что такое месяц с точки зрения астрономии
Месяц
Лунные месяцы являются основой многих календарей. В результате раскопок исследователи заключили, что люди считают дни в соответствии с фазами Луны, как минимум, с палеолита.
Поскольку удобство счёта требует целого числа дней в месяце, а различные периоды обращения луны, перечисленные ниже, составляют 27,2—29,6 суток и в целых сутках исчислены быть не могут, календари издавна стремились компенсировать неточность переменной продолжительностью месяцев и/или введением дополнительных дней.
Содержание
Месяцы в астрономии
Синодический месяц
Синодический (от др.-греч. σύνοδος «соединение, сближение») месяц — промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны (например, новолуниями). Продолжительность непостоянна; среднее значение составляет 29,5305882 средних солнечных суток (29 суток 12 часов 44 минуты 2,82 секунды), действительная длительность синодического месяца отличается от среднего в пределах 13 часов.
Сидерический (звёздный) месяц
Промежуток времени между двумя последовательными возвращениями Луны, при её видимом месячном движении, в одно и то же (относительно звёзд) место небесной сферы. Продолжительность составляет 27,3216610 суток (27 суток 7 часов 43 минуты 11,51 секунды).
Тропический месяц
Период обращения Луны вокруг Земли, отсчитываемый относительно той же долготы. Равен 27,3215817 средних солнечных суток (27 суток 7 часов 43 минуты 4,66 секунды). Тропический месяц получается немного короче сидерического месяца из-за прецессии земной оси. За месяц точка весеннего равноденствия, от которой отсчитывается долгота, успевает немного продвинуться навстречу движению Луны.
Аномалистический месяц
Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через перигей в её движении вокруг Земли. Продолжительность в начале 1900 года составляла 27,554551 средних солнечных суток (27 суток 13 часов 18 минут 33,16 секунд), убывает на 0,095 сек за 100 лет.
Драконический месяц
Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же (восходящий или нисходящий) узел орбиты в её движении вокруг Земли. Продолжительность в начале 1900 года составляла 27,2122204 средних солнечных суток (27 суток 5 часов 5 минут 35,84 секунды), увеличивается на 0,0035 сек за 100 лет.
Месяцы в «лунных» календарях
В лунных календарях, используемых евреями, мусульманами, китайцами, индусами и др. длительность месяца 29 или 30 дней. В одних календарях начало месяца приходится на день фактического астрономического новолуния, в других начало месяца определяется непосредственно при помощи наблюдений.
Месяцы в «солнечных» календарях
В григорианском календаре (а ранее в юлианском календаре) используется фиксированная длина месяца, не связанная со сменой фаз Луны.
Названия
В языках народов мира месяцы изначально назывались по характерным природным явлениям в годовом цикле, например, в русском до внедрения латинских названий: январь — «студень», апрель — «цветень», октябрь — «жёлтень» и т. п. В современном мире многие языки приняли для обозначения месяцев латинские корни: «месяц Юноны» (Июнь), «месяц Юлия Цезаря» (Июль), «месяц Октавиана Августа» (Август) и т. д.
Движение Земли по кругу: календарь и зодиак
«Римский календарь был необычайно запутан. Римские полководцы всегда побеждали, но никогда не знали, в какой день это произошло.»
Вольтер
Такие обыденные вещи, как часы, минуты, сутки и календарь, имеют самое прямое отношение к астрономии. Они связаны с движением Земли вокруг Солнца и с вращением нашей планеты вокруг своей оси.
Звездные сутки и зодиак
Определить, что Земля сделала полный оборот вокруг себя, можно по звездам. Звезды движутся в течение суток относительно земного наблюдателя, и промежуток времени между двумя одинаковыми положениями звезды называют звездными сутками. Наша главная звезда — Солнце, и наши сутки определяются по нему. За точку отсчета взяли положение Солнца в полдень, в зените.
Это — начало и конец солнечных суток.
