Почему ввели понятие среднее солнце кратко
Обновлено: 05.07.2024
Идут последние часы 2019 года. Скоро на смену ему придет новый, 2020 год. Минута за минутой, час за часом, день за днем. Ход времени непрерывен и неотвратим. Во всяком случае, пока не изобрели машину времени.
Сегодня часы и календари известны и привычны всем. Сутки состоят из 24 часов. Час из 60 минут. Минута из 60 секунд. С календарем немного сложнее, год может состоять из 365 или 366 дней. Многие даже вспомнят, что мы пользуемся Григорианским календарем. Некоторые знают о календаре Юлианском. Разнице между Юлианским и Григорианским календарями мы и обязаны такому феномену, как Старый Новый Год.
О теме календарей чаще вспоминают на рубеже веков. Наш высокотехнологичный мир вносит свою "изюминку", например, сильно раздутая тема "компьютерного конца света" в виде "проблемы 2000 года" (кто то еще о ней помнит?). Не так давно много шума поднял календарь Майя, согласно которому 2012 год станет "годом конца света". Впрочем, конца света, как всегда, не случилось. А еще есть лунный календарь, которому приписывают даже некий мистический смысл. Хотя дело тут просто в влиянии нашего спутника, Луны.
Почему все так сложно? Зачем столько календарей? Почему счет времени был разным на разных этапах развития цивилизации? Давайте попробуем в этом разобраться. Я буде очень краток, так как эта тема настолько обширна, что может не поместиться и толстенный фолиант. Да и математики там будет очень много, чего я постараюсь избежать.
Время и его счет
Начнем с времени, с обычных часов и минут. Что тут может быть сложного? Оказывается, очень многое.
Древний мир
Когда то давно человеку не требовалось "считать время". Было достаточно различать день и ночь. Постепенно добавились утро и вечер. Но развитие цивилизации потребовало большей точности. Так появились часы. Не как прибор измерения времени, а как единица измерения времени. Но и прибор для измерения времени мы тоже называем часами.
Простейшими часами были солнечные. Солнце каждый день "ходит" по небу, значит мы можем использовать его движение для оценки времени. Достаточно воткнуть в землю палку, нарисовать вокруг нее окружность и разделить ее на несколько частей. Но и тут не все так просто.
Как видно, тень от палки не движется по полной окружности, а высота солнца над горизонтом зависит от времени года. Поэтому, во первых, нужно было определить максимальную высоту солнца над горизонтом и положение тени в этот момент времени. А это можно сделать в полдень в день летнего солнцестояния. Во вторых, нужно определить местоположение тени во время восхода и захода солнца.
Получившийся сектор окружности и нужно поделить на несколько частей, или часов. Трудно сказать, кто первым додумался до такой конструкции солнечных часов, но они были уже в древнем Египте.
Однако, если внимательно присмотреться, станет видно, что продолжительность часа в таких часах будет разной в разные времена года. Более того, в разных точках земного шара продолжительность часа тоже окажется разной, так как зависит от высоты солнца в день летнего солнцестояния которое, в свою очередь, зависит от расстояния до экватора.
В Древней Греции и Древнем Риме солнечные часы называли гномон. Его усовершенствовали сделав деление сектора на не равные части и нанеся дополнительные шкалы, учитывавшие время года. Но суть оставалась прежней.
Развитие технологий измерения времени
Солнечные часы показывали время только днем и только на улице, а этого было недостаточно. Поэтому стали появляться часы основанные на иных принципах. Всем известны песочные часы, которые могут использоваться для отсчета временных интервалов, но годятся для счета времени суток. Водяные часы, или клепсидры, изобретенные древними греками вместо песка использовали воду. Причем греки довели их до такого совершенства, что они стали отсчитывать и время суток. Китайские огненные часы, в которых время отсчитывал сгорающий фитиль. Средневековый способ измерения времени придуманный монахами основанный на сгорании свечи. Конструкция было множество.
Но требования к точности росли. Важную роль сыграла и необходимость точного определения положения на местности мореходами и путешественниками. Появились механические часы, которые используются и поныне. Для мореплавателей изобрели специальные конструкции механических часов которые были малочувствительны к качке. Такие часы стали называть хронометрами.
В наше время используют и электронные часы, которые могут давать ошибку всего пару секунд в год. Есть даже атомные часы, которые обеспечивают погрешность менее секунды за тысячелетие.
Стали ли мы точно измерять время суток? Само время мы стали измерять очень точно, а вот с временем суток все гораздо хуже. В чем же дело?
Коварное время суток
Для начала возьмем какую то одну точку на поверхности земного шара.
Что такое сутки? Утром солнце поднимается над горизонтом. В течении дня солнце движется по небосводу поднимаясь все выше. Момент наивысшего положения солнца на небе называется моментом верхней кульминации. Затем солнце начинает опускаться и вечером скрывается за горизонтом. В промежутке времени между заходом и восходом солнца оно проходит и момент нижней кульминации, то есть, точку своего наинизшего положения, которая располагается ниже линии горизонта. Это видимое движение солнца обусловлено вращением Земли вокруг своей оси. Сутками считают промежуток времени между двумя одноименными кульминациями. Именно этот промежуток времени и делят на 24 часа
Точнее, это истинные солнечные сутки, а время называется истинным солнечным временем. Существует еще понятие звездных суток, как промежутка времени между двумя последовательными кульминациями одной и той же звезды.
