Смена времен года
Равноденствия и солнцестояния. Вращаясь вокруг своей оси, Земля в то же время со скоростью 30 км/с движется вокруг Солнца. При этом воображаемая ось суточного вращения планеты не изменяет своего направления в пространстве, а переносится параллельно самой себе. Поэтому величина склонения Солнца δ на протяжении года непрерывно (и к тому же с различной скоростью!) изменяется. Так, 21 (22) декабря оно имеет наименьшее значение δ = —23°27, через три месяца, 20 (21) марта δ = 0°, далее 21 (22) июня оно достигает наибольшего значения δ=+23°27, 22 (23) сентября снова становится равным нулю, после чего до 21 декабря склонение Солнца непрерывно уменьшается. Но весной и осенью скорость изменения δ довольно велика, тогда как в июне и декабре она гораздо меньше. Конкретно, за пять дней — с 21 по 26 марта (как и с 16 по 21) склонение Солнца возрастет на 2°, а за 10 дней — почти на 4° (т. е. за десять дней Солнце «успевает» подняться над небесным экватором «вверх» на восемь своих угловых диаметров!), а вот около 22 июня (как и в декабре) за пять суток склонение Солнца изменяется всего на 5, а на 4° лишь за 35 суток. Это создает впечатление некоторого «стояния» Солнца летом и зимой на определенном расстоянии от небесного экватора на протяжении нескольких суток. Поэтому 21-22 декабря в северном полушарии высота Солнца над горизонтом в верхней его кульминации бывает наименьшей; этот день в году является наиболее коротким, за ним следует самая длинная в году ночь зимнего солнцестояния. Наоборот, летом, 21 или 22 июня, высота Солнца над горизонтом в верхней кульминации. наибольшая, этот день летнего солнцестояния имеет самую большую длительность. 20 или 21 марта наступает весеннее равноденствие (Солнце в своем видимом годичном движении проходит через точку весеннего равноденствия из южного полушария в северное), а 22 или 23 сентября— осеннее равноденствие. В эти даты длительность дня и ночи уравнивается (рис.).
Рис. Видимое движение Солнца на небе в дни солнцестояний и равноденствий »
В частности, на широте 50° высота Солнца над горизонтом в верхней кульминации равна: 22 декабря 16°,5, 21 марта и 23 сентября 40°, 22 июня 63°,5. Соответственно меняется на протяжении года и величина азимута точки восхода (и захода) Солнца. Так, на той же широте азимут точки восхода Солнца 22 декабря, 21 марта (и 22 сентября) и 22 июня равен соответственно: —54°, —92° и —129°. Другими словами, на протяжении года точка восхода (и захода) Солнца передвигается вдоль горизонта на угол 129°—54° = 75°.
Под влиянием притяжения, действующего на Землю со стороны других планет, параметры орбиты Земли, в частности ее наклонение к плоскости небесного экватора ε, изменяются: плоскость земной орбиты как бы «пошатывается» и на протяжении миллионов лет величина е колеблется около своего среднего значения. Так, из расчетов следует, что в 4000 г. до н. э. угол е был несколько большим и достигал величины ε = 24°13. Поэтому высота Солнца в верхней кульминации в то время была на 46 больше, чем в наши дни. В свою очередь точка восхода Солнца на горизонте располагалась тогда «левее», а точка захода «правее», чем это фиксирует наблюдатель сегодня. Это обстоятельство, безусловно, следует принимать во внимание при изучении древних ориентиров, которые, как предполагается, могли указывать древним жителям Земли направления азимутов восходов и заходов Солнца в дни солнцестояний.
И еще одно замечание. Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, и поэтому ее расстояние от него на протяжении года несколько изменяется. Ближе всего к Солнцу наша планета (в настоящее время!) бывает 2—5 января, в это время скорость ее движения по орбите является наибольшей. Поэтому продолжительность сезонов года неодинакова: весны — 92 дня, лета — 94 дня, осени — 90 и зимы — 89 дней для северного полушария. Весна и лето (число дней, истекших от момента перехода Солнца через точку весеннего равноденствия до его перехода через точку осеннего равноденствия) в северном полушарии продолжаются 186 дней, тогда как осень и зима — 179. Несколько тысяч лет назад «вытянутость» эллипса земной орбиты была меньшей, поэтому меньшей была и разность между упомянутыми промежутками времени. К тому же, например, в 4000 г. до н. э. свое ближайшее расстояние до Солнца Земля проходила несколько раньше — примерно 24—27 сентября.
В связи с изменением высоты Солнца над горизонтом происходит закономерная смена времен года (рис.).
