Солнечные и лунные затмения и создание канона солнечных затмений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 521.8

ЛУКАШОВА Марина Викторовна

СОЛНЕЧНЫЕ И ЛУННЫЕ ЗАТМЕНИЯ И СОЗДАНИЕ КАНОНА СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ

ециальность 01.03.01 — Астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Институте теоретической астрономии Российской Академии Наук (г. Санкт-Петербург).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Н. И. Глебова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А. А. Киселёв кандидат физико-математических наук Е. Н. Поляхова

Ведущая организация: Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга

Защита диссертации состоится « 2_3 » ^/¿¿Я/'1^ 1998 г. в (/ час. мин. на заседании Диссертационного Со-

вета (шифр К 002.92.01) по присуждению учёной степени кандидата физико-математических наук при Главной астрономической обсерватории РАН по адресу: 196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д. 65/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН.

Автореферат разослан «

1997 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Ю. А. Наговицын

Общая характеристика работы

Актуальность работы:

I. С появлением современных персональных компьютеров, позволивших не только проводить точные вычисления, но и создавать графические образы рассматриваемых явлений, назрела задача модернизации издания «Астрономический Ежегодник» и, соответственно, существовавших в Институте теоретической астрономии РАН программ по вычислению солнечных, лунных затмений и прохождений внутренних планет по диску Солнца. В связи с появлением новых численных теорий движения небесных тел и подробных данных о фигуре Луны открылась возможность отказаться от некоторых допущений, принятых в старых теориях при вычислении обстоятельств видимости затмений, а также — учитывать более тонкие детали этих явлений. Наша работа являлась частью общей работы над электронной книгой «Астрономический Ежегодник» — современным аналогом его печатного издания.

2. Создание более полного канона затмений для России также уже давно назрело, поскольку существующие каноны, охватывающие все затмения, происходившие на Земле, и единственный канон специально отобранных русских затмений [2], изданный в 1915 году, дают мало информации о каждом отдельном явлении, практически не уделяя внимания картам солнечных затмений. Поэтому этих канонов явно недостаточно при исторических исследованиях. Создание нового канона тем более необходимо, поскольку до сих пор не удалось идентифицировать некоторые записи о возможном наблюдении затмений. К тому же ещё существует вероятность открытия новых записей о наблюдении таких явлений в прошлом в связи с продолжающимися поисками археологов и историков.

3. Немаловажно и то, что уточнённая теория вычисления солнечных затмений позволяет провести на новом, более высоком уровне, обработку наблюдений затмений с целью определения долгопериодических флуктуаций во вращении Земли.

Целью диссертационной работы является:

1. Разработка алгоритма вычисления солнечных затмений на основе теории затмений Бесселя и его применение для вычисления прохождений планет по диску Солнца, а также разработка аналогичного алгоритма для лунных затмений.

2. Создание на основе разработанных алгоритмов программной системы, которая позволяла бы легко вычислять обстоятельства видимости рассматриваемых явлений; использование данной системы для обработки наблюдений солнечных затмений и создания «Канона солнечных затмений для России с 1000 по 2050 годы».

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Создан более полный алгоритм для вычисления затмений и прохождений с использованием основных уравнений теории Бесселя.

2. Разработан алгоритм учёта неровностей лунного края, который ранее выполнялся вручную — при помощи графических методов, что не давало возможности проводить обработку большого количества наблюдений.

3. Создаётся новый каталог солнечных затмений для России с наиболее полной формой представления каждого затмения с фазой более 0.1. Некоторые эфемеридные величины приводятся компактно — в виде полиномов Чебышева, позволяющих получить их точные значения как для старых, так и для' новых затмений. Такой сжатый вид представления информации дал возможность привести для каждого затмения подробную карту и местные обстоятельства для нескольких населённых пунктов.

4. Обработаны наблюдения солнечных затмений с начала XVII века с целью одновременного получения отклонения ДТ всемирного времени от земного динамического и величины изменения радиуса Солнца.

Практическая ценность работы:

.. Созданная программная система используется для вычисления затмений и прохождений в эфемеридном издании «Астрономический Ежегодник», начиная с 1997 года, а также в его' электронном варианте.

I. Созданные алгоритмы вычисления обстоятельств солнечных и лунных затмений позволят использовать их для вычисления явлений в системах спутников планет.

