Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк

§ 3. Вимірювання часу та календар

Вивчивши цей параграф, ми дізнаємось:

• як за допомогою Сонця визначають час;

• на скільки хвилин місцевий час відрізняється від київського часу;

• що спричиняє зміну пір року на Землі;

• чому неможливо створити ідеальний календар.

1. Вимірювання часу

Час є філософською, фізичною та соціальною категорією, тому задача точного вимірювання часу є однією з найважливіших проблем сучасної науки. З нашого досвіду відомо, що час «тече» рівномірно, подібно до води в спокійній, тихій річці. За цим принципом були в давнину сконструйовані водяні та пісочні годинники. З часом був створений механічний годинник, дія якого основана на принципі періодичних коливань маятника, що довго може зберігати сталим період своїх коливань.

Принцип дії найточніших сучасних електронних годинників базується на використанні коливань в електромагнітному полі кристалів або навіть окремих молекул. Хоча годинники протягом віків змінювали вигляд (рис. 3.1, 3.2) і збільшувалась точність вимірювань, деякі одиниці для визначення часу залишилися одними й тими самими — рік та доба, бо вони пов’язані з рухом Землі навколо Сонця та її обертанням навколо своєї осі.

Для визначення кутової швидкості обертання Землі орієнтирами можуть служити небесні світила — Сонце, зорі та інші небесні світила. Тому і використовують дві системи відліку часу — зоряний час і сонячний час. Зоряний час переважно використовують астрономи, а в повсякденному житті всі люди застосовують тільки сонячний час. Проміжок часу, за який Земля робить повний оберт навколо своєї осі відносно Сонця, називають сонячною добою. Доба поділяється на 24 години. За традицією початок сонячної доби (0 год) настає опівночі.

Сонячний час у певному місці, або місцевий час, можна визначити за допомогою сонячного годинника — звичайної палички, тінь від якої допоможе приблизно виміряти місцевий час. Місцевий полудень — 12 година за місцевим часом — настає о тій порі, коли триває верхня кульмінація Сонця,— тоді тінь від палички найкоротша (див. §2).

Сонячна доба — час, за який Земля робить повний оберт навколо своєї осі відносно Сонця.

1 год = 1/24 доби

1 год = 60 хв = 3600 с

Рис. 3.1. Старовинний сонячний годинник

Рис. 3.2. Перший атомний годинник

У повсякденному житті користуватись місцевим часом незручно, бо в кожній точці на поверхні Землі він різний, і ми, переїжджаючи від одного місця до іншого, мусили б постійно переводити стрілки годинника на кілька хвилин. Ця проблема усувається, якщо користуватись поясним часом, який запровадили в кінці XIX ст. Землю поділили меридіанами на 24 годинні пояси і домовились, що всі годинники в одному поясі будуть показувати однаковий час, який дорівнює місцевому часу середнього меридіана (рис. 3.3). Мандрівники переводять годинники на одну годину тільки у випадку, коли вони перетинають межу відповідного поясу.

Нульовий пояс проходить через Гринвіцький меридіан, тому годинники у Великій Британії показують місцевий час Гринвіцького меридіана — цей час називають всесвітнім часом. У сучасних мобільних телефонах місцевий час нульового поясу позначають GMT (з англ. Гринвіцький середній час). Західна Європа живе за часом першого поясу, який на 1 годину випереджає всесвітній. Україна розташована у другому поясі, тому час, за яким живуть її мешканці (київський час), випереджає всесвітній час на 2 години. Якщо поїхати на захід, до Польщі, то стрілки наших годинників треба перевести на 1 годину назад, а якщо подорожувати на схід, до Росії, наприклад до Москви,— то на 1 годину вперед.

