Задачи астрономов во время наблюдений солнечных затмений (от 20-х годов ХХ века до наших дней)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНІВЕРСИТЕТ им. Т. Г. Шевченко

Физический факультет, кафедра астрономии

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ТЕМА:

Задачи астрономов во время наблюдений солнечных затмений

(от 20-х годов ХХ века до наших дней)

Подготовил: студент V курса

Группа 105 АМ

Тарасов Максим

Киев 2010

План

1.  Вступление.

2.  Ранний период постановки задач (ХХ век).

3.  Задачи, решаемые при наблюдениях солнечных затмений на современном этапе развитии науки.

4.  Литература.

1. Вступление

Наблюдения затмившегося Солнца представляют исключительное научное значение.

Весьма многочисленны те научные вопросы, для разрешения которых астрономы организуют экспедиции в полосу полных солнечных затмений, отправляясь подчас в далёкие путешествия. С течением времени встают всё новые задачи, а старые уточняются и усложняются. Невозможно в пределах небольшой книжки даже кратко рассказать обо всём том, что исследуется во время затмения, и поэтому мы остановимся только на некоторых основных задачах.

Чтобы полностью использовать то небольшое число секунд, когда Солнце закрыто диском Луны, астрономы в широкой степени применяют фотографию. Наблюдения глазом (визуальные наблюдения) являются недостаточными, они уступили место фотографическим наблюдениям. С разнообразными приборами астрономы стараются получить как можно больше хороших фотографий во время затмения; очень часто, работая у своих инструментов, они бывали лишены возможности бросить хотя бы один взгляд на ту изумительную по красоте картину, которую представляет затмившееся Солнце, окружённое нежно светящейся короной. Но астрономы бывают полностью удовлетворены, если их предварительные планы осуществляются и наблюдения проходят удачно. Несколько месяцев, а иногда и годы после затмения идёт детальное изучение снимков, которые были получены в течение 2—3 минут полной фазы затмения. Изучение этих снимков и других материалов проводится в лабораториях, и здесь уже делаются новые открытия и дальнейшие шаги к выяснению строения Солнца.

2. Ранний период постановки задач (ХХ век)

Проблемы изучения солнечных затмений можно разделить на четыре группы: I. Определение поправок к таблицам движения Луны и Солнца. II. Изучение внешних оболочек Солнца — короны и хромосферы. III. Изучение строения земной атмосферы. IV. Изучение эффекта Эйнштейна.

I. Одной из старейших задач наблюдения солнечных затмений является определение точных положений Луны, нахождение поправок к её предвычиеленному положению. Движение Луны астрономы изучили очень хорошо; они предвычисляют её путь на много времени вперёд, но Луна всё-таки не абсолютно точно следует по своей теоретической орбите.

Движение Луны очень сложно, так как зависит не только от притяжения Земли и Солнца, но подвержено возмущениям в результате притяжения других планет. Выразить его математическими формулами очень трудно. Для предвычислений положения Луны составлены очень точные таблицы, но и они нуждаются в проверке по наблюдениям и в исправлениях. Также, хотя и в меньшей степени, нуждаются в проверке и исправлениях таблицы видимого движения Солнца, что обусловлено возмущениями движения Земли вокруг Солнца.

Во время затмений представляется благоприятный случай подметить отклонения в движениях Луны и Земли и на основании этого дать материал для исправления теории.

Если производить фотографирование частных фаз затмения, когда Солнце имеет вид серпа, и при этом с максимальной точностью отмечать моменты фотографирования, то, измеряя серпообразные изображения Солнца, можно найти поправки движения Луны.

Для этих же целей могут служить наблюдения моментов контактов, т. е. моментов соприкосновения края диска Луны с краем солнечного диска. В последнее время моменты контактов стараются получить, используя кинематографические и видеонаблюдения.

Ошибки в предсказании контактов солнечных затмений могут достигать нескольких (до 4—5) секунд. Задача может быть разрешена и путём определения границы полосы полной фазы на земной поверхности.

