Равноденствие: когда Солнце над экватором

Введение

Полугодовое астрономическое явление, когда Солнце находится непосредственно над земным экватором – астрономическое явление.

Солнечное равноденствие – это момент времени, когда Солнце пересекает земной экватор, то есть кажется находящимся непосредственно над экватором, а не к северу или югу от него. В день равноденствия Солнце, как кажется, восходит точно на востоке и заходит точно на западе. Это происходит дважды в год, примерно 20 марта и 23 сентября. Более точно, равноденствие традиционно определяется как момент, когда плоскость земного экватора проходит через геометрический центр солнечного диска. Это соответствует положению, когда ось вращения Земли строго перпендикулярна линии, соединяющей Землю и Солнце, и не наклонена ни к Солнцу, ни от него. В настоящее время, поскольку Луна (и в меньшей степени планеты) вызывает небольшие отклонения в орбите Земли от идеальной эллиптической формы, равноденствие официально определяется по более регулярной эклиптической долготе Солнца, а не по его склонению. В настоящее время моменты равноденствий определяются как моменты, когда видимая геоцентрическая долгота Солнца составляет 0° и 180°. Слово происходит от латинского aequinoctium, образованного от aequus (равный) и nox (ночь). В день равноденствия продолжительность дня и ночи примерно одинакова по всей планете. Однако они не совсем равны из-за углового размера Солнца, атмосферной рефракции и быстро меняющейся продолжительности светового дня вблизи равноденствий на большинстве широт. Задолго до осознания этого равенства, примитивные культуры, расположенные вблизи экватора, отмечали день, когда Солнце восходит на востоке и заходит на западе, и это действительно происходит в день, наиболее близкий к астрономически определенному моменту равноденствия. Следовательно, по правильно построенным и ориентированным солнечным часам, продолжительность дня составляет 12 часов. В Северном полушарии мартовское равноденствие называется весенним, а сентябрьское – осенним. В Южном полушарии названия меняются местами. В течение года равноденствия чередуются с солнцестояниями. Даты этих событий незначительно варьируются из-за високосных лет и других факторов. В древнегреческих календарях начало года также могло приходиться либо на осеннее, либо на весеннее равноденствие, а в некоторых случаях – на солнцестояние. Механизм Антикитеры предсказывает равноденствия и солнцестояния. Равноденствия – единственное время, когда солнечный терминатор (граница между ночью и днем) перпендикулярен экватору. В результате северное и южное полушария освещаются одинаково. По той же причине это также момент, когда Солнце восходит для наблюдателя на одном из полюсов вращения Земли и заходит на другом. В течение короткого периода, примерно четыре дня, оба полюса – Северный и Южный – находятся в дневном свете. Например, в 2021 году восход Солнца на Северном полюсе произошел 18 марта в 07:09 UTC, а закат на Южном полюсе – 22 марта в 13:08 UTC. Также в 2021 году восход Солнца на Южном полюсе произошел 20 сентября в 16:08 UTC, а закат на Северном полюсе – 24 сентября в 22:30 UTC. Иными словами, равноденствия – единственное время, когда подсолнечная точка находится на экваторе, то есть Солнце находится точно в зените над точкой на экваториальной линии. Подсолнечная точка пересекает экватор, двигаясь на север в мартовское равноденствие и на юг – в сентябрьское.