Рис. 3.3. Годинні пояси. Земля поділена на 24 пояси, у кожному з яких всі годинники показують однаковий час. Переїжджаючи з одного поясу в інший, мандрівники переводять стрілки годинників на ціле число годин

Місцевий час визначається за допомогою сонячного годинника. Кожний меридіан має свій місцевий час

Поясний час дорівнює місцевому часу середнього меридіана відповідного поясу

Різниця між місцевим і київським часом визначається різницею географічних довгот Києва та місця спостереження. Наприклад, ми хочемо визначити різницю між київським і місцевим часом у Харкові. Довгота Харкова λX = 36° = 2 год 25 хв, довгота Києва λK = 30° = 2 год 00 хв. Тобто місцевий час у Харкові на 25 хвилин попереду київського часу, тому взимку Сонце у Харкові кульмінує приблизно об 11 год 35 хв за київським часом.

На меридіані з довготою 180° проходить лінія зміни дат. Для тих, хто її перетинає, є можливість подорожувати не тільки в просторі, а й у часі. Наприклад, якщо летіти з Азії на схід, в Америку, 1 січня, то наступний день теж буде 1 січня, тобто виникає на перший погляд фантастична можливість прожити той самий день двічі. Зате коли пасажири летять у зворотному напрямку, з Америки на захід, в Азію, то протягом перельоту за кілька годин можна прожити 2 доби — після 1 січня зразу настане 3 січня.

Всесвітній час (англ. UT) — місцевий час Гринвіцького меридіана. Всесвітній час застосовують в астрономії для визначення моментів різних космічних подій

Київський час — час другого поясу, який на 2 години випереджає всесвітній час

Для допитливих

Весною, в останню неділю березня, всі годинники більшості країн Європи переводять на 1 годину вперед, запроваджується так званий літній час, тому влітку київський час буде випереджати місцевий час усіх міст України. Фактично, Західна Європа переходить на київський час, а Україна — на московський. Наприклад, улітку місцевий час навіть на сході України, в Луганську, відстає від київського на 23 хв, і полудень на Луганському меридіані настає о 12 год 23 хв за київським часом. Правда, не в усіх країнах світу переводять стрілки годинника на літній час. Нема сенсу вводити літній час у тропічній зоні, бо там тривалість дня протягом року майже однакова — 12 год. У Росії на значній території тривалість літнього дня перевищує 20 год, тому там теж відмовились від переводу стрілок годинника. 3 березня 2011 року в Росії ввели постійний літній час, тому московський час взимку буде випереджати київський на 2 години.

2. Сонячний час та зодіак

Слово зодіак (від грец.— коло із зображень тварин) уперше почали вживати для визначення особливих сузір’їв ще кілька тисяч років тому. Ця назва пов’язана з тим, що Сонце, Місяць і планети Сонячної системи можна спостерігати на тлі 12 зодіакальних сузір’їв, які утворюють на небесній сфері велике коло, і серед назв цих сузір’їв переважають назви живих істот.

Рис. 3.4. Орбіта Землі та зодіак. Площина, у якій обертається Земля навколо Сонця, залишається сталою відносно зір. Лінія перетину площини орбіти Землі з уявною небесною сферою має назву екліптика. 12 сузір'їв, які перетинає екліптика, називають зодіакальними

На рис. 3.4 зображено орбіту Землі, далекі сузір’я та через кожні 30° проведені лінії, які позначають положення нашої планети відносно зір через кожний місяць. Таким чином, ми можемо позначати рух Землі по орбіті та відраховувати великі проміжки часу.

За початок відліку руху Землі візьмемо точку весняного рівнодення. Якщо 21 березня з’єднати Землю і Сонце прямою лінією та продовжити її у космос, то ця пряма десь у далечині перетинає уявну небесну сферу у двох діаметрально протилежних точках, одна з яких розташована в сузір’ї Діви (з боку Землі), а інша — у сузір’ї Риб (за Сонцем).

У березні сузір’я Риб не видно, бо воно перебуває за Сонцем. Астрономи цей момент описують так: «21 березня Сонце розташоване у напрямку сузір’я Риб у точці весняного рівнодення».

Рухаючись разом із Землею по орбіті, ми протягом року спостерігатимемо Сонце в різних напрямках на тлі різних сузір’їв. Якщо кожного дня позначати положення центра Сонця відносно далеких зір, то можна отримати велике коло небесної сфери, яке називається екліптикою (від грец.— затемнення). Математичне визначення екліптики — це лінія перетину площини орбіти Землі з небесною сферою, тобто площина екліптики збігається з площиною орбіти Землі.

