Про Солнцестояния и Равноденствия для самых маленьких и любознательных.
Что такое Солнцестояния и Равноденствия.
Недавно в одной дискуссии я пронаблюдал непонимание сущности Равноденствия и того почему оно в разные годы приходится на разные даты и почему в день календарного Равноденствия день не равен ночи. Попытаюсь это объяснить на пальцах.
Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца. Хотя правильнее будет говорить не вокруг Солнца, а вокруг общего центра масс системы Солнце-Земля. А ещё правильнее - вокруг общего центра масс всей Солнечной системы. Орбита Земли подвержена влиянию других тел Солнечной системы, в первую очередь конечно же больших планет, но в целом любых тел вплоть до астероидов, и не является абсолютной и идеальной, что приводит к её флуктуациям. Так же на положение Земли в пространстве влияет и гравитационное взаимодействие со спутником Земли Луной. Поэтому когда говорят о движении Земли вокруг Солнца, то правильнее говорить о движении системы Земля-Луна.
Движение системы Земля-Луна вокруг Солнца.,
Обращение системы Земля-Луна вокруг Солнца.
На орбите Земли вокруг Солнца есть 2 ключевые точки: Перигелий - ближайшая к Солнцу точка; и Афелий - самая удалённая от Солнца точка. Есть распространённое заблуждение что через Перигелий Солнце проходит в день Зимнего Солнцестояния, а через Афелий - в день Летнего Солнцестояния. Это было бы так, если бы ось вращения Земли в точках Перигелия и Афелия лежала строго в плоскости линии Перигелий-Афелий. Но из-за наклона Земной оси не строго в плоскости линии Перигелий-Афелий, получается ситуация что в Перигелии и в Афелии Земля оказывается НЕ в дни Зимнего и Летнего Солнцестояний. Перигелий Земля проходит в начале Января, а Афелий - в начале Июля, почти через 2 недели после прохождения Землёй дат Летнего и Зимнего Солнцестояний. В том числе и с этим (но не только) связано то, что «настоящая»зима начинается в январе, а «настоящее» лето в июле. Помните известную фразу - «Солнце на зиму, лето на жару»? Именно Прецессия отвечает за отклонение оси вращения Земли от плоскости линии Перигелий-Афелий, а значит и за несоответствие Перигелия и Афелия с днями Солнцестояний. Прецессия также носит название «Предварение равноденствий». В рамках данной статьи мы не рассматриваем подробно суть Прецессии, Яндекс в помощь, но кратко - это волчкообразное движение оси Земли с продолжительностью одного цикла около 25770 лет.
Вращение Земли вокруг своей оси (цикл 1 сут.) и прецессионное изменение положения наклона Земной оси в пространстве (цикл !~25770 лет).
Схема отклонения оси вращения Земли от плоскости линии Перигелий-Афелий.
То же касается и дней Равноденствия. Под Равноденствием мы обычно понимаем даты когда ось вращения Земли расположена таким образом по отношению к Солнцу, что Солнечный свет освещает одинаково её Южное и Северное полушария. Т.е. продолжительность времени нахождения Солнца над горизонтом одинакова на всей Земле. За исключением Полюсов, но об этом я напишу в заключительном абзаце. Но если вы посчитаете количество дней от Равноденствий до Солнцестояний, то они не будут равны. Периоды от Равноденствий до Зимнего Солнцестояния меньше чем до Летнего Солнцестояния. Это происходит из-за: 1) эллиптической орбиты Земли по которой в Афелии (летом) планета движется медленнее чем в Перигелии (зимой); 2) наклона Земной оси не строго в плоскости линии Перигелий-Афелий. Т.е. Земля проходит точки орбитальных Равноденствий НЕ в дни наблюдаемых Равноденствий! Для того чтобы разделять понятия Равноденствия на орбите и Равноденствия в смысле освещения Земной поверхности солнечным светом существует понятие «Эквилюкс».
Схема смещения Солнцестояний от Афелия и Перигелия.
В чём разница между Равноденствием (equinox) и Эквилюксом (equilux).
