Какую форму принимает Солнце в одно и то же время суток в течение года?
«Жизнь трагична просто потому, что земля вращается, а солнце неумолимо восходит и садится, и однажды для каждого из нас солнце зайдет в последний, последний раз». - Джеймс А. Болдуин
И все же всего через несколько дней Солнце достигнет солнцестояния: точки, в которой земная ось максимально наклонена по отношению к плоскости нашей орбиты. Когда наша планета совершает свой годовой оборот вокруг нашей родительской звезды, двигаясь по огромному эллипсу длиной около 300 миллионов километров вдоль своей главной оси, она делает это с наклоном. Когда наша планета вращается, она не параллельна и не перпендикулярна плоскости нашей орбиты, а наклонена под определенным углом.
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. В этом году 21 июня отмечается летнее солнцестояние для северного полушария и зимнее солнцестояние для южного. Таким образом, в эту субботу у европейцев и североамериканцев будет самый длинный день в году, а у австралийцев - самый короткий.
Вообще кажется, что Солнце восходит в восточной части неба, поднимается высоко над головой в направлении экватора, а затем опускается и заходит на западе.
Если бы вы отслеживали положение Солнца в течение года - например, через камеру-обскуру - это то, что вы бы увидели.
Самый низкий и короткий путь, который проходит Солнце по небу, приходится на день зимнего солнцестояния; самая высокая и самая длинная происходит во время летнего солнцестояния.
Ну, а чего бы вы тогда ожидали, если бы фотографировали Солнце - и его положение на небе - каждый день в одно и то же время в течение всего года? Вы ожидаете прямой линии? Изогнутая линия?
Я бы не стал вас винить, если бы вы это сделали, но, как оказалось, то, что вы на самом деле увидите, гораздо более удивительно и гораздо более зрелищно.
Эта форма выглядит как вытянутая восьмерка, одна доля которой намного больше и шире другой. Как и следовало ожидать, самая высокая вершина этой фигуры соответствует летнему солнцестоянию, а самая нижняя точка соответствует зимнему солнцестоянию.
Но эта форма вовсе не прямая линия, и она не уникальна для нашего мира. Уран, Нептун и Плутон видят восьмерки из своего мира; Юпитер и Венера видят эллипсы; но Сатурн и Марс видят в небе необычную каплевидную форму!
Почему мы видим именно эти формы? И, в частности, почему наша аналемма имеет такую форму и такой наклон?
Наклон - это самая простая часть: если вы фотографируете в полдень каждый день, вы получите полностью вертикальную аналемму: форму восьмерки без какого-либо наклона.
Аналемма появляется в этой ориентации - с маленькой петлей вверху и большой петлей внизу - , потому что эти изображения были сделаны из Северного полушария. С южного неба аналемма кажется перевернутой!
И, конечно же, время суток имеет большое значение в том, как ориентирована эта аналемма: так же, как Солнце в летние месяцы движется по небу немного быстрее, так форма аналеммы, поэтому аналеммы, снятые не в полдень, кажутся наклоненными.
Так чем же объясняется эта форма? Две вещи: осевой наклон нашей планеты, во-первых, и эллиптичность орбиты нашей планеты в качестве другого фактора. Если бы у нас их не было: если бы Земля вращалась так, что ее ось была бы полностью перпендикулярна плоскости нашей орбиты, а наша орбита образовывала бы идеальную однородную окружность, Солнце появлялось бы в одном и том же месте каждый божий день. У нас не только не было бы времен года, но его путь по небу никогда не менялся бы ни на один градус изо дня в день, из месяца в месяц или из года в год!
Но орбита нашей планеты наклонена, и на значительную величину.
Этот наклон в 23,4° означает, что путь Солнца периодически меняется в течение года, поднимаясь выше и раньше летом, ниже и позже осенью, ниже и раньше зимой, выше и позже весна.
Наклон нашей оси немного меняется со временем, но останется относительно постоянным в течение следующего миллиона лет.
Если бы дело было только в этом - имеющем в виду, что наша орбита представляет собой идеальный круг - наша аналемма была бы действительно идеальной восьмеркой, симметричной как относительно горизонтальной, так и вертикальной осей.
Но наша орбита вовсе не идеальный круг; он эллиптический!
Когда Земля находится ближе всего к Солнцу, близко, но не одновременно с солнцестоянием, она наиболее быстро перемещается вблизи Солнца, в результате чего видимый путь Солнца изменяется быстрее, чем в среднем. Когда Земля находится дальше всего от Солнца, она движется медленнее, чем обычно, в результате чего траектория движения Солнца меняется медленнее.
Если бы мы жили на невозделанной планете с эллиптической орбитой, путь Солнца по небу был бы просто эллипсом: примерно так происходит на Юпитере и Венере, где осевые наклоны незначительны. Но здесь, на Земле, у нас есть и эллиптическая орбита, и значительный наклон оси, поэтому оба эффекта существенны!
На такой планете, как Марс, орбита чрезвычайно эксцентрична, и поэтому комбинированные эффекты просто создают гигантскую слезу, в то время как на Земле тот факт, что наша планета движется быстрее всего во время зимнего солнцестояния, делает «нижнее” сторона аналеммы (из Северного полушария) настолько больше, чем “верхняя” сторона!
Нам нравится думать, что каждый день длится 24 часа, но на самом деле Земля совершает полный «оборот» каждые 23 часа 56 минут; остаток нашего дня приходится на то, что Земля перемещается вокруг Солнца. В месяцы, ближайшие к июньскому солнцестоянию (когда Земля приближается к афелию, наиболее удаленному от Солнца положению), она движется наиболее медленно, поэтому этот участок аналеммы «защемлен». Но в месяцы, ближайшие к декабрьскому солнцестоянию (когда Земля находится вблизи перигелия, ближе всего к Солнцу), она движется быстрее, и поэтому этот участок аналеммы удлиняется.(Марс, с другой стороны, имеет форму слезы, потому что его перигелий и афелий совпадают с точками равноденствия, а не с точками солнцестояния!)
Итак, мы можем объединить эти эффекты, чтобы составить уравнение для определения положения Солнца в любой конкретный момент времени: мы называем это уравнением времени.
И это то, что отвечает за нашу аналемму!
Это красивая, естественная форма, которую Солнце принимает с течением времени, и по мере того, как наша орбитальная ось прецессирует с течением времени, наша аналемма тоже будет менять форму. Так что наслаждайтесь максимальными максимумами (или минимумами) Солнца в день солнцестояния, но помните, что оно делает в течение года: совершает свой космический пируэт в нашем небе!