Рис. 3.5. Явище прецесії демонструє дитяча дзиґа, що обертається навколо власної осі, у той час як її вісь описує конус у просторі

Прецесія — зміщення осі обертання Землі відносно зір. Вісь Землі описує в космосі конус із періодом 26000 років

Площина екліптики протягом століть займає стале положення відносно зір, але полюси світу поступово зміщуються у космічному просторі — це явище називають прецесією (від лат.— випередження, рис. 3.5). Вісь обертання Землі описує у космосі конус із періодом 26000 років. І якщо в наш час Північний полюс світу розташований у сузір’ї Малої Ведмедиці, то через 13000 років він переміститься у сузір’я Ліри, і наші нащадки будуть визначати напрямок на північ за допомогою зорі Вега. Внаслідок прецесії змінюється також положення площини небесного екватора серед зір, тому в майбутньому в Україні не буде видно сузір’я Оріон, зате наші нащадки побачать найближчу до нас зорю Проксиму Кентавра.

Для допитливих

Зверніть увагу на те, що точка весняного рівнодення міститься у сузір'ї Риб, але позначається знаком Овна. Причина такої дивної невідповідності полягає в тому, що внаслідок прецесії' точка весняного рівнодення Υ поступово зміщується відносно зір на 50" щорічно. Тобто за останні 2000 років точка весняного рівнодення перемістилась майже на 30°, і через кілька десятків років буде вже розташовуватись у сузір'ї Водолія. Ще через 13000 років точка весняного рівнодення переміститься в сузір'я Діви, а точка осіннього рівнодення буде спостерігатись у сузір'ї Риб.

3. Зміна пір року на Землі

З курсу природознавства відомо, що вісь обертання Землі нахилена до площини орбіти під кутом 66,5°, і це призводить до зміни пір року на Землі. Якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площини орбіти, то зміни пір року не відбувалося б, бо Сонце протягом року освітлювало б рівномірно Північну та Південну півкулі нашої планети. Зараз такі дні, коли Сонце однаково освітлює дві півкулі Землі, настають тільки двічі на рік — весною 20—21 березня і восени 22—23 вересня, коли на всіх материках однакова тривалість дня — 12 годин. В інші місяці тривалість дня більша або менша за 12 годин і залежить від географічної широти місця спостереження. Найдовший день у Північній півкулі настає 21—22 червня — початок астрономічного літа, а у Південній півкулі в цей день починається астрономічна зима. Через півроку 21—22 грудня, навпаки, у Північній півкулі настає астрономічна зима, а в Південній — літо. (Рис. 3.7, 3.8.)

Рис. 3.6. Кут між площинами екватора та екліптики 23,5°, а кут між площиною екліптики та полюсом світу 66,5°. Це є причиною зміни пір року на Землі

Рис. 3.7. Освітлення Землі сонячними променями взимку і влітку. Найбільше енергії від Сонця отримує тропічна зона, де опівдні сонячні промені можуть падати перпендикулярно до горизонту. Широта тропіків ±23,5°

На широті 50° (Київ, Львів, Харків) тривалість найдовшого дня 22 червня — 16 год 20 хв — у два рази більша за тривалість найкоротшого дня 22 грудня — 8 год. На широті 45° різниця між найдовшим і найкоротшим днем трохи зменшується, тому в Криму найдовший день триває 15 год 30 хв, а найкоротший — 8 год 40 хв.

Найбільше сонячної енергії поверхня Землі отримує опівдні, коли настає верхня кульмінація Сонця, а найменше — вранці та ввечері. Вночі Земля тільки охолоджується, тому середня температура поверхні залежить також від тривалості дня і ночі. Наприклад, на широті 50° кількість енергії, яку отримує поверхня за літній день, досягає 25000 кДж/м2. Цікаво, що ця енергія навіть більша, ніж на екваторі, де цілий рік тривалість дня не змінюється і дорівнює 12 годинам.

