Измерение времени
Время является философской, физической и социальной категорией, поэтому задача точного измерения времени — одна из важнейших проблем современной науки. Из нашего опыта известно, что время «течет» равномерно, подобно воде в спокойной, тихой реке. По этому принципу в древности были сконструированы водяные и песочные часы. Со временем создали механические часы, действие которых основано на принципе периодических колебаний маятника, который долго может сохранять постоянным период своих колебаний. А принцип действия точных современных электронных часов базируется на использовании колебаний в электромагнитном поле кристаллов, или даже отдельных молекул. На протяжении веков вид часов менялся (рис.1,2), точность измерений увеличивалась, но некоторые единицы для измерения времени остались теми же — год и сутки, потому что они связаны с движением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси.
Солнечные сутки — время, за которое Земля совершает
полный поворот вокруг своей оси относительно Солнца.
1 час = 1/24 суток
1 час = 60 мин = 3600 с
Рис.1. Старинные солнечные часы
Для определения угловой скорости обращения Земли ориентирами могут служить Солнце, звезды и другие небесные светила. Поэтому и используют две системы отсчета времени — звездное время и солнечное время. Звездное время, преимущественно, используют астрономы, а в повседневной жизни все люди применяют только солнечное время. Промежуток времени, за который Земля совершает полный оборот вокруг своей оси относительно Солнца, называют солнечными сутками. Сутки делятся на 24 часа. По традиции начало солнечных суток (0 ч) наступает в полночь.
Рис.2. Первые атомные часы
Солнечное время в определенном месте, или местное время, можно определить при помощи солнечных часов — обычной палочки, тень от которой поможет приблизительно измерить местное время. Местный полдень — 12 часов по местному времени наступает в тот момент, когда происходит верхняя кульминация Солнца.
В повседневной жизни пользоваться местным временем неудобно, потому что в каждой точке на поверхности Земли оно разное, и мы, переезжая из одного места в другое, должны были бы постоянно переводить стрелки часов на несколько минут. Эта проблема устраняется, если пользоваться поясным временем, которое ввели в конце XIX в. Землю разделили меридианами на 24 часовых пояса и договорились, что все часы в одном поясе будут показывать одинаковое время, равное местному времени среднего меридиана (рис.3). Путешественники переводят часы на один час только при пересечении границы соответствующего пояса.
Рис.3. Часовые пояса. Земля разделена на 24 пояса, в каждом из которых все часы показывают одинаковое время. Переезжая из одного пояса в другой, путешественники переводят стрелки часов на целое число часов
Нулевой пояс проходит через Гринвичский меридиан, поэтому часы в Великобритании показывают местное время Гринвичского меридиана — это время называют всемирным временем. В современных мобильных телефонах местное время нулевого пояса обозначают GMT (с англ. Гринвичское среднее время).
| Местное время определяется с помощью солнечных часов. Каждый меридиан имеет свое местное время Поясное время равняется местному времени среднего меридиана соответствующего пояса Всемирное время (англ. UT) — точное время Гринвичского меридиана. Всемирное время применяют в астрономии для определения моментов различных космических событий |
Плоскость эклиптики на протяжении веков занимает постоянное положение относительно звезд, но полюса мира постепенно смещаются в космическом пространстве. Это явление называют прецессией (от лат.— опережение; рис. 5). И если в наше время Северный полюс мира расположен в созвездии Малой Медведицы, то через 13000 лет он переместится в созвездие Лиры, и наши потомки будут определять направление на север при помощи звезды Вега..
Рис.5. Явление прецессии демонстрирует детская юла, вращающаяся вокруг собственной оси, в то время как ее ось описывает конус в пространстве
| Прецессия — смещение оси вращения Земли относительно звезд. Ось вращения Земли описывает в космосе конус с периодом 26000 лет. |
Для любознательных
Обратите внимание, что точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб, но обозначается знаком Овна. Причина такого странного несоответствия заключается в том, что вследствие прецессии точка весеннего равноденствия ежегодно смещается относительно звезд на 50". То есть за последние 2000 лет точка весеннего равноденствия переместилась почти на 30°, и через несколько десятков лет будет находиться в созвездии Водолея. Еще через 13000 лет точка весеннего равноденствия переместится в созвездие Девы, а точка осеннего равноденствия будет наблюдаться в созвездии Рыб.