Но Земля движется вокруг Солнца неравномерно: когда она находится в самой удаленной точке орбиты, ее движение замедляется. Другая причина неравномерного движения планеты — наклон земной оси относительно орбиты. И это далеко не все факторы, влияющие на продолжительность суток. В быту все эти поправки значения не имеют, они бы только всех запутали, поэтому астрономы приняли за солнечные сутки стандартную величину — 24 часа. Каждый час делится на 60 минут, каждая минута — на 60 секунд. Есть и более мелкие деления, но в обычной жизни мы их не используем.
Продолжительность средних солнечных суток существенно отличается на разных планетах. Венера обращается вокруг своей орбиты за 243 земных дня. Средние сутки на Марсе составляют 9 часов 55 минут, на Сатурне — 10 часов 34 минуты, на Уране — 17 часов 14 минут
Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, и этот оборот занимает у нее целый год. Именно вследствие этого движения мы видим, как в течение года Солнце, Луна и планеты перемещаются по небу. Этот путь называют зодиаком. На протяжении зодиака расположены 12 созвездий, которые издревле имеют особое значение в астрологии. На самом деле созвездий больше, но древние выделили именно эти, так как считали, что они оказывают особое влияние на жизнь людей.
Зодиак — это пояс на небесной сфере, по которому проходит видимое движение Солнца в течение года
Почему зимой холодно, а летом жарко?
Многие люди считают, что зима наступает тогда, когда Земля находится далеко от Солнца, а лето — когда наша планета приближается к своему светилу. Это одно из самых распространенных заблуждений. На самом деле, эта зависимость совершенно неверна. Ведь когда в Северном полушарии наступает лето, в Южное приходит зима, а между тем оба эти полушария находятся на одной и той же планете. В чем же причина смены времен года?
Все дело в наклоне земной оси по отношению к плоскости орбиты, по которой она движется вокруг Солнца. Если бы ось была перпендикулярна орбите, то смены времен года не существовало бы вовсе. А так Земля движется вокруг Солнца, находясь в положении наклона, и подставляет свои бока теплу неравномерно. Когда наша планета находится в той части орбиты, где ее ось указывает в сторону светила, то в Северном полушарии наступает лето, потому что оно сильнее освещено Солнцем. Южное в это время наиболее удалено от Солнца, поэтому там царит зима. Через полгода Земля достигает того промежутка, где ось направлена в сторону от Солнца, и времена года меняются на противоположные.
Земля совершает свой путь вокруг Солнца за 365 дней и приблизительно 6 часов. Поэтому стандартный год состоит из 365 суток. Лишние часы за четыре года образуют еще одни, дополнительные сутки, которые добавляют к февралю. Поэтому в этом месяце иногда бывает не 28, а 29 дней, и такой год называют високосным.
Что такое год, месяц, сутки с точки зрения астрономии?
Человек начал активно интересоваться измерением времени тогда, когда понял, что из этого можно извлечь практическую пользу.
В первую очередь это было необходимо для точного предсказания смены сезонов, что позволяло заранее планировать предстоящие сельскохозяйственные работы. В результате такие базовые понятия как год, месяц и сутки твёрдо вошли в культуру всех современных народов, а вместе с тем и в представление каждого отдельно взятого человека.
Но только в средние века многочисленные исследования звёздного неба дали возможность раскрыть истинную сущность наблюдаемых астрономических явлений. В результате научное знание приобрело несколько трактовок базовых временных терминов, о которых, однако, знают далеко не все.
Что такое год?
Изначально под годом подразумевался полный цикл смен времён года (зима, весна, лето, осень). Лишь после создания гелиоцентрической теории было доказано, что понятие года неразрывно связано с вращением Земли вокруг Солнца (а также наклоном земной оси). Для повышения точности вычисления траекторий небесных тел и решения других астрономических задач необходимо было чёткое определение термина «год», в результате чего на свет появилось несколько его трактовок:
Тропический год: временной отрезок, за который Солнце возвращается в изначальное положение на небесной сфере (с точки зрения наблюдателя на поверхности Земли). Продолжительность – 365 дней 5 часов 48 минут 45.19 секунд (незначительно меняется каждый год).
Сидерический: временной отрезок, за который Земля делает полный оборот вокруг Солнца и возвращается в начальную точку (отсчёт ведётся относительно звёзд, положение которых на небесной сфере изменяется очень медленно). Продолжительность – 365 дней 6 часов 9 минут 8,97 секунд.