Рис. Движение Земли вокруг Солнца и смена времен года
Холодная зима с ее лютыми морозами, длинными ночами и короткими днями сменяется цветущей весной, затем щедрым урожайным летом, за которым идет осень с ее золотистыми красками и... затяжными дождями.
Звездный год. Сопоставляя вид звездного неба сразу после захода Солнца ото дня ко дню на протяжении нескольких недель, можно заметить, что видимое положение Солнца по отношению к звездам непрерывно меняется: Солнце передвигается с запада на восток и на протяжении каждых 365,256360 суток делает на небе полный круг, возвращаясь к той -же звезде. Этот промежуток времени называется звездным годом.
Зодиакальные созвездия. Для лучшей ориентации в безграничном звездном океане астрономы разделили небо на 88 отдельных площадок — созвездий. По 12 созвездиям, которые называются зодиакальными (от греческого слова «зоон» — животное, так как древние люди дали им преимущественно имена животных), и проходит Солнце на протяжении года. Продолжительность пребывания Солнца в каждом из зодиакальных созвездий в современную эпоху по григорианскому календарю указана в табл.
Таблица. Движение Солнца по зодиакальным созвездиям
|
Название созвездия | Продолжительность пребывания Солнца в созвездии |
| Стрелец | 18 декабря—19 января |
| Козерог | 19 января — 16 февраля |
| Водолей | 16 февраля — 12 марта |
| Рыбы | 12 марта—18 апреля |
| Овен | 18 апреля — 14 мая |
| Телец | 14 мая — 21 июня |
| Близнецы | 21 июня — 20 июля |
| Рак | 20 июля — 11 августа |
| Лев | 11 августа — 17 сентября |
| Дева | 17 сентября — 31 октября |
| Весы | 31 октября — 22 ноября |
| Скорпион | 22 ноября — 30 ноября |
Примечание. С 30 ноября по 18 декабря Солнце находится в созвездии Змееносца, которое в число зодиакальных не включено.
«Знаки Зодиака». В прошлом, лет 2000 назад, да и в средневековье для удобства в отсчете положения Солнца на эклиптике, она была разделена на 12 равных частей по 30° в каждой. Каждую дугу в 30° было принято обозначать знаком того зодиакального созвездия, через которое в том или другом месяце проходило Солнце. Так на небе появились «знаки Зодиака». За начало отсчета была принята точка весеннего равноденствия, находившаяся в начале н. э. в созвездии Овна. Отсчитанная от нее дуга длиной 30° обозначалась знаком ¡ («бараньи рога»). Дальше Солнце проходило через созвездие Тельца, поэтому дуга эклиптики от 30 до 60° обозначалась «знаком Тельца» Ŏ и т. д. Расчеты положения Солнца,
Луны и планет в «знаках Зодиака», т. е. фактически на определенных угловых расстояниях от точки весеннего равноденствия, проводились на протяжении многих столетий для составления гороскопов.
К нашему времени из-за прецессии произошло смещение точки весеннего равноденствия из созвездия Овна в созвездие Рыб (перемещение точки на ¡ 1° за каждые 72 года за 2000 лет дает почти 30°, т. е. величину дуги, приписываемой одному знаку Зодиака!). Но, отдавая дань традиции, кое-где и теперь еще говорят, что Солнце с 22 марта по 20 апреля находится в знаке Овна, с 21 апреля по 21 мая — в знаке Тельца и т. д. На самом же деле оно в это время проходит соответственно через созвездия Рыб и Овна.
Сказанное может быть лишним доказательством абсурдности расчета гороскопов в наше время.
Характерные восходы и заходы звезд. Благодаря непрерывному перемещению диска Солнца на небесной сфере с запада на восток вид звездного неба от вечера к вечеру хотя и медленно, но непрерывно изменяется. Так, если в определенное время года какое-то созвездие зодиака спустя час после захода Солнца видно в южной части неба (скажем, проходит через небесный меридиан), то благодаря указанному движению Солнца в каждый последующий вечер это созвездие будет проходить через меридиан на четыре минуты раньше, чем в предыдущий. К моменту же захода Солнца оно будет все больше передвигаться в западную часть неба. Примерно через три месяца это зодиакальное созвездие уже скроется в лучах вечерней зари, а спустя 10—20 дней оно будет видно уже утром перед восходом Солнца в восточной части небосвода. Примерно так же ведут себя и другие заходящие созвездия и отдельные звезды. При этом смена условий их видимости существенно зависит от географической широты наблюдателя φ и склонения светила δ, в частности от его расстояния от эклиптики. Так, если звезды зодиакального созвездия достаточно удалены от эклиптики, то утром они видны даже раньше, чем прекращается их вечерняя видимость.
