Период обращения небесного тела
Если мы захотим определить период обращения небесного тела, то одних часов для этой цели недостаточно.
Кроме часов нам нужна ещё постоянная точка на небе, через которую наше небесное тело проходит по меньшей мере два раза, что позволяет наблюдателю, находящемуся на Земле, измерить промежуток времени между двумя одинаковыми положениями исследуемого тела в пространстве.
К счастью, такие неподвижные точки на небе найти совсем нетрудно, хотя есть такие звезды, которые по определённым причинам имеют заметное «собственное движение» но небу. Однако, несмотря на это, звёздное небо является хорошей системой координат для измерения времени.
Для нашей жизни важнейшей единицей времени является период обращения Земли вокруг Солнца. Мы можем определить его продолжительность, наблюдая видимое перемещение Солнца по небу. Речь идёт о видимом перемещении Солнца среди звезд, а не о суточном движении Солнца по небу с востока на запад; заметным это перемещение становится потому, что вид ночного звёздного неба в течение года постепенно меняется.
Выберем определённую «неподвижную» звезду в качестве фиксированной точки и измерим промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через эту точку. Так мы получим сидерический год, который длится 365, 25636 суток.
Однако движение Земли вокруг Солнца на самом деле сложнее.
- Во-первых, земная ось наклонена к плоскости орбиты Земли на угол 23°27′.
- Во-вторых, положение земной оси в пространстве изменяется, хотя и очень медленно.
Сначала рассмотрим движение Земли, не учитывая это изменение. Плоскость земного экватора составляет тот же угол 23°27′ с плоскостью земной орбиты, называемой плоскостью эклиптики. Эти плоскости пересекаются по прямой АВ (рис.1). При постоянном направлении земной оси направление этой прямой не меняется.
Рис.1. К определению тропического года
Во время своего годичного обращения вокруг Солнца Земля дважды проходит через точки, где линия пересечения АВ направлена в центр Солнца. В эти моменты день и ночь на Земле имеют одинаковую продолжительность. Это день весеннего равноденствия 21 марта (начало весны) и день осеннего равноденствия 23 сентября (начало осени).
Если мы продолжим линию А-В — Солнце в день 21 марта, то она будет направлена на определённую точку неба, которую называют точкой весеннего равноденствия. Промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом.
Если бы ось Земли занимала неизменное положение в пространстве, то сидерический и тропический годы были бы равны друг другу. При этом абсолютно безразлично, относительно какой точки звёздного неба рассматривать движение Земли.
Но Земля не является идеальным шаром. Она немного сплюснута с полюсов, или, другими словами, имеет небольшое утолщение вокруг экватора. Солнце стремится повернуть Землю так, чтобы плоскость земного экватора совпадала с плоскостью земной орбиты.
Вращающаяся Земля реагирует на это, но совсем не так, как этого «хотело» бы Солнце. А именно, Земля ведёт себя как любой волчок, когда его пытается опрокинуть какая-нибудь внешняя сила. В этом случае ось волчка отклоняется перпендикулярно к направлению действующей силы и медленно описывает коническую поверхность (рис.2). Это известное явление прецессии, которое можно наблюдать на любом игрушечном волчке.
Рис.2. Прецессионное движение земной оси
Прецессия земной оси протекает крайне медленно. Полную окружность земная ось описывает в течение 25 730 лет. Плоскость экватора, перпендикулярная земной оси, также совершает медленные колебания в пространстве. В результате направление линии АВ пересечения плоскости экватора с плоскостью земной орбиты непрерывно изменяется, и она оказывается направленной на Солнце не строго в один и тот же момент 21 марта, а каждый год немного раньше, чем в предыдущий.
Другими словами, точка весеннего равноденствия в течение столетий медленно передвигается. В древности она была расположена в созвездии Овна, и поэтому её и сегодня обозначают знаком Овна, хотя в наши дни она находится уже в созвездии Рыб.
Итак, для сидерического года визирная прямая А — Солнце — фиксированная звезда остаётся постоянной, а прямая А — В — Солнце изменяет своё направление. Вследствие этого тропический год, составляющий 365,24220 суток, приблизительно на 20 мин 23 сек короче сидерического года.
В заключение добавлю, что в основе нашего деления времени на секунды и обычного календарного счёта лежит тропический год.