Перейти к содержанию

Подборка

Подборки хранятся в этом браузере без учётной записи. Для них нужен включённый JavaScript.

10.8 Игра в прятки

АстрономияРегиональный10 класс2026Есть решение редакция rv_3c3e1a20d5356983 ID p_ef062e3c8dfb3a24

Два раза за 12 лет в системе галилеевских спутников Юпитера появляется возможность затмения одного спутника другим. Определите максимально возможное изменение блеска Каллисто из-за этого эффекта. Воспользуйтесь приближением геометрической оптики.

Влиянием атмосфер спутников можно пренебречь. Считайте, что отражательная способность не зависит от угла падения. Из-за большого удаления Юпитера от Солнца фазы планеты и спутников можно считать равными 1. Орбиты Земли, Юпитера и всех спутников считайте круговыми. Экваториальный радиус Юпитера равен 71.5 тыс. км.

СпутникПолуось орбитыДиаметр спутника
Ио421 800
км
3 640
км
Европа671 100
км
3 120
км
Ганимед1 070 400
км
5 270
км
Каллисто1 882 700
км
4 820
км

Решение

Показать решение

Решение.

Данное явление возможно два раза за звездный (сидерический) период Юпитера, когда направление «Солнце – Юпитер» совпадает с плоскостью экватора и плоскостью орбит галилеевских спутников. Возникает ситуация, в чем-то аналогичная земному равноденствию.

Отсюда сразу можно получить величину радиуса орбиты Юпитера, которая непосредственно не дана в условиях.

a 7 = 12 2 / 3 = 5.2  a.e. a_{7} = 12^{2/3} = 5.2 \text{ a.e.}

Калисто – самый далекий от Юпитера из всех галилеевских спутников. Для максимизации эффекта нам нужно найти условие, при котором размер тени на поверхности Каллисто от другого спутника максимален. Для этого нам нужен

  • A. самый большой по размеру спутник,

  • B. спутник, максимально близко расположенный к Каллисто.

Тут отлично подойдет Ганимед, так как он обладает наибольшим размером, и при этом он может быть ближе всех к Каллисто. Кроме этого, нам нужно учесть, что расположение объектов на одной линии в порядке «Солнце – Земля – Юпитер – Ганимед – Каллисто» в рамках задачи невозможно, так как в этом случае за Юпитером мы не увидим его спутники, а в условии задачи не сказано, что размерами Юпитера можно пренебречь.

1 этап. Определим радиус тени Ганимеда на удалении :

.

Расстояние между Солнцем и Ганимедом с большой точностью равно радиусу орбиты Юпитера. Обозначим за величину x длину конуса тени от спутника, а за l – расстояние между спутниками.

R ⊙ a 1 + x = R G x \frac{R_{\odot}}{a_{1} + x} = \frac{R_{G}}{x}

Отсюда

x = a 7 R G R ⊙ − R G x = a_{7} \frac{R_G}{R_{\odot} - R_G}

Также мы можем записать выражение для радиуса тени R T R_T :

R T x − l = R G x \frac{R_T}{x-l} = \frac{R_G}{x}
R T = R G x − l x R_T = R_G \frac{x - l}{x}

2 этап. Определение расстояния между спутниками.

Важно отметить, что нам нужно, чтобы Каллисто оказался в тени Ганимеда, но при этом не попал в тень Юпитера, и при этом нас интересует ситуация минимального расстояния между спутниками. Поэтому линия «Солнце — Ганимед — Каллисто» должна касаться границы Юпитера. Действительно, в этом случае расстояние между двумя спутниками будет минимально, а следовательно, размер тени будет максимальным.

Обозначим точкой O центр Юпитера, точкой K – Каллисто, точкой G – Ганимед. Линия KO' – касательная к поверхности Юпитера с Каллисто, при этом Ганимед также находится на этой касательной.

Заметим, что треугольники OO'K и OO'G – прямоугольные из-за соответствующего свойства касательной.

