Иисус второе пришествие. Годичный путь солнца Среднее солнечное время

Движение Солнца среди звезд

(урок - лекция)

Этот урок для учащихся XI классов занимающихся по учебнику Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева «Физика. 11 класс» (профильные классы)

Образовательная цель урока: изучить движение Солнца относительно далеких звезд.

Образовательные задачи урока:

Определить основные виды небесного движения Солнца и соотнести их с такими явлениями, как изменение продолжительности дня и ночи, смена сезонов года, наличие климатических поясов;

Сформировать умения учащихся находить и определять основные плоскости, линии, точки небесной сферы, связанные с движением Солнца;

Сформировать умения учащихся определять горизонтальные координаты Солнца;

Общие замечания

Информация в лекции подается в сжатой форме, поэтому короткая фраза может потребовать длительных размышлений. Развитие потребности в размышлении, а, следовательно, и в понимании содержания той или иной темы учащимися, соотносится с выполнением заданий:

Практические советы при работе с информацией:

получив новую информацию, продумайте ее и четко сформулируйте ответ на вопрос: «О чем она и для чего ее Вам сообщили?»;

приобретайте привычку самому задавать вопрос «почему?» и самостоятельно находить на его пути ответа, размышляя, беседуя с товарищами, преподавателем;

проверяя формулу, решая задачу и т.д., выполняйте математические операции постепенно, записывая все промежуточные выкладки;

Основные вопросы лекции

Движение небесных светил.

Движение Солнца среди звезд.

Эклиптика. Эклиптическая система координат.

Эклиптика – большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Направление этого движения (около 1 в сутки) противоположно направлению суточного вращения Земли. Слово «эклиптика» происходит от греческого слова «эклипсис» - затмение.

Ось вращения Земли имеет постоянный угол наклона к плоскости обращения Земли вокруг Солнца, равный примерно 66°34" (см. рис. 1). Вследствие этого угол ε между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора равен 23°26".

Рисунок 1. Эклиптика и небесный экватор

Опираясь на рисунок 1, заполните пропуски в ниже приведенных определениях.

Ось эклиптики (ПП ") - ………………

………………………………………….. .

Северный полюс эклиптики (П) - ……………………………………………. .

Южный полюс эклиптики (П ") - ………………………………………………………………………….. .

Эклиптика проходит через 13 созвездий. Змееносец не относится к зодиакальным созвездиям.

Точками весеннего (γ) и осеннего (Ω) равноденствий называют точки пересечения эклиптики и небесного экватора. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб (до недавнего времени – в созвездии Овна). Дата весеннего равноденствия – 20 (21) марта. Точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы (до недавнего времени – в созвездии Весов). Дата осеннего равноденствия - 22 (23) сентября.

Точка летнего солнцестояния и точка зимнего солнцестояния – точки, отстоящие на 90°от точек равноденствия.Точка летнего солнцестояния лежит в северном полушарии, приходится на 22 июня. Точка зимнего солнцестояния лежит в южном полушарии и приходится на 22 декабря.

Эклиптическая система координат.

Рисунок 2. Эклиптическая система координат

В качестве основной плоскости эклиптической системы координат (рис. 2) выбирают плоскость эклиптики. К эклиптическим координатам относят:

Широта и долгота звезды не меняются в результате суточного движения небесной сферы. Эклиптическая система координат используется, в основном, при изучении движения планет. Это удобно потому, что планеты движутся относительно звезд приблизительно в плоскости эклиптики. Вследствие малости β формулы, содержащие cos β и sin β, могут быть упрощены.

Соотношение между градусами, часами и минутами следующее: 360=24, 15=1, 1=4.

Движение небесных светил

Суточное движение светил. Суточные пути светил на небесной сфере – окружности, плоскости которых параллельны небесному экватору. Данные окружности называются небесными параллелями. Суточное движение светил является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Видимость светил зависит от их небесных координат, положения наблюдателя на поверхности Земли (см. рис. 3).

Рисунок 3. Суточные пути светил относительно горизонта, для наблюдателя находящегося: а - в средних географических широтах; б – на экваторе; в – на полюсе Земли.

1. Сформулируйте теорему о высоте полюса мира.

2. Опишите, как вы можете объяснить свойства суточного движения светил, вследствие обращения Земли вокруг своей оси на различных широтах?

Как изменяется при суточном движении светила его: а) высота; б) прямое восхождение; в) склонение?

Меняется ли в течение суток высота, прямое восхождение и склонение основных точек небесной сферы: Z , Z ׳ , P , P ׳ , N , S , E , W ?

3. Движение Солнца среди звезд.

Кульминация – явление пересечения светилом небесного меридиана. В верхней кульминации светило имеет наибольшую высоту. Азимут светила в верхней кульминации равен ……. А в нижней – наименьшую. Азимут светила в нижней кульминации равен …... Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полуднем, а нижней – истинной полночью.

Высота светила (h ) или зенитное расстояние (z ) в момент кульминаций зависит от склонения светила (δ) и широты места наблюдения (φ )

Рисунок 4. Проекция небесной сферы на плоскость небесного меридиана

В таблице 3 приведены формулы для определения высоты светила в верхней и нижней кульминации. Вид выражения для высоты светила в кульминации определяется с опорой на рисунок 4.

Таблица 3

Высота светила в кульминации

Склонение светила

Высота светила в верхней кульминации

Высота светила в нижней кульминации

δ < φ

h =90˚-φ +δ

h=90˚-φ-δ

δ = φ

h=90 ˚

h=0˚

δ > φ

h=90˚+φ-δ

h= φ+δ-90˚

Имеется три категории светил, для мест на земле, для которых 0<φ <90˚:

Если склонение светила δ < -(90˚- φ ), то оно будет невосходящим. Если склонение светила δ >(90˚- φ ), оно будет незаходящим.

