1. Конфигурация планет и условия их видимости
Условия видимости планет меняются по-разному: если Меркурий и Венеру можно видеть только утром или вечером, то остальные — Марс, Юпитер и Сатурн — бывают видны также и ночью. По временам одна или несколько планет могут быть вовсе не видны, поскольку они располагаются на небе поблизости от Солнца. В этом случае говорят, что планета находится в соединении с Солнцем. Если же планета располагается на небе вблизи точки, диаметрально противоположной Солнцу, то она находится в противостоянии. В этом случае планета появляется над горизонтом в то время, когда Солнце заходит, а заходит она одновременно с восходом Солнца. Следовательно, всю ночь планета находится над горизонтом.
Соединение и противостояние, а также другие характерные расположения планеты относительно Солнца называются конфигурациями. Внутренние планеты (Меркурий и Венера), которые всегда находятся внутри земной орбиты, и внешние, которые движутся вне её (все остальные планеты), меняют свои конфигурации по-разному.
Ясно, что условия видимости планеты в той или иной конфигурации зависят от её расположения по отношению к Солнцу, которое планету освещает, и Земли, с которой мы её наблюдаем. На рисунке 3.4 показано, каково при различных конфигурациях взаимное расположение Земли T, планет P1, P2 и Солнца S в пространстве.
Единственной конфигурацией, в которой может находиться любая планета, независимо от того, внутренняя она или внешняя, является верхнее соединение. В этом случае она находится на линии, соединяющей центры Солнца, Земли и планеты, за Солнцем — «выше» него. Поэтому Солнце, рядом с которым планета находится на небе, не даёт возможности её увидеть. У внешних планет соединение может быть только верхним, поэтому для них такую конфигурацию часто называют просто соединением. Внутренняя планета может оказаться между Солнцем и Землёй, и тогда говорят о её нижнем соединении с Солнцем.
Внешняя планета может находиться на любом угловом расстоянии от Солнца (от 0 до 180°). Когда оно составляет 90°, то говорят, что планета находится в квадратуре. Для внутренних планет максимально возможное угловое удаление от Солнца (в элонгации) невелико: для Венеры — до 47°, а для Меркурия — всего 28°.
Конфигурации планеты периодически повторяются.
Промежуток времени между двумя последовательными одноимёнными конфигурациями планеты (например, верхними соединениями) называется её синодическим периодом.
Ещё в глубокой древности, когда считалось, что планеты обращаются вокруг Земли, для каждой из них на основе многолетних наблюдений был определён синодический период обращения.
Согласно гелиоцентрической системе, сама Земля обращается вокруг Солнца с периодом, равным году. Это её движение необходимо учитывать, чтобы узнать периоды обращения планет в невращающейся инерциальной системе отсчёта, или, как принято говорить, по отношению к звёздам.
Период обращения планеты вокруг Солнца по отношению к звёздам называется звёздным (или сидерическим) периодом.
Теория Коперника позволяет установить взаимосвязь синодического и сидерического периодов обращения планет.
Пусть T — сидерический (звездный) период обращения планеты, а T0 — сидерический период обращения Земли (звездный год); S — синодический период обращения планеты. Среднее значение дуги, которую проходит планета за одни сутки, называется средним движением (n) и будет равно n=360°T, а среднее движение Земли — n0=360°T0. У нижних планет T<T0 и n>n0. Одноименные соединения таких планет наступают через синодический период обращения S, за который Земля проходит дугу
L0=n0⋅S=360°T0S,
а планета, забегая вперед, совершает один оборот вокруг Солнца и догоняет Землю, проходя угловой путь L=360°+L0, равный
L=n⋅S=360°TS.
Вычитая равенство L0=n0⋅S=360°T0S из L=n⋅S=360°TS, получим уравнение синодического движения для нижних планет:
1S=1T−1T0.
Для верхних планет уравнение синодического движения примет вид:
1S=1T0−1T,
так как T>T0 и n<n0.
Уравнения 1S=1T−1T0 и 1S=1T0−1T дают средние значения синодических периодов обращения планет. С помощью этих уравнений по наблюдаемому синодическому периоду обращения планеты легко подсчитать сидерический период ее обращения вокруг Солнца.