четверг, 21 июля 2011 г.

Солнце всходит и заходит...The sun rises and sets




Астрономия у нас как правило ассоциируется с ночным небом, полным россыпью звезд. Но Солнце - тоже небесное светило, только дневное. Как и звезды оно восходит, поднимается к полудню и заходит, уступая место многочисленным ночным светилам.
С одной стороны мы часто слышим неграмотные утверждения наподобие "Солнце восходит на востоке и заходит на западе" или "Смена сезонов года бывает из-за приближения и удаления Солнца", "В полдень Солнце находится в зените". С другой - каждый зрячий человек в своей жизни наблюдал восходы и заходы Дневного светила, степенное восхождение к полудню на максимальную высоту над южным горизонтом, зависящим от сезона года. Каждый знает, что летом дни длинные, а ночи короткие, зимой наоборот.
Давайте попробуем опираться на тот наблюдательный опыт, который у нас уже есть. Таким опытом пользовались и древние люди, когда определяли сроки посева, когда строили каменные календари и пирамиды. Их может заметить каждый, если будет знать, за чем конкретно нужно наблюдать.
Рис. 1. Вид Солнца в
небольшой телескоп.
Подробнее...
Темы, в которых нужно использовать пространственное воображение, практически невозможно объяснить без иллюстраций. Небесные светила мы можем всегда увидеть в ясную погоду. Наблюдать Солнце удобно еще и потому, что можно это сделать днем :-) (непривычно для астронома, да?). Увидеть его можно и в телескоп (с фильтром, разумеется) или на экране (рис. 1). Рассказ об источнике солнечной энергии, пятнах и факелах отложим на следующие страницы, а сейчас речь пойдет о видимом его движении.
Если невооруженным глазом смотреть на Солнце (следует пользоваться фильтром), то его явного движения мы не замечаем. Но стоит подождать часок-другой, как вы увидите, что относительно земных предметов наш объект наблюдений переместился вправо, а именно, в сторону запада. Но даже за меньшее время можно заметить его перемещение, применив несложные приспособления. Например, на подоконнике (или между стекол) устанавливается небольшое зеркало, отбрасывающее "зайчик" на стену. "Солнечный зверек" за относительно небольшое время пробежит, точнее, проползет :-) заметный путь. Экспериментом подтверждается всем известный факт видимого движения светила. Причина - конечно, вращение Земли вокруг своей оси.
Любому известно также, что тени от предметов перемещаются в течение дня, изменяется и их длина. Но не каждый знает, как это использовать для определения времени. Несложные солнечные часы (рис. 2) нетрудно соорудить на стене своего дома или дачи. Подробнее...
Рис. 2. Настенные
солнечные часы.
Рис. 3. Живые "солнечные
часы" во дворе школы.
Рис. 4. Садовые
солнечные часы
Вы можете сами найти в сети Интернет множество иллюстраций, фотографий по солнечным часам. Они в изобилии имеются в информационном пространстве Интернет. Один из способов их поиска - это раздел "Картинки" в Google.com, в данном случае, пользуясь ключевым словом "sundial".
Теперь требуется выяснить, как движется Солнце относительно горизонта. Мы привыкли утверждать, что Светило восходит на востоке и заходит на западе. Так ли это? Наверняка каждый замечал, что зимой суточный путь Солнца короток (и день также короткий). Точки восхода и захода при этом смещены к югу, т.е. находятся на юго-востоке и юго-западе. Летом в противоположность этому суточный путь длинный, начинается на северо-востоке и заканчивается на северо-западе. И лишь в равноденствия (21 марта и 23 сентября), когда день равен ночи, Солнце действительно восходит в точке востока и заходит в точке запада. Это, как видите, происходит два раза в год.
И уж конечно в средних широтах дневное светило через зенит вовсе не проходит. Но зимой оно максимально поднимается гораздо ниже, чем летом. Отсюда объяснение смены времен года: скользящие по земной поверхности лучи света дают горадо меньше тепла, чем прямые. Один ученик объяснял тот факт, что зимой холодно так: "... зимой на улице лежит снег и лед, поэтому холодно" :-).
Суточный путь Солнца можно сфотографировать. Для этого делается серия снимков, а затем складываются в один (рис. 6, 7). Фотографический способ сложения, которым пользовались в недавнем прошлом, сложен и может отбить желание экспериментировать. Но в этом может помочь программа Adobe Photoshop и сканер.
Рис. 6. Трек
заходящего Солнца.
Рис. 7. Трек Солнца в
течение дня.
Снимки Ulrich Beinert
Монтаж делается следующим образом. Снимки Солнца, на которых есть также и земные опорные объекты (дома, деревья и др.) сканируются и вставляются в слои Photoshop. Нижний слой оставляется непрозрачным, на каждый последующий слой устанавливается прозрачность 1/2 (50%), 1/3 (33%), 1/4 (25%) и т.д. Разумеется, при вставке каждого последующего слоя его нужно точно позиционировать относительно уже вставленных.
Неважно, что монтаж сделан при помощи компьютера, а не неподвижной специальной камерой. Ведь правильно смонтированная картинка будет соответствовать действительности. Компьютер - это ведь инструмент, а самоцель и здесь его возможности могут быть весьма востребованы.
А еще можно производить съемку Солнца в течение года в один и тот же час (можно не каждый день, конечно). Неискушенный в астрономии читатель скажет: "Мы получим линию из изображений Солнца." А нет! Получается красивейшая фигура с не менее красивым названием "аналемма" (рис. 8, 9). Читатель забыл, что Земля вращается вокруг Солнца не точно по окружности, а по слегка вытянутому эллипсу. Зимой Земля ближе к Солнцу, движется по орбите быстрее, поэтому сутки чуть короче (нижняя часть "восьмерки"). Летом - наоборот.
Получить такой снимок уже непросто, требуется терпение и умение. С другой стороны, это новое поле для изобретения способа съемки. Например, можно регулярно снимать пол собственной комнаты в определенный час. Прямой солнечный свет заслоняется куском картона с небольшим отверстием. Луч, прошедший через отверстие, также при данном способе съемки начертит на полу аналемму (рис. 10).
Рис. 8. Фото Dennis di Cicco,
журнал "Sky and Telescope".
Рис. 9.
Аналемма.
Рис. 10. Аналемма
на полу комнаты
В сети Интернет изображения аналеммы легко найти также через поисковый сервис Google.com, в данном случае, пользуясь ключевым словом "analemma".
Видимые движения светил без труда моделируются астрономическими программами, такими, как RedShift или StarryNight. Но работа с компьютером, сетью Интернет, с книгой - это всего лишь способы больше узнать о том, что каждый вечер видим над собой, заметить это и удивиться.
источник http://astrometric.sai.msu.ru/stump/html/1_109.html