Условия видимости Солнца и смена времен года зависит от положения наблюдателя на поверхности Земли и от положения Земли на орбите.

Годичное движение Солнца – явление движения Солнца относительно звезд в сторону, обратную суточному вращению небесной сферы. Данное явление – следствие движения Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите в направлении вращения Земли вокруг ее оси, т.е. против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса на южный (см. рис. 5).

Рисунок 5. Наклон оси вращения Земли и времена года

Рисунок 6. Схема положений Земли при летнем и зимнем солнцестоянии

При годичном движении Солнца происходят следующие явления: изменение полуденной высоты, положения точек восхода и захода Солнца, продолжительности дня и ночи, вида звездного неба в один и тот же час после захода Солнца.

Обращение Земли вокруг Солнца, а так же то, что ось суточного вращения Земли всегда параллельна самой себе в любой точке земной орбиты – главные причины смены времен года. Данные факторы определяют различный наклон солнечных лучей по отношению к поверхности Земли и разную степень освещенности полушария, на которое оно светит (см. рис. 5, 6). Чем выше Солнце над горизонтом, тем сильнее его способность нагревать земную поверхность. В свою очередь, изменение расстояния от Земли до Солнца в течение года не влияет на смену времен года: Земля, пробегая свою эллиптическую орбиту, находится в наиболее близкой точке в январе, а в наиболее удаленной – в июле.

Используя материал лекции, заполните таблицу 4.

Таблица 4

Суточное движение Солнца в разные времена года на средних широтах

Положение на эклиптике

Склонение

Полуденная высота

Минимальная высота

Точка восхода

Точка захода

Продолжительность дня

20(21) .03

22.06

22(23).09

22.12

Астрономические признаки тепловых поясов:

1. Как изменятся границы тепловых поясов, если угол наклона оси вращения Земли к плоскости земной орбиты уменьшится? станет равным 90 ˚?

   При каком угле наклона оси вращения Земли к плоскости ее орбиты не будет умеренных поясов?

Изменение вида звездного неба. Каждой последующей ночью по сравнению с предыдущей звезды предстают перед нами немного сдвинутыми к западу. От вечера к вечеру одна и та же звезда восходит на 4 минуты раньше. Через год вид звездного неба повторяется.

Если некая звезда находится в точке зенита в 9 часов вечера 1 сентября, в какое время она будет в зените 1 марта? Сможете ли Вы ее видеть? Ответ обоснуйте.

Прецессия - конусообразное вращение земной оси с периодом 26000 лет под действием сил тяготения со стороны Солнца и Луны. Прецессионное движение Земли заставляет северный и южный полюсы мира описывать на небе окружности: ось мира описывает вокруг оси эклиптики конус, радиусом около 23˚26", оставаясь, все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66˚34" по часовой стрелке для наблюдателя северного полушария (рис. 7).

Прецессия меняет положение небесных полюсов. 2700 лет назад вблизи Северного полюса мира находилась звезда α Дракона, названная китайскими астрономами Царственной звездой. В настоящее время Полярной звездой является α Малой Медведицы. К 10000 году Северный полюс мира сблизится со звездой Денеб (α Лебедя). В 13600 году полярной звездой станет Вега (α Лиры).

Рисунок 7. Прецессионное движение земной оси

В результате прецессии точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний медленно перемещаются по зодиакальным созвездиям. 5000 лет назад точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца, затем переместилась в созвездие Овна, а сейчас находится в созвездии Рыб (см. рис. 8). Это смещение составляет
= 50",2 в год.

Рисунок 8. Прецессия и нутация на небесной сфере

Притяжение планет слишком мало, чтобы вызвать изменения в положении оси вращения Земли, но оно действует на движение Земли вокруг Солнца, изменяя положение в пространстве плоскости земной орбиты, т.е. плоскости эклиптики: наклонение эклиптики к экватору периодически меняется, которое в настоящее время уменьшается на 0",47 в год. Изменение положения плоскости эклиптики вносит изменение, во-первых, в значение скорости перемещения точек равноденствий в результате прецессионного движения (v = 50",2 * cos ε ), во-вторых, кривые, описываемыми полюсами мира, не замыкаются (рис.9).

Рисунок 9. Прецессионное движение северного полюса мира. Точками в центре показаны положения полюса мира

Нутация земной оси – мелкие различные колебания оси вращения Земли около своего среднего положения. Нутационные колебания возникают потому, что прецессионные силы Солнца и Луны непрерывно меняют свою величину и направление; они равны нулю, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли и достигают максимума при наибольшем удалении от него этих светил.

В результате прецессии и нутации земной оси полюсы мира в действительности описывают на небе сложные волнистые линии (см. рис. 8).

Следует отметить, что эффекты прецессии и нутации порождаются внешними силами, которые изменяют ориентировку оси вращения Земли в пространстве. Тело же Земля остается в этом случае, так сказать, фиксированным по отношению к меняющейся оси. Поэтому флаг, установленный сегодня па Северном полюсе, будет и через 13 000 лет отмечать Северный полюс, и широта а пункта останется равной 90°. Так как ни прецессия ни нутация не приводят к каким-либо изменениям широты на Земле, эти явлении не вызывают и климатических изменений. Однако они все же создают сдвиг времен года относительно некоторого идеального календаря.

Что Вы можете сказать об изменениях эклиптической долготы, эклиптической широты, прямого восхождения и склонения всех звезд, в результате прецессионного движения земной оси?

Задания для самостоятельной домашней работы

Назовите основные плоскости, линии и точки небесной сферы.

Где восходят и заходят небесные светила для наблюдателя, находящегося в северном (южном) полушарии Земли?

