Солнцестояние: астрономическое явление смены сезонов

Введение

Дважды в год происходящее астрономическое явление, когда Солнце максимально удаляется от небесного экватора.

Солнцестояние – это момент времени, когда Солнце достигает своей самой северной или южной точки относительно небесного экватора на небесной сфере. Два солнцестояния происходят ежегодно, примерно 20–22 июня и 20–22 декабря. Во многих странах времена года определяются солнцестояниями и равноденствиями. Термин «солнцестояние» также может использоваться в более широком смысле, обозначая сам день, когда это явление происходит. В день солнцестояния в любом полушарии наблюдается либо самый длинный день в году (летнее солнцестояние), либо самый короткий день в году (зимнее солнцестояние) для любой точки, кроме экватора. Для однозначного указания полушария используются термины «июньское солнцестояние» и «декабрьское солнцестояние», относящиеся к месяцам, в которые они происходят каждый год. Слово «солнцестояние» происходит от латинских слов sol («солнце») и sistere («остановиться»), поскольку в дни солнцестояния склонение Солнца, кажется, «останавливается»; то есть, сезонное изменение ежедневного пути Солнца (наблюдаемое с Земли) приостанавливается в северной или южной точке, прежде чем изменить направление.

Определения и рамки отсчета

Для наблюдателя на Северном полюсе Солнце достигает наивысшей точки на небе один раз в год в июне. День, когда это происходит, называется днем летнего солнцестояния. Аналогично, для наблюдателя на Южном полюсе Солнце достигает наивысшей точки в день зимнего солнцестояния. Когда в одном полушарии летнее солнцестояние, в другом – зимнее. Движение Солнца с запада на восток никогда не прекращается, поскольку Земля постоянно вращается. Однако движение Солнца по деклинации (то есть по вертикали) останавливается, прежде чем изменить направление, в момент солнцестояния. В этом смысле слово «солнцестояние» означает «стоящее солнце». Это современное научное слово происходит от латинского научного термина, использовавшегося в конце Римской республики в I веке до нашей эры: *solstitium*. Плиний использует его несколько раз в своей «Естественной истории» с примерно тем же значением, что и сегодня. Оно состоит из двух латинских морфем: *sol* – «солнце» и *stitium* – «остановка». Римляне использовали слово «стоящий» для обозначения компонента относительной скорости Солнца, наблюдаемой на небе. Относительная скорость – это движение объекта с точки зрения наблюдателя в определенной системе отсчета. С фиксированной точки на Земле кажется, что Солнце вращается вокруг Земли. Для наблюдателя в инерциальной системе отсчета планета Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце. Ось Земли наклонена относительно плоскости её орбиты, и эта ось сохраняет положение, практически неизменное относительно звездного неба. Поэтому наблюдатель на Земле видит траекторию Солнца, которая является результатом как вращения Земли, так и её обращения вокруг Солнца. Компонент движения Солнца, наблюдаемый с Земли и вызванный вращением наклоненной оси – которая, сохраняя постоянный угол в пространстве, ориентирована к Солнцу или от него – проявляется в виде наблюдаемого ежедневного увеличения (и бокового смещения) высоты Солнца в полдень в течение примерно шести месяцев и ежедневного уменьшения в течение остальных шести месяцев. В момент максимальной или минимальной высоты относительное годовое движение Солнца, перпендикулярное горизонту, останавливается и меняет направление. За пределами тропиков максимальная высота достигается в летнее солнцестояние, а минимальная – в зимнее солнцестояние. Траектория Солнца, или эклиптика, перемещается с севера на юг между северным и южным полушариями. Дни длиннее вокруг летнего солнцестояния и короче вокруг зимнего солнцестояния. Когда траектория Солнца пересекает экватор, продолжительность дня и ночи на широтах +L° и −L° становится одинаковой. Это явление называется равноденствием. В тропическом году происходит два солнцестояния и два равноденствия.

