Движение Солнца

Может показаться, что рассуждать о движении Солнца вокруг Земли не совсем корректно, поскольку со времен Коперника известно, что все происходит наоборот - Земля вращается вокруг Солнца. Однако еще 500 лет тому назад этот факт являлся опасной ересью, что не мешало астрономии успешно развиваться, основываясь на геоцентрической системе, то есть предположении, что Земля является центром Вселенной. Что уж тогда говорить о гномонике - науке, появившейся задолго до астрономии. Впрочем, если мы связываем систему координат с наблюдателем на Земле, то именно "первобытная" картина мира становится верной.

Небесная сфера

Для описания положения объектов на небе в астрономии используется термин небесная сфера. Так называют воображаемую сферу, в центре которой находится наблюдатель. Фактически, это модель такого мира, каким он казался нашим предкам и до сих пор кажется нам. Небо с планетами и звездами вращается вокруг нас, а мы являемся центром Вселенной. Человеческое представление о себе как о "пупе Вселенной" легко можно найти в истории древних народов. Например, название Китай означает "царство середины", Индия называлась "место центра" - Midgiana. Ну, а древние инки отсчет пространства вели от своего храма в Куско, что дословно и означает "пупок". На иллюстрации изображена небесная сфера, как она представляется человеку в точке O. Для того чтобы описать положение какого-нибудь объекта A на небесной сфере (например, Солнца), достаточно от чего-нибудь отмерить всего два угла, которые на рисунке обозначены α и h.

Плоскость видимого горизонта делит небесную сферу на две части: наблюдаемую верхнюю полусферу и невидимую нижнюю, расположенную под нами. Угол h подъема небесного тела A над горизонтом называется высотой. Она равна нулю, когда объект лежит на линии горизонта и равна 90°, когда он расположен прямо над головой наблюдателя. Эта самая верхняя точка Z называется зенит. Точка N на нижней полусфере прямо под нами называется надир. Использовать линию горизонта для измерения высоты достаточно естественно, сложнее дело обстоит с углом α. Его ведь надо откладывать от какого-то постоянного направления. Во время вращения небесной сферы на ней остаются неподвижными точки P и P', которые называются северным и южным полюсами мира соответственно. Это места, где ось вращения Земли "протыкает" небесную сферу. Конечно, в северном полушарии мы видим только северный полюс мира P, который не будет совпадать с точкой зенита Z, если только вы не находитесь на самом северном полюсе Земли. Звезду, которая сейчас ближе всего к неподвижной точке P на небесной сфере, принято называть Полярной. Cеверный полюс мира не имеет постоянного места, а медленно перемещается по небесной сфере в силу прецессии. Этот процесс означает, что сама ось Земли вращается из-за того, что Земля не является идеальным шаром, а сплюснута с полюсов. Например, во времена древнего Египта и Шумера северный полюс мира располагался в районе звезды Тубан созвездия Дракона, а через 12000 лет звездой северного полюса станет ярчайшая Вега в созвездии Лира. Проекция земной оси на плоскость горизонта определяет очень важное (кардинальное) направление: север-юг. Отсчет угла α, который называется азимутом, в гномонике ведется от направления на юг (на рисунке обозначено OS), где Солнце ежедневно достигает своей максимальной высоты. Именно высота Солнца играет в гномонике решающее значение для определения направления север-юг. Если высота Солнца максимальна, то тень от вертикального предмета (гномона) будет минимальной. Это самый простой и древний способ определения направления на юг.

На чертеже справа иллюстрация того, как в древности определяли направление на юг. Тень от вертикального гномона бывает одинаковой утром и вечером, а достигает минимального размера в полдень, когда Солнце строго на юге (для северного полушария). Если вокруг гномона нарисовать окружность и наблюдать за тенью весь день, то тень пересечет окружность в двух точках. Остается лишь разделить угол пополам.

