Так, например, в северном полушарии астрономическое лето наступает 21 или 22 июня — в день летнего солнцестояния, когда восход и заход Солнца на горизонте и его высота в полдень почти не меняются в течение нескольких дней, близких к этой дате; в это время продолжительность дня самая большая в году. Астрономическая зима наступает 22 или 23 декабря; продолжительность дня наименьшая в году. В южном полушарии — наоборот: 21–22 июня наступает астрономическая зима, а 22–23 декабря — лето.
§ 5. Звездные сутки и звездное время
При решении астрономических задач пользуются звездными сутками. Звездные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями на одном и том же географическом меридиане одной и той же звезды или точки весеннего равноденствия. Звездные сутки делятся на 24 звездных часа, каждый час — на 60 звездных минут, а каждая минута — на 60 звездных секунд. Из звездных суток складывается звездный год. Тропический год короче звездного — истинного периода обращения Земли вокруг Солнца — на 1224 секунды, или на 20,4 минуты. За начало звездных суток для точек каждого меридиана принимают момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия.
Самой близкой звездой к северному полюсу мира является сравнительно яркая Полярная звезда из созвездия Малой Медведицы, которая для невооруженного глаза кажется всегда находящейся на одном месте и почти точно над точкой севера, а все остальные звезды описывают вокруг Полярной (точнее, вокруг полюса мира) круги разного радиуса. Чем дальше удалена звезда от полюса мира, тем больше описываемый ею круг. Звезды, находящиеся на небесном экваторе, описывают самые большие круги. Для измерения звездного времени пользуются звездными часами, находящимися в астрономических обсерваториях и отрегулированных так, что они ежесуточно уходят вперед против обыкновенных часов да 3 минуты 56 секунд (см. с. 18).
§ 6. Истинное солнечное и среднее солнечное (гражданское) время. Уравнение времени
Промежуток времени между двумя последовательными одноименными (верхними или нижними) — кульминациями центра солнечного диска называется истинными солнечными сутками. Пользоваться этой, единицей времени неудобно по двум причинам. Видимое движение Солнца происходит не по небесному экватору, а по эклиптике, наклоненной к нему на 23°27′, и это движение неравномерно, так как орбита Земли имеет эллиптическую форму, из-за чего скорость ее движения в разное время года неодинакова. Поэтому продолжительность истинных солнечных суток ото дня ко дню несколько меняется.
В практической жизни (в науке, технике и производстве) за основную единицу измерения времени принимают средние солнечные сутки.
При установлении продолжительности средних солнечных суток вместо центра истинного Солнца пользуются точкой, которая равномерно перемещается по небесному экватору, совершая полный оборот в течение года. Такую воображаемую точку называют средним солнцем. За средние солнечные сутки принимают промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего солнца; их длина всегда одинакова и равна 24 средним часам, составляя приблизительно 1/365,24 часть года. Солнце — одна из самых обычных звезд, составляющих нашу Галактику. Ее отличие от всех остальных звезд состоит в том, что она измеримо ближе к нам. Поэтому из-за движения Земли за одни сутки Солнце смещается на фоне остальных, «неподвижных» звезд, и Земле нужно еще довернуться, чтобы Солнце «пришло» на тот же самый меридиан. Вследствие этого средние солнечные сутки длиннее звездных на 3 минуты 56 секунд!(звезда возвращается на тот же меридиан раньше Солнца). Так же, как и в звездных сутках, каждый час средних солнечных суток делится на 60 минут, а минута — на 60 секунд.
До 1956 г. значение секунды принималось равным 1:86 400 части средних солнечных суток, определяемых по вращению Земли вокруг своей оси. Для более точного определения секунды в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила рекомендованную IX конгрессом MAC в 1955 г. ее значение как 1:315 569 25,9747 часть тропического года, каким он был на начало 1900 г. Такая секунда была названа эфемеридной; она определяется с погрешностью до (2–5) · 10-9. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминаций среднего солнца. Такой счет времени называют гражданским временем.
В СССР гражданским временем в народном хозяйстве пользуются с 1919 г., а в астрономии — с 1925 г. Часы, которыми мы пользуемся, отрегулированы не по истинному, а по среднему солнечному времени. Так как скорость среднего солнца одинакова и через меридиан оно проходит раньше или позднее истинного Солнца, то, следовательно, средние сутки могут наступать раньше или позже истинных.
Рис. 4. График уравнения времени
Разница между истинным и средним солнечным временем η называется уравнением времени. Следовательно, в любой момент среднее солнечное время Tm равно истинному солнечному времени To плюс уравнение времени η [14], т. е.
Tm = To + η,
где η имеет положительное значение, когда истинное Солнце находится на эклиптике впереди среднего, и отрицательное — когда среднее солнце находится впереди истинного. (Знаком Θ в астрономии обозначается Солнце.)
На рис. 4 приведен график изменения уравнения времени в течение года через полмесяца. Уравнение времени бывает равно нулю около 15 апреля, 14 июня, 31 августа и 25 декабря, когда истинное солнечное время почти совпадает со средним солнечным; в эти дни часы, установленные по среднему солнечному времени, будут показывать в полдень 12 часов. Наибольшее (по абсолютной величине) отрицательное значение уравнения времени (см. рис. 4), η = — 16,5 минуты, бывает около 4 ноября, а наибольшее положительное, η = + 14,3 минуты, — 12 февраля.
§ 7. Местное и всемирное время
Из определения среднего солнечного времени следует, что оно относится к тому месту, где производятся наблюдения. Следовательно, среднее солнечное время имеет свое собственное значение для каждого меридиана на Земле и поэтому его называют еще местным средним временем [15].
Для любой точки одного и того же меридиана местное время сохраняет постоянное значение, но с изменением долготы места наблюдений меняется и местное среднее время. Когда в Москве полдень, то на противоположной стороне земного шара, т. е. на 180° к западу или к востоку от Москвы, в этот момент будет полночь. В течение одного часа небесная сфера в своем видимом движении поворачивается на 1/24 часть ее полного оборота, что в угловых единицах соответствует 360°: 24 = 15°. Поэтому два пункта на Земле, имеющие разность долгот в 15°, будут иметь местное время, отличающееся на 1 час. Если от первоначального места наблюдения передвинуться по долготе, например, на 30° (т. е. на два часа) к востоку или к западу, то в первом случае Солнце, очевидно, пройдет через меридиан нового места наблюдения на два часа раньше, а во втором случае, наоборот, на два часа позднее, чем в первоначальном пункте. Следовательно, по разности показаний часов, идущих по местному времени в разных пунктах Земли, можно судить о разности долгот этих пунктов.
15
Для облегчения отсчета местного времени в 1967 г. в английском журнале «Нью сайентист» было предложено вместо деления суток на 24 часа считать в них 10 часов, деля каждый такой час на 100 минут, а минуту — на 100 секунд. В связи с этим предложено и дугу земного экватора делить не на 360°, а на 1000 градусов; при этом выполнялись бы соотношения 1 час = 100°, 1° = 1 мин.