For an observer at the North Pole, the Sun reaches the highest position in the sky once a year in June. The day this occurs is called the June solstice day. Similarly, for an observer on the South Pole, the Sun reaches the highest position on the December solstice day. When it is the summer solstice at one Pole, it is the winter solstice on the other. The Sun's westerly motion never ceases as Earth is continually in rotation. However, the Sun's motion in declination (i. e. vertically) comes to a stop, before reversing, at the moment of solstice. In that sense, solstice means "sun standing". This modern scientific word descends from a Latin scientific word in use in the late Roman Republic of the 1st century BC: solstitium. Pliny uses it a number of times in his Natural History with a similar meaning that it has today. It contains two Latin language morphemes, sol, "sun", and stitium, "stoppage". The Romans used "standing" to refer to a component of the relative velocity of the Sun as it is observed in the sky. Relative velocity is the motion of an object from the point of view of an observer in a frame of reference. From a fixed position on the ground, the Sun appears to orbit around Earth. To an observer in an inertial frame of reference, planet Earth is seen to rotate about an axis and orbit around the Sun in an elliptical path with the Sun at one focus. Earth's axis is tilted with respect to the plane of Earth's orbit and this axis maintains a position that changes little with respect to the background of stars. An observer on Earth therefore sees a solar path that is the result of both rotation and revolution. The component of the Sun's motion seen by an earthbound observer caused by the revolution of the tilted axis – which, keeping the same angle in space, is oriented toward or away from the Sun – is an observed daily increment (and lateral offset) of the elevation of the Sun at noon for approximately six months and observed daily decrement for the remaining six months. At maximum or minimum elevation, the relative yearly motion of the Sun perpendicular to the horizon stops and reverses direction. Outside of the tropics, the maximum elevation occurs at the summer solstice and the minimum at the winter solstice. The path of the Sun, or ecliptic, sweeps north and south between the northern and southern hemispheres. The days are longer around the summer solstice and shorter around the winter solstice. When the Sun's path crosses the equator, the length of the nights at latitudes +L° and −L° are of equal length. This is known as an equinox. There are two solstices and two equinoxes in a tropical year.

Отношение к сезонам

Сезоны происходят из-за того, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости её орбиты (плоскости эклиптики), а в настоящее время образует угол около 23,44° (называемый наклоном эклиптики), и из-за того, что ось сохраняет свою ориентацию относительно инерциальной системы отсчета. В результате, на протяжении половины года Северное полушарие наклонено к Солнцу, а на протяжении другой половины года – Южное полушарие. Два момента, когда наклон оси вращения Земли оказывает наибольшее влияние, – это солнцестояния. В июньское солнцестояние субсолнечная точка находится дальше всего на север: на широте 23,44° северной широты, известной как Тропик Рака. Аналогично, в декабрьское солнцестояние субсолнечная точка находится дальше всего на юг: на широте 23,44° южной широты, известной как Тропик Козерога. Субсолнечная точка пересекает каждую широту между этими двумя крайними точками ровно два раза в год. Кроме того, во время июньского солнцестояния в местах, расположенных на Северном полярном круге (широта 66,56° северной широты), Солнце видно у самого горизонта в полночь, а во всех местах, расположенных севернее, Солнце находится над горизонтом в течение 24 часов. Это явление известно как полуночное солнце, солнце полуночи или полярный день. С другой стороны, в местах, расположенных на Антарктическом круге (широта 66,56° южной широты), Солнце видно у самого горизонта в полдень, а во всех местах, расположенных южнее, Солнце не поднимается над горизонтом в течение суток. Это полярная ночь. Во время декабрьского солнцестояния воздействие на оба полушария полностью противоположно. Это приводит к ежегодному восстановлению площади полярных морских льдов из-за недостатка солнечного света, достигающего воздуха над морем и самой морской поверхности. Самые теплые и самые холодные периоды года в умеренных широтах сдвигаются примерно на месяц от солнцестояний из-за тепловой инерции Земли.

