежантиль опоздал и высадился на сушу, когда явление уже закончилось. Путешествия были так трудны, что, по рассказу Лапласа, Лежантиль остался в Индии готовиться к наблюдениям следующего прохождения Венеры, до которого оставалось восемь лет. Желанный день настал, погода радовала наблюдателя, но в самый момент начала прохождения случайное облачко закрыло Солнце, и плоды многолетней подготовки пропали даром. Пропавшего без вести ученого считали во Франции уже мертвецом и справили по нему гражданскую панихиду. С похоронами поторопились, хотя и ненамного. Расстроенный своим неуспехом и измученный трудной дорогой, Лежантиль умер вскоре после возвращения на родину.

Лаплас подошел к проблеме с другого, неожиданного конца и определил расстояние от Земли до Солнца без всяких экспедиций, не выходя из своего кабинета.

Знаток лунного движения, он понял, что обычные наблюдения за движением Луны определяют величину возмущений, которым оно подвержено. Небесная механика дает теоретическую связь этих возмущений, главной причиной которых является Солнце, с расстоянием Луны от этого светила. Таким образом, расстояние системы Земля - Луна от Солнца, от которого зависит величина возмущений, может быть вычислено теоретически. Лаплас его и вычислил. Его результат был не хуже, чем результаты, полученные ценой дорогих экспедиций и многолетней кропотливой обработки наблюдений.

Впоследствии, пользуясь открытием новых небесных тел, подходящих к Земле ближе, чем Венера, астрономы нашли и другие точные способы определения расстояний до Солнца.

Точность способа, связанного с наблюдением прохождения Венеры по диску Солнца, оказалась гораздо ниже ожидаемой из-за того, что между краем Солнца и Венерой показывалась «черная капля»: края Солнца и Венеры на некоторое время как бы слипались. Это оптическое явление объясняли по-разному, но оно существовало и мешало регистрации момента касания двух дисков - черного (Венера) и ослепительно яркого (Солнце).

Новый, радиолокационный метод определения межпланетных расстояний по времени прохождения радиосигнала впервые был применен для определения расстояния Луны от Земли в СССР в 1946 г. Через 15 лет повышение мощности радиосигналов позволило определить расстояние до Венеры, а затем и до других планет с небывалой точностью. Методом радиолокации исследуется теперь вращение планет и измеряется диаметр кометных ядер, неуловимый оптически из-за их малости. Среднее расстояние от Земли до Солнца теперь установлено радиометодами с точностью около 1 км.

Расстояние от Солнца до Земли

Чтобы хоть поверхностно вникнуть в масштабы нашей Вселенной, стоит прибегнуть к методу сравнений. Возьмем в качестве отправной точки размер нашей планеты Земля. Ее диаметр составляет 12 тыс. 600 км. Это сравнительно малый размер. Для обозначения астрономических расстояний ученые используют определенную единицу измерения - 1 астрономическую единицу (1 а. е.), которая равна среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляет 150 млн км. Если бы можно было уменьшить нашу Солнечную систему так, чтобы Солнце было размером с шар для боулинга - диаметром 22 см, то наша Земля бы имела размер бусинки - в 109 раз меньше Солнца, а расстояние между ними было бы 28 метров. Для сравнения, 28 метров - это высота 9-этажного жилого дома.

Расстояние от Солнца до Плутона

Расстояние от Солнца до карликовой планеты Плутон, которая находится на окраине Солнечной системы, составляет 39 а. е. или 6 млрд км. Используя те же пропорции (диаметр Солнца уменьшаем до 22 см), получаем эквивалентное расстояние до Плутона в 860 метров! Поэтому все зарисовки модели нашей Солнечной системы, которые мы когда-либо видели на страницах учебников или журналов, не соответствуют своим пропорциям и масштабу, в силу того, что для соблюдения всех их не хватило бы площади бумажной страницы.

Расстояние и скорость света

Чтобы дополнить наши представления о размерах Солнечной системы, стоило бы обратить внимание на то время, за которое проходит свет от разных ее объектов до Земли. Для начала вспомним, что скорость света равна почти 300 тыс. километров в секунду.