Как строятся системы астрономических координат?

Что называется высотой и азимутом светила?

Как называются экваториальные и эклиптические координаты?

Как связаны прямое восхождение и часовой угол?

Как связаны склонение и высота светила в момент верхней кульминации?

Что такое прецессия и нутация?

Почему звезды всегда восходят и заходят в одних и тех же точках горизонта, а Солнце и Луна – нет?

Как связано видимое движение Солнца по небесной сфере с движением Земли вокруг Солнца?

Что такое эклиптика?

Какие точки называются равноденственными и почему?

Что такое солнцестояние?

Под каким углом наклонена эклиптика к горизонту и почему меняется этот угол в течение суток?

В каком случае эклиптика может совпасть с горизонтом?

Нанести ручкой на окружности, изображающей модель небесной сферы точки, в которых находится Солнце:

По нанесенным точкам наметить положение эклиптики. Укажите на эклиптике (приближенно) положение Солнца 21 апреля, 23 октября и в день вашего рождения. Найти перечисленные в предшествующих пунктах точки на модели небесной сферы.

Литература

Левитан, Е.П. Методика преподавания астрономии в средней школе / Е.П. Левитан. – М.: Просвещение, 1965. – 227 с.

Малахов А.А. Физика и астрономия (компетентностный подход) : учеб.-метод. пособие / А.А. Малахов; Шадр. гос. пед. ин-т. – Шадринск: Шадр. Дом Печати, 2010. – 163 с.

Майоров, В.Ф. Как узнать, что Земля вращается? / В.Ф. Майоров // Физика. - 2010. – № 2. - С. 45-47.

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н. Н.Физика: Учеб. Для 10 кл. общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

Пинский А.А., Разумовский В.Г., Бугаев А.И. и др. Физика и астрономия: Учеб для 9 кл. общеобразоват. Учреждений / Под ред. А.А. Пинского, В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 2001. – С. 202-212

Рандзини, Д. Космос / Д. Рандзини; Пер. с итал. Н. Лебедевой. – М.: ООО «Издательство Астрель», 2004. – 320 с.

Каждый день, поднимаясь из-за горизонта в восточной стороне неба, Солнце проходит по небу и вновь скрывается на западе. Для жителей Северного полушария это движение происходит слева направо, для южан справа налево. В полдень Солнце достигает наибольшей высоты, или, как говорят астрономы, кульминирует. Полдень - это верхняя кульминация, а бывает еще и нижняя - в полночь. В наших средних широтах нижняя кульминация Солнца не видна, так как она происходит под горизонтом. А вот за Полярным кругом, где Солнце летом иногда не заходит, можно наблюдать и верхнюю, и нижнюю кульминации.

На географическом полюсе суточный путь Солнца практически параллелен горизонту. Появившись в день весеннего равноденствия, Солнце четверть года поднимается все выше и выше, описывая круги над горизонтом. В день летнего солнцестояния оно достигает максимальной высоты (23,5?). Следующие четверть года, до осеннего равноденствия, Солнце спускается. Это полярный день. Затем на полгода наступает полярная ночь. В средних широтах на протяжении года видимый суточный путь Солнца то сокращается, то увеличивается. Наименьшим он оказывается в день зимнего солнцестояния, наибольшим - в день летнего солнцестояния. В дни равноденствий

Солнце находится на небесном экваторе. В это же время оно восходит в точке востока и заходит в точке запада.

В период от весеннего равноденствия до летнего солнцестояния место восхода Солнца немного смещается от точки восхода влево, к северу. А место захода удаляется от точки запада вправо, хотя тоже к северу. В день летнего солнцестояния Солнце появляется на северо-востоке, а в полдень оно кульминирует на максимальной за год высоте. Заходит Солнце на северо-западе.

Затем места восхода и захода смещаются обратно к югу. В день зимнего солнцестояния Солнце восходит на юго-востоке, пересекает небесный меридиан на минимальной высоте и заходит на юго-западе. Следует учитывать, что вследствие рефракции (то есть преломления световых лучей в земной атмосфере) видимая высота светила всегда больше истинной.

Поэтому восход Солнца происходит раньше, а заход - позже, чем это было бы при отсутствии атмосферы.

Итак, суточный путь Солнца представляет собой малый круг небесной сферы, параллельный небесному экватору. В то же время в течении года Солнце перемещается относительно небесного экватора то к северу, то к югу. Дневная и ночная части его пути неодинаковы. Они равны только в дни равноденствий, когда Солнце находится на небесном экваторе.

Выражение «путь Солнца среди звезд» кому-то покажется странным. Ведь днем звезд не видно. Поэтому нелегко заметить, что Солнце медленно, примерно на 1? за сутки, перемещается среди звезд справа налево. Зато можно проследить, как в течение года меняется вид звездного неба. Все это - следствие обращения Земли вокруг Солнца.

Путь видимого годичного перемещения Солнца на фоне звезд именуется эклиптикой (от греческого «эклипсис» - «затмение»), а период оборота по эклиптике - звездным годом. Он равен 265 суткам 6 часам 9 минутам 10 секундам, или 365, 2564 средних солнечных суток.

Эклиптика и небесный экватор пересекаются под углом 23?26" в точках весеннего и осеннего равноденствия. В первой из этих точек Солнце обычно бывает 21 марта, когда оно переходит из южного полушария неба в северное. Во второй - 23 сентября, при переходе их северного полушария в южное. В наиболее удаленной к северу точке эклиптике Солнце бывает 22 июня (летнее солнцестояние), а к югу - 22 декабря (зимнее солнцестояние). В високосный год эти даты сдвинуты на один день.