II. Но наибольшее внимание теперь обращается на изучение внешних оболочек Солнца: хромосферы и короны. Несмотря на успехи, достигнутые в области внезатменных исследований короны, до сего времени во всех деталях корона может наблюдаться только во время полного затмения. Корональные лучи и вся внешняя часть короны с характерным тонким строением на снимках вне затмения не выходят. Поэтому во время затмения производятся снимки короны разнообразными инструментами. По полученным фотографиям короны изучаются детали её строения, форма и движение её лучей, измеряется её яркость в различных точках.

Размеры и устройство фотографических камер, предназначенных для съёмки короны, весьма различны. В далёкое путешествие для наблюдения затмения нельзя взять какой-нибудь из крупных инструментов обсерватории: он был бы слишком тяжёл для перевозки, а на сборку и налаживание его пошло бы слишком много времени. Да и кроме того, большие телескопы изготовляются для определённой обсерватории и часто не годятся для установки в другом месте (из-за разности широт). Экспедиционные приборы должны быть лёгкими, быстро устанавливаться и, не являясь столь устойчивыми, как постоянные телескопы, должны работать безотказно лишь в течение недолгого времени затмения.

По рис. 1 можно получить представление о коронографах, используемых советскими астрономами — камерах для фотографирования короны. Для того чтобы получить крупное изображение Солнца и короны, объектив коронографа делается длиннофокусным. В его фокусе, где получается изображение, ставится фотографическая пластинка, которая запечатлевает корону во время затмения.

Рис.1

Наибольшие из современных коронографов достигают длины до 18 и более метров. Поперечник изображения Солнца в фокусе такой камеры равен 16 см. Существеннейшей частью коронографов является целостат, т. е. зеркало, вращаемое часовым механизмом, которое ставится перед объективом и направляет лучи Солнца в длинную неподвижную трубу коронографа, установленную горизонтально.

Работы по изучению внешних оболочек Солнца очень многообразны, но мы выделим основные задачи исследования:

1)  изучение природы частиц и физического состояния солнечной короны;

2)  определение плотности коронального вещества;

3)  исследование физического состояния вещества в хромосфере и обращающем слое и природы их свечения;

4)  изучение сил, действующих на Солнце.

1. Чтобы изучить, что представляют собой частички вещества солнечной короны и в каком состоянии они находятся, надо исследовать, светятся ли они рассеянным светом Солнца или благодаря собственному излучению, как зависит рассеяние света от длины волны, поляризован ли свет короны и как именно. Многое уже известно, но задача решена не полностью, и нужны дальнейшие наблюдения. Для этого проводят спектральные, фотометрические и поляриметрические наблюдения.

Теперь известно, что не во всех областях короны состав вещества один и тот же. Над возмущёнными, активными областями солнечной поверхности во внутренней короне наблюдаются собственное излучение короны (яркие линии в спектре) и отражённый — рассеянный свет Солнца (непрерывный спектр); в спокойных областях собственное излучение короны отсутствует (так, в спектре полярных лучей короны ярких линий нет).

Чрезвычайно важным поэтому является исследование спектра короны, что производится с помощью светосильных спектрографов. Во время затмения 19 июня 1936 г. советский астрофизик акад. Г. А. Шайн с помощью мощных спектрографов получил прекрасные фотографии спектра короны. Детальное изучение их дало Г. А. Шайну возможность определить точные длины волн многих спектральных линий короны. Последнее является весьма важным, так как для решения вопроса о природе корональных линий знание точных длин волн имеет решающее значение. Только в самое последнее время наука выяснила природу большинства корональных линий.

Однако дальнейшее изучение этого вопроса продолжает оставаться одной из важных и интереснейших проблем гелиофизики — науки о физической природе Солнца.

По своим спектрограммам Г. А. Шайн изучил интенсивность ярких корональных линий, в зависимости от расстояния от края Солнца. В первую очередь это касалось наиболее интенсивных зелёной линии с длиной волны 5303 А и красной линии с длиной волны 6374 А. Данные Г. А. Шайна позволили найти, как распределяются в короне высокоионизованные атомы, вызывающие появление этих корональных линий.