Первое появление звезды в лучах утренней зари (т. е. первый утренний восход звезды) называется ее гелиакическим (от греческого «гелиос» — Солнце) восходом. С каждым последующим днем эта звезда успевает подняться над горизонтом все выше: ведь Солнце продолжает свое годичное движение по небу. Через три месяца к моменту. восхода Солнца эта звезда вместе со «своим» созвездием уже проходит меридиан (в верхней кульминации), а еще через три месяца будет скрываться за горизонтом на западе.
Заход звезды в лучах утренней зари, происходящий единственный раз в году (утренний заход), принято называть ее космическим («космос» — «украшение») заходом. Далее, восход звезды над горизонтом на востоке при заходе Солнца (восход в лучах вечерней зари) называется ее акроническим восходом (от греческого «акрос» — высший; по-видимому, имелось в виду наиболее удаленное от Солнца положение). И, наконец, заход звезды в лучах вечерней зари принято называть гелиакическим заходом.
Даты вечерних и утренних восходов и заходов некоторых звезд для наблюдателя, находящегося на широте φ = 50°, приведены в табл. Следует, однако, иметь в виду, что эти даты лишь ориентировочны. Они соответствуют восходу (заходу) звезды на момент конца вечерних (или начала утренних) гражданских сумерек.
Таблица: Даты восхода и захода звезд на географической широте φ = 50°
|
Звезда или группа звезд |
Вечерний |
Утренний |
Вечерний |
Утренний |
|
заход |
восход |
восход |
заход | |
|
Плеяды |
12 мая |
23 мая |
4 декабря |
14 ноября |
|
Пояс Орион а |
12 мая |
20 июля |
18 января |
14 ноября |
|
Сириус |
14 мая |
16 августа |
12 февраля |
15 ноября |
|
Процион |
15 июня |
8 августа |
5 февраля |
12 декабря |
|
а Гидры |
30 июня |
9 сентября |
7 марта |
25 декабря |
|
Поллукс |
13 июля |
20 июля |
18 января |
5 января |
|
Регул |
13 августа |
2. сентября |
27 февраля |
25 января |
|
Спика |
1 октября |
26 октября |
23 апреля |
6 м^рта |
|
Антарес |
14 ноября |
15 декабря |
18 июня |
22 апреля |
|
Р Весов |
19 ноября |
15 ноября |
15 мая |
28 апреля |
|
Арктур |
2 декабря |
13 октября |
10 апреля |
20 мая |
|
а Стрельца |
21 декабря |
17 января |
5 августа |
15 июня |
|
Альтаир |
29 января |
23 декабря |
1 июля |
4 августа |
|
а Водолея |
15 февраля |
3 февраля |
5 сентября |
23 августа |
|
Р Кита |
4 марта |
22 мая |
4 декабря |
6 сентября |
На самом же деле условия видимости звезд различной звездной величины (различного блеска) неодинаковы. Поэтому в астрономии имеется понятие дуги видимости — наименьшей «глубины» Солнца под горизонтом (его высоты h <. 0), начиная с которой та или другая звезда становится заметной на небосклоне. В частности, для Сириуса, Регула и Плеяд величина h имеет соответственно значения —10°, —12° и —15°. Поэтому в последние 2—3 дня около указанного в табл. предела звёзды на конец гражданских сумерек хотя и будут еще над горизонтом, заметить их уже крайне трудно.
Тропический год. Вернемся еще раз к вопросу о движении. Солнца по эклиптике. 20 (или 21) марта центр диска Солнца пересекает небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. Точка пересечения небесного экватора с эклиптикой — точка весеннего равноденствия находится в наше время в созвездии Рыб. На небе она не «отмечена» какой-либо яркой звездой, ее местонахождение на небесной сфере астрономы устанавливают с весьма высокой точностью по наблюдениям близких к ней «опорных» звезд.
Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия называется истинным, или тропическим годом. Продолжительность его равна 365,2421988 суток или же 365 дней 5 часов 48 минут и 46 секунд. Принимается, что и среднее солнце за то же время возвращается к точке весеннего равноденствия.
Бесселев год. Продолжительность нашего календарного года неодинакова: он содержит то 365, то 366 дней. Между тем астрономы отсчитывают тропические годы одинаковой длительности. По предложению немецкого астронома Ф. В. Бесселя (1784— 1846) за начало астрономического (тропического) года принимают момент, когда прямое восхождение среднего экваториального солнца равно 18h40m. Например, в 1980 г. бесселев год начался в момент 1 января, 4 ч 32 мин, в 1983 г.— 31 декабря («0 января») в 21 ч 58 мин всемирного времени.