Аномалистический год: временной отрезок, за который наша планета возвращается в определённую точку собственной орбиты – перицентр. Продолжительность – 365 дней 6 часов 13 минут 52,6 секунд.
Календарный год: временной отрезок, приближённо обозначающий полный сезонный цикл. Продолжительность 365 дней (в григорианском календаре).
Стоит отметить, что в современном календаре через каждые 4 года происходит увеличение годичного цикла на один день. Это связано с тем, что «лишние» четверти суток в конце каждого года суммируются и прибавляются к каждому пятому году.
Что такое месяц?
Понятие месяца большинство людей также ассоциируют с современным календарём. Однако исторически 30-дневный цикл привязан к лунному календарю, а точнее к 29-дневному периоду полной смены фаз единственного спутника нашей планеты. Такой месяц носит название синодического и длится 29 суток 12 часов 44 минуты и 2,8 секунд. По аналогии с годом (лунный) месяц может быть также тропическим, сидерическим и аномалистическим.
Большинство народов давали название тому или иному месяцу в соответствии с его свойствами, но в современном григорианском календаре проследить такие закономерности трудно. Дело в том, что название месяцев в этой системе заимствованы из латинского юлианского календаря, поэтому если перевести их на русский, то они получат однозначный смысл: сентябрь – седьмой, октябрь – восьмой, август – назван в честь Октавиана Августа, июль – в честь Юлия Цезаря и т.д.
Что такое сутки?
С астрономической точки зрения сутки являются периодом полного оборота Земли вокруг своей оси, поэтому у этого термина нет такого разнообразия интерпретаций, как у года и месяца. Учёные выделяют земные сутки (полный цикл день/ночь, видимый для наблюдателя с поверхности Земли. Продолжительность – 24 часа) и звёздные сутки (полный цикл для стороннего наблюдателя. Продолжительность – 23 часа 56 минут 4 секунды).
Такая разница объясняется тем фактом, что за сутки наша планета несколько продвигается по свое орбите, поэтому для завершения цикла для земного наблюдателя планета должна немного «довернуться». Также стоит отметить, что разделение суток на 24 часа является абсолютно условным делением, которое продиктовано культурными особенностями европейской культуры (в истории есть примеры того, как различные народы делили сутки на 10, 22, 30 частей, которые, к тому же, могли быть неодинаковыми по продолжительности).
Из-за действия сил гравитации Солнца скорость вращения нашей планеты очень медленно замедляется, в результате чего продолжительность суток увеличивается. Например, 500 млн. лет назад в сутках было всего 20,5 часов, следовательно, за каждое столетие этот важный временной промежуток увеличивается на 2 миллисекунды.
Что такое время?
Время — это характеристика нашего мира, которая нужна для того, чтобы описывать порядок и длительность различных явлений.
Мы говорим: «Раньше эта елочка была намного меньше». Раньше — позже — это порядок. Еще мы знаем, например, что цветок растет быстрее дерева. Быстрее — медленнее — это длительность. Для ее определения стали сравнивать различные процессы с некоторыми регулярными явлениями — например, считать, какое количество раз всходило Солнце за время роста цветка, а какое — за время роста дерева. Это сравнение и называется измерением времени. Время — это длящееся бытие, живущий мир.
Главное свойство времени состоит в том, что оно длится, течет непрестанно. Астроном, физик, любой другой специалист (и неспециалист) всегда отмечают с предельно доступной точностью моменты наблюдения: время начала и окончания явления или его продолжительность. Без пометки времени любой готовый результат астрономического наблюдения — рисунок, фото графия, регистрограмма самописца — не имеет практически никакой научной ценности. И наоборот, возрастающая точность измерения времени одних и тех же явлений природы иногда приводит к новым открытиям.
Время необратимо, то есть нельзя изменить порядок уже сделанных ходов, невозможно следствие поставить раньше его причины. Если бы Земля не испытывала никакого внешнего воздействия, тогда и планета вращалась бы вечно, и время Вселенной сделалось бы обратимым, но для этого только было бы надо, чтобы во Вселенной не осталось ничего, кроме вращающегося вокруг своей оси земного шара.
