Расстояние от Земли до Солнца: почему оно постоянно меняется и как это влияет на нашу планету, как его измеряли в древние времена и в наше время

Вопрос о том, каково расстояние до Солнца волновал ученых и астрономов всего мира с самых давних времен. По поводу этого вопроса были найдены документы из древней Греции и Китая, содержащие разные схемы и формулы. Однако тогда оборудование и методы измерения были очень примитивными, поэтому точных результатов добиться было невозможно. Но человек становился все изобретательнее, и после многих столетий мы наконец разгадали эту тайну, о чем и пойдет речь в данной статье.

Точное расстояние на сегодняшний день

Расстояние от Земли до Солнца постоянно меняется в пределах от 147 093 163 км в январе до 152 100 527 км в июле из-за эллиптической орбиты нашей планеты (данные на 2022 год). Это означает, что расстояние до Солнца меняется каждую секунду. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет примерно 149,6 млн. км. Это является средним и общепринятым, но не последним значением, т.к. траектория орбиты Земли немного меняется каждый год из-за гравитационного воздействия ее естественного спутника – Луны.

Каждые 100 лет наша планета отдаляется от Солнца примерно на 15 метров.

Астрономическая единица

Астрономическая единица была утверждена в 2012 году Международным астрономическим союзом для того, чтобы определять расстояние между небесными телами, которые расположены вблизи нашей планеты. Она представляет собой среднее расстояние от Земли до Солнца и равняется 149 597 870,7 км.

Над её выведением с древности работали следующие выдающиеся ученые:

• Аристарх Самосский;
• Гиппарх Никейский;
• Кристиан Гюйгенс;
• Джовани Кассини;
• Жан Рише;
• Николь Капитэн.

Если расстояние от Солнца до нашей планеты составляет 1 АЕ, то для Юпитера этот показатель составляет 5,2 АЕ, а для Нептуна – 30,1 АЕ.

В соответствии с Международным стандартом обозначается как «ua», что является сокращением с английского «astronomical unit». В литературе также допускаются два других типа обозначений – через точку («u.a.») или в виде заглавных букв («UA»).

Приливы и отливы

Несмотря на сравнительно небольшой размер Луны и ее далекое расстояние от Земли, она все равно оказывает значительную гравитационную тягу на нашу планету. Это влияет на уровень мирового океана, вызывая приливы и отливы в разных областях. Там, где воздействие Луны сильнее, происходит прилив, где слабее – отлив.

Полной водой и малой водой называются соответственно периоды, когда уровень воды наивысший и наименьший. Разница между малой и полной водой называется высотой прилива.

Самые сильные подъемы в уровне воды происходят при Сизигийном приливе, когда Солнце вместе с Луной оказывает тягу на Землю в одном направлении. Когда приливы самые незначительные, силы притяжения Солнца и Луны действуют под углом в 90 градусов друг к другу. Это называется Квадратурным приливом.

Афелий и перигелий

Наша планета вращается вокруг Солнца, но нельзя сказать, что она всё время вращается вокруг звезды на одном и том же расстоянии. Периодически, каждые полгода, планета то находится на минимальном расстоянии от Солнца, в перигелии, то отдаляется от светила еще на 5 млн км, и занимает максимально отдаленную позицию – афелий.

Точка в космическом пространстве, приходя в которую, планета становится наиболее близка к единственной звезде Солнечной системы, называется перигелием. Перигелий Земли равняется 147 млн км, и в него планета приходит зимой, а именно – со 2-го по 5-ое января.

Афелий – это точка, в которой Земля находится на расстоянии в 152 млн км от Солнца.  В это время расстояние до звезды достигает максимального значения, и оно имеет угол смещения в 31’28 градусов. Это на 3% меньше видимого диаметра Солнца, когда оно находится в перигелии.

Также стоит отметить, что происходит с Землей, когда она находится в афелии и перигелии. Когда Земля в первой позиции, то она получает на 7% меньше солнечного света. Эта разница влияет на расхождение температур в северном и южном полушариях планеты: в северном полушарии зима более щадящая, чем в южном, а лето в южном полушарии жарче, чем в северном.

Измерения расстояния до солнца в древней Греции

Во времена существования Древней Греции одной из самых важных наук была геометрия. Благодаря широким познаниям в этой области науки древние греки смогли сделать множество астрономических открытий, в том числе и измерить расстояние до Солнца, без каких-либо специальных инструментов. Главным методом исследования звездного пространства было наблюдение за небом.