A solar equinox is a moment in time when the Sun crosses the Earth's equator, which is to say, appears directly above the equator, rather than north or south of the equator. On the day of the equinox, the Sun appears to rise "due east" and set "due west". This occurs twice each year, around 20 March and 23 September. More precisely, an equinox is traditionally defined as the time when the plane of Earth's equator passes through the geometric center of the Sun's disk. Equivalently, this is the moment when Earth's rotation axis is directly perpendicular to the Sun Earth line, tilting neither toward nor away from the Sun. In modern times, since the Moon (and to a lesser extent the planets) causes Earth's orbit to vary slightly from a perfect ellipse, the equinox is officially defined by the Sun's more regular ecliptic longitude rather than by its declination. The instants of the equinoxes are currently defined to be when the apparent geocentric longitude of the Sun is 0° and 180°. The word is derived from the Latin aequinoctium, from aequus (equal) and nox (night). On the day of an equinox, daytime and nighttime are of approximately equal duration all over the planet. They are not exactly equal, however, because of the angular size of the Sun, atmospheric refraction, and the rapidly changing duration of the length of day that occurs at most latitudes around the equinoxes. Long before conceiving this equality, primitive equatorial cultures noted the day when the Sun rises due east and sets due west, and indeed this happens on the day closest to the astronomically defined event. As a consequence, according to a properly constructed and aligned sundial, the daytime duration is 12 hours. In the Northern Hemisphere, the March equinox is called the vernal or spring equinox while the September equinox is called the autumnal or fall equinox. In the Southern Hemisphere, the reverse is true. During the year, equinoxes alternate with solstices. Leap years and other factors cause the dates of both events to vary slightly. Ancient Greek calendars too had the beginning of the year either at the autumnal or vernal equinox and some at solstices. The Antikythera mechanism predicts the equinoxes and solstices. The equinoxes are the only times when the solar terminator (the "edge" between night and day) is perpendicular to the equator. As a result, the northern and southern hemispheres are equally illuminated. For the same reason, this is also the time when the Sun rises for an observer at one of Earth's rotational poles and sets at the other. For a brief period lasting approximately four days, both North and South Poles are in daylight. For example, in 2021 sunrise on the North Pole is 18 March 07:09 UTC, and sunset on the South Pole is 22 March 13:08 UTC. Also in 2021, sunrise on the South Pole is 20 September 16:08 UTC, and sunset on the North Pole is 24 September 22:30 UTC. In other words, the equinoxes are the only times when the subsolar point is on the equator, meaning that the Sun is exactly overhead at a point on the equatorial line. The subsolar point crosses the equator moving northward at the March equinox and southward at the September equinox.

Дата

Когда Юлий Цезарь установил юлианский календарь в 45 году до н.э., он определил 25 марта как дату весеннего равноденствия; эта дата уже была началом года в персидском и индийском календарях. Поскольку юлианский год в среднем превышает тропический год примерно на 11,3 минуты (или на 1 день каждые 128 лет), календарь "сдвигался" относительно обоих равноденствий – так, что к 300 году н.э. весеннее равноденствие наступало примерно 21 марта, а к 1580-м годам н.э. оно сместилось назад до 11 марта. Этот сдвиг побудил папу Григория XIII учредить современный григорианский календарь. Папа стремился продолжать следовать постановлениям Никейского собора 325 года н.э. относительно даты Пасхи, то есть хотел вернуть весеннему равноденствию дату, на которую оно приходилось в то время (21 марта – дата, закрепленная за ним в пасхальной таблице юлианского календаря), и поддерживать её приблизительно в будущем, что он достиг, сократив количество високосных лет с 100 до 97 каждые 400 лет. Тем не менее, оставалась небольшая остаточная вариация в дате и времени весеннего равноденствия, составляющая примерно ±27 часов от его среднего положения, почти полностью обусловленная тем, что распределение 24-часовых столетних високосных дней вызывает значительные скачки (см. високосное солнцестояние в григорианском календаре).

Современные даты

Даты равноденствий постепенно сдвигаются в течение цикла високосных лет, поскольку григорианский календарный год не соответствует периоду обращения Земли вокруг Солнца. Только после завершения полного 400-летнего цикла григорианских високосных лет времена года начинаются примерно в одно и то же время. В XXI веке самое раннее мартовское равноденствие наступит 19 марта 2096 года, а самое позднее – 21 марта 2003 года. Самое раннее сентябрьское равноденствие наступит 21 сентября 2096 года, а самое позднее – 23 сентября 2003 года (по всемирному координированному времени).