Научное знание строится на отыскании и сравнении сходных предметов и явлений, с тем, чтобы можно было предсказать их поведение в будущем. Сначала человек наблюдал простейшие, самые заметные периодические явления природы: суточное вращение звездного неба, месячное движение Луны и годовое движение Солнца по созвездиям. После этого люди принялись изучать другие повторяющиеся явления: фазы Луны, затмения Луны и Солнца, конфигурации планет — это и стало началом астрономии. Наблюдение небесных повторов оказало сильнейшее воздействие на мировоззрение человека. Но древний человек увидел в спирали времени только замкнутую круговерть — кольцо. Кольцо времен позволяло наглядно представить безграничность времени — вечность.
Еще в каменном веке людям удалось определить продолжительность года в 360–365 дней. Помог им в этом древнейший астрономический прибор гномон, который представлял собой врытый в землю вертикальный столб. Полуденная тень гномона всегда обращена на север, поэтому этот прибор был и первым компасом. А когда от столба прочертили направление на север, он стал первыми часами, показывавшими пока только один час — полдень. Когда вокруг гномона поставили визиры на точки восхода Солнца в День Первой Травы или в День Большой Воды, то получили прицел-календарь, позволяющий узнавать о возвращении даты через год. Правда, в каждой точке горизонта Солнце восходит дважды в году. Например, первый выгон коров на Руси был приурочен к Егорию (7 мая). В той же точке горизонта Солнце появится и 5 августа. Однако май от августа можно отличить и без прибора.
Звездные и солнечные сутки
Солнечные сутки примерно на 4 минуты длиннее звездных, потому что Земля одновременно вращается вокруг оси и обращается вокруг Солнца.
Чтобы самостоятельно определить продолжительность оборота Земли, нужно смастерить визир-прицел из двух гвоздей, вбитых в доску, и установить его на штативе. Далее как можно точнее навести визир на любую звезду, зафиксировать его положение и, отметив и записав время начала наблюдений, оставить прибор неподвижным на сутки. Вместо визира с еще большим успехом можно использовать телескоп или зрительную трубу, так же надежно закрепленные. Через 23 ч 56 мин (это и есть продолжительность оборота Земли — сутки) Земля, сделав оборот вокруг оси, сама нацелит визир на ту же звезду.
Солнечные сутки подобны «лунным». Вследствие движения вокруг Земли Луна каждые сутки смещается на фоне звезд на 13°, и Земля доворачивается до полного оборота относительно Луны еще 50 мин. Вследствие движения Земли вокруг Солнца оно для земного наблюдателя тоже смещается на фоне звезд — на 1° за сутки. А скорость вращения Земли — 1° в 4 мин. Потому-то Земля и завершает оборот относительно Солнца с опозданием на 4 мин.
За сутки звездный и солнечный обороты Земли расходятся на 4 мин, за месяц — на 120 мин за год — на 24 ч. Так же расходятся и часы, отмеряющие звездное и солнечное время. В году звездных суток на одни больше, чем солнечных. И только раз в год, а именно в момент осеннего равноденствия, звездное время совпадает с солнечным.
Человек живет днями и ночами, он живет солнечными сутками. Но в любой обсерватории есть часы, которые идут по звездному времени — каждые сутки на 4 мин вперед. Они нужны для организации наблюдений. По нижнему краю звездной карты проставлены часы и минуты. Это — прямое восхождение светил. Прямое восхождение Сириуса — 6 ч 45 мин. Это означает, что в указанное время по звездным часам в любой день года Сириус оказывается точно на юге, на меридиане. Взглянув на звездные часы и на карту, легко сообразить, какие звезды сейчас удобны для наблюдения.
Часовщик может отрегулировать механический будильник, заставив его спешить на 4 мин в сутки, т. е. идти по звездному времени. А в ежегодных астрономических календарях есть таблица «Звездное время в среднюю полночь», позволяющая правильно поставить стрелки звездных часов.
В поисках надежных часов
Уже через 25 лет после изобретения маятниковых часов удалось создать настолько точный часовой механизм, что его с успехом стали использовать для наблюдений в обсерваториях.
