Мир вошел в фатальный коридор затмений

Все мы начиная с 24 февраля 2022 года оказались перед лицом наступающего варварства, насилия и лжи. В этой ситуации чрезвычайно важно сохранить хотя бы остатки культуры и поддержать ценности гуманизма — в том числе ради будущего России. Поэтому редакция «Горького» продолжит говорить о книгах, напоминая нашим читателям, что в мире остается место мысли и вымыслу.

Владимир Сурдин. Просто космос. Задачи о межпланетных путешествиях. М.: Альпина нон-фикшн, 2026. Содержание

Нам, жителям Земли, невероятно повезло: время от времени мы наблюдаем солнечные и лунные затмения. Наше везение состоит в том, что видимые размеры лунного диска в точности соответствуют размерам солнечного. Это удивительно, ведь Луна, вообще говоря, понемногу удаляется от Земли. Но почему-то именно в нашу эпоху она находится на таком расстоянии от нас, что ее наблюдаемый размер идеально соответствует видимому размеру Солнца. Луна примерно в 400 раз меньше Солнца по физическому размеру, но и в 400 раз ближе к Земле. Поэтому угловые диаметры их дисков совпадают. И именно поэтому мы можем наблюдать солнечную корону. Для астрономов — настоящая удача! 

Вообще говоря, в астрономии есть три разных термина, описывающих ситуацию, когда два объекта в проекции совмещаются на небе. Мы используем тот или иной из этих терминов в зависимости от того, каков относительный угловой размер этих объектов. Если их угловые размеры близки друг к другу, мы называем это затмением; если более крупный объект перекрывает собой более мелкий, то это покрытие; когда же мелкий объект проходит на фоне крупного — это прохождение, или транзит. 

Теперь давайте разберемся, чем эти явления могут быть полезны и интересны нам. Покрытия — очень удобный способ измерять размер маленьких небесных объектов. Даже в лучшие телескопы мы вообще не различаем диаметры звезд без особых, очень сложных методов наблюдений: они слишком малы, намного меньше одной угловой секунды. Но если Луна, двигаясь по небу, своим краем закрывает какую-нибудь звездочку, та меркнет. И ее потемнение происходит не моментально, а в соответствии с теорией дифракции: когда источник света закрывают краем плоского экрана, его яркость для удаленного наблюдателя испытывает несколько колебаний и лишь затем окончательно обнуляется. Наблюдая покрытие звезды темным краем лунного диска, можно подобрать теоретическую кривую, подходящую к измеренным колебаниям яркости звезды, и вывести из этого угловой размер объекта. 

Астрономы регулярно этим занимаются, используя Луну как часть измерительного прибора, и определяют угловой размер звездных дисков с разрешением до 0,003˝ (под таким углом видна монета достоинством 1 рубль с расстояния 1400 км). Это очень высокая точность, которую каким-либо другим способом очень сложно достичь. К сожалению, Луна ходит не по всему небу, поэтому измерить размеры всех звезд методом покрытий мы не можем. Наш спутник движется вблизи плоскости эклиптики, примерно в пределах ±5° от нее, и именно в этой полосе угловые размеры звезд хорошо измерены. 

В нынешнем веке мы можем не только наблюдать за поведением Земли и Луны, но и видеть затмения и покрытия любых объектов Солнечной системы, если рядом с ними пролетают космические аппараты. Например, в 2015 г. мимо Плутона пролетал зонд New Horizons (NASA). Он сфотографировал планету с ночной стороны, и мы впервые увидели ее атмосферу. Когда диск Плутона закрыл собой Солнце, солнечные лучи просветили по краям планетного диска атмосферу этой карликовой планеты, позволив изучить ее свойства. 

А вот еще один замечательный пример — покрытие Солнца Сатурном. Обычно мы видим Сатурн вблизи его противостояния с Солнцем. Лучи Солнца освещают далекую планету «в лоб», и мы можем наблюдать ее анфас. При этом прекрасно видны кольца Сатурна, пустота между их внутренним краем и планетой. Но, когда первый искусственный спутник Сатурна «Кассини» (NASA) залетел за ночную сторону планеты, астрономы обнаружили, что между внутренним краем наблюдаемого с Земли кольца и планетой довольно много вещества и что оно тянется вплоть до верхней границы атмосферы. 

То, что это вещество незаметно в отраженном свете, но видно в рассеянном свете при контровом освещении, свидетельствует, что оно состоит из очень мелких частиц, 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. 

Пока непонятно, каким образом в кольце планеты происходит сепарация частиц вещества по их размеру и почему мелкие частицы оказались ближе к ее поверхности. 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, а точнее покрытия в качестве «прибора» для исследования. При этом контровое солнечное освещение выявило много новых деталей в структуре колец. 