От Луны свет доходит до Земли за 1,3 секунды, от Солнца - за 8 минут и 20 секунд, а от Плутона, который находится на краю Солнечной системы, за 5 часов и 30 минут (См. Рис. 1).

Световой год

Постараемся теперь оценить окрестности нашей Солнечной системы. Чтобы измерять расстояния в этих пределах, астрономической единицы уже не хватает. Для этого используют другую единицу измерения, названную световой год (св. год) - это расстояние, которое проходит световой луч за период одного земного года и которое составляет 9,4 трлн км! Если уменьшить расстояние одного светового года до 1 км, то наше Солнце будет размером с песчинку.

Масштабы Млечного Пути

Расстояние до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра составляет 4,2 световых года. То есть, чтобы до нее добраться, необходимо лететь 4,2 года со скоростью 300 тыс. километров в секунду. А чтобы пересечь всю нашу галактику Млечный Путь, понадобилось бы перемещаться со скоростью света 100 тыс. лет.

Если бы можно было уменьшить нашу Солнечную систему до 25-копеечной монеты, то размер нашей галактики соответствовал бы континенту Северная Америка.

От Млечного Пути до Андромеды

В свою очередь, наша галактика совместно с 14 другими малыми галактиками образует подгруппу галактик Млечного Пути, протяженность которой составляет 500 тыс. световых лет. Ближайшая к нам крупная галактика Андромеды находится на расстоянии 2,52 млн световых лет. Если представить себе размер нашей галактики равной городу Киеву, то расстояние до галактики Андромеда будет приблизительно соответствовать расстоянию от Киева до города Красноярска, что в Восточной Сибири.

Сверхскопления галактик

Наша галактика, галактика Андромеда и галактика Треугольник (это самые крупные представители) входят в местную группу, насчитывающую 50 галактик, общей протяженностью 4 млн световых лет.

Местная группа галактик, в свою очередь, входит в местное сверхскопление Девы, в составе которого находится 100 групп и скоплений из 30 000 галактик, общей протяженностью 200 млн световых лет. При всей грандиозности размеров, это далеко не самая большая структура в видимой части Вселенной.

Совокупность сверхскоплений образуют ячеистую структуру, которую можно сравнить с пористой структурой губки, хлеба или пены. Сверхскопления являются как бы стенками пористой структуры, между которыми находится огромное пустое пространство. Протяженность этих пустот составляет примерно 300 млн световых лет. На сколько же тогда простирается ячеистая структура Вселенной?

На рисунке 2 мы можем увидеть карту близких сверхскоплений галактик. Поскольку расстояния становятся еще больше, то ученые для удобства ввели еще одну единицу измерения - парсек, которая равна 3,26 световых года или 31 трлн километров. И на этом изображении расстояния отмечены в миллионах парсек (Мпк).

Самая далекая галактика

В завершение нашего путешествия по Вселенной стоит отметить самую удаленную галактику, снятую телескопом «Хаббл». Она находится на расстоянии более 10 млрд световых лет и имеет название UDFj-39546284.

Создатель звездного воинства Вселенной

Сложно себе даже представить невероятные размеры нашей Вселенной, которая при этом обладает упорядоченной структурой, красотой и гармонией. Более того, у этой Вселенной с невероятными размерами есть могущественный Творец, наполняющий Собою все ее пространство. О Нем и говорит древний пророк Исаия: «Поднимите глаза ваши на высоту небес и посмотрите, кто сотворил их? Кто выводит воинство их счетом? Он всех их называет по имени: по множеству могущества и великой силе у Него ничто не выбывает» (Библия. Исаия 40:26).

Продолжение следует

Астрономия - это целый мир, полный прекрасных образов. Эта удивительная наука помогает найти ответы на важнейшие вопросы нашего бытия: узнать об устройстве Вселенной и ее прошлом, о Солнечной системе, о том, каким образом вращается Земля, и о многом другом. Между астрономией и математикой существует особая связь, ведь астрономические прогнозы являются результатом строгих расчетов. По сути, многие задачи астрономии стало возможным решить благодаря развитию новых разделов математики.

