Рис. 2. Движение Земли вокруг Солнца (66,5°— наклон оси Земли, 23,5° — наклон экватора к эклиптике)

Вращающаяся вокруг своей оси Земля движется вокруг Солнца по пути, лежащему в плоскости земной орбиты VLWF. Ее историческое название — плоскость эклиптики. По эклиптике происходит видимое годичное движение Солнца. К плоскости небесного экватора эклиптика наклонена под углом 23°27′ ≈ 23,5°; она пересекает его в двух точках: в точке весеннего (Т) и точке осеннего (^) равноденствий. В этих точках Солнце в своем видимом движении переходит соответственно из южного небесного полушария в северное (20 или 21 марта) и из северного полушария в южное (22 или 23 сентября).

Только в дни равноденствий (два раза в году) лучи Солнца падают на Землю под прямым углом к оси ее вращения и поэтому только два раза в году день и ночь длятся по 12 часов (равноденствие), а все остальное время года или день короче ночи или наоборот [11]. Причиной этого является то, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости эклиптики, а наклонена к ней под углом 66,5° (рис. 2).

Движение Луны вокруг Земли по ряду причин является весьма сложным. Если Землю принять за центр, то орбиту Луны в первом приближении можно считать эллипсом с эксцентриситетом

e = √ (a² — b²) / a = 0,055,

где а и Ь — соответственно большая и малая полуоси эллипса. Когда Луна находится в наибольшей близости к Земле в перигее, ее расстояние от поверхности Земли составляет 356 400 км, в апогее это расстояние увеличивается до 406 700 км. Среднее же ее расстояние от Земли равно 384 000 км.

Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики под углом 5°09′; точки пересечения орбиты с эклиптикой называются узлами, а прямая, их соединяющая, — линией узлов. Линия узлов перемещается навстречу движению Луны, совершая полный оборот за 6793 суток, что составляет около 18,6 лет.

Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел называется драконическим месяцем; его продолжительность равна 27,21 средних солнечных суток (см. § 5).

Поскольку линия узлов не остается на месте, Луна по истечении месяца не возвращается точно к своему первоначальному положению на орбите и каждое следующее обращение ее происходит по несколько иному пути.

По отношению к звездам полный оборот по своей орбите вокруг Земли [12] Луна совершает за 27,32 средних солнечных суток. Этот промежуток времени называется сидерическим (иначе звездным; sidus — по-латыни «звезда») месяцем; по прошествии этого месяца Луна возвращается к одной и той же звезде.

Обращаясь вокруг Земли, Луна занимает различные положения относительно Солнца, и поскольку она представляет собой темное тело и светит лишь благодаря отражаемым ею солнечным лучам, то при разных положениях Луны относительно Солнца мы видим ее в разных фазах.

Рис. 3. Фазы Луны

Схематически лунные фазы показаны на рис. 3. На орбите изображена Луна (освещенная Солнцем наполовину) в различных положениях относительно Земли, а снаружи от орбиты показаны разные фазы Луны, как они видны с Земли.

Когда Луна при своем движении вокруг Земли окажется между Солнцем и Землей (положение 1), то к Земле будет обращена ее неосвещенная часть и в этом случае с Земли она не будет видна. Такая фаза Луны называется новолунием. Если Луна окажется в положении прямо противоположном Солнцу (положение 5), то часть ее, обращенная к Земле, будет полностью освещаться Солнцем, и Луна будет видна с Земли в виде полного диска. Эта фаза Луны называется полнолунием. Когда Луна окажется в положении 3 или 7, то в это время направления на Солнце и Луну составят угол в 90° и поэтому с Земли будет видна только половина ее освещенного диска. Эти фазы Луны называются соответственно первой четвертью и последней четвертью.

Через два-три дня после новолуния Луна окажется в положении 2, и тогда по вечерам при заходе Солнца будет видна освещенная часть лунного диска в виде узкого серпа. После первой четверти, по мере приближения Луны к полнолунию, которое наступает примерно через 15 суток после новолуния, освещенная часть ее с каждым днем будет увеличиваться, а после полнолуния размер освещенной части Луны, наоборот, будет постепенно уменьшаться, вплоть до следующего новолуния, когда она опять окажется полностью невидимой.

Для практических целей часто пользуются периодом повторения лунных фаз (например, от новолуния до новолуния). Этот период времени, называемый синодическим месяцем, составляет в среднем около 29,5 средних солнечных суток. Периодическую смену фаз Луны люди и использовали как вторую меру времени (после суток — периода оборота Земли вокруг своей оси), а именно месяц.

В своем видимом суточном движении по небесной сфере любое небесное тело оказывается в высшей или низшей точке своего пути. Эти моменты называются кульминациями — соответственно верхней и нижней (про небесное тело говорят, что оно кульминирует). В момент кульминации светило пересекает небесный меридиан — большой круг небесной сферы ZPVQZ'P'WQ' (рис. 1), плоскость которого проходит через ось мира РР' и отвесную линию.

Луна в течение месяца кульминирует в разные часы. В новолуние это происходит в 12 часов, в первой четверти — около 18 часов, в полнолуние — в 0 часов, а в последней четверти — в 6 часов.

Для измерения малых и больших промежутков времени пользуются естественными единицами времени, которые связаны с основными астрономическими явлениями. Малые промежутки времени — сутки, час, минута, секунда — связаны с вращением Земли вокруг своей оси, а большие — с обращением Земли вокруг Солнца. В основе счета больших промежутков времени лежит тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия.

Из астрономических наблюдений установлено, что тропический год равняется 365 дням 5 часам 48 минутам 46 секундам. Продолжительность его не остается постоянной, но ее изменение весьма незначительно: за несколько тысячелетий всего лишь па единицы секунд.

Непостоянна и скорость движения Земли по орбите. Одну половину своего пути, с 21 марта по 23 сентября (летнее «полугодие»), Земля проходит за 186, а вторую, с 23 сентября по 21 марта (зимнее. «полугодие»), за 179 дней [13].

Повторяющееся ежегодно движение нашей планеты вокруг Солнца называется годичным движением Земли; его следствием и является смена времен года.

Так, например, в северном полушарии астрономическое лето наступает 21 или 22 июня — в день летнего солнцестояния, когда восход и заход Солнца на горизонте и его высота в полдень почти не меняются в течение нескольких дней, близких к этой дате; в это время продолжительность дня самая большая в году. Астрономическая зима наступает 22 или 23 декабря; продолжительность дня наименьшая в году. В южном полушарии — наоборот: 21–22 июня наступает астрономическая зима, а 22–23 декабря — лето.