Разные времена – солнечные сутки и звездные

В статье про солнечный компас и солнечные часы было упомянуто, что время бывает разное. Вот и попробуем разобраться.

Про солнечный полдень тоже уже было написано – это наивысшая точка, в которой бывает солнце в течение дня. И ещё говорят прохождение солнца через меридиан (направление север-юг). И ещё верхняя кульминация солнца. Стоит заметить, что есть и нижняя кульминация – самая низшая точка солнца над горизонтом в этой точке солнце на севере. В средних широтах этой точки не видно, но в приполярных, в полярный день хорошо видно, как солнце в полдень поднимается в высшую точку на юге в полдень и опускается в низшую в полночь– на севере.

Самое очевидное – сутки это время от одного солнечного полдня до другого. Эти сутки решили делить на 24 часа. Скорее всего это вавилонская идея, от пристрастия к двенадцатеричной и шестидесятичной системам счисления. Потому что 12 удобно делить на части 2, 3 , 4 , 6 . А 60 ещё и на 5 и на  и на 10 и на 12 и на 15 и на 30. Ну, не важно. Это солнечные сутки.

Тоже самое можно наблюдать и со звёздами. От одной верхней кульминации любой выбранной звезды до следующей верхней кульминации этой же звезды – тоже сутки, только звёздные.

Уже самые древние (возможно ещё пещерные) астрономы заметили, что звёздные сутки не равны солнечным. Это видно и по косвенным признакам: каждую ночь все созвездия немного смещаются к западу. И за год совершают полный оборот. За месяц – примерно смещаются на 30 градусов.  Можно увидеть, если смотреть каждый день какие звёзды и созвездия видны на юге в одно и то же время, например в 22.00.

И по прямым признакам – при каждом полном солнечном затмении (когда видны звёзды днём) солнце находится в разных созвездиях.

Наблюдения показывают, что солнце отстаёт от движения звёзд на 3 мин. 56 сек в сутки.  Это замедленное, на фоне звёзд, движение солнца приводит к тому, что за год проходит 365 солнечных суток и 366 звёздных.

Отсюда 2 интересных следствия.

Зодиакальные созвездия – те, которые расположены в плоскости вращения солнца и через которые солнце последовательно проходит в течение года. Через остальные созвездия солнце никогда не проходит.

На картинке – путь солнца среди звёзд.

 
image002

Значит солнечный полдень может быть днём при самом высоком положении солнца. Звёздный полдень (для выбранной нами звезды) может быть в любое время суток по солнечным часам. И таким временем в повседневной жизни пользоваться неудобно. Но удобно при астрономических наблюдениях и соответственно ориентировании по звёздам.

В астрономических обсерваториях используют часы, которые идут по звёздному времени.

Для ориентирования  используют тоже звёздное время, но пересчитывают его из солнечного. Потому, что возить с собой точные звёздные часы – проблематично.

По правде сказать, солнечными сутками пользоваться тоже не удобно. Звёздные часы, минуты, секунды – хотя бы равномерные. А солнечные – разные в течение года.

Неравномерность складывается из многих причин в том числе случайного характера (например случайного перераспределения водных масс на поверхности земли, которое приводит к изменению скорости вращения и значит изменению длинны суток). Но это мелочи по сравнению с двумя главными.

image004

На рисунке видно, что путь Солнца  кривая,  синусоида. Направление движения меняется, значит горизонтальные и вертикальные составляющие скорости меняют величину, а вертикальная, ещё и направление движения (знак меняет с плюса на минус).

В добрые старые времена, когда не было транспорта, ни компьютеров, ни мгновенной связи. Это не имело значения. Жили по солнечным часам.

Но с появлением всего вышеупомянутого начались проблемы.

Например телеграмма через атлантический океан приходит за доли секунды, а время различается на 5-6 часов. Или расписание поездов даже в пределах Англии по солнечным часам различных городов – превращается в кошмар.

Поэтому решили поискать чего-нибудь более равномерного.

Два равномерных ритма так бы хорошо подошли для навигации и для транспорта. Да и часы с равномерным ходом гораздо проще сделать, чем экспериментировать с эксцентричными эллиптическими шестернями. И равномерное виртуальное время проще пересчитывать в равномерное звёздное.

Ну, раз всем хорошо, то так и сделали. :- ) Смоделировали равномерное движение (по окружности) и в плоскости небесного экватора условной точки.  Назвали это время средним солнечным временем. Красота. В сутках ровно 24 равномерных часа. Равномерное движение условной точки – облегчает астрономические расчёты. Часы с равномерным ходом делать проще.

Правда это среднее время в каждый конкретный момент отличается от истинного солнечного. Но если потребуется по средним часам узнать солнечный час, можно воспользоваться графиком на год, который даёт поправку на любой день. И отражают правило:

Истинное солнечное время = среднему времени + поправка.