Равноденствие (equinox) - хотя и восходит своим смыслом к равенству дня и ночи, но это больше геометрический термин, связанный с положением тела на эллиптической орбите в ситуации когда ось вращения тела лежит в плоскости линии Перигелий-Афелий (или параллельно ей).
Применительно к Земле точки Равноденствия это такие точки на орбите, где при отсутствии атмосферы Солнце будет освещать Землю ровно от одного Полюса до другого. Т.е. Солнечный Терминатор будет проходить ровно по меридиану, без наклона.
Эквилюкс (equilux) - это больше географический термин, связанный с ориентацией тела в пространстве (а ещё правильнее - с ориентацией в пространстве его оси вращения) относительно светила, освещающего это тело. Более того, из-за нешарообразной формы Земли, на разных широтах Эквилюкс наступает в разные даты. Плюс сюда-же относят и эффект рефракции, но о нём в окончании этой статьи.
В день Весеннего Равноденствия ось вращения Земли принимает такое положение, что Солнце освещает Землю ровно от одного Полюса до другого.
Всё вышесказанное плавно нас подводит к продолжительности года и методам его исчисления. Дилетантский подход нам говорит, что в году 365 дней, и каждые 4 года есть високосный год в котором 366 дней. В упрощённом варианте считается, что в календарном году 365 дней и 6 часов, которые как раз за 4 года дают нам прирост в 1 день, который мы и компенсируем введением ещё одного календарного дня 29 февраля. Но всё гораздо сложнее. Ведь даже високосный год случается не каждые 4 года т.к. каждые года кратные 100, но не кратные 400 являются НЕвисокосными. Т.е. года 1700, 1800, 1900 - невисокосные, хотя год 2000 является високосным.
Есть понятие Тропический год (также известный как Солнечный год) - это время за которое тропическая долгота Солнца увеличивается на 360 градусов. Его продолжительность составляет 365,2421897 суток и при этом уменьшается примерно на 0,5307 секунды за столетие. Тропический год (он-же Солнечный год) определяется как период между двумя соседними весенними Равноденствиями или летними Солнцестояниями. Именно это понятие используется в календаре как наиболее существенное для хозяйственной деятельности людей. Но оно не соответствует орбитальному периоду обращения Земли вокруг Солнца.
Есть понятие Сидерический год - это период орбитального движения Земли вокруг Солнца в инерциальной системе отсчёта относительно «неподвижных звёзд». Он несколько длиннее тропического года вследствие так называемого предварения равноденствий, вызванного Прецессией земной оси; так на 2000й год разность между длительностями сидерического и тропического годов составляла 20 минут 24,5 секунды. Сидерический год изменяется гораздо медленнее тропического, причём он удлиняется (в настоящее время на 10 миллисекунд за столетие), а не укорачивается. Длительность сидерического года составляет 365,25636556 суток.
Есть понятие Аномалистический год - это средний период обращения Земли относительно точек её эллиптической орбиты, называемых Апсидами (собственно Перигелия, и Афелия). Аномалистический год обычно определяется как время между прохождениями Перигелия. Средняя продолжительность аномалистического года на 2011й год составляла 365,259636 суток. Если привязываться к движению Земли по орбите вокруг Солнца, то это будет наиболее точное определение продолжительности года.
Иллюстрация к несовпадению Апсид и Солнцестояний.
Гауссов год - составляет 365,256898326 суток и является моделью для круговой орбиты Земли.
И таких вариантов определения продолжительности года наберётся ещё с десяток. При этом под сутками везде понимаются сутки, составляющие 86 400 секунд СИ, привязанных к атомному времени.
Как мы видим, ни в одном из этих определений год не равен ровно 365,25 суток, что никак не может нам давать прирост ровно в 1 день каждые 4 года. Это изменение более сложное.
Таким образом мы видим что с календарной и реальной продолжительностью года всё не так просто, как кажется на первый взгляд. Это приводит к колебаниям календарных дат на наблюдаемые моменты Равноденствий и Солнцестояний по отношению к точкам Земной орбиты, привязываемым к этим событиям. Отсюда выходит неодинаковое датирование Равноденствий и Солнцестояний в разные годы.
