АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 1. Космографія

Розділ II. Рух небесних світил та основи практичної космографії

ТЕМА 1.3. ОСНОВИ ПРАКТИЧНОЇ КОСМОГРАФІЇ

§ 11. ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСУ З АСТРОНОМІЧНИХ СПОСТЕРЕЖЕНЬ. КАЛЕНДАРІ

Усі події нашого життя, явища і процеси в природі й навіть розвиток Всесвіту відбуваються в певній послідовності від минулого до сучасного і далі від сучасного до майбутнього, а також відрізняються своєю тривалістю. Одне явище тільки настає, інше вже досягло певного етапу свого розвитку, третє переходить у нову, іншу фазу. Наприклад, ніч змінює день, літо поступається місцем осені, одна фаза Місяця змінюється іншою, періодично повторюються сонячні й місячні затемнення тощо. Все це свідчить про те, що небесні тіла і явища існують і розвиваються в часі.

1. Принципи вимірювання часу в астрономії. Період, за який уявна небесна сфера здійснює повний оберт навколо Землі, а разом з цим повторення явищ сходу й заходу світил та їхніх кульмінацій, дали людям природну одиницю лічби часу — добу. Як ми вже знаємо, насправді за цей період часу Земля робить один оберт навколо осі.

З розвитком науки було з'ясовано, що обертання Землі не ідеально рівномірне. По-перше, відбувається вікове сповільнення обертання Землі внаслідок припливного тертя, спричиненого Місяцем і Сонцем; від цього доба щостоліття збільшується на 0,0016 с. По-друге, є сезонні коливання швидкості обертання Землі, пов'язані, головно, з атмосферною циркуляцією та переміщенням повітряних мас. Взимку атмосфера гальмує обертання Землі, а влітку прискорює.

Окрім цього, є сезонний перерозподіл снігового й льодового покриву між Північною й Південною півкулями Землі. Це спричиняє зміну рівня Світового океану, а також процеси, що відбуваються в ядрі і мантії планети, виверження вулканів і землетруси. Тобто причин досить багато, і не всі вони добре вивчені. Хоча ці коливання не є сталими від року до року. Швидкість обертання Землі доволі швидко й нерегулярно збільшується й зменшується на тисячні частки секунди через різні проміжки часу. Наприклад, доба в 1972 р. була на 0,0025 с довшою, ніж у 1955 р. А від 1973 р. швидкість обертання Землі збільшується. Тому нині точний час визначають з допомогою атомного годинника.

Але астрономічні методи визначення часу не втратили свого значення, бо життя людей «прив'язане» до Землі. Тобто показники дуже точних годинників потрібно в багатьох випадках узгоджувати з природним процесом — тривалістю добового обертання Землі.

Оскільки це обертання легко фіксувати з огляду на явище видимого обертання небесної сфери, то позначивши на ній, наприклад, положення точки весняного рівнодення чи Сонця, отримаємо точки відліку для основних систем лічби часу (найчастіше їх називають просто часом): зоряний час і сонячний час.

2. Зоряний і сонячний час. Залежно від того, що беруть за орієнтир на небесній сфері, розрізняють зоряну і сонячну добу.

Зоряна доба — це проміжок часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення.

Отже, зоряний час — це час s, що минув від верхньої кульмінації точки весняного рівнодення.

Зоряну добу розділено на 24 зоряних години, у кожній годині — 60 зоряних хвилин, у кожній хвилині — 60 зоряних секунд. Раз повний оберт Землі відносно точки Т становить 360°, то маємо таке співвідношення: 1 год = 15°, 1° = 4 хв. В астрономії зазвичай позначення годин (h), хвилин (m) і секунд (s) пишуть праворуч від відповідних чисел у вигляді верхнього індексу прямим шрифтом: наприклад, 5^h20^mабо 20^h45^m55^s.

Через те що Земля обертається навколо своєї осі, на різних географічних меридіанах кульмінація точки весняного рівнодення настає в різні моменти. Якщо позначити через s₀зоряний час на нульовому гринвіцькому меридіані, то для спостерігача, який перебуває на схід від Гринвіча і географічна довгота якого λ виражена в годинах і частках години, зоряний час буде більшим на величину λ: s = s0 + λ.

Повсякденний розпорядок життя людини пов'язаний з видимим положенням Сонця, його сходом, кульмінацією й заходом. Інакше кажучи, ми живемо за сонячним часом.

Проміжок часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями центра диска Сонця на одному й тому самому географічному меридіані називають справжньою сонячною добою.

Початок справжньої сонячної доби на певному меридіані відлічують від моменту нижньої кульмінації Сонця (справжня північ).

Тривалість справжньої сонячної доби не є сталою величиною з двох причин: по-перше, Земля впродовж року рухається навколо Сонця по еліптичній орбіті, тобто нерівномірно, а отже, є нерівномірним і видимий річний рух Сонця серед зір; по-друге, Сонце рухається не вздовж небесного екватора, а по екліптиці, нахиленій до небесного екватора під значним кутом (рис. 10.1). Різниця між найдовшою (23 грудня) і найкоротшою (16 вересня) справжньою сонячною добою досягає 51^s.

Рис. 11.1. Поблизу рівнодень Сонце під час річного руху переміщується під значним кутом до небесного екватора, поблизу сонцестоянь — під невеликим; крім того, годинні кола сходяться до полюсів. Тому рівним змінам годинних кутів (t₁ = t₂) поблизу рівнодень (ліворуч) відповідатимуть більші дуги екліптики, а поблизу сонцестоянь (праворуч) — менші.

Налаштувати годинник так, щоб він точно показував справжній сонячний час T неможливо. Тому виникла потреба запровадити більш сталу одиницю часу, пов'язану з Сонцем і яка мало відрізняється від справжньої сонячної доби, бо практичне життя людей узгоджене з сонячною добою. Для цього було введено поняття середнього сонця.

Середнє сонце — це фіктивна точка, що рівномірно рухається вздовж небесного екватора, і як і Сонце, за той самий проміжок часу (рік) повертається до точки весняного рівнодення Т. Час, який визначають за середнім сонцем і за яким ми живемо, називають середнім сонячним часом і вимірюють середньою сонячною добою.

Середня сонячна доба — це проміжок часу між двома послідовними нижніми кульмінаціями середнього сонця.

Отже, середній сонячний час Τ_λ — це час, що минув від нижньої кульмінації середнього сонця. А раз середнє сонце, це фіктивна точка, визначити середній сонячний час зі спостережень неможливо. Його можна лише обчислити.

Різницю між середнім сонячним часом Τ_λ і справжнім сонячним часом Т_◙ називають рівнянням часу (див. Додаток 2) h = Τ_λ - Т_◙ (11.1). Астрономічні щорічники наводять його значення для різних днів календарного року.

З правил визначення проміжку часу, названого добою, випливає, що десь на Землі має бути меридіан, при переході через який буде змінюватись дата. Цей меридіан, 180-й від Гринвіча, проходить між Азією й Америкою, і саме до нього віднесено лінію зміни дат.

Доба (24 години) є зручним у користуванні відліком часу, але потрібно мати і вміти рахувати більші проміжки часу. Для цієї мети використовують ще один природній періодичний процес — обертання Землі навколо Сонця.

Проміжок часу між двома послідовними проходженнями центра диска Сонця через точку весняного рівнодення називають тропічним роком. Тривалість тропічного року становить 365^rf 5^h 48^m 46^s. Тривалість тропічного року не є сталою величиною, а повільно змінюється.

2. Місцевий, поясний і всесвітній час. Середній сонячний час має різне значення для кожного конкретного меридіана на поверхні Землі. Наприклад, географічні довготи Ужгорода, Києва і Луганська становлять 22,3°, 30° і 39,4°, або в годинній мірі 1^h29^m, 2^h00^m, 2^h38^m. Отже, в Луганську Сонце як у нижній, так і у верхній кульмінації буде на 38 хв раніше, а в Ужгороді — на 31 хв пізніше, ніж у Києві.

Середній сонячний час, виміряний на певному географічному меридіані, називають місцевим часом (позначають Т). Для всіх пунктів, що лежать на одному меридіані, місцевий час буде однаковим. Для пунктів, що лежать на різних меридіанах, він буде різним. Це викликає певні незручності. Якщо колись можна було використовувати місцевий час, то нині у зв'язку з різними побутовими потребами (наприклад, складання графіків руху поїздів) виникла необхідність модернізувати лічбу часу.

1884 р. Міжнародна конференція представників 26 держав запровадила систему поясного часу. Земну кулю було умовно поділено меридіанами на 24 часових пояси з нумерацією від 0-го до 23-го, так що ширина поясу по довготі дорівнює 15°. Через середину кожного годинного поясу проходить центральний меридіан цього поясу.

Місцевий час центрального меридіана поясу T_n називають поясним часом.

Гринвіцький меридіан, що проходить через Гринвіч (передмістя Лондона), є центральним для нульового годинного поясу. Центральний меридіан другого годинного поясу лежить на схід від Гринвіча на 30° або на 2 години за часом (західні передмістя Києва) і т.д.

Місцевий середній час гринвіцького меридіана Т₀ називають всесвітнім часом і позначають UT (від англ. «Universal Time»).