Однако, продолжительность истинных солнечных суток неодинакова на протяжении года. Наблюдения показывают, что продолжительность суток максимальна 23 декабря, а минимальна 16 сентября. Разница весьма ощутима и составляет примерно 51 секунду. Это объясняется наклоном оси вращения Земли и движением Земли вокруг солнца по эллиптической орбите (причем движения не равномерного).
Проблема. Как можно можно использовать для измерения времени столь нестабильную величину как истинные солнечные сутки? Поэтому было введено понятие среднего солнца. Это фиктивная (виртуальная) равномерно перемещающаяся вдоль небесного экватора в течении года.
Соответственно, средними солнечными сутками считается промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего солнца. А время основанное на продолжительности средних солнечных суток называю средним солнечным временем. Именно его показывают наши часы!
Разность между средним солнечным временем Тм и истинным солнечным временем Т☉ измеренным на том же меридиане называют уравнением времени. Эту разность на начало каждых суток можно найти в астрономических календарях. А выглядит график уравнения времени так
Таким образом, мы просто не имеем возможности точки показывать истинное время суток на наших часах, настолько это изменчивая и не стабильная величина. Ведь наша планета не только вращается неравномерно вокруг своей оси. Она движется по эллиптической, и нестабильной, орбите вокруг солнца. Причем скорость ее движения разная в разных точках орбиты. Оказывает свое влияние и Луна, но скорее стабилизирующее. Влияют и другие планеты Солнечной системы. И даже движение нашего Солнца, звезды, вокруг центра галактики.
Мы можем уточнить продолжительность секунды, но абсолютно точной, как часть временного интервала истинных, а тем более средних, суток она никогда не будет. Поэтому и выполняются периодические корректировки времени средних суток, на доли секунды.
Но есть еще одна тонкость. Для разных точек земного шара время суток будет разным. А значит, нужно еще какое то усреднение с соответствующей потерей точности. Сейчас это делает система поясного времени. Иногда вмешивается и декретное время, то есть время устанавливаемое местным законодательством. Бывает и летнее/зимнее время.
В общем, все не так просто. Но очень интересно.
Календари
Если сутки это повторяющиеся периоды связанные вращением Земли вокруг своей оси, то годы это периоды времени связанные с вращением Земли вокруг Солнца. Тут тоже все не просто, и тоже интересно. Но кроме естественных природных факторов существенное влияние оказала и религия (определение даты Пасхи, предписания Корана, предписания Библии).
Разделив год на части мы получим месяцы и недели. При этом и неделя, и месяц, и год состоят из дней, то есть, суток. Поэтому счет дней тесно связан со счетом времени.
У разных народов еще с древних времен существовали самые разные календари. Счет дней был важен даже тогда, когда точно считать время еще не требовалось. Но было важно знать, когда начинать сельскохозяйственные работы, когда собирать урожай, когда начинается миграция диких зверей и нерест рыбы. Древний Египет очень сильно зависел от разливов Нила.
Я не буду упоминать и рассматривать все календари. Я кратко опишу лишь некоторые, которые показывают принципы, лежащие в основе почти всех календарей.
Что можно использовать как основу для счета дней, кроме смены времени суток? Движение Луны, в первую очередь, как самого заметного объекта ночного неба. Можно и движение звезд. Но почему не солнце? Дело в том, что движение солнца слишком быстрое, что бы быть удобным для измерения такого длительного интервала, как год. Но что такое год?
Если мы будем следить за видом звездного неба, то заметим, что видимое положение Солнца по отношению к звездам непрерывно меняется. При этом за примерно 365,256360 суток Солнце совершает полный круг возвращаясь к той же звезде. Этот интервал времени и называется звездным годом . Обратите внимание, число суток не целое! Это создает некоторые трудности.
При движении солнца по эклиптике оно пересекает небесный экватор в день весеннего равноденствия (20 марта). В наше время точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб. Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнцем точки весеннего равноденствия называется истинным, или тропическим годом . Его продолжительность равна 365,2421988 суток. Видно, что тропический год короче звездного и тоже является не целым числом.
Такая разница связана с движением точки весеннего равноденствия по эклиптике навстречу годичному движению Солнца примерно на 50,2 угловых секунд в год. Такое движение называли прецессией. Точка весеннего равноденствия смещается на 1 градус за 72 года. А за примерно 26000 лет она совершает полный круг на небесной сфере.
Прецессия возникает из-а отличия формы Земли от сферической. Полюсы мира перемещаются среди звезд по окружностям с радиусом примерно 23 градуса 27 угловых минут.
Ни и это еще не все. Наблюдения показывают, что вращение Земли вокруг Солнца постепенно замедляется. За последние 2000 лет средняя продолжительность суток увеличивалась примерно 0,002 секунды за 100 лет. Если посчитать, то за эти 2000 лет в счете времени накапливается разница примерно в 4 часа.