Из четырех точек эклиптики главной является точка весеннего равноденствия. Именно от нее отсчитывается одна из небесных координат - прямое восхождение. Она же служит для отсчета звездного времени и тропического года - промежутка времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Тропический год определяет смену времен года на нашей планете.

Так как точка весеннего равноденствия медленно перемещается среди звезд вследствие прецессии земной оси, продолжительность тропического года меньше продолжительности звездного. Она составляет 365,2422 средних солнечных суток. Около 2 тысяч лет назад, когда Гиппарх составил свой звездный каталог (первый дошедший до нас целиком), точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна. К нашему времени она переместилась почти на 30?, в созвездие Рыб, а точка осеннего равноденствия - из созвездия Весов в созвездие Девы. Но по традиции точки равноденствий обозначаются прежними знаками прежних «равноденственных» созвездий - Овна и Весов. То же случилось и с точками солнцестояния: летнее в созвездии Тельца отмечается знаком Рака, а зимнее в созвездие Стрельца - знаком Козерога.

И наконец, последнее, что связано с видимым годичным движением Солнца. Половину эклиптики от весеннего равноденствия до осеннего (с 21 марта по 23 сентября) Солнце проходит за 186 суток. Вторую половину, от осеннего равноденствия да весеннего, - за 179 суток (180 в високосный год). Но ведь половинки эклиптики равны: каждая по 180?. Следовательно, Солнце движется по эклиптике неравномерно. Эта неравномерность объясняется изменением скорости движения Земли по эллиптической орбите вокруг Солнца. Неравномерность движения Солнца по эклиптике приводит к разной длительности времен года. Для жителей северного полушария, например, весна и лето на шесть суток продолжительнее осени и зимы. Земля 2-4 июня расположена от Солнца на 5 миллионов километров дольше, чем 2-3 января, и движется по своей орбите медленнее в соответствии со вторым законом Кеплера. Летом Земля получает от

Солнца меньше тепла, но зато лето в Северном полушарии продолжительнее зимы. Поэтому в Северном полушарии Земли теплее, чем в Южном.

Истинное движение Земли - Видимое годовое движение Солнца на небесной сфере - Небесный экватор и плоскость эклиптики - Экваториальные координаты Солнца в течение года

Истинное движение Земли

Чтобы понять принцип видимого движения Солнца и других светил на небесной сфере, рассмотрим сперва истинное движение Земли . Земля является одной из планет . Она непрерывно вращается вокруг своей оси.

Период вращения ее равен одним суткам, поэтому наблюдателю, находящемуся на Земле, кажется, что все небесные светила обращаются вокруг Земли с востока на запад с тем же периодом.

Но Земля не только вращается вокруг своей оси, но и обращается также вокруг Солнца по эллиптической орбите. Полный оборот вокруг Солнца она совершает за один год. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66°33′. Положение оси в пространстве при движении Земли вокруг Солнца все время остается почти неизменным. Поэтому Северное и Южное полушария попеременно бывают обращены в сторону Солнца, в результате чего на Земле происходит смена времен года.

При наблюдении неба можно заметить, что звезды на протяжении многих лет неизменно сохраняют свое вза­имное расположение.

Звезды “неподвижны” лишь потому, что находятся очень далеко от нас. Расстояние до них так велико, что с любой точки земной орбиты они видны одинаково.

А вот тела же солнечной системы - Солнце, Луна и планеты, которые нахо­дятся сравнительно недалеко от Земли, и смену их положений мы можем легко заметить. Таким образом, Солнце наравне со всеми светила­ми участвует в суточном движении и одновременно имеет собст­венное видимое движение (оно называется годовым движением ), обусловленное движением Земли вокруг Солнца.

Видимое годовое движение Солнца на небесной сфере

Наиболее просто годовое движение Солнца можно объяснить по рисунку приведенному ниже. Из этого ри­сунка видно, что в зависимости от положения Земли на орбите наблюдатель с Земли будет видеть Солнце на фоне разных . Ему будет казаться, что оно все время перемещается по небесной сфере. Это движение является отражением обращения Земли вокруг Солнца. За год Солнце сделает полный оборот.

Большой круг на небесной сфере, по которому происходит ви­димое годовое движение Солнца, называется эклиптикой . Эклиптика - слово греческое и в переводе означает затмение . Этот круг назвали так потому, что затмения Солнца и Луны про­исходят только тогда, когда оба светила находятся на этом круге.

Следует отметить, что плоскость эклиптики совпадает с плос­костью орбиты Земли .

Видимое годовое движение Солнца по эк­липтике происходит в том же направлении, в котором Земля движется по орбите вокруг Солнца, т. е. оно перемещается к востоку. В течение года Солнце последовательно проходит по эк­липтике 12 созвездий, которые образуют пояс и называются зодиакальными.

Пояс Зодиака образуют следующие созвездия: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Ко­зерог и Водолей. Вследствие того, что плоскость земного экватора наклоне­на к плоскости орбиты Земли на 23°27‘ , плоскость небесного эк­ватора также наклонена к плоскости эклиптики на угол е=23°27′.

Наклон эклиптики к экватору не сохраняется постоян­ным (вследствие воздействия на Землю сил притяжения Солнца и Луны), поэтому в 1896 г. при утверждении астрономических постоянных ре­шено было наклон эклиптики к экватору считать усредненно равным 23°27’8″,26.

Небесный экватор и плоскость эклиптики

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называются точками весеннего и осеннего равноденствий . Точку весеннего равноденствия принято обозначать знаком созвездия Овен Т, а точку осеннего равноденствия - знаком созвездия Весов -. Солнце в этих точках соответственно бывает 21 марта и 23 сентября. В эти дни на Земле день равен ночи, Солнце точно восходит в точке восто­ка и заходит в точке запада.

Точки весеннего и осеннего равноденствия – места пересечения экватора и плоскости эклиптики

Точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствий на 90°, называются точками солнцестояний . Точка Е на эклип­тике, в которой Солнце занимает самое высокое положение отно­сительно небесного экватора, называется точкой летнего солнцестояния , а точка Е’, в которой оно занимает самое низкое поло­жение, называется точкой зимнего солнцестояния .

В точке летне­го солнцестояния Солнце бывает 22 июня, а в точке зимнего солнцестояния - 22 декабря. В течение нескольких дней, близ­ких к датам солнцестояний, полуденная высота Солнца остается почти неизменной, в связи с чем эти точки и получили такое на­звание. Когда Солнце находится в точке летнего солнцестояния день в Северном полушарии самый длинный, а ночь самая корот­кая, а когда оно находится в точке зимнего солнцестояния - на­оборот.

В день летнего солнцестояния точки восхода и захода Солнца максимально удалены к северу от точек востока и запада на го­ризонте, а в день зимнего солнцестояния они имеют наибольшее удаление к югу.

Движение Солнца по эклиптике приводит к непрерывному из­менению его экваториальных координат, ежедневному изменению полуденной высоты и перемещению по горизонту точек восхода и захода.

Известно, что склонение Солнца отсчитывается от плоскости небесного экватора, а прямое восхождение - от точки весеннего равноденствия. Поэтому когда Солнце находится в точке весен­него равноденствия, его склонение и прямое восхождение равны нулю. В течение года склонение Солнца в настоящий период из­меняется от +23°26′ до -23°26′, переходя два раза в год через нуль, а прямое восхождение от 0 до 360°.

Экваториальные координаты Солнца в течение года

Экваториальные координаты Солнца в течение года изменя­ются неравномерно. Происходит это вследствие неравномерности движения Солнца по эклиптике и движения Солнца по эклиптике и наклона эклиптики к экватору. Половину своего видимого годо­вого пути Солнце проходит за 186 суток с 21 марта по 23 сентяб­ря, а вторую половину за 179 суток с 23 сентября по 21 марта.

Неравномерность движения Сол­нца по эклиптике связана с тем, что Земля на протяжении всего периода обращения вокруг Солнца движется по орбите не с оди­наковой скоростью. Солнце находится в одном из фокусов эллип­тической орбиты Земли.

Из второго закона Кеплера известно, что линия, соединяющая Солнце и планету, за равные промежутки времени описывает равные площади. Согласно этому закону Земля, находясь ближе всего к Солнцу, т. е. в перигелии , движется быстрее, а находясь дальше всего от Солнца, т. е. в афелии - медленнее.

Ближе к Солнцу Земля бывает зимой, а летом - дальше. Поэтому в зим­ние дни она движется по орбите быстрее, чем в летние. Вследст­вие этого суточное изменение прямого восхождения Солнца в день зимнего солнцестояния равно 1°07′, тогда как в день летнего солнцестояния оно равно только 1°02′.

Различие скоростей движения Земли в каждой точке орбиты вызывает неравномерность изменения не только прямого восхож­дения, но и склонения Солнца. Однако за счет наклона эк­липтики к экватору его изменение имеет другой характер. Наиболее быстро склонение Солнца изменяется вблизи точек равноденствия, а у точек солнцестояния оно почти не из­меняется.

Знание характера изменения экваториальных координат Солн­ца позволяет производить приближенный расчет прямого восхож­дения и склонения Солнца.

Для выполнения такого расчета бе­рут ближайшую дату с известными экваториальными координа­тами Солнца. Затем учитывают, что прямое восхождение Солнца за сутки изменяется в среднем на 1°, а склонение Солнца в тече­ние месяца до и после прохождения точек равноденствия изме­няется на 0,4° в сутки; в течение месяца перед солнцестояниями и после них - на 0,1° в сутки, а в течение промежуточных меся­цев между указанными - на 0,3°.

Сутки как одна из основных единиц измерения времени. Вращение Земли и видимое движение звездного неба.

Основная величина для измерения времени связана с периодом полного оборота земного шара вокруг своей оси.

До недавнего времени считалось, что вращение Земли происходит совершенно равномерно. Однако сейчас в этом вращении обнаружились некоторые неравномерности, но они столь малы, что не имеют значения для построения календаря.

Находясь на поверхности Земли и участвуя вместе с нею в ее вращательном движении, мы не ощущаем его.

О вращении земного шара вокруг оси мы судим лишь по тем видимым явлениям, которые с ним связаны. Следствием суточного вращения Земли является, например, видимое движение небесного свода со всеми находящимися на нем светилами: звездами, планетами, Солнцем, Луной и т. д.

В наши дни для определения продолжительности одного оборота земного шара можно воспользоваться — специальным телескопом - пассажным инструментом, оптическая ось трубы которого вращается строго в одной плоскости — плоскости меридиана данного места, проходящей через точки юга и севера. Пересечение звездой меридиана называется верхней кульминацией. Промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями звезды называется звездными сутками.

Более точное определение звездных суток такое: это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия. Они представляют собой одну из основных единиц измерения времени, так как продолжительность их остается неизменной. Звездные сутки делятся на 24 звездных часа, каждый час — на 60 звездных минут, каждая минута — на 60 звездных секунд.

Звездные часы, минуты и секунды отсчитываются на звездных часах, которые имеются в каждой астрономической обсерватории и всегда показывают звездное время. Пользоваться в повседневной жизни такими часами неудобно, так как один и тот же звездный час в течение года приходится на различное время солнечных суток. Жизнь природы, а вместе с ней вся жизнедеятельность людей, связана не с движением звезд, а со сменой дня и ночи, т. е. с суточным движением Солнца. Поэтому в повседневной жизни мы пользуемся не звездным временем, а солнечным. Понятие солнечного времени значительно сложнее понятия звездного времени. Прежде всего надо ясно представить себе видимое движение Солнца.