Кульмінації світил на географічному меридіані східної довготи λ відбуваються на λ годин раніше, ніж на гринвіцькому. Тому місцевий середній сонячний час Τ_λ пов'язаний з Т₀ так: Τ_λ = Το + λ (2.10). Своєю чергою, поясний час Τ = To + n^h, (10.3) де n — номер поясу, що збігається з вираженою в годинах довготою центрального меридіана поясу.

В Україні годинники у жовтні-березні показують середній сонячний час другого годинного поясу. У квітні-вересні — літній час цього ж поясу. Стрілки годинників переводять в останню неділю березня на 1 годину вперед, а в останню неділю жовтня — на 1 годину назад.

3. Календарі. Будь-яку певну систему лічби значних проміжків часу з поділом на окремі періоди (роки, місяці, дні) називають календарем (від лат. «calendac» — перше число місяця).

Всі календарі, що існують на Землі, поділяються на три головні типи: сонячні, місячні й місячно-сонячні. В основі сонячного календаря лежить тривалість тропічного року, в основі місячного — тривалість місячного місяця, а місячно-сонячний календар поєднує й те, і інше.

Сучасний календар, запроваджений у більшості країн світу, є сонячним. Уперше сонячний календар складено близько 7000 років тому в Єгипті.

Календар римлян у своєму початковому вигляді був таким заплутаним, що це, зрештою, привело до його докорінної реформи, здійсненої 46 року до н. е. за наказом імператора Юлія Цезаря. У цьому календарі, розробленому александрійським астрономом Созігеном, за середню тривалість тропічного року прийнято проміжок часу у 365,25 доби. А щоб кожний рік мав ціле число діб, три роки в ньому містять по 365 діб, а кожний четвертий рік — 366 діб. Цей рік називають високосним, а календар — юліанським, або старим стилем.

Неточність року в юліанському календарі становить 11'14" — саме настільки він довший за тропічний рік. Це означає, якщо у 4 ст. н.е. весняне рівнодення наставало 21 березня, то через 1250 років воно наставало вже 11 березня. Але до дня весняного рівнодення прив'язані розрахунки дат найбільшого християнського свята Пасхи, яку традиційно святкують навесні. Та через цю розбіжність свято стало припадати на холодну пору року. Це геть не влаштовувало християнську церкву, тому 1582 р. папа Григорій ХІІІ з релігійних міркувань запровадив новий календар, який тепер називають григоріанським, або новим стилем. Цей календар, розроблений італійським математиком і лікарем Ліліо, повертав день весняного рівнодення на 21 березня (зайві дні просто викинули, й після 4 жовтня 1582 року настало не 5, а одразу 15 жовтня). А щоб різниця не накопичувалась знову, було введено нове правило обчислення простих і високосних років. Роки, що завершують століття, але їх число не ділиться на 400, у новому календарі, на відміну від юліанського, є простими, а не високосними.

На новий стиль (григоріанський календар) країни Європи переходили поступово — до початку ХХ ст. цей процес практично було закінчено. В Україні новий стиль запроваджено з 1918 р. (після 1 лютого одразу настало 14 лютого).

Григоріанський календар значно точніший за юліанський. Помилка в одну добу набігає в ньому лише за 3300 років, адже різниця між тропічним і григоріанським роками становить усього 26 секунд. Така точність поки що нас цілком влаштовує.

Але за хай яких умов, раз тропічний рік не вміщує ціле число діб, жодний календар не буде досконалим. Тому на людство, імовірно, чекають нові спроби уточнити календар.

НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

• Знайдіть географічну довготу Полтави, якщо в момент передачі радіосигналу о 12 годині всесвітнього часу місцевий середній сонячний час Полтави дорівнює 14^h18^m2^s.

Відповідь: 2^h18^m2^s.

• Визначте, коли за місцевим середнім і поясним часом настає момент справжнього полудня 16 січня в м. Кременчук (2-й годинний пояс, λ = 2^h13,6^m).

Відповідь: 12^h09^m35^s, 11^h55^m59^s (якщо взяти значення η = +9^m35^s).

• За старим стилем І. Ньютон народився 25 грудня 1642 р. Переведіть цю дату на новий стиль. Відповідь: 4 січня 1643 р.

ВИСНОВКИ

Періодичне обертання небесної сфери, повторення явищ сходу й заходу світил та їх кульмінацій дали людям природну одиницю лічби часу - добу. Інший періодичний процес - обертання Землі навколо Сонця - дав іншу одиницю лічби часу - тропічний рік. Будь-яку систему лічби значних проміжків часу з поділом на окремі періоди (роки, місяці, дні) називають календарем. Всі календарі, що існують на Землі, можна поділити на три головні типи: сонячні, місячні й місячно-сонячні. В основі сонячного календаря лежить тривалість тропічного року, в основі місячного - тривалість місячного місяця, а місячно-сонячний календар поєднує і те, й інше.