Имена

Весеннее равноденствие и осеннее равноденствие: эти классические названия являются прямыми производными от латинского (ver = весна и autumnus = осень). Это исторически универсальные и до сих пор наиболее широко используемые термины для обозначения равноденствий, но они могут вводить в заблуждение, поскольку в южном полушарии весеннее равноденствие не приходится на весну, а осеннее – на осень. Ещё более неоднозначны эквивалентные английские термины spring equinox и autumn (или fall) equinox. Всё чаще сентябрьское равноденствие в южном полушарии называют весенним. Мартовское и сентябрьское равноденствия: названия, указывающие на месяцы года, в которые они происходят, и не вызывающие путаницы относительно полушария. Однако они не получили всеобщего распространения, так как не все культуры используют солнечный календарь, в котором равноденствия ежегодно приходятся на один и тот же месяц (например, в исламском и еврейском календарях). Хотя эти термины стали широко использоваться в XXI веке, они иногда применялись уже в середине XX века. Равноденствие северного направления и равноденствие южного направления: названия, отражающие видимое направление движения Солнца. Равноденствие северного направления происходит в марте, когда Солнце пересекает экватор с юга на север, а равноденствие южного направления – в сентябре, когда Солнце пересекает экватор с севера на юг. Эти термины можно использовать однозначно и для других планет. Они редко встречаются, хотя были предложены более 100 лет назад. Первая точка Овна и первая точка Весов: названия, связанные с астрологическими знаками, в которые входит Солнце. Однако прецессия равноденствий сместила эти точки в созвездия Рыб и Девы соответственно.

Длина дня и ночи по равноденствию

В день равноденствия центр Солнца проводит примерно одинаковое количество времени над и под горизонтом в каждой точке Земли, поэтому ночь и день примерно равны по продолжительности. Восход и закат солнца можно определить несколькими способами, но широко распространенное определение – это момент, когда верхний край Солнца совпадает с горизонтом. При таком определении день длиннее ночи в дни равноденствия: эти эффекты делают день примерно на 14 минут длиннее ночи на экваторе и еще длиннее по направлению к полюсам. Фактическое равенство дня и ночи наблюдается лишь в местах, достаточно удаленных от экватора, где сезонная разница в длине дня составляет не менее 7 минут, что обычно происходит через несколько дней после зимнего солнцестояния или до него. В результате этого, на широтах ниже ±2,0 градуса, все дни в году длиннее ночей. Время восхода и заката солнца меняется в зависимости от местоположения наблюдателя (долготы и широты), поэтому и даты, когда день и ночь равны, зависят от местоположения. Третий фактор, влияющий на визуальное наблюдение восхода (или заката) солнца, – это угол между видимым горизонтом, как его видит наблюдатель, и истинным (геометрическим) горизонтом. Этот угол называется углом понижения горизонта и варьируется от 3 угловых минут для наблюдателя на морском берегу до 160 угловых минут для альпиниста на Эвересте. Влияние большого угла понижения на высокие объекты (достигающие более 2½° на Эвересте) объясняет, почему снег на вершине горы приобретает золотистый оттенок в солнечных лучах задолго до того, как освещаются нижние склоны. Дата, когда день и ночь имеют абсолютно одинаковую продолжительность, называется эквилюксом; этот неологизм, предположительно возникший в 1980-х годах, получил более широкое признание в XXI веке. При самых точных измерениях истинный эквилюкс встречается редко, поскольку длина дня и ночи меняется быстрее, чем в любое другое время года вблизи равноденствий. В средних широтах продолжительность светового дня увеличивается или уменьшается примерно на три минуты в день в период равноденствия, поэтому соседние дни и ночи отличаются по продолжительности не более чем на одну минуту. Дата наиболее близкого к эквилюксу момента немного варьируется в зависимости от широты; в средних широтах она наступает за несколько дней до весеннего равноденствия и после осеннего равноденствия в соответствующем полушарии.

On the date of the equinox, the center of the Sun spends a roughly equal amount of time above and below the horizon at every location on the Earth, so night and day are about the same length. Sunrise and sunset can be defined in several ways, but a widespread definition is the time that the top limb of the Sun is level with the horizon. With this definition, the day is longer than the night at the equinoxes:

