Со́лнечное затме́ние — астрономическое явление, при котором Луна полностью или частично покрывает Солнце на некоторое время при наблюдении с определённой части Земли. Солнечные затмения происходят только в новолуние, причём из-за наклона орбиты Луны к плоскости эклиптики они случаются не в каждое новолуние, а только от 2 до 5 раз в год, когда Луна в новолунии оказывается вблизи узла своей орбиты.
Солнечные затмения делятся на полные, частные, кольцеобразные и гибридные. При полном затмении где-либо на Земле можно наблюдать полное покрытие Солнца Луной, при частном полного покрытия не наблюдается нигде. При кольцеобразном затмении полного покрытия также не происходит, но, в отличие от частного затмения, где-либо на Земле можно наблюдать, как Луна оказывается на фоне диска Солнца и не может закрыть его целиком, имея меньший угловой размер, чем у Солнца. При гибридном затмении на Земле есть области, где в какой-то момент затмение наблюдается как кольцеобразное, а в другое время в других областях — как полное.
Стадию полного затмения можно наблюдать с Земли не при каждом солнечном затмении. Кроме того, она наблюдается лишь с небольшой части поверхности Земли, хотя частные фазы можно наблюдать из области гораздо большего размера. В определённой точке Земли полные солнечные затмения повторяются в среднем раз в несколько столетий, а сама полная фаза может наблюдаться не более семи с половиной минут.
В солнечных затмениях присутствует определённая, хотя и не точная, периодичность, описываемая циклами затмений. Наиболее известным циклом затмений является сарос — промежуток времени немногим дольше 18 лет, с которым затмения повторяются почти в том же порядке, с похожими параметрами. За длительные промежутки времени параметры солнечных затмений изменяются, что связано, в частности, с изменением параметров орбит Земли и Луны.
Во время солнечных затмений может наблюдаться ряд эффектов. В точке, где происходит затмение, небо темнеет, хотя и не так сильно, как ночью, и резко понижается температура окружающей среды. При полном затмении становятся видны солнечная хромосфера и корона. На границе полной фазы затмения можно заметить такие эффекты, как чётки Бейли и бриллиантовое кольцо. Во время частной фазы изменяется вид теней, а при приближении к полной фазе могут наблюдаться теневые волны. Животные и растения чаще всего реагируют на полное затмение как на наступление ночи и могут испытывать беспокойство.
Описание явления
При солнечном затмении на части поверхности Земли наблюдается частичное или полное покрытие диска Солнца диском Луны. Иными словами, полутень или тень Луны проходит по части поверхности Земли. Это возможно, когда Луна оказывается точно между Землёй и Солнцем, то есть только в новолуние, причём не в каждое, а только тогда, когда Луна оказывается вблизи плоскости эклиптики.
Часть пространства, в которой Луна закрывает весь свет от Солнца, называется тенью, она имеет форму конуса, а наблюдатель в тени видит стадию полного солнечного затмения. Та часть, в которой свет Солнца закрыт Луной частично, называется полутенью, а наблюдатель в полутени видит стадию частного затмения. Также используется понятие «антитень» () — это область, которая представляет собой продолжение тени в область, более далёкую, чем вершина конуса лунной тени. Для наблюдателя в антитени Луна не покрывает диск Солнца полностью из-за меньшего углового размера, а находится целиком на его фоне. Таким образом, часть диска Солнца, не закрытая Луной, приобретает форму кольца, и наблюдатель видит стадию кольцеобразного затмения.
Угловые размеры Луны и Солнца почти совпадают, при этом орбиты и Земли вокруг Солнца, и Луны вокруг Земли — эллиптические, так что расстояние от Земли до Луны и до Солнца меняется. Вследствие этого угловые размеры Луны могут оказываться больше или меньше угловых размеров Солнца, а при затмениях вершина конуса лунной тени может доходить, а может и не доходить до Земли. В любом случае диаметр сечения конуса лунной тени на поверхности Земли не может превышать 270 км, поэтому в определённый момент времени стадия полного солнечного затмения видна только в области небольшого размера. Диаметр полутени вблизи Земли значительно больше и составляет около 6400 км — из области, на которую попадает полутень, можно наблюдать частные фазы, и чем ближе наблюдатель в полутени к оси конуса тени, тем бо́льшая часть диска Солнца будет закрыта Луной для наблюдателя. При некоторых затмениях только полутень падает на поверхность Земли, а конус тени и антитень проходят мимо неё, и на Земле можно видеть только стадию частного затмения.
На других планетах Солнечной системы (кроме Меркурия и Венеры, так как у них нет спутников) также возможны солнечные затмения: кольцеобразные затмения на Марсе и полные затмения на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Плутоне тоже возможны полные затмения. Кроме того, возможны полные затмения Солнца Землёй на Луне (при этом в этот момент с Земли наблюдаются лунные затмения) и на других спутниках Солнечной системы, когда те оказываются в тени своей планеты.
Процесс затмения
Из-за движения Луны и вращения Земли область, где видно затмение, перемещается с запада на восток. Часть поверхности Земли, на которой в течение затмения можно в какой-то момент наблюдать полную фазу, имеет вид полосы, которая может достигать в длину нескольких тысяч километров и называется полосой тени.
При наблюдении из определённой точки солнечное затмение начинается с западного края диска Солнца. В начале затмения на нём появляется ущерб, который имеет размер и форму дуги окружности диска Луны. Со временем ущерб увеличивается, а Солнце принимает форму тонкого серпа. Если Солнце оказывается полностью покрыто Луной, то начинается стадия полного затмения либо, если Луна оказывается полностью на фоне диска Солнца, — стадия кольцеобразного затмения. После окончания полной или кольцеобразной фазы Луна сходит с диска Солнца, тонкий серп Солнца увеличивается, и в конце концов затмение заканчивается.