Древнегреческие имена и понятия

Понятие солнцестояний было заложено в древнегреческой небесной навигации. Как только они обнаружили, что Земля сферическая, они разработали концепцию небесной сферы – воображаемой сферической поверхности, вращающейся с небесными телами (ouranioi), зафиксированными на ней (современная сфера не вращается, но звезды на ней вращаются). До тех пор, пока не делаются предположения относительно расстояний этих тел от Земли или друг от друга, сфера может считаться реальной и фактически до сих пор используется. Древние греки использовали термин "ηλιοστάσιο" (heliostāsio), означающий «стояние Солнца». Звезды движутся по внутренней поверхности небесной сферы вдоль окружностей кругов в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси Земли, простирающихся бесконечно в небеса и пересекающих небесную сферу в небесном полюсе. Солнце и планеты не движутся по этим параллельным путям, а по другому кругу – эклиптике, плоскость которой находится под углом, называемым наклонением эклиптики, к оси, что приводит Солнце и планеты через пути и среди звезд. * Клеомед утверждает: Полоса Зодиака (zōdiakos kuklos, «зодиакальный круг») расположена под наклонным углом (loksos), поскольку она находится между тропическими кругами и кругом равноденствий, касаясь каждого из тропических кругов в одной точке. Этот Зодиак имеет определенную ширину (в настоящее время установленную в 8°), поэтому он описывается тремя кругами: центральный называется «гелиакальным» (hēliakos, «солнечный»). Термин «гелиакальный круг» используется для эклиптики, которая находится в центре зодиакального круга, представляемого как полоса, включающая известные созвездия, названные в честь мифических сюжетов. Другие авторы используют термин «Зодиак» для обозначения эклиптики, который впервые появляется в глоссе неизвестного автора в отрывке Клеомеда, где он объясняет, что Луна также находится в зодиакальном круге и периодически пересекает путь Солнца. Поскольку некоторые из этих пересечений представляют собой затмения Луны, пути Солнца дается синоним – ekleiptikos (kuklos) от ekleipsis, «затмение».

The concept of the solstices was embedded in ancient Greek celestial navigation. As soon as they discovered that the Earth was spherical they devised the concept of the celestial sphere, an imaginary spherical surface rotating with the heavenly bodies (ouranioi) fixed in it (the modern one does not rotate, but the stars in it do). As long as no assumptions are made concerning the distances of those bodies from Earth or from each other, the sphere can be accepted as real and is in fact still in use. The Ancient Greeks use the term "ηλιοστάσιο" (heliostāsio), meaning stand of the Sun. The stars move across the inner surface of the celestial sphere along the circumferences of circles in parallel planes perpendicular to the Earth's axis extended indefinitely into the heavens and intersecting the celestial sphere in a celestial pole. The Sun and the planets do not move in these parallel paths but along another circle, the ecliptic, whose plane is at an angle, the obliquity of the ecliptic, to the axis, bringing the Sun and planets across the paths of and in among the stars. *

Cleomedes states:The band of the Zodiac (zōdiakos kuklos, "zodiacal circle") is at an oblique angle (loksos) because it is positioned between the tropical circles and equinoctial circle touching each of the tropical circles at one point This Zodiac has a determinable width (set at 8° today) that is why it is described by three circles: the central one is called "heliacal" (hēliakos, "of the sun"). The term heliacal circle is used for the ecliptic, which is in the center of the zodiacal circle, conceived as a band including the noted constellations named on mythical themes. Other authors use Zodiac to mean ecliptic, which first appears in a gloss of unknown author in a passage of Cleomedes where he is explaining that the Moon is in the zodiacal circle as well and periodically crosses the path of the Sun. As some of these crossings represent eclipses of the Moon, the path of the Sun is given a synonym, the ekleiptikos (kuklos) from ekleipsis, "eclipse".

Термины солнцестояния в Восточной Азии

Традиционные восточноазиатские календари делят год на 24 солнечных срока (節氣). Xiàzhì (pīnyīn) или Geshi (rōmaji) — 10-й солнечный срок, отмечающий летнее солнцестояние. Он начинается, когда Солнце достигает небесной долготы 90° (около 21 июня) и заканчивается, когда Солнце достигает долготы 105° (около 7 июля). Чаще всего под Xiàzhì подразумевают именно день, когда Солнце находится точно на небесной долготе 90°. Dōngzhì (pīnyīn) или Tōji (rōmaji) — 22-й солнечный срок, отмечающий зимнее солнцестояние. Он начинается, когда Солнце достигает небесной долготы 270° (около 22 декабря) и заканчивается, когда Солнце достигает долготы 285° (около 5 января). Чаще всего под Dōngzhì подразумевают именно день, когда Солнце находится точно на небесной долготе 270°. Солнцестояния (а также равноденствия) знаменуют середину сезонов в восточноазиатских календарях. Китайский иероглиф 至 означает "предел", поэтому термины для солнцестояний непосредственно указывают на пик лета и зимы.