Кроме этого, не забываем, что на Земле 24 часовых пояса, а в разные годы точки реальных Равноденствий и Солнцестояний Земля по своей орбите может пройти по календарю чуть раньше или позже. И в разных часовых поясах это может приходиться на разные соседствующие даты. За счёт часовых поясов эта разница может произойти даже в рамках одной страны, такой как Россия. В западной части России точка Равноденствия может быть пройдена 20 марта, в то время как в восточной части России уже наступило 21 марта. Или в Норвегии ещё 20 марта, а в Мурманске уже 21 марта.
Вопрос именно продолжительности нахождения Солнца над горизонтом хоть и связан с положением Земли на орбите вокруг Солнца, но помимо этого тут существенную роль играет рефракция, в результате которой мы в действительности видим свет ещё не взошедшего или уже зашедшего Солнца. При рефракции Солнца мы видим его над горизонтом на ~0,5° выше, чем оно есть на самом деле. А так как видимый угловой радиус диска Солнца тоже составляет примерно 0,5° (или же 30 угловых минут), то, по сути, когда мы видим Солнце касающееся горизонта, то в действительности мы видим Солнце которое уже зашло за горизонт или ещё не взошло над ним. Поэтому же при низком расположении Солнца мы видим его диск сплющенным. Это же в свою очередь влияет на продолжительность наблюдения Солнца над горизонтом и того где оно находится на самом деле. Т.е. - то что мы видим, не есть то как оно на самом деле! Отсюда и возникает ситуация, что астрономически Солнце ещё не достигло 12 часовой продолжительности нахождения над горизонтом, а визуально уже достигло и превысило!
Рефракция атмосферы Земли.
Поэтому мы в дни весеннего/осеннего Равноденствия видим Солнце над горизонтом дольше, чем под горизонтом, а Эквилюкс вообще наступает раньше Весеннего и позже Осеннего Равноденствий. А совокупность эллиптической орбиты Земли и рефракции дают эффект того, что на одной и той же широте продолжительность Полярного дня дольше, чем продолжительность Полярной ночи, хотя, казалось-бы они должны быть одинаковыми.
Эффект рефракции нам говорит в том числе и о том, что в году существует некоторый непродолжительный период около Весеннего и Осеннего Равноденствий когда и на Северном и на Южном Полюсах одновременно Солнце видно над горизонтом, хотя, казалось-бы, что такого быть не может. Сам не проверял - но можете взять как тему для научно-практического эксперимента! Я бы хотел посмотреть в живую репортаж одновременно и с Северного и Южного Полюсов нашей планеты с одновременно видимым Солнцем. Так и представляю 2 камеры установленные на Полюсах, которые следят за диском Солнца идущим над горизонтом на протяжении нескольких дней. На одной камере Солнце постепенно выходит из-за горизонта, а на другой постепенно заходит. Может быть кто-то когда-то осуществит такой проект.
PS: Эта статья написана мною (angrymanz) лично по памяти и по личному пониманию процессов с минимальным использованием внешних материалов. Она не претендует на научную точность и ценность и не годится для использования в контрольных, курсовых или дипломных работах и проектах. Пользуйтесь первоисточниками!
PPS: Все изображения и схемы взяты из этих ваших интернетов из открытых источников без цели использования в коммерческой деятельности или извлечения прибыли.
Картинки взяты из:
https://go-ra.ru/lektsii/lecture/lec02/protsessy-dlitelnost/
https://kartinkin.net/pics/uploads/posts/2022-09/1662105284_1-kartinkin-net-p-orbita-zemli-vkontakte-1.jpg
http://skygazer.ru/2-yanvarya-2021-goda-zemlya-nahoditsya-v-perigelii-na-kratchajshem-rasstoyanii-ot-solntsa/
https://www.km.ru/science-tech/2020/11/04/interesnye-fakty-v-mire-nauki/881732-pretsessionnaya-tsiklichnaya-globalnaya
https://roguevalleyguide.com/1066808/how-long-does-spring-equinox-last/
https://planetarium-moscow.ru/about/news/osennee-ravnodenstvie2022/
Недавно в одной дискуссии я пронаблюдал непонимание сущности Равноденствия и того почему оно в разные годы приходится на разные даты и почему в день календарного Равноденствия день не равен ночи. Попытаюсь это объяснить на пальцах.
Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца. Хотя правильнее будет говорить не вокруг Солнца, а вокруг общего центра масс системы Солнце-Земля. А ещё правильнее - вокруг общего центра масс всей Солнечной системы. Орбита Земли подвержена влиянию других тел Солнечной системы, в первую очередь конечно же больших планет, но в целом любых тел вплоть до астероидов, и не является абсолютной и идеальной, что приводит к её флуктуациям. Так же на положение Земли в пространстве влияет и гравитационное взаимодействие со спутником Земли Луной. Поэтому когда говорят о движении Земли вокруг Солнца, то правильнее говорить о движении системы Земля-Луна.
Движение системы Земля-Луна вокруг Солнца.,
Обращение системы Земля-Луна вокруг Солнца.
На орбите Земли вокруг Солнца есть 2 ключевые точки: Перигелий - ближайшая к Солнцу точка; и Афелий - самая удалённая от Солнца точка. Есть распространённое заблуждение что через Перигелий Солнце проходит в день Зимнего Солнцестояния, а через Афелий - в день Летнего Солнцестояния. Это было бы так, если бы ось вращения Земли в точках Перигелия и Афелия лежала строго в плоскости линии Перигелий-Афелий. Но из-за наклона Земной оси не строго в плоскости линии Перигелий-Афелий, получается ситуация что в Перигелии и в Афелии Земля оказывается НЕ в дни Зимнего и Летнего Солнцестояний. Перигелий Земля проходит в начале Января, а Афелий - в начале Июля, почти через 2 недели после прохождения Землёй дат Летнего и Зимнего Солнцестояний. В том числе и с этим (но не только) связано то, что «настоящая»зима начинается в январе, а «настоящее» лето в июле. Помните известную фразу - «Солнце на зиму, лето на жару»? Именно Прецессия отвечает за отклонение оси вращения Земли от плоскости линии Перигелий-Афелий, а значит и за несоответствие Перигелия и Афелия с днями Солнцестояний. Прецессия также носит название «Предварение равноденствий». В рамках данной статьи мы не рассматриваем подробно суть Прецессии, Яндекс в помощь, но кратко - это волчкообразное движение оси Земли с продолжительностью одного цикла около 25770 лет.
Вращение Земли вокруг своей оси (цикл 1 сут.) и прецессионное изменение положения наклона Земной оси в пространстве (цикл !~25770 лет).
Схема отклонения оси вращения Земли от плоскости линии Перигелий-Афелий.
То же касается и дней Равноденствия. Под Равноденствием мы обычно понимаем даты когда ось вращения Земли расположена таким образом по отношению к Солнцу, что Солнечный свет освещает одинаково её Южное и Северное полушария. Т.е. продолжительность времени нахождения Солнца над горизонтом одинакова на всей Земле. За исключением Полюсов, но об этом я напишу в заключительном абзаце. Но если вы посчитаете количество дней от Равноденствий до Солнцестояний, то они не будут равны. Периоды от Равноденствий до Зимнего Солнцестояния меньше чем до Летнего Солнцестояния. Это происходит из-за: 1) эллиптической орбиты Земли по которой в Афелии (летом) планета движется медленнее чем в Перигелии (зимой); 2) наклона Земной оси не строго в плоскости линии Перигелий-Афелий. Т.е. Земля проходит точки орбитальных Равноденствий НЕ в дни наблюдаемых Равноденствий! Для того чтобы разделять понятия Равноденствия на орбите и Равноденствия в смысле освещения Земной поверхности солнечным светом существует понятие «Эквилюкс».
Схема смещения Солнцестояний от Афелия и Перигелия.
В чём разница между Равноденствием (equinox) и Эквилюксом (equilux).
