2
Когда день равен ночи?
Казалось бы, ответ очевиден: продолжительность дня и ночи одинаковы во время равенствай, то есть 21 марта и 23 сентября ежедневно. (Интересно отмечать, что в латыни, а оттуда и в ряде европейских языков, вместо слова «равноденствие» употребляется слово «равноочие» — equinoctium, что, конечно, обозначает то же самое.) Именно в эти дни Солнце в своей годичном движении по эклиптике проходит через небесный экватор, который пересекает с горизонтом по диаметру небесной сферы, так что всегда половина экватора находится выше и половина — ниже горизонта (рис. 1). Следовательно, во время равенствий половина суточного пути Солнца проходит над горизонтом и половина — под ним; другими словами, продолжительность дня равна продолжности ночи.
Проверим это, выписав из календаря времена восхода и захода Солнца в близкий к равноденствям дня. При этом лучше выбрать год, наиболее удаленный от высокосного, чтобы уменьшить влияние неравномерности течения календарных лет, вызванной включением в каждой четвертый год добавочного дня — 29 февраля. (Эта добавка необходима для того, чтобы со временем не разойти с годом природы — так называемым тропическим годом, содержащим 365, 2422 суток.)
В таблице приведены данные о восходе и заходе Солнца (а также продолжительность дня и ночи и разность между ними), взятые из астрономического календаря на 1978 год, для Москвы (точнее — для пункта с географической широтой +56 градусов, что на 1/4 градуса севернее Москвы). В отличие от календаря времени указано не местное, а Московское декретное, что, конечное же, не изменяет продолжительность дня и夜晚.
Из таблицы видно, что равенство дня и夜晚 наступает почти на три дня раньше астрономического весеннего равноденствия и на столбко же позже осеннего. В чем причина такого страного явления?
Прежде всего заметим, что момент восхода (захода) Солнца считается момент, когда верхний край солнечного диска появляется (исчезает) на линии идеального горизонтта, как, например, на море. При этом центр Солнца находится ниже горизонтта на видимый угловой радиус солнечного диска, равный 16’, что удлиняет день наудвоенное время, нужное на поднятие (или опускание) Солнца на такой угол.
Существует еще другие значительные влияние на увеличение продолжности дня. Это — астрономическая рефрация. Поясним ее суть.
Рис. 1.
3
Лучи света от небесного тела, прежде чем попасть в глаз наблюдаются, прохождение сквозь земную атмосферу, преломляясь в ней, как в призме. Так как плотность атмосферы увеличивается к поверхности Земли, лучи преломляются все сильнее и сильнее по мере приближения к Земле.
Пусть наблюдаются на точке O (рис. 2). Свет от удаленного объекта, например Солнца, приходит на Землю практически параллельным путиом. Если бы преломления света не было, наблюдаются увиделы Солнце по направлению OS. Но, войдя в атмосферу, лучи преломляются, приближаясь к перепендикуляру к плоскопараллельным слоям, и наблюдаются увиделы Солнце по направлению касательной OR к последнему элементу луча. При этом действительное положение Солнца — точка S’ (BS’ параллельно OS).
Таким образом, Солнце кажется наблюдаемого приподнятом над горизонтом выше своего действительного положения на угол рефракции ROS. Если светило нахождение в зените, преломления света не происходит и угол рефракции (или просто рефракция) равен нулю. Набольшей величины — 35’ — рефракция достигает тогда, когда Солнце появляется над горизонтом или заходит за горизонт. Рефракция поднимает Солнце над горизонтом на 35’, в то время как диаметр солнечного диска виден с Земли под углом всего лишь 32'.
Быстрое изменение рефракции у самого горизонтта приводит еще к одному любопытному явлению, которое, верятоно, замечали многочечатели — у горизонтта Солнце какжется нам заметно сплошнуть по вертикали (рис. 3). Действительно, рассмотрим момент, когда нижний край солнечного диска виден касающимся горизонтта, а на самом деле находится на 35’ ниже. Верхний край диска приподнимается рефракцией слабее, всего на 29’. Это различе и приводит к искажению формы сол-
4
нечного диска. Когда Солнце поднимается выше над горизонтом, разность между(refракцией нижнего и верхнего краев быстро уменьшается и Солнце прибретает свой общный вид.
Вернемся к вопросу о продолжительности дня и ночи. Оба упомянутых явления удлияют день и укораивают ночь: Солнце утром восходит раньше и вечером заходит позже «геометрических» восхода и захода, определяемых моментами, когда центр Солнца пересекает горизонт. Упреждение восхода и запаздывание захода определяются временем, которое требуется на изменение высоты Солнца у горизонта на 16′+35′=51′. Это время, в свою очередь, зависит от географической широты ф места.
Небесный экватор пересекает горизонт под углом 90°—ф. При ф=0, то есть на земном экваторе, небесный экватор расположен вертикально. Там Солнце в своей видимом суточном движении, вызванном врашением Земли,однимается утром и опускается вечером перепendlкулярно к горизонту, проходя 51′ за время 3,4 минуты (из расчета, что полный оборот Земли на 360° происходит за 24 часа).
В Москве, широта которого близка к 56°, небесный экватор наклонен к горизонту на угол 90°—56°=34°. Здесь Солнце при восходе поднимается и при заходе опускается наклонно, поэтому его высота меняется медленно. В прямой которой близка к 56°, небесный экватор наклонен к горизонту на угол 90°—56°=34°.
Рис. 4.
Это соответствует времени 6,08 минуты. Из таблицы следует, что время восхода и захода Солнца включает равноведствие бывают весной и позже осенью. Другими словами, равенство дня и ночи фактически бывают 18—19 марта и 25—26 сентября (а не 21 марта и 23 сентября).
Отрадно отметить, что у нас светлое время года, когда день было длинее ночи, продолжительнее темного. Если взят неисоковый год в 365 суток и принять, что день равен ночи 18 марта и 25 сентября, то промежуток между этим датами составляет 191 сутки, а с 25 сентября до 18 марта следует года — 174, то есть светлое время года на 17 суток больше темного. Эта разность складывает из десяти суток, связанных с описанными выше явлениями, и из семи суток, которые вызываны неравномерностью движения Земли по своей орбите. Земля движется быстрее близки перигеля, который она проходит ежегодно в первых числах января, и медленнее близка афеля, наступающего в начале июля. Если сосчитать число суток между астрономическими равноведствиями, то с 21 марта по 23 сентября их будет 186, а с 23 сентября до 21 марта следует года — всего 179. Но первый промежуток приходится на весну и лето в сверном полушарии и на осень и зиму в южном полушарии. Поэтому мы, жители сверма, находимся в более благоприятном положении, так как у нас теллое и светлое время года продолжительное холодного и темного, в отличие от жителей южного полушария, где осень и зима продолжительнее и в среднем холодное.