Первым его применил английский королевский астроном и первый директор Гринвичской обсерватории Джон Флемстид в 1676 г. при составлении большого звездного каталога «Британская история неба». От Флемстида идет традиция проверки и изучения хода астрономических часов. Он «наблюдал часы», изучая их ход, как наблюдают движение новой планеты.
Любые механические часы, даже если они наилучшим образом отрегулированы, непременно или спешат, или отстают. Кроме того, все часы идут неравномерно: иногда быстрее, иногда медленнее — в зависимости от качки, тряски, температуры, атмосферного давления, загрязнения и старения механизма, настройки и многих других причин. Так что часы надо регулярно проверять, желательно раз в сутки в одно и то же время. Раньше астрономы это делали по звездам, переводя потом звездное время в среднее солнечное, по которому и идут часы. Теперь они пользуются специальными сигналами времени, более точными, чем звуковые сигналы по радио или часы на телеэкране: астрономам нужна точность до тысячных долей секунды. Астрономам-любителям для большей части наблюдений достаточна точность порядка 1 с.
Последним усовершенствованным маятником были часы Федченко, созданные в 1954 г. Их точность составляла 3 ⋅ 10–4 с. Впрочем, часы Федченко появились на свет слишком поздно. В 1939 г. из часов была выброшена главная деталь — механический маятник. С этого года в обсерваториях стали использоваться кварцевые часы. В них роль маятника, т. е. регулятора хода, выполняет кварцевая пластинка, вырезанная из цельного кристалла. Если к ней подвести электрический ток, она начинает колебаться с заданной частотой. Хорошие часы, управляемые кварцевой пластинкой, имеют вариации хода 10–4—10–6 с в сутки. У кварцевых часов, повысивших точность астрономических измерений в 100 раз, есть свой недостаток. Кварцевая пластинка со временем стареет, и это ведет к неуклонному замедлению хода часов примерно на 10–6 с в сутки.
Придуманы и опробованы настроечные часы с другими атомами-маятниками: водородные, рубидиевые, но цезиевые атомные часы пока остаются главными.
Вникнуть в устройство атомных часов труднее, чем понять, как идут ходики. Современные сверхточные часы — сложные электронные приборы. Астрономы должны уметь грамотно пользоваться ими при наблюдениях как за небом, так и за Землей.
Вращение Земли
Веками с вращением Земли люди сверяли ход часов. Когда были созданы часы с фантастически равномерным ходом, появилась возможность проверить: а вращается ли Земля равномерно? Еще Иммануил Кант, развивая Ньютонову теорию приливов, доказал в 1754 г., что вращение Земли должно замедляться. В самом деле, притяжение Луны вздымает в Мировом океане два приливных «горба» — подлунный и противолунный. Земля, вращаясь, проворачивается между ними так, как если бы две громадные волны непрестанно перекатывались навстречу ее вращению. Таким образом, приливы должны тормозить Землю. Два века спустя часы Шорта и кварцевые часы подтвердили правоту Канта.
Более того, оказалось, что Луна в паре с Солнцем вызывают приливы еще и в атмосфере и в земной коре, поскольку под корой тело Земли ведет себя, как жидкость. Дважды в сутки Луна приподнимает людей над центром Земли на 50 см. Все виды приливов в сумме тормозят вращение нашей планеты так, что сутки удлиняются на 3,3 с каждые 100 тыс. лет. Зато другая причина, наоборот, заставляет планету вертеться быстрее — на 1 с за 100 тыс. лет. Эта причина — сжатие, уменьшение объема Земли, вызванное уплотнением вещества в ее недрах (возможно, здесь сказывается и таяние ледников). В результате действия приливов и «утрамбовки» Земли сутки удлиняются на 2,3 с за 100 тыс. лет.
Местное время
Звездное время определяют по взаимному расположению полярной звезды и большой медведицы, а солнечное — по солнечным часам. Солнечные часы почти всегда показывают время, не совпадающее с тем, по которому мы живем, на несколько минут.
Если бы достаточно равномерно вращающийся земной шар также равномерно обращался вокруг Солнца по круговой орбите, а ось Земли была перпендикулярна плоскости орбиты, тогда и Солнце по небу, и его часы на Земле тоже шли бы равномерно. Но, во-первых, Земля движется по эллипсу неравномерно, а во-вторых, наклон земной оси к экватору — это еще одна причина разной продолжительности суток.