Увеличенный фрагмент одного из камней -обсерватория в Ирландии.

Видимое годовое движение Солнца
Перейдем от реального движения Земли в пространстве к видимому движению Солнца для наблюдателя, находящегося на широте , . В течение года центр Солнца движется по большому кругу небесной сферы, по эклиптике, против часовой стрелки. Поскольку плоскость эклиптики в пространстве неподвижна относительно звезд, то эклиптика вместе со звездами будет участвовать в суточном вращении небесной сферы. В отличие от небесного экватора и небесного меридиана эклиптика будет менять свое положение относительно горизонта в течение суток.
Как изменяются координаты Солнца в течение года? Прямое восхождение  изменяется от 0 до 24h, а склонение изменяется от - до +. Лучше всего это можно увидеть на небесной карте экваториальной зоны (рис. 13).



Рис. 13. Изменение экваториальных координат Солнца в течение года

Для четырех дней в году мы знаем координаты Солнца точно. Ниже в таблице даны эти сведения.


Таблица. Данные о Солнце в дни равноденствий и солнцестояний
Датат. восходат. заходаhmax
21 марта0o 00'0h 00mEW
22 июня23o 26'6h 00mсев.-вост.сев.-зап.
23 сентября0o 00'12h 00mEW
22 декабря-23o 26'18h 00mюг.-вост.юг.-зап.

В таблице указана также полуденная (в момент верхней кульминации) высота Солнца на эти даты. Для того, чтобы вычислить высоту Солнца в моменты кульминаций на любой другой день года, нам необходимо знать  в этот день:


Таким образом, перед нами встает задача научиться приближенно рассчитывать координаты Солнца на любой день года.
В первом приближении Солнце движется по эклиптике равномерно: за 365d проходит 360o, примерно 1o в сутки, а точнее 59'.2. Как будут при этом меняться  и ? Точный ответ можно получить только из решения сферических треугольников, и в данном курсе мы этим заниматься не будем. Важно понять, что даже при строго равномерном движении Солнца по эклиптике (что, вообще говоря, не так из-за эллиптичности земной орбиты: вблизи перигелия Земля, а соответственно и Солнце среди звезд, движется быстрее, чем в афелии), изменение экваториальных координат Солнца происходит неравномерно. Мы пренебрежем здесь неравномерностью в изменении прямого восхождения, и будем считать, что суточное изменение  = 59'.2. Склонение быстрее всего изменяется вблизи равноденствий, примерно  в сутки в течение 30d до и в течение 30d после равноденствия. Медленнее всего изменения склонения Солнца происходят вблизи солнцестояний:  в сутки в течение 30d до и в течение 30d после солнцестояния. В промежутках скорость изменения склонения Солнца приблизительно  в сутки. Подробнее скорость изменения склонения в разное время года представлена в таблице 2.


Таблица. Скорость изменения склонения Солнца в течение года
Даты/сутки
19 февраля - 20 апреля+ 0o.4
21 апреля - 22 мая+ 0o.3
23 мая - 22 июня+ 0o.1
22 июня - 22 июля- 0o.1
23 июля - 21 августа- 0o.3
22 августа - 23 октября- 0o.4
24 октября - 22 ноября- 0o.3
23 ноября - 22 декабря- 0o.1
22 декабря - 21 января+ 0o.1
22 января - 18 февраля+ 0o.3

Этой таблицей мы будем пользоваться, чтобы вычислять склонение Солнца на любой день года.
для более подробного изучения http://www.astronet.ru/db/msg/1175354/node7.html

А вот что изображено на камнях древней обсерватории 
Knowth Kerbstone K78
сравните со схемой
Тропический год
думаю таким образом велись расчёты при наблюдении за небесными объектами.



график изменения скорости Солнца  (2005-2009 годы)

Синусоида с годичным периодом (штриховая кривая) дает разность между истинным и средним временем, обусловленную неравномерным движением Солнца по эклиптике. Эта часть уравнения времени называется уравнением центра или уравнением от эксцентриситета. Синусоида с полугодичным периодом (штрих-пунктирная кривая) представляет разность времен, вызванную наклоном эклиптики к небесному экватору, и называется уравнением от наклона эклиптики.
Период в 4 года.



Временные периоды.
11 летний период.

22летний период.


Менора -отражение небосвода.



Вот пример, что изображалось на щитах у Кельтов

Вот такие совпадения встречаются.