11.04.2020 Русский язык

Астрономия 

                                                                                                           28.03.2020

Лекция 3. Звёздное небо. Летоисчисление и его точность.



Преподаватель Зубарев Д.Г. 

Современная  цивилизация очень уязвима к действию космических факторов, вопросы земной экологии требуют постоянных астрономических наблюдений за Землей и ближайшим космосом, для привлечения ресурсов для выхода из энергетического и экологического кризиса (создание орбитальных рефлекторов, добыча и доставка топлива с Луны, удаление с Земли  высокоактивных и высокотоксичных отходов, добыча ресурсов на астероидах).

Физика и астрономия давно объединились в астрофизику, предметами современного изучения стала область субъядерных взаимодействий, некоторые аспекты взрывов звезд, активность галактических ядер и квазаров, нейтронные  звезды и черные дыры, проблема  «скрытой массы». Создается единый  понятийный аппарат, произошло изменение  способов применения астрономических знаний, необходимость точного определения промежутков времени стимулировала вплоть до 20 века астрономические способы измерения и его эталоны лежали в мировой службе Времени, в настоящее время благодаря физике привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени. Определение географических координат использовали астрономические наблюдения, современная радиофизика и космонавтика, широкое применение радиосвязи и навигационных спутников нужда в астрономических методах отпала, сейчас физика помогает уточнить фигуру и некоторые характеристики Земли.

Астрономию и географию связывает изучение Земли как планеты и влияние  космических  факторов на географию и геологию, строение недр и поверхности, рельеф, климат, сезонные, периодические, долговременные, местные и глобальные изменения в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли, магнитные бури, приливы, смена времен года, дрейф магнитных полей, потепления и ледниковые периоды из-за космических процессов, солнечной активности, вращения Луны, Земли, астрономические методы определения координат местности, ориентация в пространстве, космическое землеведение – изучение планеты для научной и практической деятельности.

Вселенная – мир вокруг нас, она никогда не возникала никогда не исчезнет, не имеет границ, бесконечна в пространстве и вечна во времени. Она непрерывно изменяется, объекты – галактики, звезды, планеты – появляются, проходят свой путь развития и исчезают, а на смену возникают новые, более сложные и разнообразные миры. Часть Вселенной в которой мы живем, называется Метагалактикой – это сверхгигантская система огромного числа галактик  Галактика – система космических тел, состоящая из сотен миллиардов звезд, туманностей, планет и других космических объектов. Наша Галактика имеет размеры  около 100000 св. лет, обладает спиральной формой, состоит из 200 млрд. звезд. Солнечная система находится на окраине Галактики в 27000 св. годах от центра. 

Звезда – основной вид тел, огромный раскаленный шар, чем она  больше и горячее, тем ярче она светит. Звезды различаются по размерам и массе во много раз больше и меньше Солнца, но все больше Земли. Высокая температура звезд обусловлена атомными реакциями, которые идут в центре при температурах свыше 10 млн градусов, чем больше звезда, тем активнее идут атомные реакции, по массам и размерам звезды подразделяют на нормальные- типа Солнце, звезды- гиганты и звезды-карлики.                    

Основным методом исследований являются наблюдения – 90% информации получают так исследования спектров объектов.

Телескоп - астрономический прибор, применяемый для наблюдения космических объектов. Назначение телескопа: сбор возможно большего количества излучения удаленных и слабых объектов и увеличение видимых угловых размеров космических тел и их систем.

Небесной сферой называется воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются все светила так, как их видит наблюдатель в определенный момент времени из определенной точки пространства.

Точки пересечения небесной сферы с отвесной линией, проходящей через ее центр, называются: верхняя точка - зенитом (z), нижняя точка - надиром (z¢ ). Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим, или истинным горизонтом (рис. 1).

Десятки тысяч лет назад было замечено, что видимое вращение сферы происходит вокруг некоей невидимой оси. На самом

деле видимое вращение неба с востока на запад является следствием вращения Земли с запада на восток. 

Диаметр небесной сферы, вокруг которого происходит ее вращение, называется осью мира. Ось мира совпадает с осью вращения Земли. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира.

Угол наклона оси мира к плоскости математического горизонта (высота полюса мира) равен углу географической широты местности.

         Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором (QQ¢).

          Большая окружность, проходящая через полюса мира и зенит, называется небесным меридианом (PNQ¢ Z¢ P¢ SQZ).

 Плоскость небесного меридиана пересекается с плоскостью математического горизонта по прямой полуденной линии, которая пересекается с небесной сферой в двух точках: севера (N) и юга (S).