5. Существующая возможность обрабатывать наблюдения затмений позволяет проводить исследование вариаций вращения Земли на основе заново редуцированных наблюдений затмений, причём не только наблюдений моментов контактов, но и других видов наблюдений.

i. Создаваемый канон солнечных затмений для России позволит провести новое исследование наблюдений солнечных затмений, найденных в русских летописях, и выполнить их обработку с целью получения вариаций во вращении Земли с 1000 года.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из дения, шести глав, заключения. Она изложена на 126 страницах, [ючает 16 рисунков, 4 таблицы и список литературы на 15 страдах, в котором приведено 139 библиографических ссылок.

Содержание работы

Первая глава посвящена солнечным затмениям. В ней изла-этся основные этапы развития и основные характеристики тега вычисления солнечных затмений. Обосновывается необходи-:ть перехода от аналитической теории солнечных затмений Ми-глова [1] к теории Бесселя в переработке Шовене [3]. Приводится инфицированный алгоритм вычисления общих и местных обсто-льств видимости солнечного затмения, построенный на основе 1вных уравнений теории Бесселя — уравнений сфероида и кону-тени. Проводится сравнение с «Astronomical Almanac» общих

обстоятельств полного солнечного затмения 8-9 марта 1997 г., которое показывает расхождение в географических координатах точек внешних контактов сфероида и конуса полутени на 30 км из-за игнорирования в теории Весселя угла раствора конуса полутени.

Описывается алгоритм учёта неровностей лунного края при вычислении местных обстоятельств видимости солнечных затмений, что повышает точность получаемых моментов контактов видимых дисков Солнца и Луны с 4s до Of 1. Приводится обзор существующих в настоящее время карт краевой зоны Луны и их основные характеристики. Обосновывается выбор карт краевой зоны Уоттса [6]. Из рассмотренных работ по исследованию точности карт Уоттса выбраны поправки к позиционным углам и к высотам точек лунного края. Автоматизация учёта неровностей лунного края позволит провести более точную массовую обработку наблюдений.

Приводится модифицированный алгоритм вычисления географических координат точек кривых для построения карты солнечного затмения. Предложенный алгоритм построен с использованием уравнения кривой, образованной пересечением сфероида и конуса тени, что позволяет получать более точные географические координаты меньшим количеством итераций.

Вторая глава посвящена прохождениям внутренних планет по диску Солнца. В ней приводится краткий обзор существующих теорий вычисления прохождений. Особое внимание уделяется теории Лагранжа, требующей точных вычислений обстоятельств видимости прохождения только для геоцентра, местные обстоятельства получаются добавлением поправок за параллакс. Такой способ вычисления даёт довольно грубые результаты, однако он традиционно используется для представления данных в ежегодниках и поэтому здесь приводится. Вычисление обстоятельств для геоцентра и местных обстоятельств видимости прохождений мы проводим по теории солнечных затмений. Проводится сравнение с «Astronomical Almanac» и «Астрономическим Ежегодником» общих обстоятельств прохождения Меркурия по диску Солнца 6 ноября 1993 г. для геоцентра, которое показывает расхождения вычисленных моментов контактов до 5 секунд, вызванные использованием в названных ежегодниках приближённых формул.

В третьей главе рассматриваются лунные затмения. Излага-тся аналитическая теория вычисления лунных затмений, построен-ая по аналогии с солнечными затмениями: Основными уравнения-си в ней являются уравнение сферы для Луны и уравнение конуса ени с эллиптическим сечением (в настоящее время при вычислении фемерид лунных затмений в зарубежных ежегодниках используется онус со сферическим сечением). Определение полуосей эллиптиче-кого сечения тени производится с помощью касательной плоскости сфероиду. Проводится сравнение с «Astronomical Almanac» общих бстоятельств полного лунного затмения 16 сентября 1997 г., кото-ое показывает улучшение вычисленных моментов контактов земной ени с Луной на величину порядка 10s.

В четвёртой главе излагаются основные характеристики и озможности программной системы PHENOMENA, предназначен-ой для вычисления солнечных и лунных затмений, а также прохо-сдений внутренних планет по диску Солнца. Программная система бъёмом 740 Kb написана на языках Си и FORTRAN. Необходимые ля работы базы данных занимают 4 Mb памяти. Система работает численными эфемеридами DE200/LE200 или DE404/LE404.

Система позволяет для каждого явления в выбранной системе ремени просчитать по алгоритмам, описанным в предыдущих гла-ах, краткий каталог явлений, местные обстоятельства видимости вления, данные и карту для «Астрономического Ежегодника». Си-гема позволяет ввести поправку за переход от центра масс Луны центру фигуры и установить режим учёта неровностей лунного рая при вычислении местных обстоятельств солнечных затмений. !истема имеет некоторые иллюстративные возможности.

