3. Видимий річний рух Сонця. Екліптика

Земля обертається навколо Сонця по еліптичній орбіті. Цей рух відбувається в напрямку обертання Землі навколо її осі, тобто проти годинникової стрілки, якщо дивитись з північного полюса на південь. Вісь Землі зберігає незмінний напрямок в просторі. Ми не відчуваємо ні руху навколо Сонця, ні руху самої Землі навколо осі. Рух навколо осі сприймається спостерігачем на "нерухомій" Землі як рух Сонця відносно зір в напрямку з заходу на схід, тобто в протилежний бік добового руху небесної сфери. Це явище називається річним рухом Сонця.

Безпосередньо спостерігати рух Сонця відносно зір неможливо, так як вдень не видно зір. Але переміщення Сонця можна помітити, спостерігаючи на протязі достатньо довгого часу розміщення сузір’їв в один і той же час після заходу Сонця (наприклад, опівнічі). Опівнічі в верхній кульмінації завжди знаходяться ті зорі, пряме сходження яких майже на 180о відрізняється від прямого сходження Сонця. Спостереження показують, що в кожну наступну північ кульмінують зорі, пряме сходження яких приблизно на 4m(1о) більше прямого сходження зір, що кульмінували в попередню північ. Отже і пряме сходження α Сонця щодобово зростає ≈ на 4m.

Це означає, що крім добового руху з сходу на захід (зумовленого обертанням Землі навколо своєї осі) Сонце помалу переміщується на фоні зір із заходу на схід (назустріч добовому обертанню неба). А за рік здійснює по небесній сфері один оберт (360о).

Площина в якій рухається Земля навколо Сонця, співпадає з площиною видимого річного руху Сонця відносно зір, називається площиною екліптики. Перетин цієї площини з небесною сферою називається екліптикою.

Екліптика - це велике коло, розміщене на небесній сфері, по якому відбувається видимий річний рух Сонця. Пряма, що проходить через центр небесної сфери і перпендикулярна до площини екліптики, називається віссю екліптики. Точки перетину цієї прямої з небесною сферою називаються полюсами екліптики. Полюс, розміщений в північній півкулі, називається північним полюсом екліптики, протилежний – південним. Північний полюс екліптики розміщений між Полярною зіркою і Вегою.

Проводячи виміри зенітної віддалі або висоти Сонця опівдні (полудень), тобто в момент його верхньої кульмінації на одній і тій же широті встановлено, що схилення Сонця на протязі року змінюється в межах від 23о27’ до –23о27’, два рази на рік проходячи через нуль. Екліптика нахилена до екватора під кутом, що визначається кутом між осями світу і екліптики ε=23о27’. Екліптика перетинається з небесним екватором в двох точках – точках рівнодення. Точка, в якій Сонце при своєму річному русі переходить з південної півкулі в північну (з північної кулі в південну) називається точкою весняного рівнодення – 21 березня (^–овен) (осіннього рівнодення - 23 вересня (d–терези)).

Точки екліптики, найбільш віддалені від екватора називаються точками сонцестояння. Точка сонцестояння, що лежить в північній півкулі називається точкою літнього (a–рак 22 червня) ( зимового g–козеріг 22 грудня) сонцестояння.

Екліптична система координат

Спостереження показують, що Місяць і планети переміщуються по зодіакальним сузір’ям поблизу екліптики. Тому видимий рух цих світил, як і Сонця, вигідно вивчати в екліптичній системі координат. Основні елементи: основна площина - площина екліптики. Кола, проведені на небесній сфері паралельно екліптиці, називаються небесними паралелями. Кола, що проходять через полюси екліптики, перпендикулярно до неї, називаються колом широти. Проведемо через будь-яке світило М паралель і коло широти. Положення світила на небесній сфері можна визначити двома координатами. Кутова відстань т.М від екліптики, рухаючись по колу широти від екліптики, називається широтою (β). Відлічують від екліптики в сторону полюса екліптики. Змінюється в межах: 0о÷90о у північній півкулі; 0о÷-90о в південній півкулі. Кут між колами широти, що проходить через т. через т.М називають довготою (λ). Відлічують від т.¡ в сторону річного руху Сонця. Змінюється в межах 0о÷360о. Широта і довгота не змінюється в результаті добового руху, бо екліптична система координат жорстко зв’язана з небесною сферою і приймає участь в добовому русі. У зв’язку з цим вона може бути використана для складання зоряних карт. Екліптична система координат використовується в основному для вивчення руху планет.

Зодіакальні сузір’я

Екліптика проходить по 12 сузір’ям (за числом місяців у році), з яких 11 мають назви живих істот (реальних або містичних) і тому всі 12 сузір’їв іменуються зодіакальними (від грецького слова "зодіакос" – звір). Їх назви і прийняті позначення: Риби (i), Овен (^), Телець(_), Близнята (`), Рак (a), Лев (b), Діва (c), Ваги (d), Скорпіон (e), Стрілець (f), Козеріг (g) і Водолій (h). Між сузір’ями Скорпіона і Стрільця Сонце переміщується на дільниці Змієносця, а так як в році 12 місяців і більшість зір розміщені далеко від екліптики, тому воно не зараховується до зодіакальних. Основні точки зараз розміщені в наступних сузір’ях: т. весняного рівнодення ^ – в сузір’ї Риб, т. літнього сонцестояння a – в сузір’ї Близнят, т. осіннього рівнодення d – в сузір’ї Діви і т. зимового сонцестояння g – в сузір’ї Стрільця. Весь пояс зодіакальних сузір’їв називається Зодіаком. Протяжність зодіакальних сузір’їв вздовж екліптики різна: найбільша (40о) у Тельця, Діви, Скорпіона; по сузір’ю Скорпіона (5о). Тому для вигоди екліптика поділена на 12 рівних дуг по 30о. Відлік знаків зодіаку починається з т. весіннього рівнодення. Весною Сонце послідовно проходить по сузір’ям Риби, Овен, Тілець; літом – Близнюки, Рак, Лев; восени – Діва, Ваги, Скорпіон (також Змієносця); а зимою – Стрілець, Козеріг, Водолій.