Предположения Аристарха Самосского

Древних греков также интересовал вопрос удаленности светила от Земли, однако до наших дней дошло очень мало работ. Одной из них является запись Аристарха Самосского, жившего в III веке до н.э. В ней он отобразил размеры Земли, Солнца и Луны, а также расстояние между ними.

Главным отличием в работе этого древнегреческого ученого была научная обоснованность, а не только догадки. Он сделал это с помощью геометрических формул, что было необычным подходом для того времени, когда в большей степени ценились теории и предположения.

Сначала он провёл наблюдения за фазами Луны, ее движением, а также отследил солнечные и лунные затмения. Затем применил теорему Пифагора, взяв за основания треугольника расстояния между Луной и Землей, а также Луной и Солнцем, а в качестве гипотенузы расстояние от Земли до Солнца. На основе этих данных Аристарх Самосский не только предположил, но и обосновал то, что Луна имеет форму шара. После этого математик определил отношения упомянутых небесных тел между собой и выяснил, что Солнце находится в 20 раз дальше от планеты, чем Луна.

Современные ученые проверили записи Аристарха Самосского и сделали вывод, что тот ошибся – в реальности звезда в десятки раз больше, чем в его вычислениях. Тем не менее, в своё время работа древнегреческого ученого внесла большой вклад в изучение Солнечной системы и всех небесных тел, которые находятся в ней.

Измерения Гиппарха Никейского

Гиппарх Никейский, живший во II веке до н.э., считается одним из основоположников астрономии. Его вклад в эту науку заключается в следующем:

• введение тригонометрических методов при изучении звёзд;
• увеличении точности измерений благодаря применению специальных приспособлений – секстанта и квадранта;
• создание каталога звезд;
• создание системы звёздных величин;
• расчет прецессии равноденствий;
• теории о затмениях.

Также этот древнегреческий ученый затронул вопрос о расстоянии от Солнца до Земли. Он взял за основу то, что светило находится дальше спутника Земли, и предположил, что минимальное расстояние до Луны составляет 71 радиус Земли, а максимальное – 83. Затем, используя уже полученные данные и наблюдения за солнечными созвездиями, Гиппарх Никейский выдвинул теорию, что дистанция до Солнца составляет от минимума в 490 земных радиусов (3,115 млн. км.) до максимума в 2550 (16,21 млн. км.).

Расчеты нового времени

Во время научной революции XVII века у ученых снова загорелся интерес к вопросу о расстоянии до Солнца. Иоганн Кеплер первым стал оспаривать предположения древнегреческих астрономов. Он заявлял, что они слишком заниженные.

Так как тогда появились телескопы, астрономы могли работать с гораздо более точными данными, чем в античные времена. Самым первым измерением, близким к современному, было предположение Кристиана Гюйгенса, голландского ученого, отличающееся от актуальной длины всего на 7%. Со временем измерения получались все точнее.

Метод прямоугольных треугольников Кристиана Гюйгенса

Для определения расстояния до Солнца Гюйгенсу был нужен прямоугольный треугольник, коротким катетом которого будет точное расстояние до любого другого небесного тела. Для этого Гюйгенс выбрал Венеру. Наблюдая за фазами Венеры, Гюйгенс построил прямоугольный треугольник, где прямой угол был Солнце – Венера – Земля. Он так же легко нашел угол Солнце – Земля – Венера. Теперь ему только осталось найти расстояние между двумя планетами, для чего нужно было сначала знать размеры Венеры. На этом этапе вычисления Гюйгенс сделал абсолютно не основанное на науке предположение, что Венера и Земля имеют почти одинаковый размер, но несмотря на это оказался прав – обе планеты в самом деле очень похожи в размерах. Определив расстояние между этими двумя небесными телами, Гюйгенс приступил к вычислению гипотенузы треугольника, и получил ответ 160 млн. км.

Измерения Кассини и Рише

Также об астрономической единице измерения говорили Джованни Кассини и Жан Рише. Они озадачились вопросом измерения расстояния в космосе. Для определения расстояния между нашей планетой и Солнцем ученые решили использовать метрическую систему. Для своего опыта они сначала с помощью метода суточного параллакса записали расстояние от Земли до Марса, а затем – до единственной звезды нашей планетной системы. В 1672 году напарники выдвинули чёткие цифры – 140 миллионов километров.

Это значение считалось наиболее точным вплоть до XX века. Такой длинный промежуток объясняется отсутствием необходимых приспособлений и техники которые могли бы дать чёткую информацию о расстоянии между небесными телами с наименьшей погрешностью.