Сразу стоит обратить внимание, что этот график просто так не  подходит для солнечных часов. Потому, что солнечные часы СРАЗУ показывают истинное солнечное время. Для получения среднего времени по показаниям солнечных часов надо вышеупомянутую формулу переписать в виде: среднее время = истинное время – поправка. То есть поправку надо ОТНИМАТЬ от солнечного времени. Или перерисовать график в зеркальном отражении.  Стоит всегда внимательно читать подпись к графику, какое время даёт поправка из графика. По этому поводу путаница даже в справочниках и экциклопедиях.

Потому, что по разному определялась вышеупомянутая поправка.

До 1834 г. все события в морских ежегодниках указывались по СОЛНЕЧНОМУ времени. Потому, что основными часами на корабле были солнечные.

К 1834 году точные морские хронометры идущие по СРЕДНЕМУ времени стали уже правилом хорошего тона. И после этой даты все события в морских ежегодниках стали указываться по СРЕДНЕМУ времени.

Соответственно по разному указывалась поправка уравнения времени ДО и ПОСЛЕ упомянутой даты.

image006

Как видно – 4 раза в год среднее время совпадает с солнечным (пересекает линию 0 на графике). Но это не памятные даты типа 21 марта, 22 июня, 23 сентября или 22 декабря.

В повседневной жизни, работе транспорта – эти переводы не нужны. Но тоже до определённых пределов. На территории Великобритании поезда ещё могут ходить без особых проблем по лондонскому времени.

А вот на территории России… «В Москве 15часов, в Петропавловске Камчатском – полночь…». До октября 17 года обходились тем, что было на всей железнодорожной сети – Питерское время, а в каждом конкретном городе – местное среднее солнечное – согласно широте расположения. Так и говорили – станционное время и городское.

После 18 года решили присоединиться к международным соглашениям и устанавливать не любое местное время, а только 24 возможных часа в мировом масштабе (и 9 в масштабах России).

Суть этого международного соглашения – разделить землю условно на 24 часовых пояса, по 15 градусов. В пределах 1 пояса – время на всех часах одинаковое, в соседнем поясе отличается ровно на час.

Но в свете последующих реформ и эта строгая и логичная система не устояла… Но об этом в другой раз.

А ещё про то, когда нужно солнечное время. Нужно – в навигации. Когда определяя высоту солнца – хотят получить свои координаты в море. Измеряя высоту солнца, в частности местный полдень – мы определяем солнечное время. Чтобы определить долготу надо знать в этот  же момент Гринвичское время. Чтобы сравнить с местным и вычислить долготу. Но в Гривиче часы идут по среднему времени. Поэтому определенное по солнцу истинное солнечное время с помощью графика уравнения времени переводят в  среднее местное время. После этого время в одних единицах сравнивают с Гринвичским. И получают долготу.

Иногда график уравнения времени рисуют в более изящном и более информативном виде:

image008

На таком графике кроме поправки уравнения времени видно и склонение солнца на каждый день. Кроме того видно что знак поправки противоположный тому, какой даёт упомянутый выше график в виде синусоиды. Этот график можно сразу рисовать на солнечных часах. Правило на графике недвусмысленно указывает:

Поправку прибавлять к истинному солнечному времени для получения истинного.

Можно ещё такое мнемоническое правило:

На свидание у солнечных часов 14 февраля девушка опоздает на 14 минут.

Это, чтобы определить с каким типом графика Вы имеете дело в книге или справочнике.

Более подробно смысл этого правила. Свидание в 12 часов дня по солнечным часам 14 февраля. Поправка уравнения времени – 14 минут. Значит среднее время в этот момент только 11.46. И придётся наблюдать солнечные часы ещё  долгих 14 минут, пока 12 дня покажут часы девушки по среднему времени.

Если посмотреть этот график в восьмёркой в крупном масштабе, то можно увидеть 4 периода, когда цифра уравнения времени меняется очень медленно, меньше минуты за 3 недели:

- С 1 по 26 мая

- С 15 июля по 5 августа

- С 25 октября по 13 ноября

- С 5 по 20 февраля.

В приблизительных расчётах, для аварийных ситуаций – в эти периоды можно считать поправку уравнения времени постоянной.

Кроме того на этом графике видны 4 даты, в близи которых поправка уравнения времени равна нулю. И её не нужно учитывать в расчётах:

- Около 25 декабря

- Около 16 апреля

- Около 13 июня

- Около 2 сентября.

При точных расчётах учитывают, что поправка уравнения времени меняется непрерывно даже в течение дня.

«ВБЛИЗИ» упомянутых дат надо понимать в том смысле, что этот график следовало бы каждый год в високосном цикле из 4 лет сдвигать на 6 часов. И в високосном году до 29 февраля ошибка набегает в 1 день. Поэтому график построен усреднённым, дающим минимальную возможную ошибку в любом из 4 лет високосного цикла. Графики повышенной точности надо было бы строить на каждый год цикла и пользоваться четырьмя последовательно.

Читайте так же: