Вечное вращение

Небесная сфера

Долгие века "земная твердь" считалась образцом незыблемости и неподвижности. Нет ничего удивительного, что эта ошибка продержалась так долго, ведь все наши чувства говорят о неподвижности Земли и вращении вокруг нее "небесного свода" со звездами, Солнцем и Луной. Но и сейчас в астрономии, как память о тех давних временах, используется понятие небесной сферы - воображаемой бесконечно большой сферы, в центре которой находится наблюдатель и на поверхности которой отображаются движения небесных светил.

Конечно, самым заметным является суточное вращение неба - утром встает Солнце, проходит по небу и опускается за горизонт, звезды, которые вечером видны на востоке, к полуночи высоко поднимаются на юге а затем опускаются к западу, снова встает Солнце... Кажется, что небо вращается вокруг невидимой оси, расположенной около Полярной звезды.

Но суточное вращение неба очень зависит от нашего положения на земном шаре - если мы окажемся в южном полушарии, нам будет очень непривычно, что Солнце движется по небу в противоположном направлении - справа налево. Посмотрим подробнее, как изменяется видимое вращение небесного свода в разных местах Земли.

Для начала следует запомнить, что высота Полюса Мира (точки, вокруг которой происходит вращение неба) над горизонтом всегда равна географической широте места наблюдения. Значит, на северном полюсе Полярная звезда будет находиться в зените, а все светила будут в суточном вращении двигаться слева направо параллельно горизонту, никогда не восходя и не заходя. Находясь на полюсе, мы могли бы увидеть звезды только одного полушария, зато в любую ночь.

Напротив, для наблюдателя на экваторе не существует невосходящих звезд (впрочем, как и незаходящих) - все звезды неба доступны для наблюдений, они восходят вертикально в восточной части горизонта и ровно через 12 часов заходят в западной части неба.

В средних широтах часть звезд в окрестностях полюса никогда не опускается под горизонт, но такая же область неба вокруг противоположного полюса никогда не доступна для наблюдений, остальные же звезды, полосой расположенные с обеих сторон небесного экватора, восходят и заходят в течение суток.

Примерно так же будет выглядеть и движение светил в средних широтах южного полушария с той только разницей, что будет виден над горизонтом южный Полюс Мира, вокруг которого звезды вращаются по часовой стрелке, а знакомые нам экваториальные созвездия, перевернутые "вверх ногами", выше всего поднимаются в северной части неба и двигаются справа налево.

Движение Солнца и сутки

Говоря о движении звезд, мы не интересовались расстоянием до них и движением Земли вокруг Солнца - расстояния до звезд огромны и изменения их положений из-за годового движения Земли очень малы и могут быть измерены только очень точными инструментами. Совсем другое дело - Солнце. Движение Земли по орбите приводит к видимому движению Солнца среди звезд. Путь, который проходит Солнце на небе в течение года называют эклиптикой. Так как земная ось наклонена на 23,5°, то при обращении Земли вокруг Солнца к нему оказывается повернуто то северное, то южное полушарие - этим и объясняется смена сезонов на нашей планете.

Когда к Солнцу повернуто северное полушарие - там наступает лето, Солнце в своем видимом пути по эклиптике оказывается в северной ее части и у нас, в северном полушарии, выше поднимается над горизонтом. На северном полюсе на полгода Солнце становится незаходящим светилом - там наступает полярный день. Немного южнее полярный день длится уже меньше и на широте полярного круга (66,5° - полярный круг отстоит на 23,5° от полюса) Солнце не заходит всего лишь несколько дней в середине лета, вблизи дня летнего солнцестояния (22 июня). Зимой на полюсе почти полгода не восходит Солнце (немного меньше из-за рефракции), южнее полярная ночь становится все короче и вне полярного круга Солнце даже в середине зимы встает над горизонтом.