Небесная сфера разбита на 88 созвездий, различающихся по площади, составу, структуре (конфигурации ярких звезд, образующих основной узор созвездия) и другим особенностям.

 Созвездие – основная структурная единица разделения звездного неба – участок небесной сферы в строго определенных границах. В состав созвездия включаются все светила - проекции любых космических объектов (Солнца, Луны, планет, звезд, галактик и т.д.), наблюдаемых в данный момент времени на данном участке небесной сферы. Хотя положение отдельных светил на небесной сфере (Солнца, Луны, планет и даже звезд) изменяется со временем, взаимное положение созвездий на небесной сфере остается постоянным.

Видимое годичное движение Солнца на фоне звезд происходит по большой окружности небесной сферы - эклиптике (рис. 3). Направление этого медленного движения (около 1° в сутки) противоположно направлению суточного вращения Земли.  

Ось вращения земли имеет постоянный угол наклона к плоскости обращения Земли вокруг Солнца, равный 66° 33². Вследствие этого угол e между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора для земного наблюдателя составляет: e = 23° 26¢ 25,5².Точки пересечения эклиптики с небесным экватором называются точками весеннего (^) и осеннего (d) равноденствий. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб (до недавнего времени - в созвездии Овна), дата весеннего равноденствия - 20(21) марта. Точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы (до недавнего времени в созвездии Весов); дата осеннего равноденствия - 22(23) сентября.

Точки, отстоящие на 90° от точек весеннего равноденствия, называются точками солнцестояний. Летнее солнцестояние приходится на 22 июня, зимнее солнцестояние - на 22 декабря.

1. «Звездное» время, связанное с перемещением звезд на небесной сфере. Измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия: S = t ^ ; t = S - a

2. «Солнечное» время, связанное: с видимым движением центра диска Солнца по эклиптике (истинное солнечное время) или движением «среднего Солнца» - воображаемой точки, равномерно перемещающейся по небесному экватору за тот же промежуток времени, что и истинное Солнце (среднее солнечное время).  

С введением в 1967 году атомного стандарта времени и Международной системы СИ в физике используется атомная секунда.

Секунда - физическая величина, численно равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Сутки - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно какого-либо ориентира.

Звездные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно неподвижных звезд, определяется как промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия.

Истинные солнечные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно центра диска Солнца, определяемый как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра диска Солнца.

Средние солнечные сутки – промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего Солнца»

Средние солнечные сутки на 3^m55,009^s короче звездных суток.

24^h00^m00^s звездного времени равны 23^h56^m4,09^s среднего солнечного времени.

 Около 35000 лет назад люди обратили внимание на периодическое изменение вида Луны - смену лунных фаз. Фаза Ф небесного светила (Луны, планеты и т.д.) определяется отношением наибольшей ширины освещенной части диска к его диаметру D. Линия терминатора разделяет темную и светлую часть диска светила.

Календарь - система счисления больших промежутков времени, основан на периодичности явлений природы, отчетливо проявляющийся  в движении небесных светил. С календарем связана многовековая история человеческой культуры.

Лунный календарь – в его основе лежит синодический лунный месяц – 29,5 средних солнечных суток. Возник 30000 лет назад, содержит 354(355) суток, короче солнечного на 11,25 суток, делится на 12 месяцев по (30) в нечетных и 29 в четных (в мусульманском календаре они называются: мухаррам, сафар, раби аль-авваль, раби ас-сани, джумада аль-уля, джумада аль-ахира, раджаб, шаабан, рамадан, шавваль,

зуль-каада, зуль-хиджжра). За 30 лет набегает разница в 11 суток, в арабском лунном календаре каждые 30 лет 19 простых по 354 сут и 11 високосных по 355 суток. Для планирования параллельно применяют Солнечный  календарь  в основу которого положен тропический год. В настоящее время принят в качестве мирового календаря. В нашей стране до революции применялся юлианский календарь «старого стиля», ошибка в 1917 году составляла 13 суток. В 1918 году был введен принятый во всем мире григорианский календарь «нового стиля» и все даты сдвинули на 13 суток вперед.

Измерение времени. 

Измерение времени основано на наблюдениях суточного вращения свода и годичного движения Солнца, т.е. на вращении Земли вокруг оси и на обращении Земли вокруг Солнца. 