These effects make the day about 14 minutes longer than the night at the equator and longer still towards the poles. The real equality of day and night only happens in places far enough from the equator to have a seasonal difference in day length of at least 7 minutes, actually occurring a few days towards the winter side of each equinox. One result of this is that, at latitudes below ±2.0 degrees, all the days of the year are longer than the nights. The times of sunset and sunrise vary with the observer's location (longitude and latitude), so the dates when day and night are equal also depend upon the observer's location. A third correction for the visual observation of a sunrise (or sunset) is the angle between the apparent horizon as seen by an observer and the geometric (or sensible) horizon. This is known as the dip of the horizon and varies from 3 arcminutes for a viewer standing on the sea shore to 160 arcminutes for a mountaineer on Everest. The effect of a larger dip on taller objects (reaching over 2½° of arc on Everest) accounts for the phenomenon of snow on a mountain peak turning gold in the sunlight long before the lower slopes are illuminated. The date on which the day and night are exactly the same is known as an equilux; the neologism, believed to have been coined in the 1980s, achieved more widespread recognition in the 21st century. At the most precise measurements, a true equilux is rare, because the lengths of day and night change more rapidly than any other time of the year around the equinoxes. In the mid latitudes, daylight increases or decreases by about three minutes per day at the equinoxes, and thus adjacent days and nights only reach within one minute of each other. The date of the closest approximation of the equilux varies slightly by latitude; in the mid latitudes, it occurs a few days before the spring equinox and after the fall equinox in each respective hemisphere.

Геоцентрический вид астрономических сезонов

В течение полугода, центрированного вокруг июньского солнцестояния, Солнце восходит к северу от востока и заходит к северу от запада, что означает более длинные дни с более короткими ночами для Северного полушария и более короткие дни с более длинными ночами для Южного полушария. В течение полугода, центрированного вокруг декабрьского солнцестояния, Солнце восходит к югу от востока и заходит к югу от запада, а продолжительность дня и ночи меняется на противоположную. Также в день равноденствия Солнце восходит повсюду на Земле (за исключением полюсов) примерно в 06:00 и заходит примерно в 18:00 (по местному солнечному времени). Эти значения не являются точными по нескольким причинам: большинство мест на Земле используют часовые пояса, которые отличаются от местного солнечного времени на минуты или даже часы. Например, если местоположение использует часовой пояс с опорным меридианом 15° к востоку, Солнце будет восходить около 07:00 в день равноденствия и заходить через 12 часов, около 19:00. Продолжительность дня также подвержена влиянию переменной орбитальной скорости Земли вокруг Солнца. Этот совокупный эффект описывается уравнением времени. Таким образом, даже в местах, расположенных на опорном меридиане своего часового пояса, восход и закат солнца не будут происходить в 6:00 и 18:00. В мартовское равноденствие они наступают на 7–8 минут позже, а в сентябрьское – на 7–8 минут раньше. Обычно восход и закат определяются по верхнему краю солнечного диска, а не по его центру. Верхний край появляется как минимум на минуту раньше, чем центр, и, соответственно, заходит позже, чем центр солнечного диска. Кроме того, когда Солнце находится близко к горизонту, атмосферная рефракция смещает его видимое положение над истинным более чем на собственный диаметр. Это делает восход солнца более чем на две минуты раньше, а закат – на такое же количество позже. Эти два эффекта вместе приводят к тому, что день равноденствия длится 12 часов 7 минут, а ночь – всего 11 часов 53 минуты. Однако следует отметить, что эти цифры верны только для тропических широт. Для умеренных широт расхождение увеличивается (например, 12 минут в Лондоне); а ближе к полюсам оно становится значительно больше (по времени). На расстоянии около 100 км от любого из полюсов Солнце находится над горизонтом в течение всех 24 часов в день равноденствия. Высота горизонта влияет на продолжительность дня. Наблюдателю на вершине горы день кажется длиннее, а находящемуся в долине – короче. Диаметр Солнца больше диаметра Земли, поэтому в любой момент времени более половины Земли освещено солнцем (поскольку непараллельные лучи создают точки касания за пределами линии равного дня и ночи).