O ′ K = a k 2 − R γ + 2 O'K = \sqrt{a_k^2 - R_{\gamma_+}^2}
O ′ G = a G 2 − R ↑ ↓ 2 O'G = \sqrt{a_G^2 - R_{\uparrow\downarrow}^2}

Разность между этими двумя расстояниями равна l:

l = a k 2 − R 2 + 2 − a G 2 − R 2 + 2 l = \sqrt{a_k^2 - R_{2+}^2} - \sqrt{a_G^2 - R_{2+}^2}

Этап 3. Определим численные значения расстояния и радиуса тени.

l = 1882700 2 − 71500 2 − 1070400 2 − 71500 2 = 831300  km l = \sqrt{1882700^2 - 71500^2} - \sqrt{1070400^2 - 71500^2} = 831300 \text{ km}

Полученная величина всего на тысячу километров больше, чем разница полуосей орбит Каллисто и Ганимеда.

Длина конуса тени

x = a 7 + R G R ⊙ − R G = 5.2 ⋅ 1.5 ⋅ 10 8  км 2635  км 700000 − 2635 = 2947200  км x = a_{7} + \frac{R_G}{R_{\odot} - R_G} = 5.2 \cdot 1.5 \cdot 10^8 \text{ км} \frac{2635 \text{ км}}{700000 - 2635} = 2947200 \text{ км}
R T = 2635  км 2947200 − 831300 2947200 = 1910  км 1 R_T = 2635 \text{ км} \frac{2947200 - 831300}{2947200} = 1910 \text{ км}^1

Этап 4. Теперь рассчитаем фотометрию ситуации.

Δ m = m − m 0 = − 2.5 lg E 3aTM E 0 \Delta m = m - m_0 = -2.5 \lg \frac{E_{\text{3aTM}}}{E_0}

Здесь 0 – освещенность от Каллисто без затмения, затм – освещенность от Каллисто, когда часть его диска закрыта Ганимедом. 0 – видимая звездная величина Каллисто вне затмения, – видимая звездная величина в момент затмения.

Во время затмения не вся поверхность Каллисто отражает свет. Поэтому освещенность от спутника будет меньше на величину

E 3 aTM = E 0 S − S T S E_{3\text{aTM}} = E_0 \frac{S - S_T}{S}

1 стоит отметить, что и в модели «прозрачного Юпитера» ответ численно будет такой же, но сама модель астрономически не корректна.

Выразим площадь тени через радиусы:

Δ m = − 2.5 lg ( 1 − R T 2 R c 2 ) \Delta m = -2.5 \lg(1 - \frac{R_{\rm T}^2}{R_c^2})

Теперь осталось только подставить значения:

Δ m = − 2.5 lg ( 1 − 1908 2 2410 2 ) = − 2.5 lg ( 0.373 ) = 1.07 m \Delta m = -2.5 \lg(1 - \frac{1908^2}{2410^2}) = -2.5 \lg(0.373) = 1.07^m

Ответ: ∆ = 1.07

Критерии

Показать критерии
Критерии оценивания.16
К1.Определение радиуса орбиты Юпитера1
К2.Четкое обоснование выбора Ганимеда как тела, создающего максимальную тень2
К3.Определение расстояния от Ганимеда до Каллисто4
Решение с моделью, в которой Ганимед, Каллисто, Юпитер и Солнце находятся на одной
линии в указанном порядке (спутники не видны с Земли), оценивается по этому критерию
в 1 балл. В остальных критериях оценка за эту модель не снижается.
К4.Определение размера тени Ганимеда на Каллисто4
К5.Определение падения блеска Каллисто5
∆𝑚
Получение формулы для
через отношение радиусов 2
Получение верного численного ответа для величины падения блеска3
Если участник рассматривает не Ганимед, а другой из спутников, то максимальная оценка
при верных расчётах может составлять
1 + 0 + 2 + 2 + 1 = 8
баллов.