Чтобы произошло солнечное затмение, Земля, Луна и Солнце должны выстроиться в одну линию, что бывает только в моменты новолуний. Из-за движения Луны по орбите со скоростью около 1 км/с ее тень приблизительно с той же скоростью перемещается относительно Земли. Максимальное время, в течение которого тень Луны (область полного затмения Солнца) скользит по Земле, составляет около 3,5 ч, а полутень (область частичного затмения) задерживается на Земле около 5,5 ч. Максимальный размер тени на поверхности Земли около 270 км. Жители, оказавшиеся на пути тени, наблюдают полное затмение Солнца. Продолжительность этого явления зависит от широты местности, поскольку поверхность Земли вращается в том же направлении – с запада на восток, куда движется лунная тень, с максимальной скоростью на экваторе 0,46 км/с. Поэтому в районе экватора полные затмения могут длиться до 7 мин 40 с, а на широте 45° – до 6,5 мин. В каждой точке Земли полное затмение происходит в среднем один раз за 360 лет.

По счастливому совпадению угловые диаметры Солнца и Луны почти одинаковы: они близки к 0,5°. Если в момент солнечного затмения Луна проходит перигей (ближайшую к Земле точку орбиты), то она полностью затмевает Солнце; в апогее (наиболее удаленной точке орбиты) угловой размер ее диска меньше солнечного, поэтому происходит кольцевое затмение.

Наблюдаемые явления. При частных затмениях Солнца общий поток его света ослаблен незначительно, т.ч. многие люди даже не замечают этого явления, если заранее не были предупреждены. Не закрытая Луной часть солнечного диска сияет в виде «месяца»; это легко увидеть, если посмотреть на Солнце через плотный светофильтр, например кусок засвеченной фотопленки.

Перед началом полного затмения яркость заметно убывает и узкий серпик Солнца можно наблюдать без светофильтра. Серпик быстро сужается, и когда он занимает совсем небольшой участок дуги, это называют «брильянтовым кольцом». В последний момент этот участок разбивается на цепочку ярких пятен, называемых «четками Бейли», – это лучи Солнца светят сквозь неровности лунного края (лунные долины). Вдруг наступает темнота, и появляется белоснежная солнечная корона. Ее яркость в полмиллиона раз ниже, чем у диска Солнца, и быстро спадает к краям, но при наступившей темноте отдельные лучи короны можно проследить до расстояния в несколько градусов. Вдоль края лунного диска видна розоватая полоска хромосферы. Иногда видны яркие розовые язычки протуберанцев, вытянувшиеся над хромосферой. Кое-где на небе заметны звезды. Через несколько минут с противоположной стороны солнечного диска появляются «четки Бейли» и «брильянтовое кольцо» – полное затмение закончилось и корона померкла в лучах Солнца.

Кольцевое затмение. Средняя длина лунной тени 373 тыс. км, тогда как среднее расстояние от Земли до Луны 385 тыс. км. Поэтому в большинстве затмений лунная тень не дотягивается до земной поверхности. При этом Луна не полностью закрывает солнечный диск, а оставляет видимым тонкий ободок. При таком кольцевом затмении яркий ободок Солнца не позволяет увидеть ни корону, ни звезды вблизи Солнца. Поэтому кольцевые затмения не представляют большого научного интереса.

Лунные затмения. Для затмения Луны Солнце, Земля и Луна также должны располагаться приблизительно на одной прямой. Если Луна проходит через полутень Земли, ее блеск ослабляется незначительно. Полутеневые затмения непривлекательны для астрономов и редко обсуждаются. Когда же Луна входит в тень Земли, то довольно четкая темная область надвигается на ее поверхность, которая сильно краснеет и темнеет, но все же остается видимой: ее освещают рассеянные и преломленные в земной атмосфере солнечные лучи, причем красные лучи проходят сквозь воздух лучше голубых (по этой же причине Солнце у горизонта красное). Яркость Луны при полном затмении сильно зависит от облачности земной атмосферы.

Научный интерес к лунным затмениям в основном связан с возможностью измерять скорость падения температуры ее поверхности после резкого прекращения солнечного нагрева. Быстрое падение температуры указывает, что верхний слой лунного грунта – плохой проводник тепла.

Геометрия затмений. Путь Луны на небе наклонен примерно на 5° к солнечному пути – эклиптике. Поэтому затмения происходят только вблизи точек пересечения («узлов») их траекторий, где светила достаточно сближаются. Видимое смещение Луны при наблюдении из различных точек Земли (суточный параллакс), а также конечный размер Солнца и Луны делают затмения возможными в определенной зоне вблизи узлов их орбит. В зависимости от расстояния до Луны и Солнца размер этой зоны меняется. Для солнечных затмений ее границы отстоят от узла в каждую сторону на 15,5–18,4°, а для лунных – на 9,5–12,2°.

Солнечные затмения. Солнце совершает оборот по эклиптике на 360° за 3651/4 сут; поскольку зона затмений занимает около 34°, Солнце проводит в этой зоне около 34 сут. Но период между новолуниями составляет 291/2 сут, значит, Луна обязательно должна пройти через зону затмений, пока там находится Солнце, но может посетить ее за этот период и дважды. Поэтому при каждом прохождении Солнца через зону затмений (один раз в полгода) должно произойти одно затмение, но может случиться и два.
Лунные затмения. Земная тень проходит по зоне затмения Луны в среднем за 22 дня. За этот период может произойти не более одного лунного затмения, поскольку между полнолуниями проходит 291/2 суток. Затмения может и вообще не случиться, если одно полнолуние было накануне вступления тени в зону, а следующее – сразу после ее выхода из зоны.

Хотя лунные затмения происходят реже солнечных, мы гораздо чаще видим полные затмения Луны, чем Солнца. Дело в том, что закрытую земной тенью Луну могут наблюдать все жители ночного полушария Земли, тогда как для наблюдения полного солнечного затмения нужно попасть в узкую полосу лунной тени.

Повторяемость затмений. Период между двумя последовательными прохождениями Солнца через восходящий узел лунной орбиты называют драконическим годом (вспомните легенду о драконе, пожирающем Солнце). За этот период должно произойти, как минимум, два солнечных затмения – по одному вблизи восходящего и нисходящего узлов; но может не быть ни одного лунного. Максимально в каждом узле может случиться по одному лунному и еще по одному солнечному затмению – всего шесть.

Поскольку из-за поворота лунной орбиты узлы смещаются навстречу Солнцу, драконический год продолжается всего 346,6 сут. Таким образом, если первое затмение в году случилось до 19 января, то до конца календарного года может произойти еще и седьмое затмение. Ближайшая такая ситуация будет в 2094.