Книга: Ориентировка по звездам

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ

 Для астрономической ориентировки на местности, в плавании или в полете большое значение имеет знание точного времени. Вследствие того что все небесные светила перемещаются с течением времени, ориентировка по ним относится к какому-то определенному моменту времени.

Чтобы не заблудиться, мало иметь компас, нужно еще знать свое место — широту и долготу. Но если широту достаточно просто узнать по Солнцу и времени, найти долготу сложнее. Самый простой способ, которым моряки пользуются и до сих пор, —определять долготу по часам.

В разных местах земного шара не одно и то же время. Когда на Камчатке полдень, в Москве только два часа ночи. На каждом меридиане свое, местное время, и на расстоянии 15° долготы разница во времени составляет ровно 1 ч. Следовательно, определив разницу местных времен, можно вычислить долготу — расстояние в градусах от начального меридиана, по времени которого идут часы на корабле. Нужно только хранить время начального меридиана. Это делают часы-хронометры. С этой же целью передаются несколько раз в сутки сигналы точного времени непосредственно из астрономических обсерваторий.

Точное местное время определяется путем наблюдения при помощи специального прибора (пассажный инструмент) звезд или Солнца.

Сутки были первой природной мерой времени, открытой человеком.

Звездные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми кульминациями точки весеннего равноденствия. За начало суток принимается момент верхней кульминации этой точки. Но точка весеннего равноденствия — воображаемая точка, поэтому практически для определения звездного времени измеряют часовой угол какой-либо звезды.

В любой момент времени звездное время равно сумме часового угла звезды и ее прямого восхождения. Зная прямое восхождение звезды и измерив ее часовой угол, можно в любой момент определить звездное время.

В момент верхней кульминации звезды ее часовой угол равен нулю. Следовательно, в момент верхней кульминации звездное время равно прямому восхождению звезды.

Истинные солнечные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра Солнца. Началом истинных солнечных суток считается полдень, когда Солнце находится в самой высокой точке над горизонтом.

Звездное время в быту неудобно тем, что звездные сутки короче солнечных на 3 мин 56 сек, поэтому начало звездных суток приходится на различное время дня и ночи.

Истинное солнечное время также неудобно, так как истинные сутки непостоянны: то длиннее, то короче. Продолжительность самых длинных декабрьских суток на 51 сек больше продолжительности самых коротких сентябрьских суток. Соответственно укорачиваются или удлиняются часы, минуты и секунды. Причинами непостоянства истинных суток являются неравномерность движения Солнца по эклиптике и наклон эклиптики к небесному экватору.

Вследствие суточного вращения Земли вокруг своей оси в одно и то же время на одной стороне экватора бывает день, а на противоположной стороне — ночь; вследствие годового движения Земли вокруг Солнца в одно и то же время в одном полушарии бывает лето, в другом — зима.

Земная ось все время наклонена к плоскости орбиты Земли на 66°33' и перемещается в пространстве параллельно самой себе. Поэтому Северное и Южное полушария попеременно бывают обращены в сторону Солнца, что и определяет смену времен года, которая зависит от высоты и продолжительности пребывания Солнца над горизонтом (рис. 23). Например, Северное полушарие в июне наклонено к Солнцу, а в декабре — в обратную сторону, в результате этого в Северном полушарии в июне бывает теплее, чем в декабре. В Южном полушарии наоборот: в декабре теплее, чем в июне.

Рис. 23. Положение Земли относительно Солнца в различное время года

Рис. 24. Положение Солнца над горизонтом в средних широтах в различное время года

Наблюдатель не замечает ни суточного, ни годового вращения Земли. Ежедневно он видит восход и заход Солнца, изменение его высоты в течение года. Летом Солнце проходит над горизонтом выше, зимой ниже. Меняются и точки восхода и захода Солнца на горизонте: 21 марта и 23 сентября оно восходит точно на востоке и заходит точно на западе; между этими датами точки восхода и захода смещаются к югу зимой и к северу летом (рис. 24). Поэтому светлого времени — от рассвета до наступления темноты — летом бывает значительно больше, чем зимой.

Обычно моментами наступления рассвета «и темноты принято считать моменты, когда высота Солнца, точнее — его центра, равна —7° (при наступлении рассвета Солнце еще не поднялось из-за горизонта, а при наступлении темноты опустилось за горизонт). Это весьма условно, так как при одном и том же положении Солнца за горизонтом может быть светлее или темнее в зависимости от метеорологических условий; например, при облачной погоде светлого времени до восхода и после захода Солнца будет меньше.