Вращение Земли вокруг оси происходит почти равномерно, с периодом, равным периоду вращения небесного свода. Поэтому по углу поворота Земли от некоторого начального положения можно судить о протекшем времени. За начальное положение Земли принимается момент прохождения плоскости земного меридиана места наблюдения через избранную точку на небе, или, что одно и то же, момент верхней кульминации этой точки на данном меридиане. Продолжительность основной единицы времени, называемой сутками, зависит от избранной точки на небе. В астрономии за такие точки принимаются: - точка весеннего равноденствия (звёздное время), - центр видимого диска Солнца (истинное Солнце, истинное солнечное время), - среднее Солнце - фиктивная точка, положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени (среднее солнечное время). Для измерения длинных промежутков времени служит тропический год, основанный на движении Земли вокруг Солнца.  Тропический год - промежуток времени,  между двумя последовательными прохождениями центра истинного Солнца через точку весеннего равноденствия.  Содержит 365,2422 средних солнечных суток. Из-за медленного движения точки весеннего равноденствия навстречу Солнцу, вызванного прецессией, относительно звёзд Солнце оказывается в той же точке неба через промежуток времени на 20 мин. 24 с. больший, чем тропический год. Он называется звёздным годом и содержит 365,2564 средних солнечных суток. Звёздное время.  Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане называется звёздными сутками. За начало звёздных суток на данном меридиане принимают  момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия. Время, протекшее от верхней кульминации точки  до любого другого её положения, выраженное в долях звёздных суток называется звёздным временем s. Угол, на который Земля повернётся от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия до какого-нибудь другого момента, равен часовому углу точки в этот момент.  s = t. Практически для установления начала звёздных суток или зв. времени в какойто момент надо измерить часовой угол t какого-то светила М, прямое восхождение которого известно.  Тогда t = Qm, α = m, а t= Q = s = α + t.  Звёздное время в любой момент равно прямому восхождению какого-либо светила плюс его часовой угол. В момент верхней кульминации светила его часовой угол = 0, тогда s = α. Истинное солнечное время  Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями Солнца центра солнечного диска) на одном и том же географическом меридиане называется истинными солнечными сутками. За начало истинных солнечных суток на данном меридиане принимают  момент нижней  кульминации Солнца (истинная полночь). Время, протекшее от нижней кульминации Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях истинных солнечных суток называется истинным солнечным  временем Тс.

Истинное солнечное время Тс на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу Солнца tс + 12h. Истинные солнечные сутки имеют различную продолжительность, так как: 1. Солнце движется не по небесному экватору, а по эклиптике, наклонённой на угол 23гр.26мин. 2. Движение Солнца по эклиптике неравномерно.  Среднее солнечное время.  Чтобы получить сутки постоянной продолжительности и в то же время связанные с движением Солнца, в астрономии введены понятия двух фиктивных точек - среднего эклиптического и среднего экваториального Солнца.  Среднее эклиптическое Солнце равномерно движется по эклиптике со средней скоростью Солнца.  Среднее экваториальное Солнце равномерно движется по экватору с постоянной скоростью среднего эклиптического Солнца и одновременно с ним проходит точку весеннего равноденствия. Промежуток времени между двумя последовательными кульминациями среднего экваториального Солнца на одном и том же географическом меридиане называется средними солнечными сутками. Продолжительность средних солнечных суток равна среднему значению продолжительности истинных солнечных суток за год. За начало средних солнечных суток на данном меридиане принимают  момент нижней  кульминации среднего экваториального Солнца (средняя  полночь). Время, протекшее от нижней кульминации среднего экваториального Солнца до любого другого его положения, выраженное в долях средних солнечных суток называется средним солнечным  временем Тm. Среднее солнечное время Тm на данном меридиане в любой момент численно равно часовому углу Солнца tm + 12h. Уравнение времени. Разность часовых углов среднего экваториального Солнца tm и истинного Солнца tс  называется уравнением времени η .  η = tm - tс. Всемирное  время. Местное среднее солнечное время гринвичского меридиана называется всемирным или мировым временем Т0. Местное среднее солнечное время любого пункта на Земле определяется: m  = Т0 + λh.   Поясное время. Местных систем счёта времени бесчисленное множество, как и меридианов. В 1884 году была предложена поясная система счёта среднего времени. Счёт времени ведётся только на 24 основных географических меридианах, расположенных друг от друга по долготе точно через 15 гр., приблизительно посередине каждого часового пояса.  За основной меридиан нулевого пояса принят Гринвичский. Местное среднее солнечное время основного меридиана какого-либо часового пояса называется поясным временем Tn. Тm - Tn =  λ − nh Tn = Т0 + nh Декретное время.

