Если фотографировать Солнце в одно и то же время каждый день, вы получите причудливую форму восьмерки: аналемму. Вот почему.
В любое время дня вы теоретически можете настроить камеру, чтобы сделать снимок пейзажа, который охватывает видимое положение Солнца на небе. Если вы вернетесь на следующий день в то же самое время, через 24 часа, вы обнаружите, что Солнце очень незначительно изменило свое положение. Если бы вы делали это каждый день в течение всего года, вы бы обнаружили две важные вещи:
- Солнце наконец-то вернулось бы в исходную точку, как Земля вернулась в ту же точку своей орбиты годом ранее.
- Нарисованная вами фигура будет похожа на восьмерку, одна петля которой больше другой: форма, известная как наша аналемма.
Тот факт, что Земля обращается вокруг Солнца один раз в год, объясняет первую часть. Но движение Солнца в его особой форме аналеммы обусловлено сочетанием глубоких причин. Давайте выясним, почему.
Первой важной причиной видимого движения Солнца является тот факт, что Земля вращается вокруг Солнца с наклоном вокруг своей оси. Наклон оси Земли примерно на 23,5° гарантирует, что наблюдатели в разных местах будут видеть, как Солнце достигает более высокого или более низкого положения над горизонтом в течение года. Когда ваше полушарие наклонено к Солнцу, максимальное положение Солнца будет приближаться к зениту, а когда ваше полушарие наклонено, максимальное положение Солнца будет удаляться дальше от него.
Когда ваша половина мира наклонена к нашей родительской звезде, путь Солнца по небу кажется длиннее, поднимается выше и дает нам больше часов дневного света, чем в среднем. Наклон оси является причиной смены времен года на Земле и объясняет, почему существует такая разница в продолжительности и характере дня в период летнего и зимнего солнцестояния.
Вообще, по всей Земле Солнце восходит в восточной части неба, поднимается высоко над головой в экваториальном направлении, а затем опускается и заходит на западе. Если вы живете:
- к югу от 23,5° южной широты июньское солнцестояние отмечает самый короткий и низкий путь Солнца по небу, а декабрьское солнцестояние отмечает самый длинный и высокий путь.
- к северу от 23,5° северной широты декабрьское солнцестояние отмечает самый короткий и низкий путь Солнца по небу, а июньское солнцестояние отмечает самый длинный и высокий путь.
- между двумя тропиками (между 23,5° южной широты и 23,5° северной широты) Солнце будет проходить прямо над головой в течение двух дней, равноудаленных от одного солнцестояния.
Из любого места, если бы вы отслеживали положение Солнца в течение года - например, через камеру-обскуру - вот что вы бы увидели.
Но кажется, что Солнце не просто восходит и заходит в небе симметрично. Время заката и восхода солнца меняется в течение года. Солнце достигает своей высшей точки в разное время года, а не только в полдень каждый день.
Причина этого во многом связана со вторым основным фактором, влияющим на видимое движение Солнца в течение года: орбита Земли вокруг Солнца эллиптическая, а не круговая.
Орбита по эллипсу означает не только то, что Земля находится ближе или дальше от Солнца в определенных точках своей орбиты. Это также - согласно второму закону Кеплера - означает, что когда Земля находится близко к Солнцу (перигелий), она обладает большей орбитальной скоростью, а когда Земля находится далеко от Солнца (афелий), она обладает меньшей орбитальной скоростью.
Само по себе это не имело бы большого значения, но теперь нам нужно добавить еще один фактор: Земля не делает один оборот вокруг своей оси каждые 24 часа. Вместо этого Земля совершает полный оборот на 360° всего за 23 часа 56 минут; день длится 24 часа, потому что эти дополнительные 4 минуты нужны, чтобы «догнать» расстояние, пройденное Землей по своей орбите вокруг Солнца.
