Небесная несправедливость: почему одни города видят затмения дважды в жизни, а другие ждут тысячелетиями?

2 августа 1153 года Иерусалим — один из древнейших городов мира — в последний раз наблюдал полное солнечное затмение. Следующее ожидается лишь 6 августа 2241 года, согласно книге «Полнота» (Totality) покойного Фреда Эспенака, легендарного специалиста NASA по расчетам затмений. Разрыв составляет 1108 лет. Тем временем жители региона площадью около 52 200 квадратных километров, охватывающего части Иллинойса, Миссури и Кентукки, пережили полную фазу затмения дважды всего за 6 лет, 7 месяцев и 18 дней.

Почему поколения иерусалимцев так обделены, а жители Перривилла, Кейп-Джирардо, Падуки, Карбондейла, Маканды, Харрисбурга и Метрополиса могут наблюдать полное затмение, едва ли не выходя во двор? Почему в одних местах на Земле полного солнечного затмения не видят на протяжении нескольких человеческих жизней, а через другие полоса полной фазы (шириной около 160 км) проходит регулярно?

В чем причина такой «несправедливости» в распределении затмений по планете? Ответы кроются не только в цифрах, но и в орбитальных циклах, длящихся гораздо дольше простых тысячелетий.

Как часто происходят полные солнечные затмения?

Частоту полных солнечных затмений трудно точно определить, поскольку интервалы между ними в любой конкретной точке крайне нерегулярны. Базовой работой считается исследование бельгийского астронома Жана Меёса, легенды математической астрономии, опубликованное в 1982 году. Используя персональный компьютер HP-85 — один из первых доступных — Меёс рассчитал пути полной фазы на следующие 600 лет, чтобы получить ответ. Распространенное мнение гласило, что полное солнечное затмение в конкретном месте на Земле случается в среднем раз в 360 лет, но эта цифра восходила к учебнику астрономии 1926 года, который не содержал подтверждающих расчетов. Вычисления Меёса уточнили среднее значение до 375 лет. С тех пор это число стало стандартным, но благодаря развитию вычислительных технологий недавние попытки направлены на его уточнение путем обработки большего объема данных разными методами.

Тепловая карта NASA на 5000 лет

В марте 2024 года, прямо перед вторым «Великим американским затмением» за семь лет, Эрни Райт из Научно-визуализационной студии NASA опубликовал тепловую карту путей полной фазы по всей Земле. Она содержит траектории 3742 полных солнечных затмений за 5000 лет — с 2000 года до н.э. по 3000 год н.э. Карта была создана с использованием «Канона солнечных затмений на пять тысячелетий» — списка затмений, рассчитанных Жаном Меёсом и покойным Фредом Эспенаком и опубликованного в 2006 году. «Из тепловой карты очевидно, что полное солнечное затмение может произойти абсолютно в любой точке Земли, — написал Райт. — Фактически, на карте нет ни одного пикселя, который не был бы посещен хотя бы одним затмением — ни одного нуля среди 14,6 миллионов проанализированных точек». Каждый пиксель на карте Райта за 5000-летний период переживает от одного до 35 полных солнечных затмений.

Исследование Time and Date на 14 999 лет

Статья, представленная в архив arXiv в феврале и принятая к публикации в Journal of the British Astronomical Association позднее в этом году, представляет собой наиболее всеобъемлющую попытку. Она охватывает 35 538 солнечных затмений за 14 999 лет. Эта вычислительная работа потребовала 662 000 гигабайт-часов памяти и 147 000 ядро-часов на протяжении 102 дней непрерывных расчетов. Итогом стала новая уточненная цифра — 373 года. «Число Меёса так широко цитируется, и нам показалось интересным узнать, что произойдет, если позволить современному компьютеру решить ту же задачу», — рассказал Space.com ведущий автор исследования Грэм Джонс, астрофизик и научный коммуникатор Time and Date. Однако, помимо уточнения работы Меёса, это исследование выявило более глубокие закономерности в том, где и когда происходят полные солнечные затмения, связанные с орбитальной механикой Земли.

Эффект широты

Обе недавние работы выявляют закономерности расположения и времени полных солнечных затмений, которые ранее лишь предполагались. Поразительный вывод из статьи Time and Date — это «эффект широты», согласно которому частота солнечных затмений любого типа достигает пика в районе Северного и Южного полярных кругов и минимальна вблизи экватора. Причина проста: вблизи полярных кругов путь Солнца в определенные времена года проходит низко над горизонтом, что увеличивает временное окно, в течение которого может произойти затмение.

Исследование Райта для NASA показало, что в Северном полушарии происходит больше полных затмений, чем в Южном, главным образом из-за слегка эллиптической орбиты Земли вокруг Солнца. Они также чаще случаются летом, потому что в это время день длиннее. «Лето в Северном полушарии наступает, когда Земля находится близ афелия — своего наибольшего удаления от Солнца за год, — и это делает Солнце немного меньше на небе, давая Луне больше шансов полностью его закрыть», — пишет Райт. Однако даты афелия и перигелия (когда Земля ближе всего к Солнцу) смещаются на протяжении столетий. «Существует 21 000-летний цикл, в течение которого даты афелия и перигелия дрейфуют по календарю. Примерно через 4500 лет афелий и перигелий совпадут с равноденствиями, и на этом этапе ни одно из полушарий не будет иметь преимущества в виде более близкого или далекого Солнца в летние месяцы». Примерно через 9500 лет это положение сменится на противоположное, и преимущество перейдет к Южному полушарию. Именно этот 21 000-летний цикл объясняет, почему фактический интервал между полными солнечными затмениями в любой конкретной точке остается крайне нерегулярным по сравнению со средними показателями.

А как насчет кольцеобразных затмений («огненного кольца»)?

Частота кольцеобразных солнечных затмений (когда новолуние, находящееся дальше всего от Земли, закрывает только центр солнечного диска, образуя яркое кольцо) также была рассмотрена Меёсом и Time and Date. Исследование показывает, что кольцеобразное солнечное затмение происходит в конкретном месте на Земле в среднем раз в 224 года (по Меёсу) или 226 лет соответственно. Почему они случаются чаще, чем полные? «Кольцеобразных затмений больше, потому что, если взять средний видимый размер Солнца и Луны по всем затмениям, то в целом Солнце немного чаще оказывается чуть больше Луны», — объясняет Джонс.

И эта тенденция будет только усиливаться. Полные солнечные затмения возможны потому, что Луна и Солнце могут иметь одинаковый видимый размер в небе Земли — Солнце примерно в 400 раз шире Луны, но Луна примерно в 400 раз ближе к нам. Однако Луна постепенно удаляется от Земли со скоростью 3,8 сантиметра в год, что имеет разрушительные последствия для охотников за затмениями. «Если рассматривать действительно большие промежутки времени, то по мере медленного удаления Луны полные затмения в конце концов прекратятся совсем». Хорошая новость? Это произойдет не раньше чем через 600 миллионов лет.