В целях более рационального распределения электроэнергии, идущей на освещение предприятий и жилых домов, в летнее время вводят летнее время. В СССР 16.07.1930г. декретом правительства стрелки часов перевели на 1 час вперёд против поясного времени. 

Календарь, принципы его построения и различные виды. Лунные, солнечные и лунно-солнечные календари, история возникновения и развития. Система счёта длительных промежутков времени называется календарём.  Древние народы измеряли  промежутки  времени,  наблюдая  за движением светил. В Библии написано об этом: "И сказал  Бог:  да будут светила на тверди небесной, для отделения дня от  ночи,  и для знамений, и времён, и дней,  и  годов"  (Бытие.1,13). Здесь указано, что в представлении древних людей светила небесные нужны были для установления календаря.  Для измерения длительных  промежутков  времени  используют период обращения Луны вокруг Земли и Земли  вокруг  Солнца.  Эти явления сложны и  поэтому  ещё  издревле  возникала  путаница  с установлением точного числа дней и месяцев в году. В целый  год, т.е. во время видимого обращения Солнца вокруг Земли, входит  не целое количество дней и не целое количество равных месяцев.  По современным  данным  один  тропический  год  (промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через  точку  весеннего равноденствия) равен 365,2422 суток. В  основу  месяца  положено обращение Луны вокруг Земли. Но каждый лунный месяц имеет  29  - 30 дней. Значит в году не может быть 12 ровных лунных месяцев. Одни народы, например, евреи  и  арабы,  жили  и  живут  по лунному календарю. Год в этом календаре содержит ровно 12 лунных месяцев продолжительностью 29 - 30 дней. Из-за того, что лунный  год  имеет меньше дней, чем тропический, у арабов вообще нет фиксированного начала  года,  оно постоянно перемещается по сезонам. В  течение  жизни  одного  человека  год может начинаться и весной, и летом, и зимой,  и  осенью.  Другие народы комбинировали солнечный и  лунный  циклы,  пытаясь  найти компромисс. Римляне первоначально исчисляли время лунными годами. Новый год начинался 1 марта. До сих пор некоторые месяцы современного календаря называются по этой традиции (сентябрь - седьмой, декабрь - десятый и т.д.). Впоследствии первый день года был перенесён на 1 января, так как с 153 г. до н.э. в этот день вступали в должность консулы.  Гай Юлий Цезарь провёл реформу  древнего  римского календаря, основанного на движении Луны. Он ввёл с 1  января  45 г. до н.э. солнечный календарь. Средняя  продолжительность  года по этому календарю равна 365,25 суток.  Чтобы  избежать  ошибки, связанной с дробным числом дней,  каждые  4  года  добавлялся  1 день. Год с 366-ю днями называется с тех пор високосным.  Лишний день вставлялся не 29 февраля, как это делается сейчас, а  между 24 и 25 числами. У римлян счёт  дней  был  отличный  от  нашего. Отправным пунктом являлся не  первый  день  месяца,  а  какое-то знаменательное событие,  могущее  быть  даже  в  другом  месяце. Фиксировались обычно три дня каждого месяца, каждый из которых соответствовал началу новой лунной фазы. Принятое ныне исчисление дней с первого до последнего в месяце установилось лишь в 6 в. н. э. 

