Учебник для 11 класса

Астрономия

§ 3. Измерение времени и календарь

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• как при помощи Солнца определяют время;
• на сколько минут местное время отличается от московского времени;
• почему происходит смена времен года на Земле;
• почему невозможно создать идеальный календарь.

Измерение времени

Время является философской, физической и социальной категорией, поэтому задача точного измерения времени — одна из важнейших проблем современной науки. Из нашего опыта известно, что время «течет» равномерно, подобно воде в спокойной, тихой реке. По этому принципу в древности были сконструированы водяные и песочные часы. Со временем создали механические часы, действие которых основано на принципе периодических колебаний маятника, который долго может сохранять постоянным период своих колебаний. А принцип действия точных современных электронных часов базируется на использовании колебаний в электромагнитном поле кристаллов, или даже отдельных молекул. На протяжении веков вид часов менялся (рис. 3.1, 3.2), точность измерений увеличивалась, но некоторые единицы для измерения времени остались теми же — год и сутки, потому что они связаны с движением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси.

Рис. 3.1. Старинные солнечные часы

Для определения угловой скорости обращения Земли ориентирами могут служить Солнце, звезды и другие небесные светила. Поэтому и используют две системы отсчета времени — звездное время и солнечное время. Звездное время, преимущественно, используют астрономы, а в повседневной жизни все люди применяют только солнечное время. Промежуток времени, за который Земля совершает полный оборот вокруг своей оси относительно Солнца, называют солнечными сутками. Сутки делятся на 24 часа. По традиции начало солнечных суток (0 ч) наступает в полночь.

Рис. 3.2. Первые атомные часы

Солнечное время в определенном месте, или местное время, можно определить при помощи солнечных часов — обычной палочки, тень от которой поможет приблизительно измерить местное время. Местный полдень — 12 часов по местному времени наступает в тот момент, когда происходит верхняя кульминация Солнца (тень от палочки самая короткая; см. § 2).

В повседневной жизни пользоваться местным временем неудобно, потому что в каждой точке на поверхности Земли оно разное, и мы, переезжая из одного места в другое, должны были бы постоянно переводить стрелки часов на несколько минут. Эта проблема устраняется, если пользоваться поясным временем, которое ввели в конце XIX в. Землю разделили меридианами на 24 часовых пояса и договорились, что все часы в одном поясе будут показывать одинаковое время, равное местному времени среднего меридиана (рис. 3.3). Путешественники переводят часы на один час только при пересечении границы соответствующего пояса.

Рис. 3.3. Часовые пояса. Земля разделена на 24 пояса, в каждом из которых все часы показывают одинаковое время. Переезжая из одного пояса в другой, путешественники переводят стрелки часов на целое число часов

Нулевой пояс проходит через Гринвичский меридиан, поэтому часы в Великобритании показывают местное время Гринвичского меридиана — это время называют всемирным временем. В современных мобильных телефонах местное время нулевого пояса обозначают GMT (с англ. Гринвичское среднее время). Западная Европа живет по времени первого пояса, которое на 1 час опережает всемирное. Украина находится во втором поясе, поэтому время, которым пользуются ее жители (киевское время), опережает всемирное время на 2 часа. Если поехать на запад, в Польшу, то стрелки наших часов нужно перевести на 1 час назад, а если ехать на восток, например в Москву, то на 1 час вперед.

Разница между местным и московским временем определяется разницей географических долгот Москвы и места наблюдения.

По меридиану с долготой 180° проходит линия смены дат. Для тех, кто ее пересекает, есть возможность путешествовать не только в пространстве, но и во времени. Например, если лететь из Азии на восток, в Америку, 1 января, то следующий день тоже будет 1 января, то есть возникает на первый взгляд фантастическая возможность прожить тот же день дважды. Зато когда пассажиры летят в обратном направлении, из Америки на запад, в Азию, то в течение перелета через несколько часов можно прожить 2 суток — после 1 января сразу наступит 3 января.

Для любознательных

Весной, в последнее воскресенье марта, все часы большинства стран Европы переводят на 1 час вперед, вводится так называемое летнее время, поэтому летом киевское время будет опережать местное время всех городов Украины. Фактически, Западная Европа переходит на киевское время, а Украина — на московское. Например, летом местное время даже на востоке Украины, в Луганске, отстает от киевского на 23 мин, и полдень на Луганском меридиане наступает в 12 ч 23 мин по московскому времени. Правда, не во всех странах мира переводят стрелки часов на летнее время. Нет смысла вводить летнее время в тропической зоне, там продолжительность дня в течение года почти одинакова — 12 ч. В России на значительной территории продолжительность летнего дня превышает 20 часов, поэтому там тоже отказались от перевода стрелок часов. В апреле 2011 г. в России ввели постоянное летнее время, поэтому московское время зимой будет опережать киевское на 2 часа.