Празднование солнцестояния

Термин солнцестояние также может использоваться в более широком смысле, как дата (день), когда происходит такой переход. Солнцестояния, вместе с равноденствиями, связаны со сменой времён года. В некоторых языках они считаются началом или границей между сезонами; в других – центральными точками (например, в Англии, в Северном полушарии, период вокруг северного солнцестояния известен как Середина лета). День летнего солнцестояния, определяемый христианской церковью как День святого Иоанна, приходится на 24 июня, примерно через три дня после самого солнцестояния. Аналогично, 25 декабря – это начало празднования Рождества, день, когда Солнце начинает возвращаться в Северное полушарие. Традиционные британские и ирландские (часто) основные дни уплаты ренты и собраний: "обычные четверть-годовые дни" изначально приурочивались к солнцестояниям и равноденствиям. Многие культуры отмечают различные сочетания зимнего и летнего солнцестояний, равноденствий и промежуточных точек между ними, что порождает множество праздников, связанных с этими событиями. Во время южного или зимнего солнцестояния Рождество является самым распространённым современным праздником, а также отмечаются Ялда, Сатурналии, Карачун, Ханука, Кванзаа и Юль. В восточноазиатских культурах фестиваль Дунчжи отмечается в день зимнего солнцестояния. Для северного или летнего солнцестояния христианские культуры празднуют праздник Святого Иоанна с 23 по 24 июня (см. Канун Иоанна Купалы, День Ивана Купалы), а современные язычники отмечают Середину лета, известную как Лита среди виккан. Весеннее равноденствие отмечается различными весенними праздниками, такими как персидский Новруз, празднование Песаха в иудаизме, обряды Пасхи в большинстве христианских церквей, а также Остара у виккан. Осеннее равноденствие связано с еврейским праздником Суккот и викканским Мабоном. На южной оконечности Южной Америки народ мапуче празднует We Tripantu (Новый год) 24 июня, через несколько дней после северного солнцестояния. Дальше на север народ атакама раньше отмечал эту дату праздником шума, чтобы призвать Солнце обратно. Еще дальше на восток народ аймара празднует свой Новый год 21 июня. Празднование происходит на рассвете, когда солнце светит прямо сквозь Ворота Солнца в Тиуанаку. Другие праздники Нового года у аймара проходят по всей Боливии, в том числе в Эль-Фуэрте-де-Самаипата. В индуистском календаре два сидерических солнцестояния называются Макара Санкранти, знаменующим начало Уттарайаны, и Карка Санкранти, знаменующим начало Дакшинаяны. Первое отмечается примерно 14 января, а второе – примерно 14 июля. Они отмечают движение Солнца по сидереально фиксированному зодиаку (прецессия не учитывается) в знак Макара, соответствующий Козерогу, и в знак Карка, соответствующий Раку, соответственно. На станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе каждый год 21 июня отмечают праздник середины зимы, чтобы отметить, что Солнце находится в самой низкой точке и возвращается. Парад Фримонтского солнцестояния проходит каждое летнее солнцестояние в Фримонте, Сиэтл, штат Вашингтон, США. Реконструированный Кахокия Вудхендж, большой круг из дерева, расположенный на археологическом памятнике Кахокия недалеко от Коллинзвилля, штат Иллинойс, является местом ежегодных наблюдений за восходом солнца в дни равноденствия и солнцестояния. Из уважения к верованиям коренных американцев эти мероприятия не включают в себя никаких церемоний или ритуалов.