Например, дни в феврале считались от мартовских  коленд.  Так  24 февраля по римски называлось "шестой день до мартовских  коленд". А так как в високосном году было два двадцать  четвёртых  числа, то второе называлось "дважды шестой  до  мартовских  коленд".   Этот календарь в память о Юлии Цезаре называется юлианским. Месяц июль тоже назван в память об императоре. Месяц август был назван в честь императора Октавиана Августа в 8 в.н.э. Остальные месяцы календаря называются по разным традициям, например январь в честь бога Януса, февраль в честь ежегодных очистительных обрядов Februa, март по имени бога Марса, май по имени богини Майи, июнь по имени богини Юноны. В юлианском календаре один день прибавляется в годы, номера которых делятся на 4 без остатка.  Однако,  средняя   продолжительность   тропического   года, измеренного  по  истинному  обращению   Земли   вокруг   Солнца, отличается от юлианского  на  0,0078  суток.  Для  жизни  одного поколения это неощутимо, но за 128 лет разница составляет сутки. В Средние века погрешность стала  равной  семи  дням.  Это  было замечено церковными деятелями. По христианской традиции праздник Пасхи связывается с  днём весеннего равноденствия и рассчитывается относительно 21  марта. Это правило было принято в  325  году  на  Никейском  Вселенском Соборе. Изза неточности юлианского календаря в 16 веке весеннее равноденствие, как природное явление, приходилось на 11 марта, а Пасха рассчитывалась исходя из древней традиции, считая, что оно должно быть 21 марта. Обсуждение   реформы   календаря   продолжалось   несколько столетий. Наконец, папа Григорий XIII 24 февраля 1582 года издал буллу, в которой провозглашал новый календарь и постановлял, что после четверга 4 октября 1582 года наступит пятница 15 октября. Григорианский календарь  основан  на  более  точном  знании тропического  года  и  полностью  привязан   к   астрономическим явлениям. Дата весеннего равноденствия всегда приходится  на  21 марта и не  может  сместиться.  Небольшое  несоответствие  между григорианским и истинным тропическим годами всё же есть. Разница в один день набегает за 3300 лет. Такая погрешность сегодня  для нас несущественна. Високосный год - каждый четвёртый, за исключением годов с целым числом столетий (1700, 1800,...). Год с целым числом столетий считается високосным только тогда, когда число сотен делится на 4 без остатка.   Преимущество Григорианского календаря  ещё  и  в  том,  что расчёт  церковных  праздников  основан  на   логике   Вселенских Соборов. В России этот календарь был введён со среды 31 января  1918 года. Следующий день уже был 14 февраля. За время, прошедшее  со времён Юлия Цезаря календарная ошибка достигла 13 дней. В католических странах переход на новый календарь произошёл в  XVI  веке,  в  Скандинавии  и  Великобритании  в   18   веке. Православные страны Греция, Болгария,  Румыния,  Сербия  приняли новый стиль в начале ХХ века.

В современном церковном православном календаре  есть  много ошибок. Различные годовщины празднуются неверно из-за того,  что разница между  григорианским  и  юлианским  календарём  не  была постоянной, а менялась. В IV веке она была равна 1 дню, а  в  XX веке  достигла  13  дней.  Например,  преставление  преподобного Сергия,  игумена  Радонежского  приходится  на  25  сентября  (8 октября) 1392 года. 8 октября по старому стилю для 1392 года  не соответствует  25  сентября  по  новому.  В  XIV  веке   разница составляла всего 9 дней. Значит чествование должно проходить  29 сентября по новому календарю. Практически все даты, глубже XVIII столетия празднуются с ошибкой.

Эры. Исходный пункт каждого летоисчисления называется эрой. Эры у разных народов были разные и связывались с какими-либо знаменательными событиями или с годами правления царей и императоров. В Греции применялась эра Олимпиад (начало 776 г. до н.э.). Года записывались так: Ol 5 3 - 3-й год  5-й Олимпиады. В Риме использовалась эра от Основания Рима (753 г.до н.э.) и счёт годов от назначения консулов. Последний консул был Флавий Василий Младший в 541 году н.э.  и года считали post consulatum Basilii. В средневековой Европе распространена была эра Диоклетиана (29 августа 284 г.н.э.). В Александрии она была переименована в эру мучеников чистых, поскольку император Диоклетиан преследовал христиан и сохранилась в Египте до 19 века.  Евреи используют эру от Сотворения мира, которая начинается в 3761 году до н.э.. Христиане тоже используют эру от сотворения мира, но имеют разные традиции счёта лет. Все они основываются на подсчёте библейских поколений, но имеют свои особенности. Например, византийская традиция считает, что в год начала мира должны начинаться солнечный круг (количество лет, за которое повторяется совпадение високосных лет и начала недель), лунный круг (период повторяемости лунных фаз) и 15-летний индиктион. Получилось, что сотворение мира произошло в 5508 году до н.э.   Эру от Рождества Христова ввёл в 525 году папский архивариус Дионисий Малый. 248 год эры Диоклетиана он приравнял 532 году от Рождения Христа. Исследователи считают, что Дионисий выбрал эту дату для удобства расчёта пасхалии, потому что точно определить дату рождения Иисуса Христа никому до сих пор не удалось. Эра от Рождества Христова начала употребляться кое-где в 10 веке, а повсеместно в католических странах лишь с  15 века. 

 Юлианские дни. При решении некоторых задач астрономии нужно знать число средних солнечных суток, протекших между двумя датами, далеко отстоящими друг от друга. Это легко сделать при помощи юлианских дней. Юлианские дни - это дни, которые непрерывно считаются через годы, столетия и тысячелетия от 1 января 4713 года до н.э. Начало каждого юлианского дня считается в средний гринвичский полдень.