Из этой книги читатель узнает о том, каким образом измеряется положение небесных тел и расстояние между ними, а также об астрономических явлениях, во время которых космические объекты занимают особое положение в пространстве.

Экспедиции в Вардё и Папеэте были организованы английскими учеными. Участники первой экспедиции отправились в Тихий океан, чтобы наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца с острова Таити. Наблюдения провел Чарльз Грин и его заместитель, в то время никому не известный Джеймс Кук. Участниками второй экспедиции были глава Венской обсерватории святой отец Максимилиан Хелл, датский астроном Педер Хорребоу и юный англичанин Боргрюинг. Они направились в Вардё, на северо-западную оконечность Норвегии, где смогли наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца во время полярного дня. Таким образом, ученые получили результаты наблюдений из двух точек одного меридиана, удаленных друг от друга на огромное расстояние.

Как мы уже объясняли, с помощью параллакса можно вычислить расстояния между планетами, зная величины углов и референсное расстояние. При наблюдении прохождения Венеры по диску Солнца можно определить параллакс Венеры и Солнца и вычислить расстояние между Солнцем и Землей. Для этого проще всего наблюдать прохождение Венеры из двух достаточно далеких друг от друга точек земной поверхности. Измерив время прохождения в обоих случаях, можно рассчитать требуемые параллаксы и расстояние от Земли до Солнца.

Параллакс Солнца - это угол (? , изображенный на предыдущем рисунке.

По определению тангенса, имеем

Так как величина угла очень мала, его тангенс примерно равен самому углу, выраженному в радианах. Выразив расстояние от Земли до Солнца, r, получим:

Для наблюдения этого параллакса мы должны находиться на Солнце, что невозможно. Наблюдатели располагаются в разных точках земной поверхности и смотрят на Солнце с Земли. Они видят прохождение Венеры по диску Солнца по-разному - точно так же мы видим один и тот же предмет немного по-разному, когда смотрим на него отдельно правым и левым глазом.

Рассмотрим двух наблюдателей, которые располагаются в точках A и В одного меридиана (с целью упрощения расчетов) на разных широтах. Они видят Венеру как точку (или маленький круг) на диске Солнца в двух разных положениях, А’ и В’ . Сравнив результаты этих двух наблюдений (см. следующий рисунок), мы сможем измерить смещение: расстояние А’В’ соответствует расстоянию между видимыми положениями Венеры при одновременном наблюдении из точек А и В .

По результатам наблюдений за движением Венеры в течение транзита можно изобразить на диске Солнца ее траекторию. Если мы ведем наблюдения из точек А и В , получим две параллельные линии. Расстояние между ними будет параллаксным смещением ?? , которое в любой момент времени будет соответствовать расстоянию А’В’ . Чтобы упростить расчеты, будем считать, что центры Земли (О ), Венеры (V ) и Солнца (С ), а также точки земной поверхности А и В , из которых ведется наблюдение, расположены в одной плоскости. Углы при вершине Р в треугольниках APV и ВРС равны как вертикальные. Так как сумма углов любого треугольника равна 180°, выполняется следующее соотношение:

? v + ? 1 = ?s + ? 2

Введем угол ?? , которым обозначим расстояние между различными положениями Венеры на диске Солнца (оно будет равно расстоянию А’В’ в любой момент времени). Изменив порядок слагаемых, получим:

По определению, параллакс Венеры равен:

параллакс Солнца равен

Подставив эти выражения в приведенное выше уравнение, получим:

В частности, параллакс Солнца ?s будет рассчитываться так:

где ?? - расстояние между двумя траекториями Венеры, видимыми из различных точек земной поверхности, а отношение r t /r v можно рассчитать по третьему закону Кеплера. Куб этого отношения должен быть пропорционален квадрату отношения периодов обращения планет вокруг Солнца. Периоды обращения Венеры и Земли известны и равны 224,7 дня и 365,25 дня соответственно. Таким образом, параллакс Солнца ?s удовлетворяет соотношению:

?s = 0,38248 ?? .

?? определяется на основе результатов наблюдений из точек А и В , находящихся на одном меридиане. Мы используем рисунок XVIII века, на котором изображена траектория Венеры, видимая из разных точек одного меридиана при транзите.