В средних и экваториальных широтах Солнце всегда восходит и заходит, продолжительность дня сильно зависит не только от времени года, но и от широты - чем ближе к экватору, тем меньше отличается продолжительность дня зимой и летом и тем ближе продолжительность дня и ночи к 12 часам. Но только на экваторе продолжительность дня и ночи всегда постоянна. Продолжительность сумерек тоже зависит от широты - в экваториальных широтах Солнце садится перпендикулярно горизонту и сумерки самые короткие, а на широте Санкт-Петербурга в середине лета они продолжаются от захода Солнца до его восхода - это и есть знаменитые белые ночи.

От широты зависит, как высоко может подняться Солнце над горизонтом - в день солнцестояния эта высота составит 90°-φ+23,5°.

Кстати, очень распространено ошибочное мнение, что на экваторе Солнце в полдень всегда бывает в зените - это не так, в любой точке Земли, лежащей между линий тропиков (от 23,5°ю.ш. до 23,5°с.ш.) точно через зенит Солнце проходит лишь дважды в году, на экваторе - в дни равноденствий, а на линиях тропиков - только раз в году, в день летнего солнцестояния на северном тропике и в день зимнего солнцестояния - на южном.

Движение Земли вокруг Солнца приводит к еще одному важному явлению - продолжительность солнечных суток (промежуток времени между двумя полуднями) не совпадает с сутками звездными (промежутком времени между прохождением через меридиан какой-либо звезды). Дело в том, что Земле необходимо дополнительное время, чтобы повернуться на угол, который она проходит за сутки по своей орбите. Более того, продолжительность солнечных суток непостоянна (см. статью Уравнение времени). Легко сделать приблизительную прикидку - за сутки земля проходит 1/365 часть своей орбиты или чуть меньше 1°, а если Земля совершает оборот вокруг своей оси (360°) приблизительно за 24 часа, то на 1° она повернется примерно за 4 минуты. Действительно, звездные сутки составляют 23 часа 56 минут 4 секунды.

Луна

Наш спутник с древних времен служил людям для счета времени, и это не случайно - изменение фаз Луны легко наблюдать и продолжительность месяца определить несложно, к тому же месяц стал очень удобной промежуточной единицей измерения времени между сутками и годом. Кстати, всем привычная семидневная неделя тоже связана с Луной - 7 суток это примерно четверть месяца (и фазы Луны тоже отмеряют четвертями). Большинство древних календарей были лунными и лунно-солнечными.

Конечно, первое, что бросается в глаза при наблюдениях Луны - это изменение ее вида в течение месяца от тонкого серпа, который можно заметить сразу после захода Солнца спустя 2-3 суток после новолуния, к фазе первой четверти (в северном полушарии освещена правая половина диска Луны), далее к полнолунию, последней четверти (освещена левая половина диска) и, наконец, к новолунию, когда Луна сближается с Солнцем и исчезает в его лучах. Смена фаз объясняется изменением положения Луны относительно Солнца при обращении ее вокруг Земли, полный цикл изменения фаз - оборот относительно Солнца или синодический месяц продолжается около 29,5 суток. Период обращения относительно звезд (сидерический месяц) немного меньше и составляет 27,3 суток. Как видите, в году содержится нецелое число месяцев, поэтому лунно-солнечные календари используют специальные правила чередования 12-месячных и 13-месячных лет, из-за этого они довольно сложны и сейчас в большинстве стран вытеснены григорианским календарем, никак не связанным с Луной - в память о его предшественниках остались лишь месяцы (правда, более продолжительные, чем лунные) и недели...

В движении Луны есть еще одна интересная особенность - период ее вращения вокруг своей оси совпадает с периодом обращения вокруг Земли, поэтому наш спутник всегда повернут к Земле одним полушарием. Но нельзя сказать, что мы можем видеть только половину поверхности Луны - из за неравномерности орбитального движения Луны и наклона ее орбиты к экватору Земли, относительно земного наблюдателя Луна немного поворачивается как по широте, так и по долготе (это явление называется либрацией) и мы можем видеть краевые зоны диска - в сумме наблюдениям доступно около 60% лунной поверхности.

Жан Эффель, "Сотворение мира"
-Нелегко завести вселенную!