Непрерывный спектр короны может дать сведения о природе частиц, рассеивающих солнечный свет.

Г. А. Шайн измерил на своих пластинках положение и интенсивность многих фраунгоферовых линий в непрерывном спектре внешней короны.

Богатый спектральный материал дали наблюдения полного солнечного затмения 25 февраля 1952 г. На спектрограммах, полученных Н. Н. Парийским во время этого затмения со светосильным спектрографом оригинальной конструкции, ясно обнаруживается различие спектра короны над спокойными и возбуждёнными областями солнечной поверхности.

В вопросе о физическом состоянии вещества солнечной короны и природе её свечения ещё много невыясненного. Каковы, например, условия ионизации вещества и какова степень ионизации в различных областях короны и на различной высоте? Ширина и контуры спектральных линий указывают на условия свечения. Здесь особенно важно проводить исследования для определённых областей короны, так как над возмущёнными и над невозмущёнными областями солнечной поверхности условия свечения коронального вещества разные.

Важный вопрос о поляризации света солнечной короны изучался во время затмений 1936, 1941 и 1952 гг. экспедициями Абастуманской обсерватории. Эти наблюдения показывают, что наибольшая степень поляризации света короны соответствует мощным корональным потокам над протуберанцами (так называемым шлемам 1-го типа). В других областях степень поляризации света порядка 50% и меньше и не зависит от длины волны, что соответствует рассеянию света свободными электронами.

Усиление непрерывного спектра в отдельных областях и данные поляриметрических наблюдений свидетельствуют о большом числе свободных электронов во внутренней короне.

Что касается пылеобразного вещества, производящего фраунгоферовы линии в спектре короны, то оно, по последним данным, не принадлежит самому Солнцу, а заполняет всё межпланетное пространство. Однако этот вопрос требует дальнейшего уточнения.

Интересно получить суммарный спектр кольцевых зон, соответствующих внутренней, средней и внешней короне. Подчёркиваем, что в настоящее время важно исследовать природу вещества отдельных участков солнечной короны.

Очень интересен вопрос о переходе хромосферного вещества, в частности облаков-протуберанцев, в корональное вещество; иногда выброшенный протуберанец распадается — диссипирует, переходя в корональное вещество, а иногда выброшенная масса, не падая обратно и не диссипируясь, просто перестаёт светиться и становится едва заметной или вовсе исчезает. Каковы причины этого явления?

Наконец, в короне были обнаружены тёмные лучи, которые не светятся в тех длинах волн, к которым чувствительна фотографическая пластинка. Эти лучи тёмными полосами пересекают находящиеся за ними корональные образования.

Для решения поставленных задач применяется разнообразная аппаратура: призменные камеры, щелевые и бесщелевые светосильные спектрографы.

Призменная камера, т. е. камера, перед объективом которой ставится призма, позволяет получить спектр хромосферы и самой внутренней короны. На спектрограммах получаются изображения хромосферы и внутренней короны в линиях излучения в виде серпов и колец (в зависимости от фазы затмения) и фон непрерывного спектра.

Такие спектрограммы важно получить для полярных областей хромосферы и короны. Для этого надо наблюдения производить не из центра, а с края полосы полной фазы затмения, ориентировав призму соответствующим образом. Минимум солнечной активности благоприятствует получению спектрограмм полярных областей короны.

Для изучения условий свечения вещества особенно важно получать спектрограммы с щелевыми спектрографами. При этом надо точно знать, как установлена щель спектрографа, к какой области хромосферы и короны относятся спектрограммы.

Для получения спектра короны применяются ещё небулярные бесщелевые спектрографы. Эти спектрографы дают несколько осреднённый спектр короны, т. е. спектр от значительной площадки короны, но являются светосильными и позволяют изучить слабые спектральные линии.