Аватара 2013

Солнцестояние: немного астрономии и этимологии

Позавчера состоялось летнее солнцестояние. Пусть и с опозданием, но выдам немного умностей по поводу. Наверняка вы видели в соцсетях или на новостных сайтах анонсы из разряда «самая короткая ночь в году». Оно-то так, но все ли понимают, откуда вообще взялся термин «солнцестояние» и что именно он означает? :) Вариант «в этот день кажется, будто Солнце застыло в зените» (sic! подмечено мною в одном из новостных сообщений) к реальности не имеет совершенно никакого отношения...

С астрономической точки зрения данный термин означает относительно простую вещь: момент, когда Солнце занимает наиболее удалённую от небесного экватора позицию в своём видимом годичном движении по эклиптике: наивысшую (при летнем солнцестоянии; здесь и далее речь идёт о северных широтах земного шара) или наинизшую (при зимнем солнцестоянии). Сложно? Ну, попробую пояснить. Общеизвестно, что Земля обращается вокруг Солнца, совершая полный оборот за год. При этом при наблюдениях с Земли Солнце постоянно оказывается на фоне разных созвездий (понятно, что днём звёзды не видны, но они всё же есть!). Если мысленно представить себе Землю неподвижной, то Солнце за один год будет «пробегать» по воображаемой небесной сфере полный круг, этот «годовой путь Солнца» обозначается термином эклиптика. Можно также сказать, что эклиптика — это мысленная проекция плоскости земной орбиты на небесную сферу (мы смотрим на Солнце и мысленно проецируем его годовой путь на небесную сферу именно в плоскости нашей орбиты, поскольку размеры Земли по сравнению с масштабами земной орбиты пренебрежимо малы). Однако, как известно, угол между плоскостью земного экватора и плоскостью земной орбиты довольно велик (около 23,5 градусов), поэтому на небесной сфере между эклиптикой (проекцией земной орбиты на небесную сферу) и небесным экватором (проекцией земного экватора на небесную сферу) имеется приметное «расхождение».

В результате, если посмотреть на развёрнутую карту «средней» части небесной сферы (в более привычной для рядовых наблюдателей экваториальной проекции, где небесный экватор принят за «базовый уровень»), то эклиптика на ней будет выглядеть похожей на синусоиду; две «крайние» её точки будут соответствовать моментам солнцестояний, а две точки пересечения с небесным экватором — моментам равноденствий. На самом деле на небесной сфере и небесный экватор, и эклиптика представляют собой окружности, но если сферическую карту трансформировать в более привычную нам плоскую карту, приняв за базу именно небесный экватор, то эклиптика в подобной проекции примет вид синусоидо-подобной кривой. Вот схема экваториальной части небесной сферы: эклиптика показана синусоидо-подобной синей линией, а небесный экватор — жирной красной линией; отмечены точки солнцестояний и равноденствий, Солнце в течение года «смещается» справа налево.



Внимание, вопрос! Почему моменты положения Солнца на эклиптике в упомянутых позициях были названы именно солнцестояниями?!

На первый взгляд — действительно странно: Солнце ведь нигде не останавливается, нигде не «стоит», а постоянно перемещается по эклиптике, коль скоро Земля постоянно летит вокруг Солнца со скоростью порядка 30 км/c (повторюсь, что видимое движение Солнца на фоне звёзд — это лишь следствие перемещения Земли вокруг Солнца). Ну, строго говоря, эта скорость не является постоянной, так как орбита Земли представляет собой не правильную окружность, а эллипс: находясь ближе к Солнцу, Земля движется несколько быстрее, а при удалении от Солнца её движение несколько замедляется. Но всё равно ни о каких остановках речь не идёт. Итак, почему именно солнцестояние?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно немного погрузиться в историю астрономии и вспомнить об элементарном и, пожалуй, самом древнем астрономическом инструменте, имя которому гнóмон. Гномон представляет собой узкий предмет, вертикально установленный на плоской поверхности; в простейшем случае гномон — это просто прямая палка, воткнутая вертикально в землю (для проверки вертикальности её расположения можно использовать отвес — грузик на ниточке, привязанной к вершине палки). Не удивляйтесь «примитивности» данного инструмента: в умелых руках он в своё время позволил сделать множество незаурядных открытий! Само название «гномон» идёт от др.-греч. γνώμων «знаток; указатель» (во множественном числе это слово означало также «зубы лошади или осла» — по ним можно было судить о возрасте животного); данное слово родственно др.-греч. γνῶμα «признак, примета, свéдение», γνῶσις «знание, познание» и глаголу γιγνώσκω «узнавать, понимать, знать». Работа с гномоном проводится так: в течение дня мы наблюдаем за тенью, которую он отбрасывает, и отмечаем на грунте положение её крайней точки («верхушку»). Понятно, что длина тени в течение дня будет меняться, так как меняется и высота Солнца над горизонтом. При этом длина тени будет минимальной в так называемый истинный полдень, когда Солнце пересекает небесный меридиан (проще говоря — направление север-юг); по тому направлению, на которое «ложится» самая короткая за день тень, можно без всякого компаса определить, где север. Для обозначения этой важной в практическом отношении «самой короткой тени в течение дня» используется отдельный термин «полуденная тень».



