Определение времени по положению Солнца

Введение

Расчет прошедшего времени по видимому положению Солнца

Солнечное время – это определение времени, основанное на положении Солнца на небе. Основной единицей солнечного времени является день, определяемый периодом синодического вращения Земли. Традиционно выделяют три типа определения времени, основанные на астрономических наблюдениях: видимое солнечное время, среднее солнечное время (обсуждаемое в данной статье) и звездное время, которое основывается на видимом движении звезд, не связанных с Солнцем.

Введение

Высокий столб, закрепленный вертикально в земле, отбрасывает тень в любой солнечный день. В какой-то момент дня тень будет указывать точно на север или юг (или исчезнет, когда и если Солнце окажется прямо над головой). Этот момент называется местным истинным полуднем, или 12:00 по местному истинному времени. Примерно через 24 часа тень снова укажет на север-юг, как будто Солнце совершило полный оборот на 360 градусов вокруг оси Земли. Когда Солнце пройдет ровно 15 градусов (1/24 окружности, оба угла измеряются в плоскости, перпендикулярной оси Земли), местное истинное время будет ровно 13:00; еще через 15 градусов – ровно 14:00. Проблема в том, что в сентябре Солнцу требуется меньше времени (по показаниям точных часов) для видимого оборота, чем в декабре; 24 "часа" солнечного времени могут быть на 21 секунду меньше или на 29 секунд больше, чем 24 часа времени, определяемого часами. Это изменение количественно описывается уравнением времени и обусловлено эксцентриситетом орбиты Земли (то есть, орбита Земли не является идеально круглой, что приводит к изменению расстояния между Землей и Солнцем в течение года), а также тем, что ось Земли не перпендикулярна плоскости ее орбиты (так называемая наклонность эклиптики). В результате часы, идущие с постоянной скоростью, например, совершающие одинаковое количество колебаний маятника каждый час, не могут следовать за истинным Солнцем; вместо этого они следуют за воображаемым "средним Солнцем", которое движется вдоль небесного экватора с постоянной скоростью, соответствующей средней скорости реального Солнца в течение года. Это "среднее солнечное время", которое все еще не является идеально постоянным из столетия в столетие, но достаточно близко для большинства практических целей. По состоянию на 2008 год средние солнечные сутки составляли около 86 400,002 секунд СИ, то есть примерно 24,0000006 часа.

Видимое солнечное время

Видимое Солнце – это истинное Солнце, каким оно видится наблюдателю на Земле. Видимое солнечное время, или истинное солнечное время, основано на видимом движении Солнца. Оно основывается на видимом солнечном дне – интервале между двумя последовательными возвращениями Солнца к местному меридиану. Видимое солнечное время можно приблизительно измерить с помощью солнечных часов. Продолжительность солнечного дня меняется в течение года, и накопленный эффект приводит к сезонным отклонениям до 16 минут от среднего значения. Этот эффект имеет две основные причины. Во-первых, из-за эксцентричности орбиты Земли, Земля движется быстрее, когда находится ближе всего к Солнцу (перигелий), и медленнее, когда находится дальше всего от Солнца (афелий) (см. законы Кеплера о движении планет). Во-вторых, из-за наклона оси Земли (известного как наклон эклиптики), годовое движение Солнца происходит по большому кругу (эклиптике), который наклонен к небесному экватору Земли. Когда Солнце пересекает экватор в оба равноденствия, его суточное смещение (относительно фоновых звезд) находится под углом к экватору, поэтому проекция этого смещения на экватор меньше среднего значения за год; когда Солнце находится дальше всего от экватора в оба солнцестояния, смещение Солнца в положении с одного дня на следующий параллельно экватору, поэтому проекция этого смещения на экватор больше среднего значения за год (см. тропический год). В июне и декабре, когда Солнце находится дальше всего от небесного экватора, заданное смещение вдоль эклиптики соответствует большому смещению на экваторе. Поэтому видимые солнечные дни в марте и сентябре короче, чем в июне или декабре. + Продолжительность видимого солнечного дня (1998) ДатаДлительность в среднем солнечном времени 11 февраля 24 часа 26 марта 24 часа − 18,1 секунды 14 мая 24 часа 19 июня 24 часа + 13,1 секунды 25/26 июля 24 часа 16 сентября 24 часа − 21,3 секунды 2/3 ноября 24 часа 22 декабря 24 часа + 29,9 секунды Эти значения будут незначительно меняться в течение нескольких лет и значительно – в течение тысяч лет.

