на 2 марта 1982 г. на 0,5-м телескопе в Тянь-Шанской высокогорной экспедиции (ГАИШ МГУ). Угловой диаметр звезды составляет 0,003″. Уровень сигнала после покрытия определяется рассеянным светом Луны.
В нынешнем веке мы можем не только наблюдать за поведением Земли и Луны, но и видеть затмения-покрытия любых объектов Солнечной системы. Например, в 2015 г. мимо Плутона пролетал первый космический аппарат — «New Horizons» (NASA). Он сфотографировал планету с ночной стороны, и мы впервые увидели атмосферу Плутона. В этом положении диск Плутона закрывает собой Солнце, но солнечные лучи высвечивают по краям планетного диска плутонианскую атмосферу, про свойства которой мы почти ничего не знали. Если повысить контраст, то в атмосфере даже видны слои. И это очень многое говорит нам о том, из чего состоит и как устроена газовая оболочка этой далекой карликовой планеты. Оказалось, что Плутон — маленькая, но очень интересная планета. Недавно в журнале Nature появились две статьи, в которых весьма убедительно показано, что под ледяной корой Плутона есть жидкий водный океан. Абсолютно неожиданная вещь! Мы предполагали, что подледный океан есть у спутников Юпитера и Сатурна, но Плутон — он так далеко от Солнца, там так холодно и рядом с ним нет гигантской планеты, которая могла бы его согреть. Там все должно было замерзнуть давно и навсегда. Но оказалось, есть признаки того, что под корой Плутона — океан. Он не совсем пригоден для жизни; вероятно, там много аммиака, но все же это океан — и это очень интересно.
Рис. 1.13. Атмосфера Плутона. Справа усилен контраст. Фото: «New Horizons».
А вот еще один замечательный пример — покрытие Солнца Сатурном (рис. 1.14). Обычно мы видим Сатурн так, как в верхней части картинки, когда он вблизи противостояния с Солнцем. Лучи Солнца освещают далекую планету «в лоб», и мы видим ее анфас. Мы давно знали о существовании этого красивого ободка — кольца Сатурна — и всегда думали, что между ним и планетой пустота — ничего нет. Когда первый искусственный спутник Сатурна «Кассини» (NASA) залетел за ночную сторону планеты, мы увидели, что между внутренним краем наблюдаемого с Земли кольца и планетой, напротив, довольно много вещества и что оно тянется до самой атмосферы. То, что это вещество незаметно в отраженном свете, но видно в рассеянном свете при контровом освещении, свидетельствует, что это очень мелкие частицы, размер которых сравним с длиной волны света. Такие частицы, как известно, плохо отражают свет, но эффективно рассеивают его вперед, по ходу падающего на них излучения, и немного в сторону. Поэтому в отраженном свете они почти не видны, а при контровом освещении отчетливо проявляются.
Рис. 1.14. Вверху: Сатурн в прямом освещении солнечными лучами, каким мы видим его от Земли с помощью космического телескопа «Хаббл» (NASA). Внизу: Сатурн в контровом освещении (т. е. Солнце располагается за диском планеты), сфотографированный зондом «Кассини» (NASA). На нижнем фото контраст и яркость усилены, чтобы лучше были видны внешние кольца G и E. В делении Кассини (темной «щели» между двумя яркими кольцами А и В, видимыми с Земли) и внутри яркого кольца B движутся мелкие и довольно темные частицы, которые плохо отражают свет, но хорошо рассеивают его вперед, поэтому они видны только в контровом освещении и остаются незаметными при наблюдении со стороны Солнца и Земли.
Пока непонятно, каким образом в кольце происходит сепарация частиц вещества по их размеру и почему мелкие частицы оказались ближе к планете. Простая физическая логика подсказывает, что должно быть наоборот: вблизи границы атмосферы планеты лучше сохраняются крупные частицы, поскольку у них отношение площади сечения к массе меньше, а значит, они слабее тормозятся в верхних слоях атмосферы. В природе же все оказалось не так.
Эту новую информацию о кольцах Сатурна мы получили именно благодаря тому, что использовали ситуацию затмения (покрытия) как прибор для исследования. Контровое освещение выявило много новых деталей в структуре колец.
Лунные затмения
Теперь мы вернемся к лунным и солнечным затмениям. Каждое небесное тело, освещенное Солнцем, отбрасывает сужающийся конус тени и расширяющийся конус полутени. Тень — это область пространства, попадая в которую наблюдатель не видит поверхность Солнца; в области полутени он видит часть поверхности Солнца. В соответствии с этим лунные затмения делят на теневые и полутеневые. В первом случае хотя бы часть лунного диска проходит через область земной тени, во втором случае — через область полутени. В обоих случаях затмение может быть полным или частным, в зависимости от того, полный диск Луны скрывается в земной тени (полутени) или только его часть. То же и с Солнцем: если наблюдатель попадает в тень Луны, он видит полное солнечное затмение, если в полутень — частное. Полное затмение Солнца не заметить нельзя: днем на несколько минут наступает почти ночная темнота. Но неглубокое частное затмение Солнца, если заранее о нем не знать, вполне можно не заметить. То же и с лунными затмениями: теневое затмение Луны выглядит эффектно, а полутеневое — невзрачно и почти незаметно.