Пятая глава посвящена канонам солнечных затмений. В ней риводится обзор созданных в мире и, в частности, в России, кано-ов затмений и информации, которую они предоставляют. Обосно-ывается необходимость создания более полного «Канона солнечных атмений для России с 1000 по 2050 гг.» для обеспечения историче-ких и астрономических исследований солнечных затмений в рус-шх летописях. Канон, создаваемый в соавторстве с Румянцевой, ычисляется с помощью системы PHENOMENA и предоставляет бширную информацию о каждом затмении, включая карту затме-

ния и местные обстоятельства для некоторых исторически значимых населённых пунктов. В основу вычислений положена эфемерида БЕ404/ЬЕ404, любезно предоставленная Институту теоретической астрономии её авторами. Поправка ко всемирному времени до 1955 г. вычисляется согласно Стефенсону и Моррисону [5], после — по данным Международной службы вращения Земли. Проводится краткий статистический анализ солнечных затмений на вычисленные периоды: 1000-1100 гг., 1997-2050 гг.

В шестой главе излагаются результаты предварительной обработки наблюдений 1000 моментов контактов для 68 солнечных затмений с 1621 по 1806 гг., опубликованные Моррисоном [4]. Приводится обзор работ по определению из старых наблюдений долго-периодических вариаций во вращении Земли, а также работ, посвященных определению величины векового изменения радиуса Солнца. Получены условные уравнения для одновременного вычисления значений этих величин. Проводится сравнение полученных результатов с данными других авторов, полученных, в основном, из обработки наблюдений прохождений планет по диску Солнца, покрытий звёзд Луной и меридианных наблюдений. Хотя полученные результаты, в целом, соответствуют результатам других авторов, однако понятна необходимость более тщательной редукции наблюдений, в связи с чем результаты носят скорее методический характер.

В заключении излагаются основные результаты диссертации.

В приложениях 1-3 приводятся данные и карты для полного солнечного затмения И августа 1999 г. и прохождения Меркурия по диску Солнца 15 ноября 1999 г., для частного лунного затмения 28 июля 1999 г., в том виде, в каком они публикуются в «Астрономическом Ежегоднике».

В приложениях 4, 5 приводятся краткие каталоги солнечных затмений с 1000 по 1100 гг. и с 1997 по 2050 гг., составленные на основе данных, полученных для создаваемого канона солнечных затмений.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Модифицированная теория Бесселя для вычисления солнечных затмений и прохождений внутренних планет по диску Солнца, а именно:

• новая методика определения моментов контактов конусов тени и полутени с земным сфероидом;

• улучшенная методика вычисления западной и восточной границ затмения в горизонте;

• улучшенная методика вычисления северной и южной границ затмения;

• улучшенная методика вычисления изохрон.

2. Алгоритм учёта неровностей лунного края при вычислении местных обстоятельств видимости солнечных затмений.

3. Улучшенная методика вычисления лунных затмений, аналогичная методу вычисления солнечных затмений, но с учётом эллиптичности конуса земной тени.

4. Разработка общей структуры и формы представления информации для канона солнечных затмений для России и каталоги солнечных затмений для России на 1000-1100 гг. и 19972050 гг.

5. Результаты обработки наблюдений солнечных затмений включая наблюдения длительности главной фазы затмения, с уточнением поправки ко всемирному времени и определением величины изменения радиуса Солнца.

Апробация диссертации. Результаты работы докладывались 1 семинарах отдела эфемеридной астрономии ИТА РАН, на все-эссийской конференции с международным участием "Программы 1блюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел олнечной системы" (С.-Петербург, ИТА, 1994 г.), на научной кон-еренции "Стохастические методы и эксперименты в небесной ме-шике" (Архангельск, 1995 г.), на всероссийских конференциях с

международным участием по компьютерным методам небесной механики (С.-Петербург, ИТА, 1995 г.) и по наблюдениям естественных и искусственных тел Солнечной системы (С.-Петербург, ИТА, 1996 г.), а также на международных конференциях по астрометрии и небесной механике (Познань, 1993 г.), по современным проблемам теоретической астрономии (С.-Петербург, ИТА, 1994г.) и по современным проблемам и методам астрометрии и геодинамики (С.-Петербург, ИПА, 1996 г.)