Солнечное время и зодиак

Слово «зодиак» (от греч.— круг животных) впервые стали употреблять для определения особых созвездий еще несколько тысяч лет назад. Это название связано с тем, что Солнце, Луна и планеты Солнечной системы можно наблюдать на фоне 12 зодиакальных созвездий, которые образуют на небесной сфере большой круг, и среди названий этих созвездий преобладают названия живых существ.

Рис. 3.4. Орбита Земли и зодиак. Плоскость, в которой обращается Земля вокруг Солнца, остается неизменной относительно звезд. Линия пересечения плоскости орбиты Земли с мнимой небесной сферой называется эклиптикой. 12 созвездий, которые пересекает эклиптика, называют зодиакальными

На рис. 3.4 изображены орбита Земли, далекие созвездия и через каждые 30° проведены линии, обозначающие положение нашей планеты относительно звезд через каждый месяц. Таким образом, мы можем обозначать движение Земли по орбите и отмечать большие промежутки времени. За начало отсчета движения Земли возьмем точку весеннего равноденствия. Если 21 марта соединить Землю и Солнце прямой линией и продолжить ее в космос, то эта прямая где-то далеко пересекает воображаемую небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках, одна из которых находится в созвездии Девы (со стороны Земли), другая — в созвездии Рыб (за Солнцем).

В марте созвездия Рыб не видно, потому что оно находится за Солнцем. Астрономы этот момент описывают так: «21 марта Солнце находится в направлении созвездия Рыб в точке весеннего равноденствия».

Двигаясь вместе с Землей по орбите, мы в течение года наблюдаем Солнце в разных направлениях на фоне различных созвездий. Если каждый день обозначать положение центра Солнца относительно далеких звезд, то можно получить большой круг небесной сферы, называемый эклиптикой (от греч.— затмение). Математическое определение эклиптики — это линия пересечения плоскости орбиты Земли с небесной сферой, то есть плоскость эклиптики совпадает с плоскостью орбиты Земли.

Плоскость эклиптики на протяжении веков занимает постоянное положение относительно звезд, но полюса мира постепенно смещаются в космическом пространстве. Это явление называют прецессией (от лат.— опережение; рис. 3.5). И если в наше время Северный полюс мира расположен в созвездии Малой Медведицы, то через 13000 лет он переместится в созвездие Лиры, и наши потомки будут определять направление на север при помощи звезды Вега. Вследствие прецессии изменяется также положение плоскости небесного экватора среди звезд, поэтому в будущем в Украине не будет видно созвездие Орион, зато наши потомки увидят ближайшую к нам звезду Проксиму Кентавра.

Рис. 3.5. Явление прецессии демонстрирует детская юла, вращающаяся вокруг собственной оси, в то время как ее ось описывает конус в пространстве

Для любознательных

Обратите внимание, что точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб, но обозначается знаком Овна. Причина такого странного несоответствия заключается в том, что вследствие прецессии точка весеннего равноденствия ежегодно смещается относительно звезд на 50". То есть за последние 2000 лет точка весеннего равноденствия переместилась почти на 30°, и через несколько десятков лет будет находиться в созвездии Водолея. Еще через 13000 лет точка весеннего равноденствия переместится в созвездие Девы, а точка осеннего равноденствия будет наблюдаться в созвездии Рыб.

Смена времен года на Земле

Из курса природоведения известно, что ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°, и это приводит к смене времен года на Земле. Если бы ось вращения Земли была перпендикулярна к плоскости орбиты, то смены времен года не происходило бы, потому что Солнце в течение года освещало бы равномерно Северное и Южное полушария нашей планеты.

Рис. 3.6. Угол между плоскостями экватора и эклиптики 23,5°, а угол между плоскостью эклиптики и полюсом мира 66,5°. Это является причиной смены времен года на Земле

Такие дни, когда Солнце одинаково освещает два полушария Земли, наступают только дважды в год — весной 20—21 марта, и осенью 22—23 сентября, когда на всех материках одинаковая продолжительность дня — 12 часов. В остальные месяцы продолжительность дня больше или меньше 12 часов и зависит от географической широты места наблюдения. Самый длинный день в Северном полушарии наступает 21—22 июня — начало астрономического лета, а в Южном полушарии в этот день начинается астрономическая зима. Через полгода, 21—22 декабря, наоборот, в северном полушарии наступает астрономическая зима, а в южном — лето (рис. 3.7, 3.8.).