В определённой точке стадия полного затмения может наблюдаться не более 7 минут 32 секунд, а чаще всего — 2—3 минуты. Стадия кольцеобразного затмения может наблюдаться примерно до 12 с половиной минут. Всё затмение целиком, включая частные фазы, может длиться до 3,5 часов. Момент начала частного затмения называется первым контактом, момент начала полной или кольцеобразной фазы — вторым контактом, а момент её окончания — третьим. Момент окончания частного затмения называется четвёртым контактом.
Классификация
Наблюдателем в определённый момент в определённой точке могут отмечаться частная, полная или кольцеобразная фазы затмения. Похожим образом можно классифицировать и затмения в целом. Затмение называют частным, если в течение затмения нигде на Земле нельзя наблюдать полную или кольцеобразную фазу затмения, а видна только частная. Соответственно, затмение называют полным, если во время затмения где-то на Земле можно наблюдать полную фазу, и кольцеобразным — если где-то можно наблюдать только кольцеобразную фазу. Также существует более редкий тип — гибридные затмения, также известные как кольцеобразно-полные, при которых в какой-то момент времени можно наблюдать полную фазу, а в другой момент — кольцеобразную. Полные, кольцеобразные и гибридные затмения также объединяют общим термином «теневые затмения».
Другой критерий классификации основан на том, проходит ли ось конуса лунной тени через Землю. При нецентральном затмении ось конуса лунной тени проходит мимо Земли, так что все частные затмения являются нецентральными. При этом не все нецентральные затмения являются частными: возможна ситуация, когда ось конуса лунной тени проходит вблизи поверхности Земли, и сам конус тени или антитени «задевает» Землю — в этом случае происходит полное, кольцеобразное или гибридное затмения. Такой частный случай называется односторонним нецентральным затмением (). При центральных затмениях ось конуса лунной тени пересекает Землю, поэтому все такие затмения являются полными, кольцеобразными или гибридными. Частный случай центрального затмения — одностороннее центральное затмение (), при котором часть конуса тени или антитени проходит мимо Земли. В среднем 35 % солнечных затмений оказываются частными, 27 % полными, 33 % кольцеобразными и 5 % ― гибридными.
Параметры затмений
Геометрия затмения
Расстояние от Земли до Луны меняется в пределах от 356,4 до 406,7 тыс. км, а от Земли до Солнца — от 147,1 до 152,1 млн км. Ближе всего к Солнцу Земля оказывается каждый год 3—4 января, а дальше всего от Солнца — 4—5 июля. Таким образом, в среднем Луна примерно в 390 раз ближе к Земле, чем Солнце, и в 400 раз меньше: средний радиус Луны составляет 1737 км, а Солнца — 695,7 тыс. км. Поэтому угловые размеры Солнца и Луны при наблюдении с Земли очень близки, причём в зависимости от условий угловой размер Луны может быть как больше, так и меньше, чем у Солнца. Угловой размер Луны варьируется от 29′23″Символ ′ обозначает минуты дуги, символ ″ — секунды дуги. до 33′32″, если отсчитывать его из центра Земли, однако с учётом того, что наблюдатель находится на поверхности Земли, радиус которой составляет 6371 км, расстояние до Луны может быть меньше на эту величину, а угловой размер Луны может достигать 34′09″. Угловой размер Солнца варьируется от 31′28″ в афелии до 32′32″ в перигелии.
Таким образом, если Луна относительно близко к Земле, а Солнце далеко, то угловой размер Луны превышает угловой размер Солнца, и происходит полное солнечное затмение. Наоборот, если Луна относительно далеко, а Солнце близко, то угловой размер Луны меньше, чем у Солнца, и происходит кольцеобразное затмение. Можно выразить это другим образом: длина конуса лунной тени в среднем составляет 374 тыс. км, так что вершина конуса лунной тени не всегда достигает поверхности Земли. В случае если Луна оказывается на максимальном расстоянии, а Солнце ― на минимальном, то конус лунной тени не доходит до центра Земли на 39,4 тыс. км, угловые размеры Луны оказываются значительно меньше, чем у Солнца, и может произойти кольцеобразное затмение. Если Луна на минимальном расстоянии, а Солнце на максимальном ― то конус лунной тени «заходит» за центр Земли на 23,5 тыс. км, и для наблюдателей на поверхности Земли может произойти полное затмение.
Гибридные солнечные затмения, при которых где-то на Земле наблюдается полное затмение, а где-то ― кольцеобразное, происходят из-за того, что поверхность Земли имеет кривизну. Может произойти так, что вершина конуса лунной тени во время части затмения достигает поверхности Земли, а в остальное время ― не достигает. В большинстве случаев кольцеобразная фаза наблюдается в начале и в конце затмения, а полная фаза ― в середине, но возможно и такое, что в начале затмения наблюдается кольцеобразная фаза, а в конце ― полная, или наоборот.
Для расчёта и прогнозирования условий наблюдения солнечных затмений на Земле используются , которые названы так в честь немецкого математика и астронома Фридриха Бесселя. Элементы Бесселя описывают движение тени Луны на специально выбранной плоскости, называемой фундаментальной. Эта плоскость проходит через центр Земли и перпендикулярна линии, соединяющей центры Земли и Луны. Одним из преимуществ выбора этой плоскости является то, что сечение конуса тени этой плоскостью всегда представляет собой круг, и отсутствует искажение перспективы. На практике для описания солнечных затмений часто используются элементы Бесселя, опубликованные Центром космических полётов Годдарда НАСА в полиномиальной форме.
Максимальное затмение