Рис. 1.15. Схема солнечного и лунного затмений. Принципиальная разница между ними состоит в том, что лунная тень покрывает малую часть земной поверхности, а земная тень полностью скрывает Луну от солнечного света.
Длительность лунного затмения зависит от того, насколько глубоко в земную тень проникает Луна. Самые длительные затмения — центральные, когда Луна проходит через центр земной тени. При этом полное теневое затмение продолжается около 2 часов.
Рис. 1.16. Лунные затмения.
Итак, теневое затмение Луны происходит, когда она попадает в тень, отброшенную Землей. Луна попадала бы туда каждый месяц в момент полнолуния, если бы плоскости лунной и земной орбит совпадали, но они не совпадают. Плоскость орбиты Луны более чем на 5° наклонена к эклиптике (среднее значение этого угла 5,15°, и он колеблется от 4,99° до 5,30°). Центр земной тени лежит на эклиптике, а угловой радиус этой тени для наблюдателя на Земле составляет около 0,7°. Угловой радиус лунного диска — около 0,25°. Следовательно, если Луна удаляется от эклиптики более чем на 1°, она не попадает в тень Земли. Именно поэтому Луна чаще проходит мимо земной тени, нежели попадает в нее.
Рис. 1.17. Взаимное расположение плоскости лунной орбиты и плоскости орбиты Земли. Точки А и В — узлы лунной орбиты.
Затмения как Луны, так и Солнца происходят лишь в те моменты, когда Луна проходит вблизи узлов своей орбиты, т. е. пересечений ее орбитальной плоскости с плоскостью эклиптики (в которой всегда находится Солнце). Вблизи узлов Луна проходит дважды в месяц, но для затмения нужно, чтобы в эти же моменты и Солнце тоже оказалось вблизи одного из узлов: если того же узла, где Луна, то наблюдается солнечное затмение, а если противоположного, то лунное. Происходит это не так уж часто: максимальное количество лунных затмений всех типов за год — 4 (например, это произойдет в 2020 и 2038 годах), минимальное — два в год. Солнечные затмения происходят приблизительно с такой же частотой, однако шанс увидеть полное лунное затмение намного выше, чем полное солнечное. Дело в том, что при наличии ясного неба лунное затмение видят все жители ночного полушария Земли, а солнечное — только те жители дневного полушария, кому посчастливилось попасть в узкую полосу, по которой пробегает маленькая (250–270 км) лунная тень.
Рис. 1.18. Лунное затмение.
В процессе полного теневого затмения Луны наш спутник сначала попадает в область полутени и чуть-чуть меркнет, а затем погружается в конус земной тени. Казалось бы, солнечный свет в тень не проникает, других источников света там нет, значит, Луна, пересекая земную тень (а это длится несколько часов), должна стать абсолютно невидимой. Но этого не происходит: она все же немножко видна в темно-багровых тонах. Дело в том, что ее освещают солнечные лучи, рассеявшиеся и преломившиеся в земной атмосфере. Голубая часть их спектра сильно рассеивается в воздухе и поэтому почти не попадает на Луну, а красные лучи рассеиваются в воздухе значительно слабее и, преломившись из-за атмосферной рефракции, направляются в область геометрической земной тени и освещают лунную поверхность.
Рис. 1.19. Солнечные и лунные затмения происходят только в моменты новолуния и полнолуния соответственно. Кроме этого, Луна должна располагаться вблизи узлов своей орбиты, иначе (как на этом рисунке) тени проходят мимо цели.
Поскольку полутеневое затмение Луны заметить глазом почти невозможно — настолько слабо уменьшается яркость лунного диска, — это явление редко привлекает внимание наблюдателей. А вот полные теневые затмения Луны в прошлом активно использовались для науки. Дело в том, что в момент затмения, в середине лунного дня, Солнце на несколько часов резко «выключается» и перестает освещать лунную поверхность, которая начинает понемногу охлаждаться. По тому, как быстро происходит охлаждение лунной поверхности, можно понять, какая у нее структура. Если бы Луна состояла из чистого металла — скажем, была бы плотным алюминиевым шаром, — то ее поверхность остывала бы очень медленно (из-за высокой теплопроводности вещества снизу постоянно подходило бы новое тепло). А если бы Луна была сделана из пемзы или синтепона, теплопроводность которых почти нулевая, температура поверхности падала бы быстро. Наблюдения показали, что в ходе затмения поверхность охлаждается быстро. Следовательно, она скорее «из пемзы или поролона», чем «из меди или алюминия». А если серьезно, то планетологи с помощью затмений еще до полетов на Луну роботов и людей поняли, что ее минеральная поверхность пористая и покрыта пылеобразным веществом, которое мы называем реголитом. Позже туда прилетели роботы и люди и подтвердили, что поверхность действительно покрыта пылью, рыхлой наверху и спекшейся в глубине. Так лунные затмения помогли астронавтам заранее узнать, по какой поверхности им предстоит ходить.