Видно, что не только продолжительность суток непрерывно меняется, но и продолжительность года величина весьма не постоянная. И все это нашло отражение в календарных системах. Кроме того, нужно учитывать, что число дней в году может быть только целым.
Лунный календарь
Луна самый заметный объект на ночном небе. Она перемещается по небу со средней скоростью 13,2 градуса в сутки. Полный круг на небесной сфере Луна совершает за 27,321661 суток возвращаясь к той же звезде. Этот интервал времени называют сидерическим месяцем .
Совместное движение Луны и Земли приводит к тому, что видимые фазы Луны (новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть) повторяются каждые 29,53058812 суток. Этот интервал времени называют синодическим месяцем .
Солнце, воображаемая точка небесной сферы, которая равномерно движется по экватору, совершая один полный оборот относительно точки весеннего равноденствия в течение тропического года; служит для измерения среднего солнечного времени . Понятие С. С. было введено в 18 в. для уточнения измерения времени в течение суток. Вследствие эксцентриситета земной орбиты и наклона эклиптики, по которой происходит видимое годовое движение Солнца, к экватору промежутки времени между последовательными верхними кульминациями истинного (действительного) Солнца (истинные солнечные сутки) неодинаковы и в течение года подвержены колебаниям, достигающим 50 сек . Для устранения такой неравномерности и введено понятие С. С. Разность прямых восхождений (или часовых углов) истинного Солнца и С. С. называется уравнением времени , которое учитывается при определении среднего времени из наблюдений Солнца.
Истинное солнечное время – система счёта времени, в которой длительность суток принята равной интервалу между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через южную часть небесного меридиана (верхними кульминациями). И. с. в. отсчитывается от момента верхней кульминации центра Солнца, т. е. от истинного полудня. Продолжительность истинных солнечных суток в течение года непостоянна.
Среднее солнечное время – среднее время, система измерения времени, в основе которой лежит суточное движение воображаемого среднего Солнца, момент нижней кульминации которого называется средней полуночью. Среднее Солнечное время отсчитывается от момента средней полуночи и численно равно часовому углу среднего Солнца, измененному на 12 ч.
При создании более совершенной системы измерения времени по Солнцу, в астрономии было введено понятие фиктивной точки, которая равномерно движется по эклиптике со скоростью, равной средней скорости движения истинного Солнца, соответствующей средней скорости движения Земли. Эта фиктивная точка называется средним эклиптическим Солнцем.
Среднее эклиптическое Солнце равномерно движется по эклиптике со средней скоростью Солнца и совпадает с истинным Солнцем около
3 января и 4 июля [4].
Однако введение среднего эклиптического солнца не привело к постоянной единице времени, т. к. снимало только один фактор: неравномерность видимого движения Солнца по эклиптике.
Поэтому была введена вторая фиктивная точка, которая равномерно движется по экватору. Эта точка называется средним экваториальным Солнцем.
Среднее экваториальное Солнце равномерно движется по небесному экватору с постоянной скоростью среднего эклиптического Солнца и одновременно с ним проходит точку весеннего равноденствия [4].
Следовательно, среднее Солнце делает полный оборот по экватору за тот же период, за который совершает истинное Солнце полный оборот по эклиптике.
Так как среднее экваториальное Солнце движется по экватору равномерно, то часовые углы его, при условии, что влияние неравномерностей во вращательном движении Земли во внимание не принимается, возрастают тоже равномерно и, следовательно, оно пригодно для измерения времени.
Момент верхней кульминации среднего экваториального Солнца на меридиане данного пункта называется средним полднем, момент нижней – средней полночью. А средними сутками называется промежуток между последовательными средними полуночами.
Средние солнечные сутки также подразделяются на 24 средних часа, средний час содержит 60 средних минут, средняя минута 60 средних секунд.
Время, прошедшее от начала средних солнечных суток до любого другого момента называется средним солнечным временем и обозначается буквой m.
Среднее солнечное время отсчитывается от нижней кульминации среднего Солнца и определяется формулой
M = tср. + 12 h , (1.11)
где tср. – часовой угол среднего экваториального Солнца.
Гринвичское среднее солнечное время называется всемирным или мировым временем и в Астрономическом Ежегоднике (АЕ) обозначается буквой М.
Найдем связь между средним и истинным солнечным временем. Пусть S – местное звездное время, t и a – соответственно часовой угол и прямое восхождение среднего экваториального Солнца, t¤ и a¤ – соответственно часовой угол и прямое восхождение истинного Солнца.
Тогда можно записать:
s = a + t;
Полученная разность часовых углов истинного и среднего экваториального Солнца называется уравнением времени и обозначается буквой h.
Таким образом, если известно m, то можно вычислить m¤ , используя уравнение времени
h = m¤ – m. (1.14)
Эта разность в течение года бывает положительной и отрицательной. Поэтому в Астрономическом Ежегоднике публикуется всегда положительная величина: уравнение времени плюс 12 h :
Читайте также: