§ 7. Видимий річний рух Сонця. Тропічний і зоряний рік
1. Зміна вигляду зоряного неба протягом року. Здавна було помічено, що розташування зірок на небозводі від вечора до вечора міняється. Зокрема, зірки, які навесні безпосередньо після сходу Сонця піднімаються над горизонтом на сході, через три місяці в цей же час доби проходять через небесний меридіан у його південній частині. Ще через три місяці вони зникають увечері на заході.
Зміна виду зоряного неба залежно від пори року свідчить про безперервний зсув Сонця на тлі зірок. Його видимий річний рух відбувається назустріч обертанню небесної сфери приблизно на 1 (4 хв) за добу, так що за рік воно проходить шлях довжиною в 360 (24 ч), тобто здійснює повний оборот серед зірок на небі.
Наочним прикладом зміни виду зоряного неба протягом доби й роки може бути Ківш Великої Ведмедиці (мал. 7.1). Лінія, проведена від Полярної зірки через середину відстані між зірками в й 5 — «передніми колісьми» Воза, указує на положення точки осіннього рівнодення , а точніше — її кутова відстань від небесного меридіана. Це дає можливість побудувати зоряні годинники.
2. Зодіакальні сузір'я й знаки Зодіаку. Шлях Сонця на небі уздовж екліптики пролягає через певні сузір'я, які здавна мають назва зодіакальних (від гречок. «зоон» — «тварина» і похідного від цього слова «зодіакос », тобто «тваринний»), оскільки серед назв цих сузір'їв багато назв тварин: Овен, Телець, Рак, Лев й ін. Слово «зодіак» означає «коло із зображеннями тварин» або «пояс тварин». У Зодіаку налічується 12 сузір'їв.
Черговість проходження Сонця по сузір'ях Зодіаку показана на мал. 7.2. Відзначимо, що з 20 листопада по 18 грудня Сонце перебуває в 13-м сузір'ї —Змієносці, однак у число зодіакальних воно не входить.
Для зручності відліку положення Сонця на екліптиці, а також для визначення положень Місяця й планет, астрономи Древнього Вавилона більше 2700 років тому розділили екліптику на 12 рівних відрізків по 30'. Кожний із цих відрізків одержав назву того зодіакального сузір'я, у межах якого він перебував. Таким чином, знак Зодіаку - це дуга екліптики довжиною в 30°. позначена назвою відповідного зодіакального сузір'я.
Знаки Зодіаку відраховують уздовж екліптики на схід від точки весняного рівнодення так, що першим вважається знак Овна; понад 2000 років тому Сонце проходило цей відрізок екліптики з 21 березня по 21 квітня. Другий знак Зодіаку -- знак Тельця; Сонце проходило його з 22 квітня по 21 травня й так далі. Б кожному знаку Зодіаку Сонце перебуває місяць.
3. Прецесія. У наш час знаки Зодіаку не розташовуються в тих зодіакальних сузір'ях, які і дали їм назви. Кожний зі знаків Зодіаку тепер проектується на сусіднє сузір'я. Так, перебуваючи в знаку Овен, Сонце рухається по сузір'ю Риб; перебуваючи в знаку Телець, Сонце рухається по сузір'ю Овна й т.д. Така невідповідність знаків Зодіаку зодіакальним сузір'ям порозумівається тим, що крапка весняного рівнодення 'В, до якої «прив'язані» знаки Зодіаку, не посідає постійного місця на небі, а безупинно зміщається назустріч видимому річному руху Сонця: за рік - на 50,26". У результаті Сонце щороку приходить у точку весняного рівнодення трохи раніше (на 24 хв 24 с), ніж у попередньому році. У цілому, точка весняного рівнодення, поступово зміщаючись по зодіакальних сузір'ях (або знакам), за 25 800 років обходить весь Зодіак.
Такий зворотний рух точки весняного рівнодення називається прецесією рівнодення (від лат. «прецессио» — «випередження»). Це явище прецесії було відкрито ще давньогрецьким астрономом Гіпархом (II в. до н.е.), пояснив же причину прецесії И. Ньютон.
Нагадаємо, що Земля не має правильної сферичної форми, а вісь її добового обертання нахилена до площини екліптики під кутом 66,5°. Тому Місяць і Сонце, притягаючи до себе більш близькі екваторіальні виступи Землі сильніше, ніж більш віддалені, створюють обертальний момент, що прагне сполучити площину земного екватора із площиною земної орбіти, а вісь обертання Землі встановити перпендикулярно до площини екліптики. Але цьому перешкоджає швидке обертання Землі. У результаті вісь Землі, подібно осі величезної дзиґи, описує в просторі навколо середнього положення конус із розмахом 23 26,5' і періодом в 25 800 років (мал. 7.3). Внаслідок цього положення полюсів світу серед зірок змінюється. Кожний з них за 25 800 років описує на небі мале коло радіусом 2326,5' навколо полюса екліптики (мал. 7.4). І якщо в наш час Полярною зіркою є а Малої Ведмедиці, те 4 500 років тому Полярною зіркою була а Дракона (Тубан), а через 12 000 років нею буде одна із самих яскравих зірок літнього неба — а Ліри (Вега). Відповідно змінюється й положення площини екватора в просторі, а отже, і точок рівнодень, у яких екватор перетинається з екліптикою.
В результаті прецесії сітка небесних координат безупинно, хоч і дуже повільно, зміщається відносно зірок, тому й умови їхньої видимості в певній точці змінюються із часом. Так, приблизно через 12 000 років більшої частини сузір'я Оріона на території України не буде видно.
4. Ефекти, обумовлені видимим річним рухом Сонця. Оскільки Сонце, рухаючись по небесній сфері уздовж екліптики, то віддаляється від лінії небесного екватора, то наближається до неї, відбувається постійна зміна його екваторіальних небесних координат .
20 (21) березня Сонце перетинає небесний екватор у точці весняного рівнодення, переходячи з південної півкулі неба в північне (мал. 7.5).
Перебуваючи в точці весняного рівнодення, Сонце на всіх широтах сходить у точці сходу , а заходить у точці заходу. Половина його добового шляху на небі перебуває над горизонтом, половина - під горизонтом. Отже, на всій земній кулі (крім біляполярних областей) день і ніч по тривалості стають рівними між собою. Цей день називається вдень весняного рівнодення.
21 (22) червня, у день літнього сонцестояння, Сонце найбільше віддаляється від лінії небесного екватора в північну небесну півкулю; у північній півкулі Землі починається астрономічне літо. Протягом декількох днів схил Сонця, а отже, і його висота над горизонтом у верхній кульмінації не змінюється (звідси й назву явища — а сонцестояння »). При цьому в північній півкулі тривалість дня найбільша, а ночі — найменша.
22 (23) вересня Сонце знову перетинає небесний екватор — тепер уже в точці осіннього рівнодення, переходячи з північної небесної півкулі в південне; у північній півкулі Землі наступає астрономічна осінь. На земній кулі тривалість дня знову стає рівної тривалості ночі. Цей день називається днем осіннього рівнодення.
21 (22) грудня, у день зимового сонцестояння, Сонце знову далі всього відходить від лінії небесного екватора, але вже в південній небесній півкулі. Це — початок астрономічної зими в північній півкулі. При цьому в північній півкулі Землі тривалість дня стає найменшою, а тривалість ночі - найбільшою в році.
Така зміна схилу Сонця протягом року обумовлена тим, що вісь добового обертання Землі не міняє свого напрямку в просторі під час орбітального руху навколо Сонця. У якій би точці своєї орбіти не перебувала Земля, кут нахилу її осі обертання до площини екліптики завжди становить 90 - е = 66'34'. У підсумку промені Сонця протягом року падають на певну точку земної поверхні під різними кутами (мал. 7.6). Цим й обумовлена зміна пір року.
Однак, подивившись у календар, ми побачимо, що ні 21 березня, ні 23 вересня день і ніч не рівні між собою. 21 березня день триває 12 ч 10 хв, а не 12 ч 00 хв, рівнодення ж наступає 17-18 березня. Восени, відповідно до календаря, рівнодення наступає 26, а не 23 вересня. Цьому є дві причини.
По-перше, теоретично момент рівнодення настає, коли центр сонячного диска проектується на точку весняного рівнодення. Однак початок дня визначають не по сходу центра сонячного диска, а по моменті появи над обрієм його верхньої точки. Відповідно й кінець дня визначається моментом, коли верхній край Сонця зникне під обрієм. Таким чином, Сонце в цілому проводить на небі трохи більше часу, ніж центр його диска.
По-друге, існує таке явище, як атмосферна рефракція — відхилення світлового променя від прямолінійного напрямку при його проходженні через неоднорідну атмосферу Землі (мал. 7.7). На горизонті рефракція досягає найбільшого значення 35', тобто навіть перевищує кутові розміри Сонця й Місяця (вони близькі до 31'). За рахунок рефракції верхній край Сонця з'явиться над горизонтом раніше, а зайде пізніше, ніж Сонце зійде й зайде насправді. Завдяки цьому явищу тривалість дня на
Землі більше, ніж вона могла б бути на планеті, позбавленої атмосфери.
Іноді (особливо навесні) внаслідок різких хаотичних рухів атмосферних мас, кут рефракції може досягати більше 2'. Тоді спостерігачеві здається, що Сонце то «визирає» через горизонт, те відразу ховається за ним. У зв'язку із цим у наших предків склалося повір'я, що «на Великдень Сонце тричі купається».
Разом зі зміною екваторіальних координат Сонця, викликаним видимим рухом по небесній сфері протягом року, безупинно змінюються також азимути точок сходу й заходу Сонця, висота Сонця над горизонтом у верхній кульмінації й тривалість його знаходження над горизонтом (мал. 7.8).
5. Тропічний і зоряний рік. Завдяки явищу прецесії з'явилися поняття тропічного й зоряного року.
Зоряний рік — це проміжок часу, за який центр диска Сонця здійснює повний оберт по екліптиці щодо зірок. Фактично зоряний рік - це проміжок часу, за який Земля здійснює повний оберт навколо Сонця щодо далеких зірок.
Тропічний рік — це проміжок часу між двома послідовними проходженнями центра диска Сонця через точку весняного рівнодення. Тропічний рік є основною календарною одиницею часу.
Через прецесію, тропічний рік виявляється коротше зоряного на 20 хв 24 з, оскільки щороку точка весняного рівнодення зміщається на 50,26" назустріч Сонцю.
Через які зодіакальні сузір’я Сонце проходить навесні, через які – восени?
В чому відмінність між поняттями «зодіакальне сузір’я» та «знак Зодіаку»?
Чому день дорівнює ночі не 20-21 березня, на які припадає рівнодення, а на три дні раніше, а в вересні пізніше?
Розкажіть про явище процесії та його наслідках.
7.1. Знаючи дати приходу астрономічної весни, літа і т.п, вирахуйте тривалість весняно-літнього і осіннє-зимнього періодів року.
7.2. Користуючись картою зіркового неба, оцініть, через скільки років через процесію точка весняного рівнодення переміститься в сузір’я Водолія.