Равноденствие (equinox) - хотя и восходит своим смыслом к равенству дня и ночи, но это больше геометрический термин, связанный с положением тела на эллиптической орбите в ситуации когда ось вращения тела лежит в плоскости линии Перигелий-Афелий (или параллельно ей).
Применительно к Земле точки Равноденствия это такие точки на орбите, где при отсутствии атмосферы Солнце будет освещать Землю ровно от одного Полюса до другого. Т.е. Солнечный Терминатор будет проходить ровно по меридиану, без наклона.
Эквилюкс (equilux) - это больше географический термин, связанный с ориентацией тела в пространстве (а ещё правильнее - с ориентацией в пространстве его оси вращения) относительно светила, освещающего это тело. Более того, из-за нешарообразной формы Земли, на разных широтах Эквилюкс наступает в разные даты. Плюс сюда-же относят и эффект рефракции, но о нём в окончании этой статьи.
В день Весеннего Равноденствия ось вращения Земли принимает такое положение, что Солнце освещает Землю ровно от одного Полюса до другого.
Всё вышесказанное плавно нас подводит к продолжительности года и методам его исчисления. Дилетантский подход нам говорит, что в году 365 дней, и каждые 4 года есть високосный год в котором 366 дней. В упрощённом варианте считается, что в календарном году 365 дней и 6 часов, которые как раз за 4 года дают нам прирост в 1 день, который мы и компенсируем введением ещё одного календарного дня 29 февраля. Но всё гораздо сложнее. Ведь даже високосный год случается не каждые 4 года т.к. каждые года кратные 100, но не кратные 400 являются НЕвисокосными. Т.е. года 1700, 1800, 1900 - невисокосные, хотя год 2000 является високосным.
Есть понятие Тропический год (также известный как Солнечный год) - это время за которое тропическая долгота Солнца увеличивается на 360 градусов. Его продолжительность составляет 365,2421897 суток и при этом уменьшается примерно на 0,5307 секунды за столетие. Тропический год (он-же Солнечный год) определяется как период между двумя соседними весенними Равноденствиями или летними Солнцестояниями. Именно это понятие используется в календаре как наиболее существенное для хозяйственной деятельности людей. Но оно не соответствует орбитальному периоду обращения Земли вокруг Солнца.
Есть понятие Сидерический год - это период орбитального движения Земли вокруг Солнца в инерциальной системе отсчёта относительно «неподвижных звёзд». Он несколько длиннее тропического года вследствие так называемого предварения равноденствий, вызванного Прецессией земной оси; так на 2000й год разность между длительностями сидерического и тропического годов составляла 20 минут 24,5 секунды. Сидерический год изменяется гораздо медленнее тропического, причём он удлиняется (в настоящее время на 10 миллисекунд за столетие), а не укорачивается. Длительность сидерического года составляет 365,25636556 суток.
Есть понятие Аномалистический год - это средний период обращения Земли относительно точек её эллиптической орбиты, называемых Апсидами (собственно Перигелия, и Афелия). Аномалистический год обычно определяется как время между прохождениями Перигелия. Средняя продолжительность аномалистического года на 2011й год составляла 365,259636 суток. Если привязываться к движению Земли по орбите вокруг Солнца, то это будет наиболее точное определение продолжительности года.
Иллюстрация к несовпадению Апсид и Солнцестояний.
Гауссов год - составляет 365,256898326 суток и является моделью для круговой орбиты Земли.
И таких вариантов определения продолжительности года наберётся ещё с десяток. При этом под сутками везде понимаются сутки, составляющие 86 400 секунд СИ, привязанных к атомному времени.
Как мы видим, ни в одном из этих определений год не равен ровно 365,25 суток, что никак не может нам давать прирост ровно в 1 день каждые 4 года. Это изменение более сложное.
Таким образом мы видим что с календарной и реальной продолжительностью года всё не так просто, как кажется на первый взгляд. Это приводит к колебаниям календарных дат на наблюдаемые моменты Равноденствий и Солнцестояний по отношению к точкам Земной орбиты, привязываемым к этим событиям. Отсюда выходит неодинаковое датирование Равноденствий и Солнцестояний в разные годы.
