Що таке сонячні та місячні затемнення?

Монета може закрити великий диск

Намалюй круг на світлому аркуші й поклади його перед собою. Заплющ одне око та піднеси до іншого монету так, щоб вона затулила намальований круг. Монета набагато менша за аркуш, але достатньо близько до ока може сховати весь малюнок. Якщо відсунути її далі, навколо неї з’явиться обідок паперового круга. Для цього досліду вистачить кімнатного освітлення; справжнє Сонце не потрібне.

Так ми розділяємо справжній розмір предмета й видимий розмір — яку ділянку нашого поля зору він займає. Місяць може затулити величезне Сонце завдяки відстані: Сонце приблизно в 400 разів ширше за Місяць, але й приблизно в 400 разів далі. Обидва диски займають на небі близько половини градуса. AAS: чому видимі розміри майже збігаються.

Сонце при цьому продовжує випромінювати. Змінюється шлях променів до певного спостерігача: непрозорий Місяць стає на заваді. Людина збоку може бачити частину сонячного диска або весь диск, хоча для тебе він закритий. Отже, вже в досліді з монетою є важлива підказка: затемнення залежить від того, звідки дивитися.

Хто стоїть посередині?

Під час молодика Місяць лежить приблизно в тому самому напрямку від Землі, що й Сонце. Якщо вирівнювання достатньо точне, порядок тіл такий: Сонце — Місяць — Земля. Місячна тінь потрапляє на Землю, а люди всередині неї бачать сонячне затемнення.

Під час повні Місяць перебуває з протилежного від Сонця боку Землі. Тепер можливий інший порядок: Сонце — Земля — Місяць. Земля перекриває сонячні промені, що мали б освітити Місяць, і виникає місячне затемнення. NASA: два види затемнень.

На парі схем знайди тіло посередині та простеж, куди воно відкидає тінь. У сонячному випадку спостерігач опиняється в тіні; у місячному — дивиться на затінений Місяць.

Чому довкола темної області є світліша? Сонце — протяжний світний диск. Уяви, що поступово відходиш від центра тіні вбік: спершу з-за перешкоди визирне край Сонця, потім відкриється більша частина. Між повною темрявою від прямого світла й повним освітленням є ціла область часткового покриття.

Область, де перешкода закриває весь сонячний диск, називають повною тінню, або умброю. Там, де видно частину Сонця, лежить півтінь, або пенумбра. Ці назви описують, скільки прямого сонячного світла перекрито, а не обіцяють абсолютну чорноту: далі ми побачимо роль атмосфери. NASA: умбра та півтінь.

Чому іноді лишається сонячне кільце

Тепер повернімося до монети й паперового круга. Навіть якщо центри збігаються, замала на вигляд монета не сховає весь круг. Так само важливий видимий розмір Місяця: його орбіта не ідеально кругова, тому відстань і розмір на небі змінюються.

Якщо Місяць достатньо великий на вигляд і повністю перекриває яскравий диск Сонця, спостерігач бачить повне сонячне затемнення. Тоді можна розгледіти корону — тьмяну зовнішню атмосферу Сонця, яку зазвичай губить сяйво його диска.

Якщо ж видимий Місяць менший, навколо нього залишається яскравий сонячний обідок: це кільцеподібне затемнення. Тут немає фази, коли весь яскравий диск приховано. Обідок — відкрита частина самого Сонця, а не корона. За неповного перекриття дисків збоку бачимо часткове затемнення. NASA: різновиди сонячних затемнень.

Умбра звужується й закінчується вершиною конуса. Якщо цей конус не досягає спостерігача, на його продовженні Місяць уже замалий на вигляд, щоб закрити весь диск: лишається кільце. Цю область за вершиною називають антумброю. NASA: тінь кільцеподібного затемнення.

Ця різниця має практичний наслідок: під час кільцеподібного затемнення захист для прямого погляду на Сонце потрібний увесь час. Кільце залишається небезпечно яскравим. NASA: безпека часткових і кільцеподібних затемнень.

Є також гібридні затемнення: уздовж однієї траси одні спостерігачі бачать кільцеподібну фазу, інші — повну. Коли умбра ледве досягає Землі, різниці відстаней до її вигнутої поверхні достатньо для зміни типу. Це наслідок геометрії всієї траси, а не окрема «гібридна» форма Сонця для одного ока. NASA: гібридний випадок.

Нахил, через який тіні промахуються

Усі попередні малюнки можуть підштовхнути до помилки: здається, що Сонце, Земля й Місяць завжди лежать на одному пласкому столі. Насправді площина місячної орбіти нахилена приблизно на 5,1° до площини земної орбіти навколо Сонця. Цю опорну земну площину називають площиною екліптики. Нахил місячного шляху — окрема величина; його не слід плутати з нахилом земної осі, що пояснює пори року. NASA GSFC: площина місячної орбіти, §4.4.

Уяви два обручі зі спільним центром, один з яких трохи нахилений. Вони перетинаються у двох протилежних місцях. На місячній орбіті два місця переходу через опорну площину називають вузлами. В інші моменти Місяць розташований над нею або під нею. Обручі показують відношення площин, а не справжні розміри орбіт Землі та Місяця.

Тому більшість молодиків проходить із Місяцем трохи вище чи нижче Сонця на нашому небі: його тінь минає Землю. На більшості повень Місяць так само минає земну тінь. Фаза дає потрібний бік Землі, але не гарантує потрібної висоти.