1. Простейший способ - непосредственное измерение по рисунку, приведенному на странице 159: достаточно рассмотреть отношение диаметра Солнца D на рисунке и угловой размер Солнца . Угловой размер Солнца равен 30 минутам дуги, выраженным в радианах. Имеем:

2. Также можно измерить хорды окружности на рисунке. Этот способ точнее, так как измерить длины хорд A 1 A 2 и В 1 В 2 всегда можно с большей точностью, чем расстояние между этими хордами А’В’ .

По теореме Пифагора для треугольников SB’В 1 и SA’X 1 получим

3. Вместо расстояний можно отсчитывать время. Достаточно рассмотреть соотношение

где t A и t B - время прохождения A 1 A 2 и В 1 В 2 . Обозначив через t 0 гипотетическое время транзита по всему диску Солнца, через t’ - время, соответствующее ?? , установим соотношение:

Использовать временные интервалы вместо расстояний следует с осторожностью. Как показано на следующем рисунке, следует различать время внешнего касания (C 1 и С 4 ) и внутреннего касания (С 2 и С 3 ) Венеры с диском Солнца. Внутренние касания всегда можно определить точнее, несмотря на искажения, вносимые эффектом черной капли. По этой причине в расчетах учитываются только моменты внутреннего касания.

На основании результатов наблюдений транзита Венеры 1769 года, полученных в Вардё и Папеэте, получим следующие значения (с учетом того, что расстояние АВ по прямой равно 11425 км).

Можно видеть, что точность результатов достаточно высока, если принять во внимание простоту использованных методов. Сегодня расстояние от Земли до Солнца, определяемое как 1 астрономическая единица, принимается равным 149,6?10 6 км. Следует отметить, что точность второго результата, полученного методом измерения хорд, выше, так как измерить хорды можно с большей точностью, чем непосредственно??. Последний метод, в котором учитывается время прохождения, представляет интерес, поскольку позволяет провести более четкую аналогию с современными методами. Однако погрешность при этом выше, так как метод требует использования вспомогательной гипотезы, согласно которой скорость движения Венеры во время прохождения по диску Солнца постоянна в течение всего транзита.

Ближайшая к нам звезда – это конечно Солнце. Расстояние от Земли до него по космическим параметрам совсем небольшое: от Солнца до Земли солнечный свет идет всего лишь 8 минут.

Солнце – это не обычный желтый карлик, как считали ранее. Это центральное тело солнечной системы, возле которой вертятся планеты, с большим количеством тяжелых элементов. Это звезда, образовавшаяся после нескольких взрывов сверхновых, около которой сформировалась планетная система. За счет расположения, близкого к идеальным условиям, на третьей планете Земля возникла жизнь. Возраст Солнца насчитывает уже пять миллиардов лет. Но давайте разберемся, почему же оно светит? Какое строение Солнца, и каковы его характеристики? Что ждет его в будущем? Насколько значительное влияние оно оказывает на Землю и ее обитателей? Солнце – это звезда, вокруг которой вращаются все 9 планет солнечной системы, в том числе и наша. 1 а.е. (астрономическая единица) = 150 млн. км – таким же является и среднее расстояние от Земли до Солнца. В Солнечную систему входят девять больших планет, около сотни спутников, множество комет, десятки тысяч астероидов (малых планет), метеорные тела и межпланетные газ и пыл. В центре всего этого и находится наше Солнце.

Солнце светит уже миллионы лет, что подтверждают современные биологические исследования, полученные из остатков сине-зелено-синих водорослей. Изменись температура поверхности Солнца хотя бы на 10 %, и на Земле, погибло бы все живое. Поэтому хорошо, что наша звезда равномерно излучает энергию, необходимую для процветания человечества и других существ на Земле. В религиях и мифах народов мира, Солнце постоянно занимало главное место. Почти у всех народов древности, Солнце было самым главным божеством: Гелиос – у древних греков, Ра – бог Солнца древних египтян и Ярило у славян. Солнце приносило тепло, урожай, все почитали его, потому что без него не было бы жизни на Земле. Размеры Солнца впечатляют. Например, масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, а его радиус в 109 раз больше. Зато плотность нашего звездного светила небольшая – в 1,4 раза больше, чем плотность воды. Движение пятен на поверхности заметил еще сам Галилео Галилей, таким образом доказав, что Солнце не стоит на месте, а вращается.