Видимое годовое движение Солнца. Эклиптика.

Наблюдая из ночи в ночь за звездным небом, можно заметить, что в каждую последующую полночь кульминируют все новые и новые звезды. Это объясняется тем, что вследствие годового движения земного шара по орбите происходит движение Солнца среди звезд. Оно совершается в том же направлении, в каком вращается Земля, т. е. с запада на восток.

Путь видимого движения Солнца среди звезд называется эклиптикой . Он представляет собой на небесной сфере большой круг, плоскость которого наклонена к плоскости небесного экватора под углом 23°27" и пересекается с небесным экватором в двух точках. Это точки весеннего и осеннего равноденствий. В первой из них Солнце бывает около 21 марта, когда оно переходит из южного небесного полушария в северное. Во второй точке оно находится около 23 сентября, когда переходит из северного полушария в южное. Зодиакальные созвездия. Двигаясь по эклиптике, Солнце в течение года последовательно перемещается среди следующих 12 созвездий, расположенных вдоль эклиптики и составляющих пояс зодиака .

Видимое перемещение Солнца по зодиакальным созвездиям: Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог и Водолей. (Строго говоря, Солнце проходит и через 13-е созвездие — Змееносец. Это созвездие было бы даже более правильно считать зодиакальным, чем такое созвездие, как Скорпион, в котором Солнце находится менее продолжительное время, чем в каждом из остальных созвездий.) Эти созвездия, названные зодиакальными, свое общее название получили от греческого слова «зоон» — животное, так как многие из них еще в глубокой древности были названы именами животных. В каждом из зодиакальных созвездий Солнце бывает в среднем около месяца. Поэтому еще в древности каждому месяцу соответствовал определенный знак зодиака. Март, например, был обозначен знаком Овна, так как в этом созвездии около двух тысяч лет назад находилась точка весеннего равноденствия и, следовательно, Солнце в марте проходило это созвездие. Когда Земля переместится по своей орбите и перейдет из положения III (март) в положение IV (апрель), то Солнце перейдет из созвездия Овна в созвездие Тельца, а когда Земля окажется в положении V (май), то Солнце из созвездия Тельца переместится в созвездие Близнецов и т. д.

Перемещение северного полюса мира среди звезд за 26 000 лет.

Однако точка весеннего равноденствия не сохраняет неизменного положения на небесной сфере. Ее перемещение, открытое еще во II в. до н. э. греческим ученым Гиппархом, получило название прецессии, т. е. предварения равноденствия. Оно вызывается следующей причиной. Земля имеет форму не шара, а сфероида, сплюснутого у полюсов. На разные части сфероидальной Земли по-разному действуют силы притяжения от Солнца и Луны. Эти силы приводят к тому, что при одновременном вращении Земли и движении ее вокруг Солнца ось вращения Земли описывает конус около перпендикуляра к плоскости орбиты. Вследствие этого полюсы мира перемещаются среди звезд по малому кругу с центром в полюсе эклиптики, находясь от него на расстоянии около 231/2° . Вследствие прецессии точка весеннего равноденствия перемещается вдоль эклиптики к западу, т. е. навстречу видимому движению Солнца, на величину 50",3 в год. Поэтому полный круг она сделает примерно за 26 000 лет. По этой же причине северный полюс мира, находящийся в наше время вблизи Полярной звезды, 4000 лет назад находился вблизи Дракона, а через 12 000 лет будет вблизи Веги (a Лиры).

Солнечные сутки и солнечное время.

Истинные солнечные сутки. Если с помощью пассажного инструмента наблюдать не звезды, а Солнце и ежедневно отмечать время прохождения центра солнечного диска через меридиан, т. е. момент его верхней кульминации, то можно обнаружить, что промежуток времени между двумя верхними кульминациями центра солнечного диска, который называется истинными солнечными сутками, всегда оказывается длиннее звездных суток в среднем на 3 мин. 56 сек., или приблизительно на 4 мин. Это происходит от того, что Земля, обращаясь вокруг Солнца, совершает полный оборот вокруг него в течение года, т. е. приблизительно за 365 с четвертью суток. Отражая это движение Земли, Солнце за одни сутки перемещается примерно на 1/365 своего годового пути, или на величину около одного градуса, что соответствует четырем минутам времени. Однако в отличие от звездных суток истинные солнечные сутки периодически меняют свою продолжительность.

Это вызывается двумя причинами: во-первых, наклоном плоскости эклиптики к плоскости небесного экватора, во-вторых, эллиптической формой орбиты Земли. Когда Земля находится на участке эллипса, расположенном ближе к Солнцу, то она движется быстрее; через полгода Земля окажется в противоположной части эллипса и будет перемещаться по орбите медленнее. Неравномерное движение Земли по своей орбите вызывает неравномерное видимое передвижение Солнца по небесной сфере: в разное время года Солнце перемещается с различной скоростью. Поэтому продолжительность истинных солнечных суток постоянно меняется. Так, например, 23 декабря, когда истинные сутки наиболее длинные, они на 51 сек. продолжительнее, чем 16 сентября, когда они всего короче. Средние солнечные сутки. Вследствие неравномерности истинных солнечных суток пользоваться ими в качестве единицы для измерения времени неудобно. Об этом хорошо знали около трехсот лет назад парижские часовщики, когда писали па своем цеховом гербе: «Солнце показывает время обманчиво».