Кроме этого, не забываем, что на Земле 24 часовых пояса, а в разные годы точки реальных Равноденствий и Солнцестояний Земля по своей орбите может пройти по календарю чуть раньше или позже. И в разных часовых поясах это может приходиться на разные соседствующие даты. За счёт часовых поясов эта разница может произойти даже в рамках одной страны, такой как Россия. В западной части России точка Равноденствия может быть пройдена 20 марта, в то время как в восточной части России уже наступило 21 марта. Или в Норвегии ещё 20 марта, а в Мурманске уже 21 марта.
Вопрос именно продолжительности нахождения Солнца над горизонтом хоть и связан с положением Земли на орбите вокруг Солнца, но помимо этого тут существенную роль играет рефракция, в результате которой мы в действительности видим свет ещё не взошедшего или уже зашедшего Солнца. При рефракции Солнца мы видим его над горизонтом на ~0,5° выше, чем оно есть на самом деле. А так как видимый угловой радиус диска Солнца тоже составляет примерно 0,5° (или же 30 угловых минут), то, по сути, когда мы видим Солнце касающееся горизонта, то в действительности мы видим Солнце которое уже зашло за горизонт или ещё не взошло над ним. Поэтому же при низком расположении Солнца мы видим его диск сплющенным. Это же в свою очередь влияет на продолжительность наблюдения Солнца над горизонтом и того где оно находится на самом деле. Т.е. - то что мы видим, не есть то как оно на самом деле! Отсюда и возникает ситуация, что астрономически Солнце ещё не достигло 12 часовой продолжительности нахождения над горизонтом, а визуально уже достигло и превысило!
Рефракция атмосферы Земли.
Поэтому мы в дни весеннего/осеннего Равноденствия видим Солнце над горизонтом дольше, чем под горизонтом, а Эквилюкс вообще наступает раньше Весеннего и позже Осеннего Равноденствий. А совокупность эллиптической орбиты Земли и рефракции дают эффект того, что на одной и той же широте продолжительность Полярного дня дольше, чем продолжительность Полярной ночи, хотя, казалось-бы они должны быть одинаковыми.
Эффект рефракции нам говорит в том числе и о том, что в году существует некоторый непродолжительный период около Весеннего и Осеннего Равноденствий когда и на Северном и на Южном Полюсах одновременно Солнце видно над горизонтом, хотя, казалось-бы, что такого быть не может. Сам не проверял - но можете взять как тему для научно-практического эксперимента! Я бы хотел посмотреть в живую репортаж одновременно и с Северного и Южного Полюсов нашей планеты с одновременно видимым Солнцем. Так и представляю 2 камеры установленные на Полюсах, которые следят за диском Солнца идущим над горизонтом на протяжении нескольких дней. На одной камере Солнце постепенно выходит из-за горизонта, а на другой постепенно заходит. Может быть кто-то когда-то осуществит такой проект.
PS: Эта статья написана мною (angrymanz) лично по памяти и по личному пониманию процессов с минимальным использованием внешних материалов. Она не претендует на научную точность и ценность и не годится для использования в контрольных, курсовых или дипломных работах и проектах. Пользуйтесь первоисточниками!
PPS: Все изображения и схемы взяты из этих ваших интернетов из открытых источников без цели использования в коммерческой деятельности или извлечения прибыли.
Картинки взяты из:
https://go-ra.ru/lektsii/lecture/lec02/protsessy-dlitelnost/
https://kartinkin.net/pics/uploads/posts/2022-09/1662105284_1-kartinkin-net-p-orbita-zemli-vkontakte-1.jpg
http://skygazer.ru/2-yanvarya-2021-goda-zemlya-nahoditsya-v-perigelii-na-kratchajshem-rasstoyanii-ot-solntsa/
https://www.km.ru/science-tech/2020/11/04/interesnye-fakty-v-mire-nauki/881732-pretsessionnaya-tsiklichnaya-globalnaya
https://roguevalleyguide.com/1066808/how-long-does-spring-equinox-last/
https://planetarium-moscow.ru/about/news/osennee-ravnodenstvie2022/