Печатные работы по теме диссертации:

1. Lukashova М. В. "Calculation of Circumstances of Lunar Eclipses" — Dynamics and Astrometry of natural and artificial celestial Bodies, Proc. of the Conf. on Astrometry and Celest. Mech. held in Poznan, Poland, September 13-17, 1993, p. 399-400.

2. Бойко В. H., Глебова Н. И., Лукашова М. В., Львов В. Н., Свешников М. Л., Свешникова Е. С., Смехачева Р. И., Фур-сенко М. А., Цекмейстер С. Д. "Программная система АЕ — «Астрономический Ежегодник» для персональных компьютеров" — Тезисы Междун. конф. "Современные проблемы теоретической астрономии", 20-24 июня 1994 г., С.-Петербург, ИТА, т. 1, с. 34-35.

3. Лукашова М. В., Румянцева Л. И. "Создание канонов солнечных и лунных затмений на больших временных интервалах" — Тезисы Всерос. конф. с междун. участием "Программы наблюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел Солнечной системы", 13-15 декабря 1994 г., С.-Петербург, ИТА, с. 82-83.

4. Лукашова М. В. "Предвычисление солнечных и лунных затмений и прохождений планет по диску Солнца" — Тезисы Научной конф. "Стохастические методы и эксперименты в небесной механике", 13-17 июня 1995 г., Архангельск, с. 41.

5. Бойко В. Н., Глебова Н. И., Лукашова М. В., Львов В. Н., Свешников М. Л., Свешникова Е.С., Смехачева Р.И., Фурсен-ко М. А., Цекмейстер С. Д. "Программная система АЕ (версия

1.0) — «Астрономический ежегодник» на персональном компьютере" — Тезисы Всерос. конф. с междун. участием "Компьютерные методы небесной механики — 95", 17-20 октября 1995 г., С.-Петербург, ИТА, с. 41-42.

5. Лукашова М. В. "Предвычисление солнечных и лунных затмений и прохождений планет по диску Солнца" — Препринт ИТА № 54, 1996, 70 с.

"Астрономический ежегодник на 1997 год. Часть 1. Эфемериды Солнца, Луны и планет", отв. ред. Абалакин В. К. — С.-Петербург: ИТА, 1996, 382 с.

5. Лукашова М. В. "Программный пакет «PHENOMENA» для предвычисления солнечных и лунных затмений и его использование" — Тезисы Междун. конф. "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", 23-28 сентября 1996 г., С.-Петербург, ИПА, с. 168.

). Лукашова М. В. "Использование программной системы «PHENOMENA» для создания канона солнечных затмений и обработки наблюдений солнечных затмений" — Тезисы Всерос. конф. с междун. участием "Наблюдения естественных и искусственных тел Солнечной системы", 26-28 ноября 1996 г., С.-Петербург, ИТА, с. 102-105.

). "Астрономический ежегодник на 1998 год", отв. ред. Абалакин В. К. — С.-Петербург: ИТА, 1997, 716 с.

В работах 2 и 5, написанных в соавторстве, диссертанту при-[лежит раздел вычисления затмений в Программной системе АЕ. •аботе 3 диссертанту принадлежит изложение эфемеридной осно-канона и описание оригинал-макета страницы. В работах 7 и 10 :сертантом подготовлены разделы солнечных и лунных затмений.

Литература

1. Михайлов А. А. "Теория затмений" — Москва: ГИТТЛ, 1954, 272 с.

2. Святский Д. О. "Астрономические явления в русских летописях с научно-критической точки зрения с приложением канона русских солнечных затмений М. А. Вильева" — Петроград, 1915, 214 с.

3. Chauvenet W. "A manual of spherical and practical astronomy" — Philadelphia: J. B. Lippincott&Co, v. 1, 1863, p. 436-549.

4. Morrison L. V., Lukas M. R., Stephenson F. R. "Catalogue of observations of occultations of stars by the Moon for the years 1623 to 1942 and solar eclipses for the years 1621 to 1804" — R. Greenich Obs. Bull., 1981, № 186, 55 p.

5. Stephenson F. R., Morrison L. V. "Long-term changes in the rotation of the Earth: 700 B.C. to A.D. 1980" — Philos. Trans. R. soc. London, A 313, 1984, p. 47-70.

6. Watts С. B. "The marginal zone of the Moon" — Astron. Pap., 1963, v. 17, 951 p.

¡S^jfcaSSS^U^- В- Лукашова/