Смена времен года на Земле
Из курса природоведения известно, что ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°, и это приводит к смене времен года на Земле. Если бы ось вращения Земли была перпендикулярна к плоскости орбиты, то смены времен года не происходило бы, потому что Солнце в течение года освещало бы равномерно Северное и Южное полушария нашей планеты.
Рис.6. Угол между плоскостями экватора и эклиптики 23,5°, а угол между плоскостью эклиптики и полюсом мира 66,5°. Это является причиной смены времен года на Земле
Такие дни, когда Солнце одинаково освещает два полушария Земли, наступают только дважды в год — весной 20—21 марта, и осенью 22—23 сентября, когда на всех материках одинаковая продолжительность дня — 12 часов. В остальные месяцы продолжительность дня больше или меньше 12 часов и зависит от географической широты места наблюдения. Самый длинный день в Северном полушарии наступает 21—22 июня — начало астрономического лета, а в Южном полушарии в этот день начинается астрономическая зима. Через полгода, 21—22 декабря, наоборот, в северном полушарии наступает астрономическая зима, а в южном — лето.
Рис.7. Освещение Земли солнечными лучами зимой и летом. Больше энергии от Солнца получает тропическая зона, где в полдень солнечные лучи могут падать перпендикулярно к горизонту. Широта тропиков ±23,5°
Календари
Календари созданы для измерения больших промежутков времени. В современном календаре всех европейских стран за основу берется 1 тропический год — период обращения Земли вокруг Солнца относительно точки весеннего равноденствия, но при создании идеального календаря возникает осложнение, так как тропический год не имеет целого числа суток.
Тропический год (365 суток 5 ч 48 мин 46 с) — период обращения Земли вокруг Солнца относительно точки весеннего равноденствия
| Простые годы имеют 365 суток. Високосный год — 366 суток. Эти дополнительные сутки вводят 29 февраля По григорианскому календарю год считается високосным, если он делится на 4 без остатка, кроме тех лет, которые оканчиваются на два нуля и число сотен которых не делится на 4 |
Долгое время в Европе пользовались юлианским календарем, который был введен еще Юлием Цезарем в 46 г. до н. э. В этом календаре продолжительность тропического года была принята за 365 суток 6 ч 00 мин 00 с, а для того чтобы год имел целое число суток, было принято, что каждые 3 года подряд год длится по 365 суток, а четвертый — 366 суток (високосный год). Но в среднем каждый календарный год был длиннее тропического на 11 мин 14 с (365 суток 6 ч 00 мин 00 с - 365 суток 5 ч 48 мин 46 с). То есть когда тропический год уже реально заканчивался, год по юлианскому календарю продолжался еще 11 мин 14 с. Поэтому за четыре года погрешность накапливалась и календарь отставал уже на 44 мин 56 с, а за 400 лет — почти на трое суток.
Григорианский календарь, действующий в наше время, исправил эту неточность. В нем изъяли три дня из каждых 400 лет, то есть три високосных года сделали простыми. На рис. 3.9 показано, какие годы были високосными по юлианскому календарю, а кружочком обведены те, которые стали простыми по григорианскому. Легко заметить, что это те годы, которые заканчиваются двумя нулями и число сотен которых не делится на четыре нацело.
Рис.9. Високосные годы по юлианскому календарю. Кружочком обведены годы, которые по григорианскому календарю не являются високосными
Григорианский календарь тоже не идеален, но погрешность на одни сутки он дает примерно через 33 века.
Для любознательных
Новая реформа календаря была проведена в 1582 году по предложению Папы Римского Григория XIII. Чтобы исправить накопленную к тому времени разницу, объявили, что 1582 г. продлится только 355 суток. Новый календарь был назван григорианским (или новым стилем) в честь Папы Римского и постепенно был введен во всех странах Европы и Америки. Теперь разница между юлианским и григорианским календарями достигла уже 13 суток и сохранится еще в XXI в. В гражданской жизни Украины новый стиль был введен правительством Центральной Рады в 1918 г.
Выводы
При помощи небесных светил можно определять время. Период вращения Земли вокруг оси используют для отсчета часов, минут и секунд. Период обращения Земли вокруг Солнца используют при создании календарей для отсчета длительных промежутков времени.