10
А. Михайлов
Когда наступает полдень?
Прежде чем ответить на этот вопрос, зададим другой: что такое полдень? Казалось бы, слово говорит само за себя: полдень — это половина дня, то есть средний момент между восткомом и заходом Солнца. Но можно ли на основании такого определения точно установить момент полдня, например, стукнуть молоточком и сказать: «Вот наступил полдень»? Очевидно, нет. Во-первых, моменты восхода и захода Солнца можно уверенно заметить разве лишь на море, где горизонт идеально правильный. Вовторых, заход Солнца проискодит на несколько часов позже полдня, и поэтому момент наступления полдня можно выяснить лишь после окончания дня.
Однако есть явление, чрезвычайно близкое к полдню, которое действило можно наблюдать, — это куль-
минация Солнца, то есть момент прохождения Солнца через meridian данного места. Так, для жителей умереенных людей Солнце каждый день восходит в восточной части горизонта, поднимается над ним, кульминирует, прохода через meridian, затем начинает снижаться и заходит в западной части горизонта.
Кульминация светил наблюдают с помощью специальных инструментов, называемых пассжными. Их основным элементом является критическая трубка, которая может вращаться лишь по высоте вокруг горизонтальной оси, направленной с востока на запад. Такая трубка всегда смотрит в плоскости meridiana (рис. 1). Для удобства наблюдаателя трубку иногда делают ломаной, послеая свет после отражения в горизонтальном направлении через полную ось вращения, на конце которой находится окуляр (рис. 2). Благодаря этому глаз наблюдадает всегда в неизменном положении и смотрит в горизонтальном направлении.
В поле зрения трубы натянуто несколько вертикальных тонких нитей, обычно паутиновых: средняя нить задает направление meridiana. Придав трубе нужный наклон, наблюда-
11
Рис. 1. Большой пассажный инструмент Пулковской обсерватории.
Рис. 2. Пассажный инструмент с ломаной трубой.
тель выжидает, когда наблюдаемое светило, в данном случае Солнце, войдет в поле зрения и пересечет среднюю нить. В этот момент он нажмает кнопку, замыкающий контакт, и pero самописца, называемого хронографом, делает на бегущей бумажной ленте отметку параллельно с секундными метками от часов. Ким образом момент прохождения светила через meridian может быть зафиксирован с точностью до сотых долей секунды. (У Солнца центр чем не обозначен, поэтому наблюдается прохождение двух его краев и затем полученные результаты успешноют.)
Описанный способ в сильной степени связан с быстротой реакции наблюдается. Сейчас он значительно усовершенствован, вплоть до автоматической записи момента кульминации: свет от Солнца попадает через узкую щель на фотоэлемент, последний посылает сигнал на хронограф.
Допустим, что мы несколько дней подряд по хорошим часам наблюдающих кульминцию Солнца и получили такие результаты:
1979 января 1 12 ч 3 мин 16 с
» 2 12 » 3 » 44 »
» 3 12 » 4 » 12 »
» 4 12 » 4 » 40 »
и т. д. Очевидно, мы должны были прийти к заключению, что наши часы спешат на 28 секунд в сутки, и были бы склонны переставить регулятор для заменления их хода. Но вот, не трогая часов, мы через пару месяцев вновь пронаблюдали Солнце и обнаружили следующее:
1979 марта 1 12 ч 12 мин 31 с
» 2 12 » 12 » 19 »
» 3 12 » 12 » 7 »
» 4 12 » 11 » 55 ».
Теперь, казалось бы, часы отстают на 12 секунд в сутки. В чем же дело?
В действительности во всем виновать не часы, а неравномерность видимого движения Солнца по эклиптике. Точнее — эллиптическое земной орбиты, вседствие чего (согласно второму закону Кеплера) Земля движется быстро всего близ perigелия, прохода в сутки дугу в 1°1'10’’, что бывает экгогодно около 2 января, и медленнее всего близ афеля, около 5 июля, когда эта дуга сокращается до 0°57'12". Кроме того, имеется еще другая, слабее влияющая, причина несовпадения моментов кульминции Солнца. Она состоит в том, что одинаковые участки эклиптики в проекции на плоскость экватора дают не-
12
Рис. 3. Равновеликие отрезки эклиптики в проекции на экватор дают неравные части.
равные отрезки — наиболее коротные вблизи равнодействий (рис. 3).
