Астрономический полдень
Этот вопрос лишь по виду похож на «сколько стоит пятикопеечная булка» — не стоит торопиться отвечать «в двенадцать часов» (или «at noon» в английском варианте). На самом деле ответ не так прост, если под полуднем понимать «астрономический полдень» — момент, когда Солнце выше всего поднимается над горизонтом, а не 12 часов по часам.
Ведь в разных точках (на разной долготе) астрономический полдень наступает в разное время, даже если эти точки находятся в одном часовом поясе и часы показывают там одно и то же. Наоборот, в близких точках разных часовых поясов (с той и другой стороны границы) время отличается (обычно на час), в то время как астрономический полдень наступает почти одновременно.
Собственно, идея часовых поясов и есть компромисс между двумя желаниями: (1) чтобы астрономический полдень в разных местах был хотя бы примерно в одно и то же время по часам; (2) чтобы было меньше путаницы при пересчёте времени от одного места к другому. Ведь и нынешняя ситуация, когда время в разных поясах отличается на целое число часов (в экзотических местах иногда и на полуцелое), создаёт трудности для авиапассажиров. А если бы и на разных станциях электрички время было бы разным, то было бы совсем плохо.
Итак, когда же бывает астрономический полдень? На первый взгляд кажется, что промежуток между двумя последовательными полуднями (астрономическими) должен быть равен периоду вращения Земли вокруг оси: ведь за это время Земля возвращается в то же положение. Но это не совсем так: за сутки Солнце успевает немного сместиться по небесной сфере. Поэтому солнечные сутки (средний интервал между полуднями) отличаются от звёздных (период вращения Земли вокруг своей оси).
Мы не случайно говорим о среднем интервале между моментами астрономического полудня — в течение года этот интервал меняется. Заметим, что средний интервал равен 24 часам: если бы это было не так, то систематическая ошибка бы со временем накопилась и полдень переместился бы на ночное время (по часам). Насколько отличаются солнечные и звёздные сутки и в какую сторону?
Можно понять, что за год накапливается разница в один день, поскольку Солнце само делает один оборот по небесной сфере, и потому числа оборотов звёзд и Солнца вокруг Земли отличаются на единицу. В день это даёт разницу примерно в 1/365 cуток, что составляет около 4 минут.
Но в какую сторону отличаются солнечные и звёздные сутки, зависит от соотношения направлений вращения Земли вокруг своей оси и по орбите. Как мы уже говорили, так получилось, что они вращаются в одну сторону.
Интересно сверить эти наши рассуждения с реальностью. По календарю, в интернете или с помощью прибора глобального позиционирования (GPS) можно найти время восхода и захода Солнца (в данной местности) на каждый день. Поскольку Солнце, как мы знаем, движется по дуге окружности, высшая точка этой дуги будет посредине, так что время полудня можно найти как полусумму времени восхода и захода. Оказывается, что оно меняется день ото дня. Почему?
Мы знаем, что момент полудня определяется положением Солнца на небесной сфере, а именно, его долготой. Астрономы, впрочем, называют это не долготой, а часовым углом. (Таким образом, часовой угол Солнца определяет момент полудня, а склонение — длительность дня.) Выходит, что долгота (часовой угол) Солнца меняется неравномерно в течение года. Почему? Ведь Солнце, мы предполагаем, движется по небесной сфере равномерно?
На самом деле тут есть две причины. Одна из них состоит в неточности наших предположений: орбита Земли всё же не совсем круг, и движение по ней (и, соответственно, кажущееся движение Солнца на фоне звёзд) неравномерно. Но есть и вторая причина. Даже если орбиту Земли считать кругом, а движение по ней — равномерным, то всё равно часовой угол Солнца меняется с разной скоростью: эклиптика наклонена к экватору небесной сферы, и в моменты солнцестояния часовой угол меняется быстрее (та же скорость движения по небесной сфере даёт большую скорость изменения угла, поскольку Солнце ближе к полюсу мира и скорость его направлена по параллели).
График, показывающий, как меняется момент полудня в течение года, называется «уравнением времени» (time equation).