Прецессия земной оси: смещение точек равноденствия¶

Прецессия земной оси — медленное циклическое изменение направления оси вращения Земли в пространстве, вызванное гравитационным воздействием Луны и Солнца на экваториальную выпуклость планеты. Вследствие этого явления небесные полюса описывают окружность вокруг полюсов эклиптики, а точки весеннего и осеннего равноденствия плавно смещаются навстречу видимому годичному движению Солнца. Полный цикл прецессии составляет около 25 800 лет (так называемый платонов год).

¶Механизм явления

Земля имеет форму геоида — сфероида, сплюснутого у полюсов. Из-за суточного вращения экваториальный радиус планеты примерно на 21 км превышает полярный. Луна и Солнце, притягивая эту экваториальную выпуклость, создают опрокидывающий момент, стремящийся повернуть ось вращения Земли к плоскости эклиптики. Однако вследствие гироскопического эффекта ось не наклоняется, а описывает конус, сохраняя угол наклона в 23°26′ к перпендикуляру плоскости орбиты.

Основной вклад (около 60 %) вносит Луна, несмотря на её меньшую массу, — из-за близости к Земле. Солнце обеспечивает примерно 30 % эффекта, остальное приходится на планеты и другие факторы. Средняя скорость прецессии составляет около 50,3 угловой секунды в год, что соответствует смещению точки весеннего равноденствия примерно на 15,4 метра по эклиптике ежегодно.

¶Смещение точек равноденствия

Точки равноденствия — это две точки пересечения небесного экватора с эклиптикой, где Солнце пересекает небесный экватор, переходя из одного полушария в другое. Вследствие прецессии эти точки медленно движутся на запад, навстречу годичному движению Солнца. Это движение называется предварением равноденствий (лат. praecessio — «предшествование»): Солнце возвращается в точку весеннего равноденствия немного раньше, чем завершает полный оборот по эклиптике относительно неподвижных звёзд.

В результате тропический год (период между двумя последовательными весенними равноденствиями) оказывается примерно на 20 минут 24 секунды короче звёздного года. Именно тропический год лежит в основе григорианского календаря, что делает учёт прецессии необходимым для точного летосчисления.

¶Историческое открытие

Явление прецессии открыто древнегреческим астрономом Гиппархом Никейским около 130 года до н. э. Сравнивая координаты звёзд с данными, полученными за полтора столетия до него астрономами Тимохарисом и Аристиллом, Гиппарх обнаружил, что долготы звёзд увеличились примерно на 2°, в то время как широты остались неизменными. Он объяснил это смещением точки весеннего равноденствия и оценил минимальную скорость прецессии в 1° за 100 лет (реальное значение — примерно 1° за 72 года).

Теоретическое объяснение явления было дано Исааком Ньютоном в 1687 году в «Математических началах натуральной философии». Он показал, что прецессия возникает из-за гравитационного воздействия Луны и Солнца на сфероидальную форму Земли. Однако точная количественная теория, учитывающая сложное строение Земли и влияние планет, была разработана лишь в XIX веке в работах Леонарда Эйлера и Симона Ньюкома.

¶Нутация и другие эффекты

Прецессия не является идеально равномерной. На неё накладываются периодические колебания малой амплитуды — нутация, открытая Джеймсом Брэдли в 1728 году. Основной член нутации имеет период 18,6 года (период обращения узлов лунной орбиты) и амплитуду около 9,2 угловой секунды. Нутация вызвана тем, что плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости эклиптики и медленно вращается, из-за чего сила воздействия Луны периодически меняется.

Различают также лuni-солнечную прецессию (действие Луны и Солнца) и планетную прецессию — малый вклад гравитационного воздействия планет, слегка изменяющий ориентацию плоскости эклиптики. Суммарное явление называется общей прецессией.

¶Астрономические и культурные следствия

Из-за прецессии полюс мира (точка небесной сферы, куда направлена ось вращения Земли) медленно перемещается среди звёзд. В настоящее время вблизи северного полюса мира находится Полярная звезда (α Малой Медведицы). Около 3000 года до н. э. роль полярной звезды выполнял Тубан (α Дракона), а примерно через 12 000 лет полюс мира приблизится к Веге (α Лиры).

Смещение точек равноденствия приводит к тому, что зодиакальные созвездия, через которые проходит Солнце в течение года, постепенно сдвигаются. За 2000 лет, прошедших со времён античности, точка весеннего равноденствия переместилась из созвездия Овна в созвездие Рыб, что привело к расхождению между астрономическими и астрологическими знаками зодиака.

Прецессия также влияет на координаты звёзд, поэтому в каталогах и атласах указывается эпоха, к которой относятся координаты (стандартная — J2000.0). Для точных астрономических расчётов учитывается как прецессия, так и нутация.

¶См. также

• Нутация
• Тропический год
• Гиппарх

¶Источники

• Кононович Э. В., Мороз В. И. «Общий курс астрономии» — М.: Едиториал УРСС, 2004.
• Жаров В. Е. «Сферическая астрономия» — Фрязино: Век-2, 2006.
• Куликов К. А., Гуревич В. Б. «Основы лунной и планетной прецессии» — М.: Наука, 1985.