The term solstice can also be used in a wider sense, as the date (day) that such a passage happens. The solstices, together with the equinoxes, are connected with the seasons. In some languages they are considered to start or separate the seasons; in others they are considered to be centre points (in England, in the Northern Hemisphere, for example, the period around the northern solstice is known as midsummer). Midsummer's Day, defined as St. Johns Day by the Christian Church, is June 24, about three days after the solstice itself). Similarly December 25 is the start of the Christmas celebration, and is the day the Sun begins to return to the Northern Hemisphere. The traditional British and Irish (often) main rent and meeting days of the year: "the usual quarter days" was at first those of the solstices and equinoxes. Many cultures celebrate various combinations of the winter and summer solstices, the equinoxes, and the midpoints between them, leading to various holidays arising around these events. During the southern or winter solstice, Christmas is the most widespread contemporary holiday, while Yalda, Saturnalia, Karachun, Hanukkah, Kwanzaa, and Yule are also celebrated around this time. In East Asian cultures, the Dongzhi Festival is celebrated on the winter solstice. For the northern or summer solstice, Christian cultures celebrate the feast of St. John from June 23 to 24 (see St. John's Eve, Ivan Kupala Day), while Modern Pagans observe Midsummer, known as Litha among Wiccans. For the vernal (spring) equinox, several springtime festivals are celebrated, such as the Persian Nowruz, the observance in Judaism of Passover, the rites of Easter in most Christian churches, as well as the Wiccan Ostara. The autumnal equinox is associated with the Jewish holiday of Sukkot and the Wiccan Mabon. In the southern tip of South America, the Mapuche people celebrate We Tripantu (the New Year) a few days after the northern solstice, on June 24. Further north, the Atacama people formerly celebrated this date with a noise festival, to call the Sun back. Further east, the Aymara people celebrate their New Year on June 21. A celebration occurs at sunrise, when the sun shines directly through the Gate of the Sun in Tiwanaku. Other Aymara New Year feasts occur throughout Bolivia, including at the site of El Fuerte de Samaipata. In the Hindu calendar, two sidereal solstices are named Makara Sankranti which marks the start of Uttarayana and Karka Sankranti which marks the start of Dakshinayana. The former occurs around January 14 each year, while the latter occurs around July 14 each year. These mark the movement of the Sun along a sidereally fixed zodiac (precession is ignored) into Makara, the zodiacal sign which corresponds with Capricorn, and into Karka, the zodiacal sign which corresponds with Cancer, respectively. The Amundsen–Scott South Pole Station celebrates every year on June 21 a midwinter party, to celebrate that the Sun is at its lowest point and coming back. The Fremont Solstice Parade takes place every summer solstice in Fremont, Seattle, Washington in the United States. The reconstructed Cahokia Woodhenge, a large timber circle located at the Mississippian culture Cahokia archaeological site near Collinsville, Illinois, is the site of annual equinox and solstice sunrise observances. Out of respect for Native American beliefs these events do not feature ceremonies or rituals of any kind.

Определение солнцестояния

В отличие от равноденствия, время солнцестояния определить непросто. Изменения в солнечном склонении становятся меньше по мере приближения Солнца к своему максимальному или минимальному склонению. В дни, предшествующие и следующие за солнцестоянием, скорость изменения склонения составляет менее 30 дуговых секунд в день, что меньше 1/60 углового размера Солнца, или эквивалентно всего 2 секундам прямого восхождения. Это различие едва обнаружимо с помощью приборов, основанных на непрямом наблюдении, таких как секстант с нониусом, и невозможно с более традиционными инструментами, такими как гномон или астролябия. Также трудно заметить изменения азимута восхода и заката Солнца из-за изменений атмосферной рефракции. Эти проблемы с точностью делают невозможным определение дня солнцестояния на основе наблюдений, сделанных в течение 3 (или даже 5) дней вокруг солнцестояния, без использования более сложных инструментов. Записи не сохранились, но греческие астрономы, вероятно, использовали метод аппроксимации, основанный на интерполяции, который до сих пор применяется некоторыми любителями. Этот метод заключается в измерении угла склонения в полдень в течение нескольких дней до и после солнцестояния, с целью найти два разных дня с одинаковым склонением. Когда эти два дня найдены, моментом солнцестояния считается середина времени между этими двумя полуднями. Было предположено, что интервал в 45 дней является оптимальным для достижения точности до четверти суток при определении солнцестояния. В 2012 году журнал DIO обнаружил, что точность в один-два часа с уравновешенными ошибками может быть достигнута путем наблюдения за равными высотами Солнца примерно за S = двадцать градусов (или d = около 20 дней) до и после летнего солнцестояния, поскольку среднее значение этих двух моментов времени будет опережать истинное время на q угловых минут, где q = (πe cosA)/3, умноженное на квадрат S в градусах (e = эксцентриситет орбиты Земли, A = перигелий Земли или афелий Солнца), а шум в результате составит около 41 часа, деленного на d, при условии, что острота зрения составляет одну угловую минуту. Астрономические альманахи определяют солнцестояния как моменты, когда Солнце проходит через солнечное обращение, то есть когда видимая геоцентрическая небесная долгота Солнца равна 90° (июньское солнцестояние) или 270° (декабрьское солнцестояние). Даты солнцестояния меняются каждый год и могут сдвигаться на один день раньше или позже в зависимости от часового пояса. Поскольку орбита Земли занимает немного больше времени, чем календарный год в 365 дней, солнцестояния происходят немного позже каждый год, пока високосный день не синхронизирует календарь с орбитой. Таким образом, солнцестояния всегда происходят между 20 и 22 июня и между 20 и 23 декабря в четырехлетнем цикле, при этом 21 и 22 числа являются наиболее распространенными датами, как видно из графика в начале статьи.