Метод параллакса

Параллакс является видимым смещением наблюдаемого объекта в зависимости от положения точки наблюдения. Если знать расстояние между этими двумя точками и угол смещения объекта между ними, то можно использовать законы геометрии и тригонометрии для определения расстояния до него. Впервые этот способ использовался древнегреческими астрономами, а затем учеными нового времени. Для этого чаще всего использовались два ориентира, между которыми предварительно было измерено расстояние по прямой. Ученые соглашались измерять относительный угол между объектом и Землей одновременно, после чего они совмещали свои результаты и вычисляли дистанцию до объекта.

Для выяснения удаленности планет друг от друга и создания специальных приборов этим методом пользовались следующие астрономы:

• Галилео Галилей;
• Джованни Кассини;
• Жан Рише;
• Иоганн Франц Энке;
• Карл Густав Витт.

Благодаря точности данного метода удалось создать такой астрономический инструмент как телескоп, также были добыты новые данные об удаленности Марса, Венеры, Солнца и открыт астероид Эрос.

Метод стандартных свечей

Данный метод следует закону светопередачи – яркость света обратно пропорциональна квадрату расстояния от его источника. Если узнать частоту электромагнитного излучения объекта, можно узнать его температуру в кельвинах, а, следовательно, и светоотдачу. Этот способ используется современными учеными для определения дистанции до очень отдаленных звезд и галактик.

Так как Солнце является одной из самых хорошо изученных звезд, вычислить среднее расстояние до Солнца сравнительно просто – это будет 497 световых секунд, или 149 млн. км.

Световая секунда – 299 792,46 км. Самая малая космическая единица измерения. Эту дистанцию луч света преодолевает за одну секунду.

Исследования новейшего времени

Так как человечество изобрело новые методы расчета расстояний, такие как лазерный дальномер и радиолокация, удаленность от космических тел теперь можно рассчитывать с очень высокой точностью. В качестве опорной точки для измерения опять использовалась Венера. Получив точную дистанцию до нее, ученые в 1961 году легко вычислили искомую величину – т.е. дистанцию до Солнца.

Но на этом исследователи останавливаться не будут. Совсем недавно НАСА запустила в космос Parker Solar Probe – зонд для подробного изучения солнечных явлений. Зонд способен выдерживать температуры до 1450°C, и это позволит ему приблизиться к Солнцу максимально близко (в итоге между ними будет всего 6 млн. км.)

Метод радиолокации

В начале XX века появились первые радиолокаторы. Благодаря способности измерять расстояния, их начали применять для изучения космоса. Вопрос о том, каково точное расстояние между небесными тела, продолжал волновать умы ученых разных областей, и потому с 1946 года астрономы начали активно применять радиолокаторы для уточнения астрономической единицы. Нужно было послать длинную сильную радиоволну, так как остальные терялись на фоне электромагнитного поля Солнца.

В1961 году наконец удалось получить результат, и миру стала известно среднее расстояние до Солнца – 149 599 300 км.  Тем не менее, при расчётах имела место быть погрешность. Она составила 2 тыс.км, поэтому на следующий год исследование было проведено повторно, и снова ученые добыли новые данные, в соответствии с которыми удаленность планеты от Солнца составила 149 598 100 км. На этот раз погрешность была всего в 750 км, что в сравнении с предыдущим опытом было более точным результатом.

Определение дистанции лазером

Раньше лазерные дальномеры имели незначительную погрешность в 1.5-2 метра на расстоянии 1000 км. Сегодня же они обладают удивительной точностью. На этой же дистанции погрешность составляет всего 10 мм. Это позволяет делать высокоточные измерения до астрономических объектов.

Используя лазер и искусственные отражатели, установленные на поверхности Луны, исследователи смогли получить сверхточный результат с погрешностью в несколько сантиметров. Такие четкие измерения послужат надежной опорой в будущих расчетах.

Единицы измерения космических расстояний

• Астрономическая единица – 150 миллионов км – расстояние от Земли до Солнца. Используется для измерения дистанций в Солнечной Системе.
• Световой год – 9,46 триллионов км. Дистанция, которую свет преодолевает за один год. Применяется для измерения расстояний между звездами.
• Парсек – 206 тыс. астрономических единиц или 3.26 световых лет. Длинный катет прямоугольного треугольника, короткий катет которого равен одной астрономической единице, а лежащий напротив него угол равен угловой секунде (1/3600 одного градуса).

Не многие задумываются о том какое расстояние от нашей планеты до Солнца. Нам остается только удивляться, каким пытливым умом обладает человек, и какими умными, изобретательными и терпеливыми были ученые древних времен, которые находили близкие к правде ответы на самые сложные загадки Вселенной.

А вы знали, что всё было настолько трудно или считали, что все было точно известно уже в Древней Греции?