Промежутки времени между рассветом и восходом Солнца, между заходом Солнца и наступлением темноты называются сумерками (при восходе и заходе с учетом рефракции и углового радиуса Солнца высота Солнца равна —51’). Продолжительность сумерек зависит от времени года и широты места.

Если высота Солнца в полночь не будет ниже —7°, то темнота совсем не наступает; сумерки будут продолжаться всю ночь. Такие ночи называют «белыми». Во время «белых ночей» утренние сумерки наступают раньше, чем кончаются вечерние сумерки предыдущих суток, как говорят, «заря с зарей встречается».

Высота Солнца в полночь, т. е. в момент его нижней кульминации, определяется по формуле

h  = ? + ? — 90°.

Подставив в эту формулу наибольшее значение склонения Солнца ? = +23°,5 и минимальную высоту Солнца для сумерек h = —7°, легко определить, что «белые ночи» могут быть на широте ? = 59°,5 и больше. На территории СССР «белые ночи» наблюдаются примерно начиная от широты Ленинграда (? = 60°) и до Северного полюса. Это чудесное явление природы полно поэзии, неповторимой прелести.

Строго говоря, астрономическими сумерками считаются периоды, когда Солнце находится за горизонтом до 17°,5. Следовательно, южная граница «белых ночей» проходит на широте Полтавы (? = 49°). Но на этих широтах «белые ночи» очень слабо выражены и их, как правило, не замечают.

Перемещаясь вместе с Землей, наблюдатель проектирует Солнце на небесную сферу в плоскости орбиты Земли. В результате Солнце как бы перемещается среди звезд по кругу, по которому плоскость земной орбиты пересекается с небесной сферой. Этот большой круг, по которому происходит видимое годовое, движение Солнца среди звезд, называется эклиптикой. По эклиптике Солнце перемещается в направлении, обратном направлению вращения небесной сферы. При движении по эклиптике за полный оборот Солнце проходит последовательно двенадцать созвездий, образующих пояс Зодиака: Козерог (в январе), Водолей (в феврале), Рыбы (в марте), Овен (в апреле), Телец (в мае), Близнецы (в июне), Рак (в июле), Лев (в августе), Дева (в сентябре), Весы (в октябре), Скорпион (в ноябре) и Стрелец (в декабре).

Рис. 25. Положение эклиптики относительно небесного экватора

Вследствие наклона оси вращения Земли к плоскости ее орбиты плоскость земного экватора составляет с плоскостью годового движения Земли угол 23°27'; поэтому и плоскость небесного экватора с плоскостью эклиптики образует угол 23° 27’ (рис. 25).

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называются точками весеннего ? и осеннего ? равноденствия. В них Солнце бывает 21 марта и 23 сентября. Когда центр Солнца находится в этих точках, его склонение равно нулю и Солнце движется вдоль небесного экватора. В это время на Земле день равен ночи, граница света и тени проходит через географические полюсы.

22 июня Солнце находится в точке летнего солнцестояния[1], отстоящей от точки весеннего равноденствия на 90°. В этот день оно проходит в наивысшей точке над экватором и его склонение равно 23° 27'. В Северном полушарии в эти сутки бывает самый длинный день и самая короткая ночь. 22 декабря Солнце находится в точке зимнего солнцестояния; оно проходит в южной части небесной сферы и его склонение равно —23° 27'. В эти сутки в Северном полушарии бывает самая длинная ночь и самый короткий день.

Итак, Солнце, пройдя 21 марта точку весеннего равноденствия и двигаясь в направлении, обратном направлению вращения небесной сферы, поднимается в северную полусферу и 22 июня достигает наибольшего склонения в точке летнего солнцестояния. После этого оно постепенно снижается, 23 сентября проходит точку осеннего равноденствия и 22 декабря точку зимнего солнцестояния, в которой его склонение бывает наименьшим. Затем Солнце снова поднимается к точке весеннего равноденствия и т. д.

 Таким образом, в течение года склонение и прямое восхождение Солнца непрерывно изменяются и при прохождении основных точек эклиптики принимают значения, указанные в табл. 2.   

Таблица 2

Изменение прямого восхождения Солнца можно обнаружить, если регулярно наблюдать звездное небо в одно и то же время суток, например перед восходом Солнца. Созвездие, которое в какой-то день перед восходом Солнца находится на востоке, через несколько дней также перед восходом Солнца будет видно на юго-востоке, затем на юге, юго-западе и западе. Это свидетельствует о том, что Солнце перемещается относительно звезд, непрерывно изменяя свое прямое восхождение. Еще проще обнаружить изменение склонения Солнца, измеряя через несколько дней высоту Солнца в полдень и рассчитывая склонение по формуле

? = h — (90° — ?).

Таким образом, можно убедиться, что склонение Солнца в течение года изменяется в пределах от +23°27’ до —23°27’ и от —23°27' до +23°27’.

Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом. Он равен 365,242 средних суток. Промежуток времени; за который Земля делает один полный оборот вокруг Солнца, называется звездным годом. Этот промежуток равен 365,256 средних суток. Разница на 0,014 суток между звездным и тропическим годом образуется за счет прецессии точки весеннего равноденствия, т. е. изменения ее положения в пространстве по причине некоторого, очень медленного изменения направления земной оси.

На земном экваторе Солнце движется от восхода до захода почти перпендикулярно к плоскости истинного горизонта, отклоняясь от зенита, который оно проходит в дни равноденствий, на расстояние 23°27’ в дни солнцестояний. Поэтому на экваторе круглый год день почти равен ночи.

Для широт, которые больше широты Северного или Южного полярного круга, Солнце часть года бывает незаходящим и часть года невосходящим светилом.

На Северном полюсе восход Солнца происходит медленно, в течение нескольких суток; только с 21 марта центр Солнца поднимается над горизонтом и медленно движется не параллельно горизонту, а все время по спирали вверх.

22 июня Солнце достигает наибольшей высоты h = 23°27’. После этого оно так же медленно опускается, 23 сентября скрывается за горизонтом и больше не показывается до 21 марта следующего года. Таким образом, на полюсе бывает каждый год только один восход и один заход Солнца. День продолжается 189 суток, а ночь—176 суток.

День на полюсе больше ночи потому, что Солнце по эклиптике движется неравномерно. В результате этого время его пребывания в Северном полушарии примерно на 7 суток больше, чем в Южном. Кроме того, необходимо учесть, что светлое время фактически начинается не с момента истинного восхода Солнца, когда над горизонтом появляется центр его диска, а с момента водимого восхода, когда над горизонтом появляется только верхний край Солнца. Кроме того, благодаря атмосферной рефракции света солнечные лучи уже начинают освещать земную поверхность, хотя Солнце находится еще несколько ниже линии горизонта.

В южных широтах и на Южном полюсе наблюдаются те же явления, что и в северных широтах- и на Северном полюсе, но даты начала времен года меняются. На Южном полюсе полярный день продолжается примерно с 23 сентября по 21 марта (182 суток), (а ночь — с 21 марта по 23 сентября (183 суток).

Изменение продолжительности истинных солнечных суток заставило искать другую постоянную единицу измерения солнечного времени. С этой целью было введено понятие среднего солнца и среднего солнечного времени. Средним солнцем условились считать воображаемую точку на небесном экваторе, которая как бы осредняет движение истинного Солнца. Промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями среднего солнца называют средними солнечными сутками. Их продолжительность постоянна. Среднее солнечное время измеряется западным часовым углом среднего солнца, который равен нулю в момент его верхней кульминации.

В обыденной жизни неудобно начинать сутки с полдня, поэтому условились началом суток считать момент нижней кульминации среднего солнца и называть это время гражданским, отличающимся от среднего солнечного времени на 12 часов.

Часовые углы, которыми измеряется звездное и солнечное время, отсчитываются от небесного меридиана, на котором находится наблюдатель. Поэтому каждый меридиан на земной поверхности имеет свое, местное время, а это очень неудобно, особенно при передвижении из одного пункта в другой, при составлении расписания поездов, пассажирских самолетов и т. д. Местное время в каждом городе отличается одно от другого не только по часам, но также и по минутам и секундам.

Поэтому и было введено так называемое поясное время. Весь земной шар по числу часов в сутках разделили на 24 пояса меридианами, отстоящими друг от друга на 15°, т. е. с разницей времени ровно на один час. В каждом часовом поясе установлено единое поясное время, разное местному времени среднего меридиана данного пояса. Фактически границы между часовыми поясами проходят не строго по меридианам, а по государственным и административным границам, близким к меридианам, разделяющим часовые пояса.

Начальным поясом условились считать тот, посредине которого проходит нулевой (гринвичский) меридиан.

В нашей стране в 1930 г. декретом Правительства время переведено на один час вперед. Это сдвинутое на один час вперед поясное время называется декретным.

При ориентировке по звездам или другим небесным светилам пользуются хорошо выверенными часами, идущими, как правило, по декретному времени. Снятое с них время с учетом поправки за отставание или уход вперед и используется для расчетов навигационных элементов, определяющих координаты, местонахождения.