А теперь вернемся к лунным и солнечным затмениям. Если бы Луна двигалась в плоскости эклиптики, то есть в плоскости земной орбиты, то и солнечные, и лунные затмения происходили бы регулярно одно за другим каждые две недели. Однако лунная орбита не лежит в плоскости эклиптики. Затмения как Луны, так и Солнца происходят лишь в те моменты, когда Луна проходит вблизи линии узлов своей орбиты, то есть пересечений ее орбитальной плоскости с плоскостью эклиптики (в которой всегда находится Солнце). Вблизи узлов для земного наблюдателя Луна проходит дважды в месяц, но для затмения нужно, чтобы в эти же моменты и Солнце тоже оказалось вблизи одного из узлов. Если это тот же узел, где находится Луна, то наблюдается солнечное затмение, а если противоположный — то лунное.

Происходит это не так уж часто: максимальное количество лунных затмений всех типов за год — четыре (например, столько их было в 2020 г. и столько же произойдет в 2038 г.), крайне редко — пять; минимальное — два. 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. Солнечное же наблюдают только те, кому посчастливилось попасть в узкую полосу на дневном полушарии, по которому пробегает маленькая (диаметром 250– 270 км) лунная тень. 

Любопытно, что солнечное и лунное затмения нередко «ходят парами». Этим явлением хитрые астрологи любят пугать доверчивую публику, объявляя, что «мир вошел в загадочный и фатальный коридор затмений». На самом деле в этом нет ничего загадочного. Луна от одного узла орбиты к другому перемещается быстро, за две недели, а Солнце медленно — за полгода. Поэтому Луна нередко успевает «перебежать» от одного узла к другому, пока Солнце еще не покинуло область первого узла. В этом случае мы наблюдаем солнечное, а через две недели и лунное затмения. Как видите, ничего фатального в этом нет. 

Лунные затмения 

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 солнечного диска. 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 — 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 тьма. Но неглубокое частное затмение Солнца, если заранее о нем не знать, вполне можно и пропустить. То же и с лунными затмениями: теневое затмение Луны выглядит эффектно, а полутеневое — невзрачно и почти незаметно. 

Длительность лунного затмения зависит от того, насколько глубоко в земную тень проникает Луна. Самые длительные затмения — центральные, когда центр диска Луны проходит через центр земной тени. При этом полное теневое затмение продолжается около двух часов. В его процессе Луна 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 (в течение нескольких часов), должна стать абсолютно невидимой. Но этого не происходит: она все же немножко видна, окрашенная в темнобагровые тона. Дело в том, что наш спутник подсвечивается солнечными лучами, прошедшими через земную атмосферу и преломившимися в ней. Голубая часть их спектра рассеивается в воздухе значительно сильнее, чем красная, и поэтому почти не попадает на Луну. Лучи из красной части спектра, преломившись из-за атмосферной рефракции, направляются в область геометрической земной тени и освещают лунную поверхность. 

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 астрономы активно использовали. 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 ваты, теплопроводность которых почти нулевая, температура поверхности падала бы быстро. Наблюдения показали, что в ходе затмения поверхность охлаждается быстро. Следовательно, она скорее «из пемзы или синтепона», 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. 

Солнечные затмения 

Еще более замечательные явления — затмения Солнца. Раньше только они позволяли увидеть внешнюю область солнечной атмосферы — корону Солнца. Физики испытали настоящий шок, когда в середине XX в. была измерена ее температура, ибо результаты оказались совершенно неожиданными. 

Что нам говорит нормальная физика? Что по мере удаления от источника тепла температура газа должна понижаться. Мы видим такие примеры сплошь и рядом. Источник тепла на Земле — ее поверхность, нагретая солнечными лучами. Поэтому, поднимаясь на самолете, мы наблюдаем, как окружающий воздух становится все холоднее; на высоте 10 км его температура составляет –50 °C. Все логично. Энергия Солнца рождается в его ядре и затем просачивается наружу, а значит, снаружи температура должна быть ниже. Действительно, в центре Солнца она составляет около 15 000 000 K, а на поверхности — 6000 K. Мы видим, что температура падает, но вдруг в области короны она опять начинает стремительно расти — до 2 000 000 К. С какой стати? Где источник энергии? В короне чрезвычайно разреженный газ, никакие ядерные реакции там не происходят. Вопрос оказался непростым, ответ на него нашли не сразу, и до сих пор он не является полным. Большую роль в исследовании солнечной короны сыграли работы советского астрофизика И. С. Шкловского. А начинал он с наблюдения солнечных затмений. 

