Характер движения Солнца в значительной степени зависит от времени года и географической широты. В средних широтах северного полушария, где располагается большая часть территории нашей страны, способы определения времени по Солнцу практически повсюду одинаковы. То же можно сказать и об использовании Солнца в качестве ориентира для определения сторон света.
В обиходе часто можно услышать: Солнце восходит на востоке, а заходит на западе. Но это не соответствует истине: данное утверждение бывает справедливо только дважды в году: в дни весеннего и осеннего равноденствий. В даты равноденствий день и ночь составляют ровно половину суток, т. е. 12 часов. (Эти же даты считаются началом астрономической весны и астрономической осени.) Но если обратиться к отрывному или настольному календарю, то мы увидим, что в 1978 г., например, день равен ночи не в даты равноденствий, а 18 марта и 26 сентября. Это обусловлено явлением рефракции — преломлением лучей в атмосфере, вследствие чего светило кажется выше, чем на самом деле, и поэтому его восход происходит раньше, а заход позднее. В среднем величина рефракции составляет 35', т. е. несколько превосходит угловой диаметр солнечного диска.
В летнее полугодие точки восхода и захода Солнца приближаются к северу, в зимнее полугодие — к югу. Азимуты этих точек определяются текущим положением Солнца на эклиптике. На широте Москвы азимуты точек восхода и захода изменяются в пределах от 47° до 137° к востоку и западу от точки юга (к востоку отрицательные, к западу положительные)4).
4Это азимуты точек на Земле. Они отсчитываются иначе, чем азимуты в небесной системе координат.
Для определения азимутов точек восхода и захода Солнца на разных широтах служит формула
cos A = sin δ cos φ
которая даёт азимут точки захода. (Если азимут получается отрицательным, то его числовое значение нужно вычесть из 180°.) Для точки восхода азимут берётся со знаком «минус».
Поправки для моментов восхода и захода Солнца можно рассчитать по номограмме, помещаемой в Астрономическом Календаре — ежегоднике Всесоюзного астрономо-геодезического общества (подробнее о нём мы расскажем в конце книги).
Иначе выглядит суточное движение Солнца в зоне тропиков. Для наглядности опишем движение Солнца непосредственно на экваторе земного шара.
Как уже было сказано выше, половина эклиптики расположена в северном полушарии небесной сферы, половина в южном. Иначе говоря, в период между 21 марта и 23 сентября Солнце находится в северном полушарии небесной сферы, а в период с 23 сентября по 21 марта в южном.
Дважды в год — 21 марта и 23 сентября — Солнце на экваторе восходит и заходит, как и всюду на Земле (кроме полюсов, где практически эти направления отсутствуют), в точках востока и запада. В полдень Солнце достигает зенита. Характерно, что движение Солнца в эти дни происходит перпендикулярно к плоскости горизонта, что сказывается на продолжительности предрассветных и вечерних сумерек: так как скорость суточного движения Солнца составляет примерно 15 градусов в час, то сумерки в этот период заканчиваются за какие-нибудь полчаса. (Между прочим, быстротечность сумерек заметна и в южных районах нашей страны.) В дни летнего и зимнего солнцестояний 22 июня и 23 сентября, когда Солнце больше всего удаляется от небесного экватора, азимуты точек его восхода и захода смещаются на 23°27' к северу или к югу. И если на полюсах в это время максимальная высота Солнца составляет 23°27' над горизонтом, то здесь, на экваторе, она равна 90° — 23°27' = 66°33'. Это минимальная высота полуденного экваториального Солнца. При этом в период с 21 марта по 23 сентября Солнце кульминирует над точкой севера, а в период с 23 сентября по 21 марта — над точкой юга. Вообще для жителей экваториального пояса (от 23°27' северной широты до 23° 27' южной широты) Солнце кульминирует полгода над точкой севера и полгода над точкой юга.
Для наблюдателей, находящихся южнее 23°27' южной широты, Солнце всегда кульминирует в северной стороне неба. Суточное движение его происходит не слева направо, как мы к этому привыкли, а справа налево (если стоять лицом к Солнцу). В южном полушарии, став лицом к полуденному Солнцу, мы будем иметь справа восток, слева — запад, юг же окажется у нас за спиной.