Чтобы все сутки в году были одинаковы, люди придумали «среднее Солнце». Это воображаемое Солнце в отличие от настоящего движется вокруг Земли, и притом не по эклиптике, а по небесному экватору. Оно перемещается совершенно равномерно; «выравненное» время, по которому мы живем, называется средним солнечным временем. Если же быть совсем точным, к названиям этих времен надо добавлять слово «местное»: местное звездное время и т. д. Наиболее удобно в обиходе местное среднее солнечное время. Во-первых, оно связано с ритмом день-ночь, а во-вторых, это время — в отличие от истинного солнечного — равномерно и потому приспособлено и для обычных часов.
За всемирное время принято местное среднее солнечное время Гринвичской обсерватории в Лондоне, через которую проведен нулевой меридиан Земли. Все сигналы точного времени соответствуют минутам и секундам всемирного времени. При этом астрономическая Служба времени постоянно следит за неравномерностью вращения Земли по атомным часам и по мере необходимости добавляет, а иногда и отнимает «високосную» секунду в самом конце года, так же, как раз в четыре года в календарь вставляют лишний день — 29 февраля. Поэтому в последней минуте перед Новым годом (по всемирному времени) может быть и 59, и 60, и 61 с. Об этом астрономическая служба оповещает заранее.
В развитие хорошей идеи всемирного времени придумали поясное время. Для этого выбрали 24 главных земных меридиана с долготой 0°, 15°, 30°, 45° и т. д. На каждом из этих меридианов местное время отличается от всемирного на целое число часов, а минуты и секунды совпадают с гринвичскими. От каждого из этих меридианов отмерили влево и вправо по 7,5° и провели границы часовых поясов. На территории такой «мандариновой дольки» время всюду одинаковое и отличается от соседних поясов ровно на час. Нулевой часовой пояс лежит по обе стороны от Гринвичского меридиана. В системе поясного времени, принятой почти во всем мире, все часы показывают одинаковые минуты и секунды, а часовая стрелка при пересечении границы пояса переводится ровно на час вперед или назад в зависимости от направления движения. Во многих развитых странах весной к поясному времени добавляется один час (летнее время), а осенью это час убирается. В России с 2014 г. в большинстве регионов круглый год время на час больше поясного.
Если путешествовать с запада, навстречу Солнцу, то время у путешественника понемногу прибавляется, а если двигаться с востока, следом за Солнцем, то истинное солнечное время течет медленнее. Поэтому для путешествующего вокруг Земли непременно должна быть где-то граница, выпускающая странника в новую дату и день недели. Такая граница была проведена в XIX в. Международная линия смены даты проходит через Берингов пролив между островами Тихого океана от полюса до полюса.
Календарь
Главное назначение календаря — дать простой способ привязывать события к последовательности дней и легко фиксировать в одном и том же сезоне начало года. Если бы календарный год был постоянно равен 365 суткам, его начало всегда опережало бы начало истинного года на 5 ч 48 мин, и день Нового года проходил бы через все времена года за период около 1508 лет. Но такой год, некогда применявшийся в Египте, лишает календарь удобства. Поэтому в календаре чередуются годы продолжительностью 365 дней и 366 (високосные).
В римском календаре, введенном Юлием Цезарем, високосный год включается раз в четыре года. Персы в XI в. делали високосным годом каждый четвертый год семь раз подряд, а восьмой раз заменяли високосным лишь пятый год. В григорианском календаре (по новому стилю) метод несколько менее точен, чем у персов, но позволяет проще переводить годы и века в дни, а это и является одним из главных назначений календаря: он состоит в том, чтобы считать високосным каждый четвертый год, исключая его в конце каждого века, кроме каждого четвертого столетия. Средняя длина григорианского года равна 365,242500 суток, что на 0,0002581 суток — на 22 секунды — длиннее истинного года. Но если, следуя аналогии такого способа, исключать еще один високосный год каждые четыре тысячи лет, то длина года настолько приблизится к его длине, определенной из наблюдений, что можно пренебречь их разностью, учитывая к тому же, что длина года не совсем постоянна.