Узимку коротка тривалість дня та невелика висота Сонця над горизонтом призводять до значного зменшення сонячної енергії, що обігріває поверхню Землі. Наприклад, у грудні кількість енергії, яку отримує одиниця поверхні на наших широтах протягом дня, майже у 7 разів менша, ніж у літній день.

Рис. 3.8. Механічний прилад XIX ст., який демонстрував рух планет і зміну пір року на Землі

Сучасний нахил осі обертання до площини орбіти під кутом 66,5° є оптимальним для різноманітних кліматичних зон на поверхні Землі — від тропіків до полярного кола. Усі інші варіанти зміни кута нахилу осі обертання Землі призвели б до катастрофічних змін клімату і глобальної екологічної катастрофи. Наприклад, якби вісь обертання Землі була нахилена до площини орбіти під кутом 50°, то полярне коло проходило б через Україну, а тропіки — через Чорне море. На наших широтах влітку протягом місяця Сонце не заходило б за горизонт, а опівдні кульмінація була б поблизу зеніту. Розрахунки показують, що літня температура поверхні в Україні досягала б критичних для життя меж від +60 до +80 °С. В іншому випадку, якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площини орбіти, зміни пір року взагалі не було б, тому Європа могла б перетворитись на холодну напівпустелю типу тундри.

Для допитливих

У полярних країнах різниця між найдовшим і найкоротшим днем збільшується. Наприклад, у Москві найдовший день триває 17 год 40 хв, а найкоротший — 7 год, у С.-Петербурзі відповідно — 19 та 6 год. На широті С.-Петербурга у червні Сонце ненадовго заходить за горизонт, унаслідок цього спостерігаються «білі ночі». Цей період триває майже місяць, коли вночі видно яскраві зорі тільки в південній частині небосхилу, а північний обрій настільки яскравий, що опівночі можна читати книги.

Поблизу полюсів є області, де Сонце кілька місяців не заходить за горизонт — тоді влітку спостерігається полярний день. Узимку, навпаки, у полярних районах кілька місяців Сонце не сходить — настає полярна ніч. Границі цих областей називаються полярними колами. Вони розташовані на широті 66,5° обох півкуль.

На самих полюсах полярний день триває півроку і стільки ж триває полярна ніч. Наприклад, на Північному полюсі Сонце сходить 21 березня і заходить 23 вересня. У цей період схилення Сонця більше за нуль. На Південному полюсі, навпаки, полярний день триває від 23 вересня до 21 березня.

4. Календарі

У сучасному календарі усіх європейських країн за основу береться 1 тропічний рік — період обертання Землі навколо Сонця відносно точки весняного рівнодення Υ, але при створенні ідеального календаря виникає ускладнення, бо тропічний рік не має цілого числа діб.

Довгий час в Європі користувалися юліанським календарем, який був запроваджений ще Юлієм Цезарем у 46 році до н. е. У цьому календарі тривалість тропічного року була прийнята за 365 діб 6 год 00 хв 00 с, а для того щоб рік мав ціле число діб, було прийнято, що кожні 3 роки підряд триватимуть по 365 діб, а четвертий рік — 366 діб (високосний рік). Але в середньому кожний календарний рік був довший за тропічний на 11 хв 14 с (365 діб 6 год 00 хв 00 с - 365 діб 5 год 48 хв 46 с). Тобто коли тропічний рік уже реально закінчувався, рік за юліанським календарем тривав ще 11 хв 14 с. Тому за чотири роки похибка накопичувалася і календар відставав уже на 44 хв 56 с, а за 400 років — майже на 3 доби.