The apparent sun is the true sun as seen by an observer on Earth. Apparent solar time or true solar time is based on the apparent motion of the actual Sun. It is based on the apparent solar day, the interval between two successive returns of the Sun to the local meridian. Apparent solar time can be crudely measured by a sundial. The length of a solar day varies through the year, and the accumulated effect produces seasonal deviations of up to 16 minutes from the mean. The effect has two main causes. First, due to the eccentricity of Earth's orbit, Earth moves faster when it is nearest the Sun (perihelion) and slower when it is farthest from the Sun (aphelion) (see Kepler's laws of planetary motion). Second, due to Earth's axial tilt (known as the obliquity of the ecliptic), the Sun's annual motion is along a great circle (the ecliptic) that is tilted to Earth's celestial equator. When the Sun crosses the equator at both equinoxes, the Sun's daily shift (relative to the background stars) is at an angle to the equator, so the projection of this shift onto the equator is less than its average for the year; when the Sun is farthest from the equator at both solstices, the Sun's shift in position from one day to the next is parallel to the equator, so the projection onto the equator of this shift is larger than the average for the year (see tropical year). In June and December when the sun is farthest from the celestial equator, a given shift along the ecliptic corresponds to a large shift at the equator. Therefore, apparent solar days are shorter in March and September than in June or December. + Length of apparent solar day (1998)DateDuration in mean solar time February 11 24 hours March 26 24 hours − 18.1 seconds May 14 24 hours June 19 24 hours + 13.1 seconds July 25/26 24 hours September 16 24 hours − 21.3 seconds November 2/3 24 hours December 22 24 hours + 29.9 seconds

These lengths will change slightly in a few years and significantly in thousands of years.

Среднее солнечное время

Среднее солнечное время — это часовой угол среднего Солнца плюс 12 часов. Это 12-часовое смещение обусловлено решением начинать каждый день в полночь для гражданских целей, в то время как часовой угол среднего Солнца отсчитывается от местного меридиана. По состоянию на 2009 год это реализуется с помощью шкалы времени UT1, математически построенной на основе наблюдений за суточными движениями радиоисточников, расположенных в других галактиках, с использованием сверхдлинной базовой интерферометрии, а также других наблюдений. Продолжительность светового дня меняется в течение года, но длина среднего солнечного дня почти постоянна, в отличие от длины истинного солнечного дня. Истинный солнечный день может быть на 20 секунд короче или на 30 секунд длиннее среднего солнечного дня. Длинные или короткие дни следуют друг за другом, поэтому разница накапливается, пока среднее время не опережает истинное время примерно на 14 минут около 6 февраля и отстает от истинного времени примерно на 16 минут около 3 ноября. Уравнение времени — это эта разница, которая является циклической и не накапливается из года в год. Среднее время следует за средним Солнцем. Жан Миюс описывает среднее Солнце следующим образом:

Представьте себе первое фиктивное Солнце, движущееся вдоль эклиптики с постоянной скоростью и совпадающее с истинным Солнцем в перигее и апогее (когда Земля находится соответственно в перигелии и афелии). Затем представьте себе второе фиктивное Солнце, движущееся вдоль небесного экватора с постоянной скоростью и совпадающее с первым фиктивным Солнцем в равноденствиях. Это второе фиктивное Солнце и есть среднее Солнце. Длина среднего солнечного дня медленно увеличивается из-за приливного ускорения Луны Землей и, как следствие, замедления вращения Земли Луной.

История

Солнце всегда было видно на небе, и его положение служит основой для определения видимого солнечного времени – метода измерения времени, использовавшегося в древности. Египетский обелиск, построенный около 3500 г. до н.э., гномон в Китае, датированный 2300 г. до н.э., и египетские солнечные часы, датированные 1500 г. до н.э., – одни из самых ранних способов измерения положения солнца. Вавилонские астрономы знали, что продолжительность светового дня меняется в течение года. На табличке 649 г. до н.э. показано, что они использовали соотношение 2:1 для самого длинного дня к самому короткому и оценивали эту вариацию с помощью линейной зигзагообразной функции. Неизвестно, понимали ли они изменение длины солнечного дня и соответствующее уравнение времени. Птолемей чётко различает средний и видимый солнечный день в своём «Альмагесте» (II век) и составил таблицу уравнения времени в своих «Полезных таблицах». Видимое солнечное время становилось менее полезным с ростом торговли и усовершенствованием механических часов. Среднее солнечное время было введено в альманахах в Англии в 1834 году и во Франции в 1835 году. Поскольку из-за большого размера солнца на небе его было трудно наблюдать непосредственно, среднее солнечное время определялось как фиксированное соотношение времени, определяемого по звёздам, которые используют точечные наблюдения. Определённый стандарт измерения «среднего солнечного времени» с полуночи получил название всемирного времени.