Рис. 3.7. Освещение Земли солнечными лучами зимой и летом. Больше энергии от Солнца получает тропическая зона, где в полдень солнечные лучи могут падать перпендикулярно к горизонту. Широта тропиков ±23,5°

Рис. 3.8. Механический прибор XIX в., который демонстрировал движение планет и смену времен года на Земле

На широте 50° продолжительность самого длинного дня 22 июня — 16 ч 20 мин — в два раза больше продолжительности самого короткого дня 22 декабря — 8 ч. На широте 45° разница между самым длинным и самым коротким днем несколько уменьшается, поэтому в Крыму самый длинный день длится 15 ч 30 мин, а самый короткий — 8 ч 40 мин.

Больше всего солнечной энергии поверхность Земли получает в полдень, когда наступает верхняя кульминация Солнца, а меньше всего — утром и вечером. Ночью Земля только охлаждается, поэтому средняя температура поверхности зависит также от продолжительности дня и ночи. Например, на широте 50° количество энергии, которую получает поверхность за летний день, достигает 25000 кДж/м². Интересно, что эта энергия даже больше, чем на экваторе, где круглый год продолжительность дня не изменяется и равна 12 часам.

Зимой короткая продолжительность дня и небольшая высота Солнца над горизонтом приводят к значительному уменьшению солнечной энергии, обогревающей поверхность Земли. Например, в декабре количество энергии, которую получает единица поверхности на наших широтах в течение дня, почти в 7 раз меньше, чем в летний день.

Современный наклон оси вращения к плоскости орбиты под углом 66,5° является оптимальным для различных климатических зон на поверхности Земли от тропиков до полярного круга. Все другие варианты изменения угла наклона оси вращения Земли привели бы к катастрофическим изменениям климата и глобальной экологической катастрофе. Например, если бы ось вращения Земли была наклонена к плоскости орбиты под углом 50°, то полярный круг проходил бы через Украину, а тропики — через Черное море. На наших широтах летом в течение месяца Солнце не заходило бы за горизонт, а в полдень кульминация была бы вблизи зенита. Расчеты показывают, что летняя температура поверхности в Украине достигала бы критических для жизни величин от +60 до +80 °С. Если бы ось вращения Земли была перпендикулярна к плоскости орбиты, смены времен года вообще не было бы, и Европа могла бы превратиться в холодную полупустыню типа тундры.

Для любознательных

В полярных странах разница между самым длинным и самым коротким днем увеличивается. Например, в Москве самый длинный день длится 17 ч 40 мин, а самый короткий — 7 ч, в С.-Петербурге соответственно — 19 и 6 ч. На широте С.-Петербурга в июне Солнце ненадолго заходит за горизонт, вследствие чего наблюдаются «белые ночи». В этот период, который длится почти месяц, яркие звезды видны ночью только в южной части небосвода, а северный горизонт настолько яркий, что в полночь можно читать книги.

Вблизи полюсов находятся области, где Солнце несколько месяцев не заходит за горизонт — тогда летом наблюдается полярный день. Зимой, наоборот, в полярных районах несколько месяцев Солнце не восходит — наступает полярная ночь. Границы этих областей называются полярными кругами. Они находятся на широте 66,5° обоих полушарий.

Непосредственно на полюсах полярный день длится полгода и столько же длится полярная ночь. Например, на Северном полюсе Солнце восходит 21 марта и заходит 23 сентября. В этот период склонение Солнца больше нуля. На Южном полюсе, наоборот, полярный день длится с 23 сентября по 21 марта.

Календари

Календари созданы для измерения больших промежутков времени. В современном календаре всех европейских стран за основу берется 1 тропический год — период обращения Земли вокруг Солнца относительно точки весеннего равноденствия , но при создании идеального календаря возникает осложнение, так как тропический год не имеет целого числа суток.