Все наши часы — наручные, стенные, карманные и другие — отрегулированы не по движению истинного Солнца, а по движению воображаемой точки, которая в течение года совершает один полный оборот вокруг Земли за такое же время, как и Солнце, но перемещается при этом по небесному экватору и совершенно равномерно. Называется такая точка средним солнцем. Момент прохождения среднего солнца через меридиан называют средним полднем, а промежуток времени между двумя последовательными средними полднями — средними солнечными сутками. Продолжительность их всегда одинакова. Их делят на 24 часа, каждый час среднего солнечного времени в свою очередь делится на 60 минут, а каждая минута — на 60 секунд среднего солнечного времени. Именно средние солнечные сутки, а не звездные сутки являются одной из основных единиц измерения времени, положенной в основу современного календаря. Разность между средним солнечным временем и истинным временем в один и тот же момент называется уравнением времени.

Астрономические основы календаря.

Мы знаем, что в основе всякого календаря лежат астрономические явления: смена дня и ночи, изменение лунных фаз и смена времен года. Эти явления дают три основные единицы измерения времени, лежащие в основе любой календарной системы, а именно: солнечные сутки, лунный месяц и солнечный год. Принимая средние солнечные сутки за величину постоянную, установим продолжительность лунного месяца и солнечного года. На протяжении всей истории астрономии продолжительность этих единиц измерения времени все время уточнялась.

Синодический месяц.

В основе лунных календарей лежит синодический месяц — промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны. Первоначально, как уже известно, он определялся в 30 суток. Позже было установлено, что в лунном месяце 29,5 суток. В настоящее время средняя продолжительность синодического месяца принимается равной 29,530588 средних солнечных суток, или 29 суткам 12 часам 44 минутам 2,8 секунды среднего солнечного времени.

Тропический год.

Исключительно важное значение имело постепенное уточнение продолжительности солнечного года. В первых календарных системах год содержал 360 суток. Древние египтяне и китайцы около пяти тысяч лет назад определили длину солнечного года в 365 суток, а за несколько столетий до нашей эры как в Египте, так и в Китае продолжительность года была установлена в 365,25суток. В основу современного календаря положен тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия.

Определением точного значения величины тропического года занимались такие выдающиеся ученые, как П. Лаплас (1749-1827) в 1802 г., Ф. Бессель (1784—1846) в 1828 г., П. Ганзен (1795-1874) в 1853 г., У. Леверье (1811—1877) в 1858 г., и некоторые другие.

Для определения продолжительности тропического года С. Ньюком предложил общую формулу: Т == 365,24219879 - 0,0000000614 (t - 1900), где t — порядковое число года.

В октябре 1960 г. в Париже состоялась XI Генеральная конференция по мерам и весам, на которой была принята единая международная система единиц (СИ) и утверждено новое определение секунды как основной единицы времени, рекомендованное IX конгрессом Международного астрономического союза (Дублин, 1955 г.). В соответствии с принятым решением эфемеридная секунда определяется как 1/31556925,9747 часть тропического года для начала 1900 г. Отсюда легко определить величину тропического года: Т ==- 365 дней 5 час. 48 мин. 45,9747 сек. или Т = 365,242199 суток.

Для календарных целей такая высокая точность не требуется. Поэтому, округляя до пятого десятичного знака, получим Т == 365,24220 суток. Такое округление величины тропического года дает ошибку в одни сутки за 100 000 лет. Поэтому принятая нами величина вполне может быть положена в основание всех календарных расчетов. Итак, ни синодический месяц, ни тропический год не содержат целого числа средних солнечных суток и, следовательно, все эти три величины несоизмеримы. Это значит, что невозможно достаточно просто выразить одну из этих величин через другую, т. е. нельзя подобрать некоторое целое число солнечных годов, в которых содержалось бы целое число лунных месяцев и целое число средних солнечных суток. Именно этим объясняется вся сложность календарной проблемы и вся та путаница, которая в течение многих тысячелетий царила в вопросе счисления больших промежутков времени.

Три рода календарей.

Стремление хотя бы до некоторой степени согласовать между собой сутки, месяц и год привело к тому, что в разные эпохи были созданы три рода календарей: солнечные, основанные на движении Солнца, в которых стремились согласовать между собою сутки и год; лунные (основанные па движении Луны) целью которых являлось согласование суток и лунного месяца; наконец, лунно-солнечные, в которых были сделаны попытки согласовать между собою все три единицы времени.

В настоящее время почти все страны мира пользуются солнечным календарем. Лунный календарь играл большую роль в древних религиях. Он сохранился и до настоящего времени в некоторых восточных странах, исповедующих мусульманскую религию. В нем месяцы имеют по 29 и 30 дней, причем количество дней меняется с таким расчетом, чтобы первое число каждого следующего месяца совпадало с появления на небе «нового месяца». Годы лунного календаря содержат попеременно 354 и 355 дней.

Таким образом, лунный год на 10—12 дней короче солнечного года. Лунно-солнечный календарь применяется в еврейской религии для расчета религиозных праздников, а также в государстве Израиль. Он отличается особой сложностью. Год в нем содержит 12 лунных месяцев, состоящих то из 29, то из 30 дней, но для учета движения Солнца периодически вводятся «високосные годы», содержащие добавочный, тринадцатый месяц. Простые, т. е. двенадцатимесячные годы, состоят из 353, 354 или 355 дней, а високосные, т. е. тринадцатимесячные, имеют по 383, 384 или 385 дней. Этим достигается то, что первое число каждого месяца почти точно совпадает с новолунием.