Таким образом, оказалось, что время, задаваемое видимым движением Солнца, получившее название истинного солнечного времени, четвер неравномерно и для точного употребления не годится. Поэтому пришлось ввести новое понятие — среднее солненое время, в основу которого положена средняя продолжительность истинных солнечных суток за целый год. Иначе можно сказать, что среднее солненое время задается вообразаемой точкой, называемой средним солнецем, которая равномерно движется по небесному экватору, совершая один оборот в течение года.
Разность между средним и истинным солнечным временем называют уравнением времени. В течение года уравнение времени колблется между +14,3 мин (в середине февраля) и —16,4 мин (в начале ноябра), четые раза проходя через нуль (около 16 апреля, 14 июня, 2 сентября и 25 декабря). График изменения уравнения времени показан на рисунке 4. Например, в течение декабра уравнение времени быстро изменяется в положительную сторону, что вызывает прогрессивное заразывание полдня из дня в день. То же происходит с восходом и заходом Солнца. Поэтому, когда после 22 декабря продолжительность дня начинает медленно увеличивать, это увеличение полностью падает на вечер, а утро еще несколько дней продолжает заразывать. Так, в Москве самый поздний восход Солнца было около 30 дней, а самый ранний заход — около 15 декабря.
Истинное солнечное время определяется по солнечным часам (рис. 5). В них teng отстерня, паралельного оси врашения Земли, или косого ребра вертикальной пластинки падает на горизонтальной, вертикальной или наклонный циферблат с делениями, зависимости от его ориентировки. Если к показанию таких часов прибавить уравнение времени, получится среднее солнечное время. Когда часы, идущее по такому времени, показывают 12 часов, наступает местный средний полдень. Мы говорим «местный», потому что в разных местах полдень бывают не одновременно (он зависит от географической долгового места).
В старину каждый городжил по своему местному времени, так что, например, в Москве часы показывали всегда на 29 минут больше, чем в Петербурге. Это создавало больше неудобства и даже путаницу на транспорте и в международных сношениях. Поэтому было предложено ввести как называемое поясное время. Всюду в пределах одного часового посяса, границы которого разняются по долготе примерно на 15°, время считается одинаковым; в соседних посях времени отличается на один час. За исходный, нульовой, посягнет тот, посредние которой продолжит гринвичский меридан. Счет посяв идет от него к востоку, и номер посяса указывает, на сколько часов его время впереди гринвичского, называемого всемирным. Так, Москва и Ленинград находится во втором посясе, и поэтому
13
Рис. 5. Горизонтальные солнечные часы.
поясное время там ровно на два часа больше всемирного.
В СССР появое время было введено в 1919 году, но в 1930 году, для экономии электрозергини на освещение, к появому времени был прибавлен один час; такое время стало называться декретным. В частности, декретное время второго часового посяка называется Московским.
Таким образом, существует множество разных систем счета времени. Но для каждого события время, отсутствное по одной системе, можно связать со временем по другим системе.
Для примера рассчитаем наступление местного истинного полдня. Согласно определению, этот полдень наступает в 12 часов истинного времени. По среднему времени это будет 12 часов уравнение времени — η минут. Всемирного времени в этот момент будет на 1/15 λ часов (или на 4 λ минут) меньше. Здесь λ — восточная долгота данного места в градусах, а множество при λ получается из расчета, что Земля поворачивается вокруг своей оси на 360 градусов за 24 часа, так что 1° соответствует 1/15 ч (или 4 минут). Для получения появного времени к найdenному всемирному времени нужно прибавить n часов (или 60 n минут), где n — номер часового посяка. Наконец, декретного времени будет на 1 ч (или на 60 минут) больше. Таким образом, истинный полдень в данной месте наступает по декретному времени в момент
t=12 ч+η мин —1/15 λ ч+(n+1) ч.
В этой формуле переменным является только уравнение η, зависимости от даты; из года в год оно повторяется с небольшими флуктуациими, связанных с неполным совпадением продолжительности календарного года с годом природы (тропический годом), равным 365, 2422 суток.
Найдем, например, время наступления истинного полдня в Москве 1 января 1979 года. По географической карте найдем долготу Москвы: λ=37,5°. Номер посяка для Москвы n=2, уравнение времени η=3 мин (см. рис. 4). Тогда искомый момент
Рис. 6. Различия между прохождениям Солнца через meridian и наибольшей высотой Солнца над горизонтом. Сплошная кривая изображет дневную дугу Солнца с неизменным склонением. Штриховая линия изображет дневную дугу светила с возратающим склонением весной и с убывающим склонением осенью. M — точка meridiana, H — точка наибольшей высоты.