Структура короны, как видите, немного напоминает картину расположения железных опилок, рассыпанных над двухполюсным магнитом. Ясно видно, что у Солнца есть один магнитный полюс сверху и другой снизу, а по бокам — замкнутые структуры; иногда они дипольные, иногда многополюсные. 

Благодаря затмениям не только были открыты и исследованы солнечная корона и лежащий под ней более плотный и прохладный слой — хромосфера, — но состоялись и другие важные открытия и наблюдения. В 1868 г. в спектре хромосферы обнаружились линии неизвестного в ту пору на Земле химического элемента — им оказался гелий. В спектре короны также обнаружились неизвестные линии, которые исследователи поторопились приписать новому элементу, назвав его коронием. Но это оказались линии железа при крайне высокой степени ионизации, недостижимой в ту пору в лаборатории. В 1918 г. затмение помогло подтвердить один из выводов общей теории относительности Эйнштейна: искривление лучей света в гравитационном поле, которое было продемонстрировано смещением изображений звезд вблизи солнечного диска. 

В обычное время, между затмениями, мы не видим корону Солнца, потому что ее яркость намного меньше яркости дневного неба рядом с солнечным диском. Однако в космосе этой проблемы нет. Телескопы некоторых космических обсерваторий снабжены специальным экраном, которым можно закрыть изображение солнечного диска. И тогда становятся видны околосолнечные окрестности: корона, протуберанцы, плотные потоки солнечного ветра, а также небольшие кометы — об их существовании обычно мы даже не догадываемся, ведь заметными они становятся, только когда пролетают вплотную к Солнцу. 

И вот на что важно обратить внимание! На частные фазы солнечного затмения (то есть когда солнечный диск еще не полностью закрыт лунным) нельзя смотреть через простые солнцезащитные очки, так как это недостаточно плотный светофильтр. Если у кого-то сохранились старые трехдюймовые дискеты, надо взять такую, отодвинуть заслонку и смотреть прямо через мягкий магнитный диск. Можно воспользоваться и зеркальной оберточной бумагой для цветов. Если сложить ее вдвое, то получится неплохой светофильтр для наблюдения Солнца. Хорошо подходят также сварочные маски и старые рентгеновские фотоснимки. 

При наблюдении затмения в бинокль или телескоп эти самодельные светофильтры должны располагаться перед объективом. Ни в коем случае их нельзя ставить после окуляра, поскольку поток света там очень плотный и фильтр может лопнуть, а осколки попадут в глаз. Только в тот момент, когда затмение становится полным и появляется корона, можно наблюдать ее без светофильтра. Иногда Луна нас подводит. Это происходит в случае, если затмение наблюдается, когда она находится в апогее своей орбиты и не способна перекрыть солнечный диск целиком. Тогда ее тень не дотягивается до поверхности Земли — мы видим кольцеобразное (иногда говорят «кольцевое») солнечное затмение. Это явление почти бесполезное: в течение всего затмения остается виден яркий край поверхности (фотосферы) Солнца, поэтому корона остается незаметной. Но польза от кольцеобразного затмения все-таки есть. Можно легко отследить моменты касания видимого диска Луны и видимого диска Солнца — всего четыре касания. Их регистрируют с высоким разрешением (до 1/1000 секунды), что позволяет проверять точность теории движения Луны и вращения Земли. 

На всей Земле в течение года можно наблюдать от двух до пяти солнечных затмений, из которых не более двух — полные или кольцеобразные. В среднем за 100 лет происходит 237 солнечных затмений, из них 160 — частные, 63 — полные, 14 — кольцеобразные. Через одну и ту же точку земной поверхности лунная тень проходит в среднем раз в 300 лет. То есть если не гоняться по планете за полными солнечными затмениями, а жить на одном месте, то шанс увидеть своими глазами солнечную корону невелик. 

Поскольку две трети поверхности земного шара покрыты океаном, путь лунной тени проходит в основном по поверхности воды. Но никто не наблюдает затмения с плавающего судна, так как для оптических приборов требуется устойчивая опора. Всегда выбирают область на суше. Но и здесь у астронома много требований: не должно быть густой растительности, сильного ветра, высоких гор, закрывающих горизонт… 

Если вы в момент затмения посмотрите на Землю из космоса, то сразу поймете, с какими трудностями сталкиваются ученые: лунная тень бежит по Земле, но она же ложится на облака, и наблюдатели, находящиеся в этот момент под облаками, не видят Солнца. Для преодоления этих проблем существует надежный вариант: нужно вести наблюдения с борта самолета, летящего над облаками в сторону движения лунной тени. В этом случае облачность уже точно не страшна — всё увидите, хотя путешествие это дорогое. 