Наиболее простой и надёжный способ определения направления «север—юг» в ночное время связан с отысканием северного или южного полюса мира. Проведя через две точки — полюс мира и точку, в которой находится наблюдатель, вертикальную плоскость, мы определим положение плоскости меридиана и тем самым найдем точки севера и юга.
В северном полушарии Земли найти полюс мира можно, отыскав на небе Полярную звезду. Правда, при этом результат получится не совсем точным, так как в действительности Полярная звезда не совпадает с северным полюсом мира, а находится от него на расстоянии примерно 1° дуги.
Полярную звезду удобнее всего искать, «отталкиваясь» от хорошо всем знакомого созвездия Большой Медведицы. Семь наиболее ярких звёзд этого созвездия образуют характерную фигуру ковша. (Этот «ковш» может быть расположен на небе по-разному: и «нормально», и «вверх дном», и «ручкой вниз» и т.п.) Если мысленно соединить две крайние звезды ковша прямой линией, продолжить её в сторону, противоположную «дну» ковша и отложить на этой линии приблизительно пять отрезков, равных по величине расстоянию между этими звёздами, то мы обнаружим Полярную звезду, которая входит в созвездие Малой Медведицы. Три наиболее заметные звезды этого созвездия и четыре слабые также образуют фигуру маленького ковшика. Полярная звезда является крайней звездой «ручки» этого «ковшика» (рис. 8).
Рис. 8. Нахождение Полярной звезды по созвездию Большой Медведицы.
В южном полушарии Земли отыскание южного полюса мира является задачей более сложной, так как в непосредственной близости от этой точки небесной сферы нет такой яркой звезды, как Полярная.
Решить эту задачу помогает одно из самых примечательных созвездий южного неба — знаменитый Южный Крест — созвездие, получившее поэтическое описание в мемуарах многих путешественников. Отыскав на небе это созвездие, надо мысленно провести линию через верхнюю и нижнюю его звёзды (при условии, если яркие звёзды α и β Центавра расположены слева) и продолжить её в сторону более длинной части фигуры Креста, отложив на ней приблизительно четыре отрезка, равных по величине расстоянию между этими звёздами. Найденная точка и будет южным полюсом мира, который находится в неприметном созвездии Октанта (рис. 9).
Рис. 9. Ориентирование по созвездию Южного Креста.
Глава II ЗВЁЗДЫ СМОТРЯТ ВНИЗ
Это образное выражение, нередко встречающееся в художественной литературе, обычно употребляется для того, чтобы подчеркнуть тот факт, что хотя небесные светила находятся от нас очень далеко, наша земная жизнь так или иначе связана с космосом.
Одним из конкретных выражений этой связи является возможность определения земных географических координат, т.е. широты и долготы по наблюдениям небесных светил.
Первым прибором, служащим этой цели и созданным ещё в III в. до н. э., была астролябия, которая состояла из нескольких металлических колец с делениями, снабжённых диоптрами. Прибор широко употреблялся до XVI в., когда был заменен более совершенными устройствами — градштоком, квадрантом и, наконец, секстантом, идея которого была высказана Ньютоном (1643—1727).
Однако идея учёного не получила должного признания. В 1730—1731 гг. секстант был вновь изобретен почти одновременно и независимо друг от друга американцем Годфреем и англичанином Годлеем. Прибор этот дошел и до нашего времени, не претерпев принципиальных изменений (рис. 10).
Рис.. 10. Схема секстанта.
Секстант состоит из небольшой зрительной трубы, в поле зрения которой находится неподвижная стеклянная пластинка (зеркало) Зн. Её нижняя половина посеребрена, а верхняя прозрачна. Кроме того, в секстанте есть второе, подвижное зеркало Зп. При наблюдениях с секстантом можно видеть сразу два объекта: один виден в трубу непосредственно через прозрачную часть первого зеркала, а лучи от второго отражаются от обоих зеркал и тоже попадают в трубу. Для того чтобы «поймать» нужный объект, поворачивают второе зеркало. Изображения обоих объектов совмещают. Угол поворота отсчитывается на лимбе (дуге с делениями). Угол поворота зеркала секстанта вдвое меньше угла между объектами, поэтому деления на лимбе оцифрованы числами, вдвое большими угла поворота зеркала.