1 Годовое движение Солнца и эклиптическая система координат

Солнце наряду с суточным вращением медленно в течение года перемещается по небесной сфере в противоположном направлении по большому кругу, называется эклиптикой. Эклиптика наклонена к небесному экватору под углом Ƹ, Величина которого в настоящее время близка к 23 26´. Эклиптика пересекается с небесным экватором в точке весеннего ♈ (21 марта) и осеннего Ω (23 сентября) равноденствий. Точки эклиптики, отстоящие от равноденственных на 90 , есть точки летнего (22 июня) и зимнего (22 декабря) солнцестояний. Экваториальные координаты центра солнечного диска непрерывно изменяются в течении года от 0h до 24 h (прямое восхождение) - эклиптическая долгота ϒm, отсчитывается от точки весеннего равноденствия до круга широты. И от 23 26´ до -23 26´ (склонение) - эклиптическая широта, отсчитывается от 0 до +90 к северному полюсу и 0 до -90 к южному полюсу. Зодиакальными созвездиями называются созвездия, которые находятся на линии эклиптики. Находится на линии эклиптики 13 созвездий: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы и Змееносец. Но созвездие Змееносца не упоминается, хотя Солнце и находится в нём большую часть времени созвездий Стрельца и Скорпиона. Сделано это для удобства. При нахождении Солнца под горизонтом на высотах от 0 до -6 - длятся гражданские сумерки, а от -6 до -18 - астрономические сумерки.

2 Измерение времени

Измерение времени основано на наблюдениях суточного вращения свода и годичного движения Солнца, т.е. вращения Земли вокруг своей оси и на обращении Земли вокруг Солнца.

Продолжительность основной единицы времени, называемой сутками, зависит от избранной точки на небе. В астрономии за такие точки принимаются:

Точка весеннего равноденствия ♈ (звёздное время );

Центр видимого диска Солнца (истинное Солнце , истинное солнечное время);

- среднее Солнце - фиктивная точка, положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени (среднее солнечное время )

Для измерения длинных промежутков времени служит тропический год, основанный на движении Земли вокруг Солнца.

Тропический год - промежуток времени, между двумя последовательными прохождениями центра истинного центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Он содержит 365,2422 средних солнечных суток.

Из-за медленного движения точки весеннего равноденствия навстречу Солнцу, вызванного прецессией , относительно звёзд Солнце оказывается в той же точке неба через промежуток времени на 20 мин. 24 сек. больший, чем тропический год. Он называется звёздным годом и содержит 365,2564 средних солнечных суток.

3 Звёздное время

Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане называется звёздными сутками .

Звёздное время измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия: S=t ♈ , и равно сумме прямого восхождения и часового угла любой звезды: S = α + t.

Звёздное время в любой момент равно прямому восхождению какого - либо светила плюс его часовой угол.

В момент верхней кульминации светила его часовой угол t=0, а S = α.

4 Истинное солнечное время

Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями Солнца (центра солнечного диска) на одном и том же географическом меридиане называется истинными солнечными сутками .

За начало истинных Солнечных суток на данном меридиане принимают момент нижней кульминации Солнца (истинная полночь ).

Время, протекающее от нижней кульминации Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях истинных солнечных суток называется истинным солнечным временем Т ʘ

Истинное солнечное время выражается через часовой угол Солнца, увеличенный на 12 часов: Т ʘ = t ʘ + 12 h

5 Среднее солнечное время

Для того, чтобы сутки имели постоянную продолжительность и при этом были связаны с движением Солнца, в астрономии введены понятия двух фиктивных точек:

Средне эклиптического и средне экваториального Солнца.

Среднее эклиптическое Солнце (ср.эклип.С.) равномерно движется по эклиптике со средней скоростью.

Среднее экваториальное Солнце движется по экватору с постоянной скоростью среднего эклиптического Солнца и одновременно с ним проходит точку весеннего равноденствия.

Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями среднего экваториального Солнца на одном и том же географическом меридиане, называется средними солнечными сутками .

Время, протекающее от нижней кульминации среднего экваториального Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях средних солнечных суток называется средним солнечным временем Т m .

Средне солнечное время Т m на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу Солнца: Т m = t m + 12 h

Среднее время отличается от истинного на величину уравнения времени : Т m = Т ʘ + n .

6 Всемирное, поясное и декретное время

Всемирное:

Местное среднее солнечное время гринвичского меридиана называется всемирным или мировым временем Т 0 .

Местное среднее солнечное время любого пункта на Земле определяется: Т m = Т 0 + λ h

Поясное время :

Счёт времени ведётся на 24 основных географических меридиана, расположенных друг от друга на долготе точно через 15 (или 1 час) приблизительно посредине каждого часового пояса. Основным нулевым меридианом считается гринвичский. Поясное время есть всемирное время плюс номер часового пояса: Т П = Т 0 + n

Декретное:

В России в практической жизни до марта 2011 г. использовалось декретное время:

Т Д = Т П + 1 h .

Декретное время второго часового пояса, в котором располагается Москва, называют московским временем. В летний период (апрель-октябрь) стрелки часов переводились на час вперёд, а в зимний возвращались на час назад.

7 Рефракция

Видимое положение светил над горизонтом отличается от вычисленного по формулам. Лучи от небесного объекта, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней. И так ка плотность увеличивается к поверхности Земли, то луч света всё более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление ОМ 1 , по которому наблюдатель видит светило, оказывается отклонённым в сторону зенита и не совпадает с направлением ОМ 2 , по которому бы он видел светило при отсутствии атмосферы.

Явление преломления световых лучей при прохождении земной атмосферы называется астрономической рефракцией . Угол М 1 ОМ 2 называют углом рефракции или рефракцией ρ .

Угол ZOM 1 называется видимым зенитным расстоянием светила zʹ, а угол ZOM 2 - истинным зенитным расстоянием z: z - zʹ = ρ, т.е. истинное расстояние светила больше видимого на величину ρ.

На линии горизонта рефракция в среднем равна 35ʹ.

Вследствие рефракции наблюдаются изменения формы дисков Солнца и Луны при их восходе или заходе.