Иосиф Полак - Время и календарь

Звёздное время в общежитии непригодно, так как один и тот же звёздный час в течение года переходит на всевозможное время дня и ночи. Жизнь природы, а с нею и человека, согласована со сменой дня и ночи, то-есть с Солнцем, а не со звёздами; но солнечное время оказывается гораздо сложнее звёздного времени, и, чтобы его понять, надо ясно представить себе видимое движение Солнца.

2. ГОДИЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ СОЛНЦА

Как и всякое другое светило, Солнце также участвует в суточном обращении небесного свода, но, кроме того, оно имеет и своё собственное движение. Если бы вокруг Солнца можно было видеть звёзды, то мы бы заметили, что Солнце передвигается среди них на два своих диаметра в сутки и постепенно переходит из одного созвездия в другое.

Наблюдения с помощью астрономических инструментов показали, что Солнце в течение года совершает по звёздному небу как бы кругосветное путешествие: двигаясь всё время в одну сторону, оно через год опять возвращается к той же самой звезде.

Это годичное движение Солнца, подобно суточному вращению неба, есть движение кажущееся. Наша Земля, кроме вращения вокруг своей оси, совершает ещё полёт вокруг Солнца и на каждое обращение затрачивает год. Этого движения Земли мы так же не чувствуем, как и её вращения.

Годичное движение Солнца по небу направлено навстречу суточному движению, то-есть с запада к востоку. Но круг, который описывает Солнце в течение года, довольно сильно отклонён от небесного экватора (на рис. 4 годичный путь Солнца не показан, так как в различное время суток он занимает разное положение).

21 марта Солнце находится на экваторе, в созвездии Рыб, восходит точно на востоке и заходит точно на западе. В это время день по всей земле равен ночи; это — весеннее равноденствие, начало астрономической весны (для северного полушария). С каждым днём Солнце поднимается всё выше в северное полушарие неба, и день у нас увеличивается за счёт ночи. Это увеличение прекращается к 22 июня, к моменту летнего солнцестояния, или астрономического начала лета. В этот день Солнце отходит от экватора к северу больше, чем на четверть расстояния от экватора до полюса, именно на 23 1/2 градуса (как известно, четверть прямого угла составляет 22 1/2 градуса). Затем начинается приближение Солнца к экватору, день укорачивается, и 23 сентября наступает осеннее равноденствие: Солнце опять на экваторе, но уже в противоположной точке, в созвездии Девы. С этого дня Солнце на полгода уходит в южное полушарие, день у нас делается короче ночи. Самый короткий день бывает 22 декабря, когда Солнце находится на 23 1/2 градуса к югу от экватора; это — зимнее солнцестояние, начало астрономической зимы в северном полушарии. С этого дня начинается приближение Солнца к экватору, на который оно вступает 21 марта.

С помощью астрономических наблюдений можно точно определить момент весеннего вступления Солнца на экватор, или, как говорят астрономы, момент прохождения Солнца через точку весеннего равноденствия. Наблюдения показали, что от одного прохождения Солнца через эту точку до следующего такого прохождения протекает не ровно один календарный год, то-есть не ровно 365 дней, а несколько больше, а именно:

365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд.

Этот промежуток времени астрономы называют тропическим годом. Именно во столько времени совершается одно обращение Земли вокруг Солнца. Астрономы открыли, что длина тропического года изменяется, но очень медленно, так что через несколько тысячелетий в написанном здесь числе секунды будут уже другие.

Не совсем одинакова также скорость полёта Земли в разных местах её пути вокруг Солнца. Вследствие этого годичное движение Солнца нам кажется не вполне равномерным. Это видно из такого примера: видимый путь Солнца в течение летнего полугодия в точности равен пути, проходимому в зимнем полугодии (по половине окружности каждый); между тем первую полуокружность Солнце проходит в 186 дней (с 21 марта по 23 сентября), а вторую только в 179 дней (с 23 сентября по 21 марта).

Заметим ещё, что название «тропический год» к географическим тропикам никакого отношения не имеет: длина года на всей Земле одинакова; в тропиках она такая же, как в умеренных и полярных областях.

3. ИСТИННОЕ СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ

Теперь понятно, отчего счёт времени по Солнцу оказывается сложнее, чем по звёздному времени: ведь Солнце не стоит относительно звёзд неподвижно, а перемещается по звёздному небу. Предположим, что вчера Солнце и какая-нибудь определённая звезда прошли через небесный меридиан в один и тот же момент (в полдень); сегодня звезда опять вернулась к меридиану, и за это время прошли, таким образом, полные звёздные сутки. Но солнечные сутки ещё не истекли, новый полдень ещё не наступил: Солнце теперь приблизительно на 1/365 часть окружности (т. е. почти на градус) находится восточнее, чем накануне, и должно пройти ещё почти 4 минуты, чтобы оно дошло до меридиана.