Тропічний рік (365 діб 5 год 48 хв 46 с) — період обертання Землі навколо Сонця відносно точки весняного рівнодення

Прості роки мають 365 діб

Високосний рік має 366 діб. Цю додаткову добу вводять 29 лютого

Григоріанський календар, що діє в наш час, виправив цю неточність. У ньому вилучили три доби з кожних 400 років, тобто три високосні роки зробили простими. На рис. 3.9 показано, які роки були високосними за юліанським календарем, а кружечком обведені ті, які стали простими за григоріанським. Легко помітити, що це ті роки, які закінчуються двома нулями і число сотень яких не ділиться на чотири без остачі. Григоріанський календар теж не є ідеальним, але похибку на одну добу він дає приблизно через 33 століття.

За григоріанським календарем рік вважається високосним, якщо він ділиться на 4 без остачі, крім тих років, які закінчуються на два нулі і число сотень яких не ділиться на 4

Рис. 3.9. Високосні роки за юліанським календарем. Кружечком обведені роки, які за григоріанським календарем не є високосними

Для допитливих

Нову реформу календаря було здійснено в 1582 році за пропозицією Папи Римського Григорія XIII. Для того щоб виправити накопичену на той час помилку, оголосили, що 1582 рік триватиме тільки 355 діб. Новий календар був названий григоріанським (або новим стилем) на честь Папи Римського і поступово був уведений у всіх країнах Європи та Америки. Тепер різниця між юліанським і григоріанським календарями досягла вже 13 діб і збережеться ще в XXI ст. У цивільному житті України новий стиль був запроваджений урядом Центральної Ради в 1918 році.

Висновки

За допомогою небесних світил можна визначати час. Період обертання Землі навколо осі використовують для відліку годин, хвилин і секунд. Період обертання Землі навколо Сонця використовують при створенні календарів для відліку тривалих проміжків часу.

Тести

1. Тропіки — це така географічна широта, де:

А. Ростуть пальми. Б. Сонце ніколи не заходить. В. Під час сонцестояння Сонце кульмінує в зеніті. Г. Під час рівнодення Сонце кульмінує в зеніті. Д. Ніколи не випадає дощ.

2. Полярне коло — це така географічна широта, де:

А. Цілий рік не тане сніг. Б. Живуть білі ведмеді. В. Півроку триває ніч, а півроку — день. Г. Під час рівнодення Сонце кульмінує в зеніті. Д. У день зимового сонцестояння Сонце не сходить.

3. Під яким кутом до площини орбіти нахилена вісь обертання Землі?

А. 0°. Б. 23,5°. В. 45°. Г. 66,5°. Д. 90°.

4. Чому дорівнює кут між площинами екватора та екліптики?

А. 0°. Б. 23,5°. В. 45°. Г. 66,5°. Д. 90°.

5. Скільки триває найдовший день на полярному колі?

А. 12 год. Б. 24 год. В. 1 місяць. Г. 3 місяці. Д. Півроку.

6. Що є причиною зміни пір року на Землі?

7. Чому влітку набагато тепліше, ніж взимку, хоча світить нам одне й те Сонце?

8. Чому виникла необхідність реформи юліанського календаря?

9. В Україні за стародавньою традицією зустрічають так званий старий Новий рік — 14 січня. Звідки походить ця традиція?

10. Де на Землі тривалість дня протягом року не змінюється?

11. За допомогою тіні від гномона визначте висоту Сонця над горизонтом під час верхньої кульмінації. Як змінюється цей кут протягом місяця?

12. Де пізніше заходить Сонце: у Львові чи у Харкові?

13. За допомогою карти зоряного неба визначте екваторіальні координати Сонця на день вашого народження. У якому сузір'ї спостерігається Сонце в цей день? Чи збігається це сузір'я зі знаком зодіаку в гороскопах на цей день?

Диспути на запропоновані теми

14. Яким, на вашу думку, був би клімат на Землі, якби вісь обертання була нахилена до площини екліптики під кутами: 90°, 45°, 0°?

Завдання для спостережень

15. Проведіть спостереження заходу або сходу Сонця в день рівнодення — 23 вересня або 21 березня. Сонце у ці дні сходить у точці сходу та заходить у точці заходу. Намалюйте положення цих точок відносно вашого будинку.

Ключові поняття і терміни:

Високосний рік, доба, екліптика, зодіак, календар, місцевий час, поясний час, тропічний рік.