Не так давно ученые заметили, что коровы в момент еды становятся строго вдоль мередиана, то есть направления север-юг. Про то, как это было выяснено, можно по-английски прочесть здесь. Можно представить, зачем перелетным птицам нужен "внутренный компас", но зачем он нужен нелетающим коровам пока неясно.

Для небесной сферы несущественным является радиус, ведь измерение расстояния между двумя объектами сводится к измерению угла между ними. В реальности между звездами могут быть миллионы световых лет, но, если в своем видимом движении они совмещаются на небесной сфере, то расстояние между ними будет равно 0°.

Эклиптика и Зодиак

Ежедневное движение Солнца по небу обусловлено вращением Земли вокруг своей оси и определяет смену дня и ночи. Со стороны северного полушария это движение можно описать, как вращение против часовой стрелки. Соответственно в северном полушарии Солнце движется по небу слева-направо (по часовой стрелке), а в южном - наоборот. Помимо ежедневного перемещения Солнца, оно совершает годовой оборот, который называется тропическим годом. Именно продолжительность тропического года - 365,2422 суток лежит в основе нашего календаря. Годовой путь Солнца по небесной сфере остается одним и тем же и называется эклиптикой.

Если расположить небесную сферу так, чтобы северный полюс мира P совпадал с зенитом, то плоскость земного экватора будет совпадать с плоскостью горизонта, а эклиптика будет представлять собой путь, который на рисунке обозначен оранжевым цветом. Плоскость эклиптики пересекает плоскость экватора под углом, который равен углу наклона земной оси и составляет 23°27'. Проекция эклиптики на небесную сферу проходит через зодиакальные созвездия, которые исторически играют большую роль при описании положения Солнца и планет солнечной системы. Дело в том, что все планеты солнечной системы лежат в одной плоскости, поэтому вдоль эклиптики движется не только Солнце, но и планеты. Еще в древности этот факт послужил основой для создания астрологии, в основе которой лежит Зодиак. В гномонике Зодиак стоит воспринимать, как символический способ деления эклиптики (солнечного года) на 12 равных частей (солнечных месяцев) по 30°, так же как это понимается в астрологии. В отличие от начала года, которое мы празднуем 1 января, начало астрономического солнечного года приходится на точку весеннего равноденствия, которую обычно обозначают буквой γ. С этого момента начинается первый солнечный месяц, который называется по созвездию Овна. Момент весеннего равноденствия соответствует пересечению Солнцем небесного экватора при его переходе из южной полусферы в северную. Как видно на рисунке после весеннего равноденствия (точка 1) Солнце движется вверх и достигает максимальной высоты в точке 2, которая соответствует летнему солнцестоянию. Затем оно "опускается" и в точке 3 достигает осеннего равноденствия, где эклиптика опять пересекает плоскость экватора. Точка 4 соответствует дню зимнего солнцестояния. Высота Солнца, движущегося по эклиптике, называется склонением и традиционно обозначается греческой буквой δ. Когда Солнце располагается ниже плоскости экватора, его склонение обозначается отрицательной величиной.

Не следует путать высоту Солнца с его склонением. Эти величины совпадают только на северном полюсе, а в остальных случаях они связаны следующей формулой:
h = 90° - φ + δ,
где h - высота Солнца, φ - широта места наблюдения, а δ - склонение. Данная формула иллюстрирует соотношение в полдень. В остальное время она значительно сложней:
sin(h) = sin(δ)sin(φ) + cos(φ)cos(δ)cos(H),
где H - солнечное время в угловых единицах, в полдень Н = 0°.

Для однозначного определения местоположения Солнца на небесной сфере используется понятие долготы, то есть угловое расстояние Солнца от точки весеннего равноденствия γ по проекции эклиптики на небесной сфере. На рисунке угол, соответствующий долготе, обозначен буквой σ. Долгота меняется от 0° до 360°. Поскольку в солнечном году немногим больше 365 дней, то за сутки долгота Солнца увеличивается примерно на один (360/365.25) градус.