Прецессия. Продолжительность тропического года на 20 мин 24 с короче звездного года. Это связано с тем, что точка весеннего равноденствия со скоростью 50",2 в год перемещается по эклиптике навстречу годичному движению Солнца. Это явление было открыто еще древнегреческим астрономом Гиппархом во II в. до н. э. и названо прецессией, или предварением равноденствий. За 72 года точка весеннего равноденствия смещается по эклиптике на 1°, за 1000 лет — на 14° и т. д. Примерно за 26 000 лет она сделает полный круг на небесной сфере. В прошлом же, около 4000 лет назад, точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца недалеко от звездного скопления Плеяд, летнее же солнцестояние в это время наступало в момент прохождения Солнца через созвездие Льва недалеко от звезды Регул (рис.).
Рис. Положение небесного экватора и точки весеннего равноденствия среди звезд в 4000 г. до н. э.
Явление прецессии возникает потому, что форма Земли отличается от сферической (наша планета как бы сплюснута у полюсов). Под действием притяжения Солнцем и Луной различных частей «сплюснутой» Земли ось ее суточного вращения описывает
конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики. В итоге полюсы мира перемещаются среди звезд по малым кругам с радиусами около 23°27 (рис.). Одновременно смещается на небесной сфере и вся сетка экваториальных координат, а с нею и точка весеннего равноденствия.
Вследствие прецессии вид звездного неба на определенный день года медленно, но непрерывно меняется. Так, 4000 лет назад центральное место в южной части вечернего неба в момент весеннего равноденствия занимало созвездие Льва, созвездие Близнецов находилось тогда низко над горизонтом неподалеку от точки захода. Солнца. В наше же время весной созвездие Льва лишь поднимается над горизонтом в восточной части неба, а созвездие Близнецов красуется на юге...
Изменение числа суток в году. Как показали проведенные на протяжении многих десятков лет наблюдения кульминаций звезд, вращение Земли вокруг своей оси постепенно замедляется, хотя величина этого эффекта все еще известна с недостаточной точностью. Предполагается, что за последние две тысячи лет продолжительность суток увеличивалась в среднем на 0,002 с в столетие. Это, казалось бы, ничтожно малая величина, накопляясь, приводит к весьма заметным результатам. Из-за этого, например, будут неточными расчеты солнечных затмений и условий их видимости в прошлом (скажем, 1500—2000 лет назад), если в качестве расчетной единицы времени принята сегодняшняя длина суток. В частности, за -2000 лет в счете времени накопится разность 1/2* (0,04 + 0,00) *365 * 2000 = 14 600с = 4 часа, так как 2000 лет назад сутки были короче на 0,002 * 20 = 0,04 с.
Рис. 9. Перемещение Северного полюса мира среди звезд за 26000 лет. Прерывистой линией показано смещение полюса эклиптики
Здесь уместно провести аналогию с двумя бегунами, которые к финишу пришли одновременно и с одинаковыми скоростями, но один из которых двигался равномерно, второй же постепенно замедлял свой бег. Понятно, что этот второй бегун за одинаковый с первым интервал времени пробежал большее расстояние, т.е. стартовал из более отдаленного пункта. Как этот второй бегун, и наша Земля раскручивается с замедляющейся угловой скоростью. По сравнению с некоторым воображаемым эталоном, вращающимся с постоянной скоростью, за определенный промежуток времени Земля повернулась на больший угол.
Поэтому, в частности, затмение, случившееся 2000 лет назад, на самом деле наблюдалось на четыре часа раньше, а его полоса на поверхности Земли была смещена примерно на 60° к востоку, чем это следует из проводимых ныне расчетов, в которых в качестве единицы времени используется продолжительность сегодняшних суток. Так, если, согласно расчету, затмение должно было произойти в Гринвиче ровно в полдень, то, поскольку Земля в прошлом вращалась быстрее, на этот момент фиктивного «сегодняшнего» полдня Гринвич тогда находился еще на 60° к западу от полосы лунной тени, а затмение, с точки зрения тогдашнего наблюдателя, произошло в 8 часов утра.
В связи с упомянутым здесь эффектом медленно, но неуклонно уменьшается количество суток, укладывающихся в тропическом году. Этот эффект описывают приближенной формулой С. Ньюкома
1 тропический год = 365,24219879 — 0,0000000614 (R— 1900),
где R — порядковое число года.
В частности, тропический год оказывается равным
в 3000 г. до н. э. 365,242500 суток
1 г. н. э. 365,242316 »
1900 » 365,242199 »
4000 » 365,242070 »
В наше время величина тропического года уменьшается каждое столетие на 0,54 с. По оценкам, миллиард лет назад сутки были на 4 часа короче, чем сегодня, а примерно через 4,5 млрд. лет Земля будет делать всего девять оборотов вокруг своей оси за год...