Затемнення можливе, коли молодик або повня припадає поблизу вузла. Не обов’язково точно в ньому: і тіла, і тіні мають ненульову ширину. Коли напрямок на Сонце сприятливо орієнтований відносно вузлів, настає сезон затемнень. Такі сприятливі періоди повторюються приблизно раз на пів року. Це вікна можливості для затемнень, а не обіцянка спостереження з конкретного міста. NASA GSFC: сезони затемнень, §1.1.

Повня є. А чи буде затемнення?

Погляньмо вздовж земної тіні, ніби із Землі в бік повного Місяця. У перерізі умбра має вигляд темного круга, а півтінь оточує її світлішою областю. Це карта розташування зон у просторі, не зображення того, наскільки яскравим буде Місяць.

Початково центр Місяця лежить на осі тіні. Передбач: якщо підняти його на 2° над площиною земної орбіти, зберігаючи положення біля повні, чи залишиться затемнення? Пересувай повзунок або послідовно вибери чотири готові положення. Стеж за цілим диском, а не тільки його центром.

При 0° маємо повне місячне затемнення: увесь Місяць уміщується в умбрі. При 0,9° частина диска виходить із неї — затемнення часткове. При 1,3° Місяць уже не входить в умбру, але зачіпає півтінь: затемнення півтіньове. При 2° обидві області залишаються осторонь. Це контрольні стани нашої спрощеної моделі, а не універсальні пороги для справжніх затемнень.

На реальному небі півтіньове затемнення може виглядати лише як слабке потемніння. Різкий темний «укус» часткового місячного затемнення з’являється, коли поверхня входить саме в умбру. NASA: повне, часткове й півтіньове місячні затемнення.

Переведи повзунок до −2°. Результат знову — промах, тепер з іншого боку площини. Повня визначає взаємний напрямок тіл, а для затемнення важливе ще й просторове суміщення. Саме цю умову приховує звичайна пласка картинка фаз. Повзунок не змінював нахил усієї орбіти: він порівнював різні можливі висоти Місяця біля повні.

Чому одним треба їхати за тінню, а іншим — ні

При сонячному затемненні кожен спостерігач дивиться на Сонце зі своєї точки. Маленький слід умбри рухається поверхнею Землі, утворюючи вузьку смугу повної фази. У ширшій області півтіні водночас видно лише часткове покриття. Ще далі Сонце виглядає звичайно. Тому повідомлення «сьогодні повне сонячне затемнення» не означає повну фазу у твоєму місті. NASA: тінь і видимість із різних місць.

При місячному затемненні затінено сам Місяць. Щоб побачити подію, потрібні Місяць над горизонтом і придатні умови спостереження. Не треба потрапляти у вузький слід на поверхні Землі: люди з великої частини планети спостерігають той самий затінений диск. Але поблизу сходу чи заходу Місяця частина події може пройти за горизонтом. NASA: спостереження місячного затемнення.

Тепер можна перевірити початкову загадку без формул. Молодик і повня регулярно повертають Місяць на потрібний бік Землі. Сонячне затемнення потребує місячної тіні на Землі; місячне — Місяця в земній тіні. Нахил орбіти зазвичай розводить тінь і ціль по висоті. Саме тому календар фаз не є календарем затемнень.

Як перевірити передбачення й зберегти зір

Місячне затемнення можна спостерігати неозброєним оком без сонячних фільтрів. Із Сонцем інші правила: часткове закриття не робить його світло безпечним. NASA: спостереження Місяця, безпека спостереження Сонця.

Для прямого погляду оком потрібні спеціальні окуляри або ручний сонячний екран, що відповідають ISO 12312-2, від надійного постачальника. Звичайні сонцезахисні окуляри не придатні. Перед використанням перевір фільтр: пошкоджений, подряпаний або порваний слід відкинути. Надягни його до того, як подивишся на Сонце, а перед зняттям відвернися. Дітям потрібен нагляд. NASA: правила для сонячних фільтрів, AAS: надійні постачальники.

Не дивись крізь нефільтрований бінокль, телескоп чи камеру, навіть в окулярах для затемнення. Зібране оптикою світло може пошкодити такий фільтр і очі. Оптичним приладам потрібні призначені для них сонячні фільтри, надійно закріплені перед об’єктивом; їх вибір і встановлення узгодь із фахівцем. AAS: безпечне використання оптики.

Виняток для погляду неозброєним оком — лише коротка повна фаза всередині смуги повного затемнення, коли весь яскравий диск Сонця справді закритий. До й після неї фільтр обов’язковий; щойно яскравий край починає повертатися, знову закрий очі фільтром. Під час часткового або кільцеподібного затемнення такого винятку немає. Якщо не впевнений у місці та фазі, спостерігай проєкцію. AAS: точні умови винятку.

Для проєкції стань спиною до Сонця, пропусти світло крізь малий отвір у картоні й дивись на зображення на іншому світлому аркуші. Не дивись у сам отвір. Передбач, яку форму матиме проєкція під час часткової фази: попри круглий отвір, у ній з’явиться сонячний серп — Місяць закрив частину джерела світла. AAS: проєкція через малий отвір.

Обери подію за календарем NASA і перевір карту видимості для свого місця. Для місячного затемнення спробуй передбачити, чи весь диск зайде в умбру; для сонячного — чи ти взагалі перебуватимеш у центральній смузі. Якщо затемнення поки не видно, повернися до досліду з фазами Місяця: зміна видимої освітленої частини й проходження крізь чужу тінь тепер мають бути двома зрозумілими, різними явищами.