Предварение равноденствий (лат. praecessio aequinoctiorum) — историческое название для постепенного смещения точек весеннего и осеннего равноденствий (то есть точек пересечения небесного экватора с эклиптикой) навстречу видимому годичному движению Солнца. Другими словами, каждый год весеннее равноденствие наступает немного раньше, чем в предыдущем году.
Содержание |
Основная причина предварения равноденствий — прецессия, периодическое изменение направления земной оси под влиянием притяжения Луны, а также (в меньшей степени) Солнца. Как выяснил Ньютон в своих «Началах», сплюснутость Земли у полюсов приводит к тому, что притяжение внешних тел поворачивает земную ось, которая описывает конус с периодом (по современным данным) примерно 25 776 лет. При этом наклон земной оси к эклиптике сохраняется неизменным. Поворот земной оси смещает и связанные с Землёй экваториальные системы небесных координат, примерно на 20,1" в год.
Существуют и другие причины смещения земной оси — нутация, апериодическое «блуждание полюсов» и т. п., однако их вклад в результат по сравнению с прецессией невелик.
Аналогичные явления происходят и на других планетах. Например, ось Юпитера под влиянием его многочисленных спутников и Солнца смещается примерно на полградуса в течение юпитерианского года.
Поворот оси нашей планеты имеет разнообразные последствия. Прежде всего, он сокращает продолжительность тропического года, который становится на 20 минут короче звёздного. Поскольку долготы звёзд отсчитываются от точки равноденствия, они постепенно увеличиваются — именно этот эффект и привёл к открытию данного явления.
В ходе прецессии вид звёздного неба, видимый в тех или иных широтах, меняется, так как меняются склонения тех или иных созвездий, и даже время года их наблюдения. Некоторые созвездия, видимые сейчас в средних широтах северного полушария Земли (например, Орион и Большой Пёс), постепенно опускаются под горизонт и через несколько тысяч лет будут почти недоступны из средних широт северного полушария, зато на северном небе появятся созвездия Центавр и Южный Крест, а также ряд других. Однако не все созвездия южного полушария будут доступны в результате прецессии, к примеру, выше всех поднимется современное «летнее» небо, меньше — «осеннее» и «весеннее», зимнее небо не поднимется вовсе, так как в настоящее время оно уже максимально поднято.
Схожие процессы будут и в Южном полушарии. Многие созвездия Северного полушария, которые в настоящее время недоступны, будут доступны, причём выше всего поднимется современное «зимнее» небо, которое видно из Южного полушария как летнее. Спустя 6 тысяч лет будет доступно из средних широт Южного полушария для наблюдения созвездие Большая Медведица, а 6 тыс. лет назад была видна Кассиопея.
Полюс мира сейчас почти совпадает с Полярной звездой; в древнем Египте он находился вблизи звезды Тубан (α Дракона), а в V тысячелетии перейдёт в созвездие Цефея.
Орбита Земли слегка вытянута, и ближе всего Земля подходит к Солнцу в январе, когда в северном полушарии зима. Из-за этого климат северного полушария Земли несколько мягче, чем южного (зима мягче, а лето несколько прохладнее). Через 10 000 лет сезоны из-за прецессии сдвинутся, и мягче станет климат южного полушария.
На основании некоторых косвенных данных предполагают, что различие между звёздным и тропическим годом (простым логическим следствием чего является движение точек равноденствия на фоне звёзд) впервые установил в III веке до н. э. Аристарх Самосский. Разность между звёздным и тропическим годом, вычисленная на основании этих данных, соответствует скорости прецессии 1° за 100 лет[1] (по современным данным, 1° за 71,5 года).
Исходя из наблюдений звёзд, предварение равноденствий было открыто выдающимся древнегреческим астрономом Гиппархом во II веке до н. э. В его распоряжении были результаты наблюдений греческого астронома III века до н. э. Тимохариса, из которых Гиппарх обнаружил, что все долготы звёзд увеличиваются примерно (по его оценке) на 1° каждые 100 лет. Во II веке н. э. существование прецессии подтвердил Клавдий Птолемей, причём скорость прецессии по его данным составляла всё те же 1° в 100 лет.
Большинство астрономов доптолемеева периода полагали, что все звёзды закреплены на одной сфере (сфере неподвижных звёзд), являющейся границей Вселенной. Видимое суточное вращение небосвода при этом считалось отражением вращения этой сферы вокруг своей оси — оси мира. Для объяснения прецессии Птолемей был вынужден ввести за пределами сферы неподвижных звёзд (на рисунке слева обозначена цифрой 1) ещё одну сферу, которая вращается с периодом в одни сутки вокруг оси мира (NS)[2]. К ней прикреплена сфера неподвижных звёзд 2, вращающаяся с периодом прецессии вокруг оси AD, перпендикулярной плоскости эклиптики. Таким образом, вращение сферы звёзд есть суперпозиция двух вращений, суточного и прецессионного. Наконец, внутрь этой сферы вложена ещё одна сфера 3, вращающаяся вокруг той же оси AD, но в противоположном направлении, что компенсирует прецессионное движение для всех внутренних сфер (но эта сфера по прежнему принимает участие в суточном вращении).
Теон Александрийский, комментатор Птолемея (IV век), выдвинул гипотезу, что сфера неподвижных звёзд испытывает периодические колебания в пределах 8°, после чего возвращается в прежнее положение. Это явление было названо трепидацией. В IX веке эту модель поддержал знаменитый арабский астроном Сабит ибн Курра[3]. Уже арабские астрономы более позднего времени показали, что прецессия носит монотонный характер. Тем не менее, они полагали, что скорость прецессии периодически изменяется, так что изменение долгот звезд можно разложить на две составляющие: равномерное увеличение (собственно прецессия), на которое наложено периодическое колебание (трепидация). Такой точки зрения придерживался, в том числе, Николай Коперник, и лишь Тихо Браге доказал полное отсутствие трепидации.
Коперник первым понял, что смещается не небесный экватор, а земная ось. Причина смещения была подробно объяснена в «Началах» Ньютона; рассуждения Ньютона были качественно верны, однако его математическая модель содержала неточности.
В XVIII веке большой вклад в изучение вопроса внёс Даламбер, исправивший модель Ньютона, а в XIX-м — Фридрих Вильгельм Бессель и Отто Вильгельм Струве.
Прецессия земной оси.