Тропический год (365 суток 5 ч 48 мин 46 с) — период обращения Земли вокруг Солнца относительно точки весеннего равноденствия

Долгое время в Европе пользовались юлианским календарем, который был введен еще Юлием Цезарем в 46 г. до н. э. В этом календаре продолжительность тропического года была принята за 365 суток 6 ч 00 мин 00 с, а для того чтобы год имел целое число суток, было принято, что каждые 3 года подряд год длится по 365 суток, а четвертый — 366 суток (високосный год). Но в среднем каждый календарный год был длиннее тропического на 11 мин 14 с (365 суток 6 ч 00 мин 00 с - 365 суток 5 ч 48 мин 46 с). То есть когда тропический год уже реально заканчивался, год по юлианскому календарю продолжался еще 11 мин 14 с. Поэтому за четыре года погрешность накапливалась и календарь отставал уже на 44 мин 56 с, а за 400 лет — почти на трое суток.

Григорианский календарь, действующий в наше время, исправил эту неточность. В нем изъяли три дня из каждых 400 лет, то есть три високосных года сделали простыми. На рис. 3.9 показано, какие годы были високосными по юлианскому календарю, а кружочком обведены те, которые стали простыми по григорианскому. Легко заметить, что это те годы, которые заканчиваются двумя нулями и число сотен которых не делится на четыре нацело.

Рис. 3.9. Високосные годы по юлианскому календарю. Кружочком обведены годы, которые по григорианскому календарю не являются високосными

Григорианский календарь тоже не идеален, но погрешность на одни сутки он дает примерно через 33 века.

Для любознательных

Новая реформа календаря была проведена в 1582 году по предложению Папы Римского Григория XIII. Чтобы исправить накопленную к тому времени разницу, объявили, что 1582 г. продлится только 355 суток. Новый календарь был назван григорианским (или новым стилем) в честь Папы Римского и постепенно был введен во всех странах Европы и Америки. Теперь разница между юлианским и григорианским календарями достигла уже 13 суток и сохранится еще в XXI в. В гражданской жизни Украины новый стиль был введен правительством Центральной Рады в 1918 г.

Выводы

При помощи небесных светил можно определять время. Период вращения Земли вокруг оси используют для отсчета часов, минут и секунд. Период обращения Земли вокруг Солнца используют при создании календарей для отсчета длительных промежутков времени.

Тесты

1. Тропики — это такая географическая широта, где:
   А. Растут пальмы.
   Б. Солнце никогда не заходит.
   В. Во время солнцестояния Солнце кульминирует в зените.
   Г. Во время равноденствия Солнце кульминирует в зените.
   Д. Никогда не выпадает дождь.
2. Полярный круг — это такая географическая широта, где:
   А. Целый год не тает снег.
   Б. Живут белые медведи.
   В. Полгода длится ночь, а полгода — день.
   Г. Во время равноденствия Солнце кульминирует в зените.
   Д. В день зимнего солнцестояния Солнце не восходит.
3. Под каким углом к плоскости орбиты наклонена ось вращения Земли?
   А. 0°.
   Б. 23,5°.
   В. 45°.
   Г. 66,5°.
   Д. 90°.
4. Чему равен угол между плоскостями экватора и эклиптики?
   А. 0°.
   Б. 23,5°.
   В. 45°.
   Г. 66,5°.
   Д. 90°.
5. Сколько длится самый длинный день на полярном круге?
   А. 12 ч.
   Б. 24 ч.
   В. 1 месяц.
   Г. 3 месяца.
   Д. Полгода.
6. Что является причиной смены времен года на Земле?
7. Почему летом гораздо теплее, чем зимой, хотя светит нам одно и то же Солнце?
8. Почему возникла необходимость реформы юлианского календаря?
9. В Украине по древней традиции встречают так называемый старый Новый год — 14 января. Откуда происходит эта традиция?
10. Где на Земле продолжительность дня в течение года не меняется?
11. С помощью тени от палочки определите высоту Солнца над горизонтом при верхней кульминации. Как меняется этот угол в течение месяца?
12. Где позже заходит Солнце: во Львове или Харькове?
13. С помощью карты звёздного неба определите экваториальные координаты Солнца в день вашего рождения. В каком созвездии наблюдается Солнце в этот день? Совпадает ли это созвездие со знаком зодиака в гороскопах на этот день?

Диспуты на предложенные темы:

14. Каким, по вашему мнению, был бы климат на Земле, если бы ось вращения была наклонена к плоскости эклиптики под углами: 90°, 45°, 0°?

Задания для наблюдений

15. Проведите наблюдение захода или восхода Солнца в день равноденствия — 23 сентября или 21 марта. Солнце в эти дни восходит в точке востока и заходит в точке запада. Нарисуйте положение этих точек относительно вашего дома.

Ключевые понятия и термины:

Високосный год, сутки, эклиптика, зодиак, календарь, местное время, поясное время, тропический год.