Лунное затмение

Земля, освещаемая Солнцем, отбрасывает от себя тень и полутень в сторону, противоположную Солнцу. Поскольку диаметр Солнца значительно (примерно в 109 раз^[9]) больше диаметра Земли, тень последней имеет форму постепенно сужающегося конуса (рис. 1). На среднем расстоянии от Земли до Луны (около 384 400 км^[10]) диаметр конуса земной тени более чем в 2,5 раза превышает диаметр Луны^[11]. При своём движении вокруг Земли Луна может попасть в конус земной тени, и тогда произойдёт лунное затмение. Наблюдатель, находящийся на Луне, в это время увидел бы солнечное затмение, при котором Земля полностью загородила Солнце. Конус земной тени окружён расширяющимся конусом полутени (рис. 1), при взгляде из которого Земля заслоняет солнечный диск лишь частично^[12]. Ось конуса земной тени лежит в плоскости орбиты Земли, поэтому для земного наблюдателя тень и полутень проектируются на небо в виде концентрических кругов, центр которых находится на эклиптике, в её точке, противоположной Солнцу^[13].

Лунная орбита имеет форму эллипса, вследствие чего при орбитальном движении Луны её расстояние до Земли меняется. Вместе с этим меняется угловой диаметр Луны, видимый с Земли. Кроме того, на разных геоцентрических расстояниях Луна пересекает конус земной тени в разных его участках, где он имеет различный диаметр (чем дальше Луна от Земли, тем более узкую часть конуса тени она пересекает). Вследствие этого будет разной и длительность лунного затмения. Максимальный угловой диаметр земной тени на расстоянии лунной орбиты равен 94′, минимальный 76′^[3][14]. На среднем геоцентрическом расстоянии Луны угловой диаметр тени составляет 82′^[5]—84′^[3]. Видимый угловой диаметр Луны меняется в интервале от 33,6′ до 29,5′^[13][14], среднее значение равно 31′^[3]. Таким образом, диаметр земной тени превышает диаметр Луны примерно в 2,8 раза при минимальном геоцентрическом расстоянии Луны и в 2,58 раза при максимальном удалении Луны от Земли; отношение средних значений угловых диаметров составляет 2,7.

Лунные затмения могут происходить только во время полнолуний^[1][2], т. е. когда эклиптическая долгота Луны и Солнца отличается на 180°. В это время для земного наблюдателя Луна находится примерно на противоположной стороне небесной сферы относительно Солнца. Но поскольку плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли (или к плоскости эклиптики) под средним углом 5° 09′^[1] (рис. 2), то даже во время полнолуния Луна может пройти мимо тени и полутени Земли (выше или ниже их, если принять плоскость эклиптики за горизонтальную плоскость) и затмение не произойдёт (конфигурации А и В на рис. 2). Поэтому лунные затмения случаются только при тех полнолуниях, во время которых Луна расположена вблизи одного из двух узлов своей орбиты — точек, в которых лунная орбита пересекается с плоскостью эклиптики. В таком случае Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой, Земля оказывается между Солнцем и Луной и земная тень падает на Луну^[1][15] (конфигурации Б и Г на рис. 2).

Угловой радиус земной тени на среднем расстоянии Луны равен 41′, а средний угловой радиус Луны — 15,5′. Поэтому Луна может попасть в область земной тени, хотя бы частично, только при условии, если в полнолуние расстояние между центрами земной тени и лунного диска меньше 41′ + 15,5′ = 56,5′. Для этого центры земной тени и лунного диска должны быть расположены не далее 10,6° от лунного узла с той или другой его стороны^[16][3][17] Для полного погружения Луны в земную тень она должна находиться не дальше (5 ± 0,6)° от узла^[3].

Поскольку во время затмения Луна действительно лишается большей части солнечного света, лунное затмение видно на всём ночном полушарии Земли, (т. е. там, где на момент затмения Луна находится над горизонтом) и вид затемнённой Луны из любой точки Земли, где она вообще видна, практически одинаков. Также для всех точек этого полушария лунное затмение начинается в один и тот же физический момент времени и заканчивается также одновременно^[1][18]. Этим лунное затмение отличается от солнечного, которое наблюдается только из некоторых небольших участков дневного полушария Земли и наступает в разные физические моменты времени для разных точек земной поверхности (поскольку зависит от ракурса, под которым земной наблюдатель видит Луну и Солнце).

Лунные затмения делятся на теневые и полутеневые. Теневое лунное затмение — это затмение, при котором хотя бы часть лунного диска проходит через конус земной тени. При полутеневых затмениях Луна или её часть проходят только через земную полутень, но не тень. Затмения каждого из этих видов в свою очередь подразделяются на полные и частные: при полном затмении Луна полностью входит в конус земной тени или полутени, а при частном туда попадает только часть Луны^[19][20].

Таким образом, полное теневое лунное затмение — это такое затмение, при котором Луна целиком попадает в конус тени Земли^[11]. Поскольку Луна движется с запада на восток, первым в земную тень входит восточный край лунного диска. На нём появляется ущерб, который постепенно увеличивается, и видимый диск Луны принимает форму серпа^[11] (рис. 3). Далее Луна всё больше входит в земную тень, и когда её западный край скрывается в тени, наступает фаза полного затмения^[21]. Во время полного теневого затмения небо темнеет и становятся видны слабые звёзды блеском 4—5 звёздных величин^[8].

Если Луна попадает в тень Земли только частично, наблюдается частное теневое затмение. При этом та часть Луны, на которую падает тень Земли, оказывается тёмной, но другая часть Луны, даже в максимальной фазе затмения, остаётся в полутени и освещается солнечными лучами (рис. 4). Если Луна проходит область полутени, но не входит в тень, происходит полутеневое затмение. При нём яркость Луны уменьшается, но незначительно: такое уменьшение практически незаметно невооружённым глазом^[8][22][23] и фиксируется только приборами. Лишь когда Луна при полутеневом затмении проходит вблизи конуса тени, при ясном небе можно заметить незначительное потемнение с одного края лунного диска (рис. 5). Если Луна полностью попадает в полутень (но не касается тени), такое затмение называется полным полутеневым; если же лишь часть Луны входит в полутень, такое затмение называется частным полутеневым. Полные полутеневые затмения происходят редко, в отличие от частных; последнее полное полутеневое затмение было 14 марта 2006 года, а следующее будет лишь в 2042 году.

Наблюдатель, находящийся в момент полного или частного теневого лунного затмения на затенённой части Луны, увидел бы полное закрытие Солнца Землёй^[8], а наблюдатель в полутеневой зоне увидел бы частное солнечное затмение.

Даже во время полного затмения Луна не лишается освещения полностью, а становится бурой или тёмно-красной, из-за чего её называют «кровавой луной» (рис. 6). Это объясняется тем, что солнечные лучи, проходящие по касательной к земной поверхности, преломляются и рассеиваются в атмосфере Земли, огибая планету, и частично проникают в область земной тени, освещая Луну^[18]. Поскольку атмосфера Земли наиболее прозрачна для лучей красно-оранжевой части спектра, именно эти лучи в большей мере достигают поверхности Луны при затмении, что и объясняет окраску лунного диска^[24]. По сути, это тот же эффект, что и оранжево-красное свечение неба у горизонта (заря) перед восходом или сразу после заката Солнца. Густота красного цвета Луны, погружённой в земную тень, зависит от состояния атмосферы Земли (а также связана с фазой солнечной активности)^[21][8], поэтому наблюдения лунных затмений являются одним из методов изучения земной атмосферы^[7]. Часто край земной тени на поверхности Луны бывает окрашен в голубовато-зелёные цвета^[21]. В начале затмения накрытая тенью часть Луны кажется совершенно чёрной по контрасту с освещённой Солнцем поверхностью. И лишь к моменту наступления полной фазы становится заметной красноватая окраска теневой зоны^[8][18]. Для оценки яркости Луны во время затмения используется шкала Данжона^[25].

Продолжительность лунного затмения в целом и его полной стадии зависит от расстояния между Землёй и Луной (определяющего диаметр земной тени и полутени в месте прохождения Луны через них) и от расположения Луны относительно оси конуса земной тени. Полные лунные затмения, при которых какая-либо часть диска Луны проходит через ось конуса земной тени, называются центральными^[4]. Центральные затмения характеризуются большей длительностью и меньшей яркостью Луны во время полной стадии по сравнению с нецентральными. Наибольшей продолжительностью обладают такие затмения, в середине которых центры лунного диска и земной тени совпадают. Максимальная продолжительность всего лунного затмения (включая частные стадии) составляет 3,8 часа^[26][18][17], стадии полного затмения — 1,8 часа (108 минут)^[18]. В XX веке самыми долгими стадиями полного затмения обладали лунные затмения 6 июля 1982 года (105,7 минуты), и 16 июля 2000 года (106,4 минуты)^[27]. В XXI веке самые длинные полные стадии характерны для затмений 27 июля 2018 года (103 минуты) и 26 июня 2029 года (101,9 минуты)^[28].

Лунное затмение характеризуется фазой ${\displaystyle \Phi }$, которая определяется как:

${\displaystyle \Phi ={\frac {\rho _{m}+\rho _{sh}-\theta }{2\rho _{m}}},}$

где ${\displaystyle \rho _{m}}$ — видимый угловой радиус диска Луны, ${\displaystyle \rho _{sh}}$ — угловой радиус тени Земли, ${\displaystyle \theta }$ — угловое расстояние между центрами лунного диска и земной тени^[3].

В середине затмения расстояние ${\displaystyle \theta }$ становится минимальным и определяет наибольшую фазу затмения ${\displaystyle \Phi _{m}}$. При частном лунном затмении ${\displaystyle \Phi _{m}<1}$, при полном ${\displaystyle \Phi _{m}\geq 1}$. В редких случаях случаются центральные затмения, при которых центр лунного диска проходит через центр земной тени; тогда в середине затмения ${\displaystyle \theta =0}$, а максимальная фаза может достигать ${\displaystyle \Phi _{m}=1,\!90}$^[18].

В связи с относительным наклоном плоскостей лунной и земной орбит далеко не каждое полнолуние сопровождается лунным затмением, и далеко не каждое лунное затмение является полным. За один оборот вокруг Земли Луна один раз оказывается противостоянии с Солнцем (т. е. в полнолунии) и дважды пересекает эклиптику (т. е. проходит через узлы своей орбиты). Поскольку для лунного затмения требуется одновременное выполнение этих двух условий (полнолуние и прохождение узла орбиты), лунные затмения случаются лишь от 2 до 5 раз в календарный год^[4].

Для наступления какого-либо теневого лунного затмения (хотя бы частного) центр диска Луны должен находиться не далее 10,6° от узла лунной орбиты с той или другой его стороны^[16][3]. Примерно на таком же максимальном расстоянии от этого узла должен находиться и центр тени Земли. Таким образом, центры Луны и земной тени должны попадать в зону вокруг лунного узла шириной 21,2°. Центр земной тени, как и Солнце, проходит это расстояние за 21,6 суток^[5]. Интервал времени между двумя полнолуниями (синодический месяц) составляет 29,53 суток^[29][30][31]. Следовательно, за время прохождения центром земной тени зоны затмений может произойти только одно полнолуние, а может не произойти ни одного. Поэтому вблизи каждого узла возможно только одно теневое лунное затмение. Таким образом, на протяжении года может не произойти ни одного теневого лунного затмения, такие годы бывают примерно через каждые 5 лет (ближайшим из них будет 2027 год)^[6]. Максимальное количество лунных затмений в году равно трём^[6]. Такое может случиться, если первое затмение произойдёт в начале года (вскоре после 1 января), второе — в середине (в конце июня), а третье — в конце декабря, через 12 синодических месяцев (или 354 суток) после первого^[5]. Обычно на протяжении года происходят 1—2 лунных затмения^[32].

С учётом полутеневых затмений минимальное количество лунных затмений в году равно 2, максимальное — 5^[4][33]. Однако 5 затмений в год случаются чрезвычайно редко: в последний раз 5 лунных затмений (1 частное теневое и 4 полутеневых) наблюдались в 1879 году^[34], в следующий раз такое будет в 2132 году^[35]. Четыре лунных затмения наблюдались в 2020 году, в следующий раз такое случится в 2038 году^[28].

Затмения повторяются в прежнем порядке через каждые 6585,3 суток (или 18 лет 11 суток и около 8 часов) — период, называемый саросом. Зная, где и когда наблюдалось полное лунное затмение, можно точно определить время последующих и предыдущих затмений, хорошо просматриваемых в этой местности. Эта цикличность часто помогает точно датировать события, описываемые в исторических летописях.

Лунные затмения часто сопровождаются предшествующими (за 2 недели) или последующими (через 2 недели) солнечными затмениями. Это связано с тем, что за те 2 недели, за которые Луна проходит половину своей орбиты, Солнце не успевает удалиться от линии узлов лунной орбиты, вследствие чего выполняются условия, необходимые для наступления солнечного затмения (новолуние и Солнце вблизи узла). Иногда наблюдаются даже 3 последовательных затмения (солнечное, лунное и солнечное либо лунное, солнечное и лунное), разделённые 2 неделями. Например, последовательность из трёх затмений наблюдалась в 2013 году: 25 апреля (лунное частное), 10 мая (солнечное кольцеобразное) и 25 мая (лунное частное полутеневое). Другой пример имел место в 2011 году: 1 июня (солнечное частное), 15 июня (лунное полное) и 1 июля (солнечное частное). Время, когда Солнце находится вблизи узла лунной орбиты и могут происходить затмения, называется сезоном затмений (рис. 2); его длительность составляет около месяца.

Следующее лунное затмение происходит иногда через синодический месяц (тогда примерно посредине между этими двумя затмениями всегда происходит солнечное затмение), однако чаще оно происходит примерно через полгода, в следующий сезон затмений. За это время Солнце на небесной сфере проходит по эклиптике от одного узла лунной орбиты к другому (линия узлов лунной орбиты тоже движется, но более медленно) и снова восстанавливается необходимый для лунного затмения набор условий: полнолуние и Солнце вблизи узла. Период между последовательными прохождениями Солнцем узлов лунной орбиты равен 173,31 суток, половине драконического года; через это время и повторяется сезон затмений.

Полное лунное затмение 21 декабря 2010 года впервые за 372 года произошло в день зимнего солнцестояния. Это утверждение верно для гринвичского времени и для западного полушария Земли (для всех часовых поясов на территории России солнцестояние произошло на следующий день, 22 декабря)^[36]. Следующее затмение, совпадающее с зимним солнцестоянием, произойдёт 21 декабря 2094 года.