Unlike the equinox, the solstice time is not easy to determine. The changes in solar declination become smaller as the Sun gets closer to its maximum/minimum declination. The days before and after the solstice, the declination speed is less than 30 arcseconds per day which is less than 1/60 of the angular size of the Sun, or the equivalent to just 2 seconds of right ascension. This difference is hardly detectable with indirect viewing based devices like sextant equipped with a vernier, and impossible with more traditional tools like a gnomon or an astrolabe. It is also hard to detect the changes in sunrise/sunset azimuth due to the atmospheric refraction changes. Those accuracy issues render it impossible to determine the solstice day based on observations made within the 3 (or even 5) days surrounding the solstice without the use of more complex tools. Accounts do not survive but Greek astronomers must have used an approximation method based on interpolation, which is still used by some amateurs. This method consists of recording the declination angle at noon during some days before and after the solstice, trying to find two separate days with the same declination. When those two days are found, the halfway time between both noons is estimated solstice time. An interval of 45 days has been postulated as the best one to achieve up to a quarter day precision, in the solstice determination. In 2012, the journal DIO found that accuracy of one or two hours with balanced errors can be attained by observing the Sun's equal altitudes about S = twenty degrees (or d = about 20 days) before and after the summer solstice because the average of the two times will be early by q arc minutes where q is (πe cosA)/3 times the square of S in degrees (e = earth orbit eccentricity, A = earth's perihelion or Sun's apogee), and the noise in the result will be about 41 hours divided by d if the eye's sharpness is taken as one arc minute. Astronomical almanacs define the solstices as the moments when the Sun passes through the solstitial colure, i. e. the times when the apparent geocentric celestial longitude of the Sun is equal to 90° (June solstice) or 270° (December solstice). The dates of the solstice varies each year and may occur a day earlier or later depending on the time zone. Because the earth's orbit takes slightly longer than a calendar year of 365 days, the solstices occur slightly later each caendar year, until a leap day re aligns the calendar with the orbit. Thus the solstices always occur between June 20 and 22 and between December 20 and 23 in a four year long cycle with the 21st and 22nd being the most common dates, as can be seen in the schedule at the start of the article.

В созвездиях

Используя текущие официальные границы созвездий IAU и учитывая переменную скорость прецессии и вращение эклиптики, солнцестояния смещаются по созвездиям следующим образом (выраженные в астрономической нумерации лет, где 0 год соответствует 1 году до н.э., -1 год – 2 году до н.э. и т.д.): Северное солнцестояние перешло из созвездия Льва в созвездие Рака в -1458 году, в созвездие Близнецов в -10 году, в созвездие Тельца в декабре 1989 года и, как ожидается, перейдет в созвездие Овна в 4609 году. Южное солнцестояние перешло из созвездия Козерога в созвездие Стрельца в -130 году, ожидается, что оно перейдет в созвездие Змееносца в 2269 году, и ожидается, что оно перейдет в созвездие Скорпиона в 3597 году.

На других планетах

687-дневная орбита Марса вокруг Солнца (почти вдвое превышающая земную) приводит к тому, что летнее и зимнее солнцестояния на Марсе наступают примерно каждые 23 месяца.