Право, уже неплохо: имея лишь вертикально вставленную в землю палку, мы вполне можем определить направление на север, если только понаблюдать за тенью в течение дня. Но, как говорится, лиха беда начало! Зная высоту нашего гномона и длину отбрасываемой им тени (её можно измерить рулеткой, линейкой и проч.), а также имея под рукой таблицу тангенсов, можно легко определить угловую высоту Солнца в любой произвольный момент. Уверен, что вы и сами догадались, как это сделать, но всё же поясню. Вот схема:


Из школьного курса геометрии известно, что тангенс угла α на только что представленной схеме равен отношению высоты гномона (она постоянна и известна) к длине отбрасываемой им тени (её мы можем измерить). Если, например, мы установили гномон высотой в один метр и определили длину его тени в 118 сантиметров, это означает, что тангенс угла α равен 100/118 ≈ 0,847. Данное значение тангенса соответствует углу α, равному примерно 40°16'. Иметь в наличии лишь гномон и рулетку, но достаточно точно определять при этом высоту Солнца над горизонтом, даже не глядя на само Солнце — это ли не чудо?! Понятно, что точность подобных измерений будет тем точнее, чем выше наш гномон, чем точнее мы знаем его высоту, чем точнее мы можем измерить длину его тени и чем более надёжные таблицы тангенсов у нас под рукой. Но сам принцип и простота метода (слава геометрии в частности и науке вообще!), согласитесь, великолепны! :)

Возвращаемся к солнцестояниям. Уже говорилось, что одно из наиболее приметных показаний гномона — это длина его самой короткой в течение дня тени (которую называют полуденной). Если отмечать положение «кончика» этой тени каждый день, то мы заметим, что от зимы к весне полуденная будет постепенно становиться короче. Из этого можно сделать вывод, что Солнце день ото дня поднимается всё выше (Солнце на небесной сфере смещается всё выше и выше к северу, именно поэтому дни и становятся длиннее — Солнцу просто приходится тратить больше времени на прохождение видимой нами над горизонтом половины небесной сферы). Если продолжить наблюдения, то мы заметим, что после весеннего равноденствия «скорость укорочения» полуденной тени начнёт мало-помалу уменьшаться, а в июне — так и вообще сильно замедлится (день ото дня промежутки между нашими отметками длины полуденной тени будут становиться всё меньше). Наконец, когда Солнце непосредственно приближается к точке солнцестояния, длина полуденной тени практически прекращает изменяться, она словно «останавливается» в своей длине на несколько дней. Тень от гномона словно бы «стоит» на одном и том же месте; соответственно, «стоит» и Солнце (в отношении своей высоты в полдень). Вот вам и термин «солнцестояние»: по сути он означает «стояние/положение Солнца на одной и той же высоте»!

Понятно, что вскоре после летнего солнцестояния дни начнут укорачиваться, Солнце начнёт спускаться ниже, а полуденная тень начнёт удлиняться, достигая максимальной длины во второй половине декабря, когда темпы её удлинения вновь сойдут на нет — именно тогда наступает зимнее солнцестояние (полуденная тень от гномона опять «застывает», «стоит в прежней позиции», будучи на этот раз максимально длинной). Затем полуденная тень снова начинает удлиняться, и всё повторяется сначала.

В русском языке (и в ряде славянских) для этого понятия есть ещё и слово «солнцеворот» (напр., в чешском — slunovrat, в словацком — slnovrat, в словенском — sončev obrat); аналогичное по смыслу слово Sonnenwende используется и в немецком (Wende означает «поворот, оборот»). Его смысл тоже понятен: в дни солнцестояний полуденная тень от гномона прекращает укорачиваться (летом) или удлиняться (зимой), после чего начинает изменять свою длину в обратном направлении; соответственно — и Солнце как бы «разворачивается» и начинает возвращаться к небесному экватору. В западно-европейских же языках в данном значении употребляется слово, основанное на латинском solstitium (например, англ. solstice, исп. solsticio, ит. solstizio, фр. solstice). Латинское solstitium распадается на собственно sol «солнце» и форму причастия прошедшего времени от глагола sistere «останавливаться, застывать, застревать». Ну, теперь, надеюсь, вы понимаете, о какой остановке идёт речь :).

Здравствуйте!
Система категоризации Живого Журнала посчитала, что вашу запись можно отнести к категории: Космос.
Если вы считаете, что система ошиблась — напишите об этом в ответе на этот комментарий. Ваша обратная связь поможет сделать систему точнее.
Фрэнк,
команда ЖЖ.
Ну, никто и не обещал, что будет прям совсем легко :).