А если у вас еще и очень быстрый самолет, то вы можете продлить удовольствие от созерцания и изучения солнечной короны: в вашем распоряжении будут не минуты, а часы. Когда появился гражданский сверхзвуковой самолет «Конкорд», один из первых его рейсов был специально организован для погони за лунной тенью. Такой лайнер способен ее догнать. Ведь Луна, а значит, и ее тень движется по орбите со скоростью около 1 км/с, а Земля вращается в ту же сторону, причем на экваторе со скоростью около 500 м/с. Значит, по поверхности Земли лунная тень бежит со скоростью от 1 км/с (в полярных областях) до 0,5 км/с (на экваторе). Поскольку диаметр лунной тени у Земли обычно не превышает 280 км, продолжительность полной фазы затмения для неподвижного наблюдателя, как правило, составляет не более 7 минут. А сверхзвуковой самолет, летящий со скоростью около 500 м/с, в районе экватора может сопровождать лунную тень в течение нескольких часов! 

Был такой случай и в моей астрономической карьере. Вместе с участниками комплексной аэрологической экспедиции мне посчастливилось наблюдать полное солнечное затмение 31 июля 1981 г. из кабины самолета Як-40 на высоте 7770 м. Мы взлетели с аэродрома города Тынды и направились на восток вдоль линии БАМ (некоторые еще помнят, что это Байкало-Амурская железнодорожная магистраль).

Скорость нашего самолета была около 500 км/ч (140 м/с), а лунная тень двигалась по земле со скоростью около 570 м/c. Поэтому если в самой Тынде затмение продолжалось 117 секунд, то на борту нашей летающей обсерватории оно продлилось около 155 секунд. По-видимому, это наибольшая длительность полной фазы затмения, наблюдавшаяся кем-либо в тот день. Впрочем, немногие тогда вообще смогли наблюдать это затмение, поскольку погода вдоль его трассы в основном была облачная. 

Впечатление от затмения у меня осталось очень яркое. За несколько секунд до наступления полной фазы было хорошо видно, как лунная тень двигается по верхней границе облачности. В момент полного затмения на абсолютно черном небе появилось много звезд и планет. Вдоль горизонта хорошо просматривалось красное заревое кольцо. 

Благодаря любезности пилотов я даже получил фотографии солнечной короны. Снимки были сделаны фотоаппаратом «Зенит-16» с объективом МТО-500 (светосила 1:8) на обратимую цветную фотопленку ORWO (UT 18) с выдержкой 1/15 секунды. Фотографировал с рук через верхнее стекло кабины пилотов. Качество снимков больше пострадало от наличия толстого стекла перед объективом, чем от вибрации или расфокусировки самого объектива. Разумеется, снимки, сделанные в хорошую погоду с поверхности Земли стационарной камерой, получаются значительно более качественными, особенно если их обработать специальными программами. 

Но обратите внимание: на снимках солнечного затмения поверхность Луны тоже видна, хотя прямые солнечные лучи на нее не попадают. Что же подсвечивает темную сторону нашего спутника? Это свет от Земли! В момент затмения обращенное к Луне полушарие планеты почти полностью освещено Солнцем, за исключением небольшого пятачка лунной тени. Отраженный от Земли свет уходит в сторону Луны, и мы видим ее ночное полушарие. Впрочем, и вне затмений это явление легко можно наблюдать. Если вы посмотрите на молодой месяц сразу после новолуния, то увидите, что темная часть лунного диска все-таки видна как бледно-серая. Это явление называется «пепельный свет Луны». 

Из-за отражения солнечного света от Земли на видимой стороне Луны, то есть на ее полушарии, постоянно обращенном к Земле, никогда не бывает полной ночи, а только яркий солнечный день и полутемная ночь, которую условно можно назвать «земной ночью». Наш земной шар довольно ярко освещает Луну. Здесь, на Земле, в полнолуние мы можем гулять без фонаря и даже читать при Луне крупный текст. А Земля на лунном небе занимает в 13 раз бо́льшую площадь и отражает солнечный свет в несколько раз лучше лунной поверхности (альбедо Земли примерно втрое больше, чем у Луны). Так что «земной ночью» поверхность видимого полушария Луны освещена так же ярко, как если бы на нее светили несколько десятков полных Лун. Будущим исследователям Луны не придется заботиться о ночном освещении, пока они будут работать на видимой стороне. Зато на обратной стороне Луны Земля не видна, и ночи там очень темные. Это вполне устраивает будущих астрономов, которые станут проводить там оптические и радионаблюдения.