Промежуток времени между двумя возвращениями Солнца к меридиану и называется солнечными сутками. Если бы ежедневное опоздание Солнца к меридиану было одно и то же во все дни года, то длина солнечных суток была бы всегда одинакова и солнечное время было бы так же просто, как звёздное. Но движение Солнца, как мы уже говорили, не совсем равномерно и в разные дни года имеет не совсем одинаковое направление. Поэтому длина так называемых истинных солнечных суток (т. е. дня с ночью вместе) в течение года слегка изменяется. Самые длинные истинные сутки бывают, оказывается, в декабре; но они длиннее самых коротких (сентябрьских) всего лишь на 51 секунду.

Понятно, что и остальные единицы истинного солнечного времени — истинные часы, минуты и секунды — в разные дни года имеют разную длину. Если бы мы захотели жить в точности по истинному солнечному времени, то пришлось бы чуть не каждый день менять регулировку часов, постоянно заставлять их то уходить вперёд, то отставать. В общежитии это было бы крайне неудобно, а для науки и техники прямо недопустимо. Поэтому «истинное» солнечное время было заменено так называемым средним солнечным временем, о котором речь будет дальше.

Впрочем, есть старинный прибор, показывающий истинное солнечное время; это — солнечные часы, в которых стрелкой служит тень от неподвижной пластинки или палочки, направленной к полюсу мира (рис. 7). Но эти часы настолько неточны, что в настоящее время они не имеют серьёзного значения.

Рис. 7. Горизонтальные солнечные часы.

4. СРЕДНЕЕ СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ

Итак, наши часы идут не по истинному Солнцу, которое светит на небе, а по так называемому среднему Солнцу, по воображаемой точке, вроде точки весеннего равноденствия. Это воображаемое солнце совершает годичный оборот по звёздному небу во столько же времени, как настоящее Солнце. Но при этом оно движется по экватору и совершенно равномерно.

Когда наше воображаемое солнце стоит на небе прямо на юге (в кульминации), то считается 12 часов «среднего» солнечного времени. Этот «средний полдень» вообще не совпадает с истинным полднем, который указывается солнечными часами.

Промежуток времени между двумя кульминациями этого среднего Солнца называется средними солнечными сутками; длина его всегда одна и та же, ровно 24 часа. Части, на которые разделены средние солнечные сутки, то-есть часы, минуты и секунды среднего времени, и есть те самые единицы времени, по которым мы живём.

Воображаемое среднее солнце может проходить через меридиан то раньше, то позже истинного Солнца. Поэтому «среднее» время бывает то впереди, то позади «истинного». Разница между истинным и средним временем называется уравнением времени. Она оказывается довольно большой; хотя истинные сутки бывают длиннее или короче средних суток самое большее на 20–30 секунд, но с каждым днём разница накопляется и по истечении месяцев выражается уже минутами.

Уравнение времени в течение года непрерывно изменяется. Четыре раза в год оно обращается в нуль и четыре раза достигает максимума, как видно из следующей таблички (уравнение времени имеет знак +, когда истинное время впереди среднего, и знак —, когда истинное время позади).

Таким образом, Солнце бывает в меридиане большею частью не в 12 часов по среднему времени. Например, в начале ноября Солнце проходит через меридиан приблизительно в 12 часов без четверти, а в начале февраля— в четверть первого. Если бы мы захотели определить среднее солнечное время по солнечным часам, то уравнение времени необходимо было бы принять во внимание. Оно даётся в астрономических календарях на каждый день.

Уравнением времени объясняются два странных явления суточного движения. Возьмём пример из календаря на 1946 год: 7 ноября восход Солнца в Москве показан в 7 часов 18 минут, заход — в 16 часов 9 минут. Значит, от восхода до полудня (то-есть до 12 часов) проходит 4 часа 42 минуты, а от полудня до захода — только 4 часа 9 минут. Как это может быть? Дело в том, что восходит и заходит истинное Солнце, а через меридиан в 12 часов проходит среднее солнце; истинное же Солнце проходит через меридиан в 11 часов 44 минуты. Это будет момент истинного полдня; он и приходится точно посредине дня (если учитывать ещё секунды).