Конвективная зона Солнца

Радиоактивная зона около 2/3 внутреннего диаметра Солнца, а радиус составляет около 140 тыс.км. Удаляясь от центра, фотоны теряют свою энергию под влиянием столкновения. Такое явление называют — феномен конвекции. Это напоминает процесс, происходящий в кипящем чайнике: энергии, поступающей от нагревательного элемента, намного больше того количества, которое отводится тепло проводимостью. Горячая вода, находящаяся в близости от огня, поднимается, а более холодная опускается вниз. Этот процесс называются конвенция. Смысл конвекции в том, что более плотный газ распределяется по поверхности, охлаждается и снова идет к центру. Процесс перемешивания в конвективной зоне Солнца осуществляется непрерывно. Глядя в телескоп на поверхность Солнца, можно увидеть ее зернистую структуру — грануляции. Ощущение такое, что оно состоит из гранул! Это связано с конвекцией, происходящей под фотосферой.

Фотосфера Солнца

Тонкий слой (400 км) — фотосфера Солнца, находится прямо за конвективной зоной и представляет собой видимую с Земли «настоящую солнечную поверхность». Впервые гранулы на фотосфере сфотографировал француз Янссен в 1885г. Среднестатистическая гранула имеет размер 1000 км, передвигается со скоростью 1км/сек и существует примерно 15 мин. Темные образования на фотосфере можно наблюдать в экваториальной части, а потом они сдвигаются. Сильнейшие магнитные поля, являются отличительно чертой таких пятен. А темный цвет получается вследствие более низкой температуры, относительно окружающей фотосферы.

Хромосфера Солнца

Хромосфера Солнца (цветная сфера) – плотный слой (10 000 км) солнечной атмосферы, который находится прямо за фотосферой. Хромосферу наблюдать достаточно проблематично, за счет ее близкого расположения к фотосфере. Лучше всего ее видно, когда Луна закрывает фотосферу, т.е. во время солнечных затмений.

Солнечные протуберанцы – это огромные выбросы водорода, напоминающие светящиеся длинные волокна. Протуберанцы поднимаются на огромные расстояние, достигающие диаметра Солнца (1.4 млм км), двигаются со скоростью около 300 км/сек, а температура при этом, достигает 10 000 градусов.

Солнечная корона – внешние и протяженные слои атмосферы Солнца, берущие начало над хромосферой. Длина солнечной короны является очень продолжительной и достигает значений в несколько диаметров Солнца. На вопрос где именно она заканчивается, ученые пока не получили однозначного ответа.

Состав солнечной короны – это разряженная, высоко ионизированная плазма. В ней содержатся тяжелые ионы, электроны с ядром из гелия и протоны. Температура короны достигает от 1 до 2ух млн градусов К, относительно поверхности Солнца.

Солнечный ветер – это непрерывное истечение вещества (плазмы) из внешней оболочки солнечной атмосферы. В его состав входят протоны, атомные ядра и электроны. Скорость солнечного ветра может меняться от 300 км/сек до 1500 км/сек, в соответствии с процессами, происходящими на Солнце. Солнечный ветер, распространяется по всей солнечной системе и, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывает различный явления, одним из которых, является северное сияние.

Характеристики Солнца

Масса Солнца: 2∙1030 кг (332 946 масс Земли)
Диаметр: 1 392 000 км
Радиус: 696 000 км
Средняя плотность: 1 400 кг/м3
Наклон оси: 7,25° (относительно плоскости эклиптики)
Температура поверхности: 5 780 К
Температура в центре Солнца: 15 млн градусов
Спектральный класс: G2 V
Среднее расстояние от Земли: 150 млн. км
Возраст: 5 млрд. лет
Период вращения: 25,380 суток
Светимость: 3,86∙1026 Вт
Видимая звездная величина: 26,75m