В течение обычного дня, когда Земля движется со своей средней скоростью вокруг Солнца, 24 часа вполне достаточно. Но когда Земля движется медленнее (около афелия), 24 часа слишком много для того, чтобы Солнце могло вернуться в прежнее положение, и поэтому кажется, что Солнце смещается медленнее, чем в среднем. Точно так же, когда Земля движется быстрее (вблизи перигелия), 24 часов недостаточно, чтобы Солнце вернулось туда, где оно началось, и поэтому оно смещается быстрее, чем в среднем.
Если бы нам приходилось бороться только с осевым наклоном, а наша орбита была бы идеальной окружностью, то траектория, прочерченная Солнцем в небе, была бы действительно идеальной восьмеркой: симметричной как по горизонтали, так и по вертикальные оси.
Если бы мы жили на необработанной планете с эллиптической орбитой, путь Солнца по небу был бы просто эллипсом: эксцентриситет был бы единственным фактором, влияющим на то, как движется Солнце. Примерно это происходит на Юпитере и Венере, где осевые наклоны незначительны.
Но здесь, на Земле, у нас есть и эллиптическая орбита, и значительный осевой наклон, так что оба эффекта существенны. В частности, когда мы объединяем их, мы можем сразу понять, почему наша аналемма выглядит как «восьмерка», защемленная с одной узкой стороны.
Здесь, на Земле, перигелий приходится на 3 января: всего через 2 недели после декабрьского солнцестояния. Поскольку наша планета движется с наибольшей скоростью ближе к декабрьскому солнцестоянию, это делает «нижнюю» сторону аналеммы (от Северного полушария) значительно большей, чем «верхнюю» сторону, совпадающую с афелием в начале июля и Июньское солнцестояние.
В общем, мы можем объединить эти эффекты, чтобы составить уравнение для того, где Солнце будет находиться в любое конкретное время, если смотреть из любого места на Земле. Мы называем эту производную величину уравнением времени.
В общем, только осевой наклон и эллиптичность определяют форму пути Солнца, наблюдаемого в одно и то же время каждый день с Земли. Аналемма Земли имеет фиксированную форму.
Но есть еще два фактора, определяющих точную ориентацию аналеммы. Одним из них является ваше местонахождение на Земле: наблюдатели из Северного полушария увидят маленькую петлю аналеммы высоко в небе, а большую петлю - ниже, в то время как наблюдатели Южного полушария увидят обратное.
И второе - в какое время дня вы делаете фотографии. Если вы ежедневно фотографируете:
- в полдень, когда Солнце находится в максимальной точке, аналемма будет казаться идеально вертикальной.
- до полудня, до того, как Солнце достигнет своего максимума, будет казаться, что аналемма вращается против часовой стрелки из полуденного положения.
- после полудня, после того как Солнце достигнет своего пика, аналемма будет казаться повернутой по часовой стрелке из своего полуденного положения.
Изучив 52 совмещенных изображения Сезара Канту, сделанных в течение года, вы можете сказать, что он сфотографировал Солнце ближе к вечеру со своей широты в Мексике.
Легко видеть, что самая верхняя точка соответствует летнему солнцестоянию, а самая нижняя - зимнему, но особого астрономического значения «точка пересечения» в аналемме Солнца не имеет. как видно с Земли. Происходящие примерно 14 апреля и 30 августа, эти даты определяются только тем, как наши времена года, определяемые осевым наклоном, совпадают с орбитой нашей планеты вокруг Солнца.
Если бы наши перигелий и афелий были выровнены по точкам равноденствия, а не по точкам солнцестояния, у нас была бы аналемма в форме слезы, а не восьмерка, как Солнце появляется с Марса! Аналемма представляет собой красивую естественную форму, очерченную Солнцем с течением времени, образующую восьмерку, как того требуют и наша орбита, и осевой наклон. Наслаждайтесь движением Солнца по нашему небу, поскольку его уникальный космический пируэт обусловлен единственным в своем роде движением нашей планеты в космосе!