Вимірювання часу

В основу визначення одиниці часу покладено періодичне явище в природі — добу — проміжок часу, протягом якого Земля робить повний оберт навколо своєї осі. Добове обертання Землі, визначаючи закономірність зміни дня та ночі, циклічність багатьох процесів на Землі, розпорядок життя та діяльності людей, є найбільш доцільною і зручною основою для вимірювання часу, яка дана самою природою, і якою споконвіку користується людство. Тривалість доби можна визначити за допомогою світила або точки, фіксуючи моменти двох послідовних кульмінацій, якщо відомі їх положення на зоряному небі. Проте визначення доби пов'язано з практичними труднощами, які викликані суперечливістю .вимог до вибору одиниці часу. Для визначення доби в наш час користуються трьома допоміжними точками, а саме: точкою весняного рівнодення, центром справжнього Сонця, точкою середнього Сонця. Тривалість доби, що визначена допомогою кожної з трьох точок, — різна, і тому доводиться вживати всі три одиниці часу — зоряну добу, справжню сонячну добу і середню сонячну добу. Вимірюваний ними час називається відповідно зоряним, справжнім сонячним і середнім сонячним часом. Сукупність цих способів визначення доби ускладнює деякі обчислювальні роботи, але забезпечує повну відповідність обчислення часу практиці життя людства і велику точність вимірювання часу астрономічними методами.

Доба і її частки служать для вимірювання коротких проміжків часу, а для тривалих проміжків часу використовують поняття року. Проміжок часу між двома послідовними проходженнями справжнього Сонця через точку весняного рівнодення (^) називається тропічним роком.

Т^=365d,2422 с.д.д. (середньої сонячної доби).

Внаслідок прецесії земної осі точка весняного рівнодення повільно рухається назустріч Сонцю, тому Сонце приходить в одну і ту саму ділянку неба не через тропічний рік, а через зоряний рік (сидеричний період).

Проміжок часу за який Земля зробить один повний оберт навколо Сонця відносно нерухомих зір називається зоряним роком.

Т=365d,2568 с.д.д.

За останні три десятиріччя точність визначення тривалості доби з астрономічних спостережень зір підвищена на цілий порядок і досягає 0,s001 за добу; так само підвищена точність астрономічних маятникових і кварцових годинників. Створені годинники нових типів — молекулярні та атомні, які зберігають час з точністю до 5·10-8с за добу, задовольняючи найскладніші вимоги деяких наукових закладів.

Зоряна доба і зоряний час

Визначення зоряної доби випливає з видимого обертання навколо Землі точки весняного рівнодення. Верхня кульмінація цієї точки береться за початок доби. Проміжок часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями, точки весняного рівнодення на тому самому меридіані називається зоряною добою.

Зоряну добу поділяють на 24 зоряні години, зоряну годину — на 60 зоряних хвилин, зоряну хвилину — на 60 зоряних секунд. Час, що проходить від моменту верхньої кульмінації точки весняного рівнодення до її положення в певний момент, виражений у частках зоряної доби, називається зоряним часом. Позначається латинською буквою s.

Годинний кут точки весняного рівнодення, виражений годинною мірою, чисельно дорівнює зоряному часу в даний момент. Час що пройшов від початку доби, дорівнює годинному куту точки весняного рівнодення. Для його визначення користуються зорями з точно визначеними координатами.

Якщо визначено годинний, кут будь-якої зорі М (рис.1), то зоряний час (дуга ¡Q) дорівнює сумі двох дуг: дуги ¡D (пряме сходження зорі) та дуги DQ (годинний кут зорі). Отже,

s=α+t (1)

де α — пряме сходження, а t — годинний кут. При спостереженні зорі в момент верхньої кульмінації годинний кут дорівнює нулю і тоді

s=α (1а)

Цією залежністю користуються для визначення зоряного часу з спостережень моментів кульмінації зір за допомогою пасажного інструменту. Зоряним часом зручно користуватися в наукових і деяких інженерних роботах, але повсякденно життя пов’язане з сонячною добою, яка більша від зоряної, тому введено сонячний час.

Справжня сонячна доба і справжній сонячний час

Справжню сонячну добу визначають за допомогою центра Сонця. Проміжок часу між двома послідовними нижніми кульмінаціями центра сонячного диска на тому самому меридіані називається справжньою сонячною добою.

Отже, початок сонячної доби, на відміну від зоряної, віднесено на нічну пору, тому весь день належить до однієї календарної дати.

Час, що пройшов від нижньої кульмінації центра Сонця до його положення в даний момент, виражений у частках справжньої сонячної доби, називається справжнім сонячним часом. Позначають його буквою Т. Вимірюють його годинним кутом центра Сонця.

Годинний кут t відлічується від південної точки екватора, а тому його збільшують на 12h, що минули від нижньої до верхньої кульмінацій. Отже,

Т = t + 12h (2)

Сонце завжди кульмінує (у верхній кульмінації) о 12h справжнього часу, тому t = 0. Тривалість справжньої сонячної доби нестала, тому введено середню сонячну добу.