In the half year centered on the June solstice, the Sun rises north of east and sets north of west, which means longer days with shorter nights for the northern hemisphere and shorter days with longer nights for the southern hemisphere. In the half year centered on the December solstice, the Sun rises south of east and sets south of west and the durations of day and night are reversed. Also on the day of an equinox, the Sun rises everywhere on Earth (except at the poles) at about 06:00 and sets at about 18:00 (local solar time). These times are not exact for several reasons:
Most places on Earth use a time zone which differs from the local solar time by minutes or even hours. For example, if a location uses a time zone with reference meridian 15° to the east, the Sun will rise around 07:00 on the equinox and set 12 hours later around 19:00 Day length is also affected by the variable orbital speed of the Earth around the Sun. This combined effect is described as the equation of time. Thus even locations which lie on their time zone's reference meridian will not see sunrise and sunset at 6:00 and 18:00 At the March equinox they are 7–8 minutes later, and at the September equinox they are about 7–8 minutes earlier. Sunrise and sunset are commonly defined for the upper limb of the solar disk, rather than its center. The upper limb is already up for at least a minute before the center appears, and the upper limb likewise sets later than the center of the solar disk. Also, when the Sun is near the horizon, atmospheric refraction shifts its apparent position above its true position by a little more than its own diameter. This makes sunrise more than two minutes earlier and sunset an equal amount later. These two effects combine to make the equinox day 12 7 long and the night only 11 53. Note, however, that these numbers are only true for the tropics. For moderate latitudes, the discrepancy increases (e. g., 12 minutes in London); and closer to the poles it becomes very much larger (in terms of time). Up to about 100 km from either pole, the Sun is up for a full 24 hours on an equinox day. Height of the horizon changes the day's length. For an observer atop a mountain the day is longer, while standing in a valley will shorten the day. The Sun is larger in diameter than the Earth, so more than half of the Earth is in sunlight at any one time (because non parallel rays create tangent points beyond an equal day night line).

Полярные сияния

Во время равноденствий наблюдались зеркально-симметричные сопряжённые полярные сияния.

Культурные аспекты

Равноденствия иногда рассматриваются как начало весны и осени. В день равноденствия отмечают множество традиционных праздников урожая. Жители таких стран, как Иран, Афганистан и Таджикистан, празднуют Новруз, который приходится на весеннее равноденствие в северном полушарии. В этот день наступает новый год по календарю солнечной хиджры. Равноденствие часто определяет особенности религиозной архитектуры; примером является явление Ангкор-Ват, когда солнце восходит в идеальном соответствии над храмом Ангкор-Ват в Камбодже. Католические церкви, следуя рекомендациям Карла Борромео, часто выбирали равноденствие в качестве ориентира при строительстве.

Влияние на спутники

Одним из последствий периодов равноденствия является временное нарушение работы спутников связи. Для всех геостационарных спутников существует несколько дней вокруг равноденствия, когда Солнце оказывается непосредственно за спутником относительно Земли (то есть в пределах ширины диаграммы направленности антенны наземной станции) в течение короткого времени каждый день. Огромная мощность Солнца и широкий спектр излучения создают помехи в приемных цепях земной станции, перегружая их шумом и, в зависимости от размера антенны и других факторов, временно прерывая или ухудшая качество сигнала. Продолжительность этих явлений варьируется, но может составлять от нескольких минут до часа. (Для заданного частотного диапазона антенна большего размера имеет более узкую диаграмму направленности и, следовательно, подвержена более коротким периодам "солнечных помех"). Спутники на геостационарной орбите также испытывают трудности с поддержанием энергоснабжения во время равноденствия, поскольку им приходится проходить через тень Земли и полагаться исключительно на питание от аккумуляторов. Обычно спутник движется либо к северу, либо к югу от земной тени, так как ось Земли не перпендикулярна линии, соединяющей Землю и Солнце, в остальное время года. Однако во время равноденствия, поскольку геостационарные спутники расположены над экватором, они находятся в тени Земли в течение самого продолжительного периода в течение всего года.

Равноденствия на других планетах

Равноденствия определяются на любой планете с наклонной осью вращения. Ярким примером является Сатурн, где во время равноденствия его кольцевая система оказывается ребром, обращенным к Солнцу. В результате, с Земли кольца видны лишь как тонкая линия. Когда же на них смотрят сверху – такой вид впервые был зафиксирован космическим аппаратом "Кассини" во время равноденствия в 2009 году – они получают очень мало солнечного света, и даже больше света, отраженного планетой, чем прямого солнечного света. Это явление происходит в среднем раз в 14,7 лет и может продолжаться несколько недель до и после точного момента равноденствия. Последнее равноденствие на Сатурне произошло 11 августа 2009 года, а следующее ожидается 6 мая 2025 года. Последние равноденствия на Марсе были 12 января 2024 года (в северном полушарии – осень) и 26 декабря 2022 года (в северном полушарии – весна).