Несимметричная восьмерка

Загадочная восьмёрка называется «аналемма», она отслеживает движение Солнца по небу в течение года. Вообще, измерение времени — это далеко не всегда измерение движения вперёд, как всем нам кажется. Наши современные календари и часы есть не что иное, как виды компромисса: мы находимся в постоянной битве за синхронизацию этих приборов с небесами.
На протяжении всей истории человечества ежедневное течение времени определялось движением Солнца. Полдень наступает, когда Солнце достигает наивысшей точки над местным горизонтом, пересекая северный или южный меридиан. Проблема в том, что время прохождения Солнца по небосводу далеко не всегда соответствует времени одного оборота Земли вокруг этого светила. То есть, оно не совпадает с 24 часами. В октябре Солнце достигает наивысшей точки над горизонтом на 16 минут раньше, в феврале на 12 минут позже.
И почему же надоедливая Вселенная никак не хочет оставаться постоянной?



А возникает такое расхождение из-за двух важных факторов: из-за эллиптической орбиты Земли и благодаря определённому углу, под которым ось нашей планеты наклонена к плоскости эклиптики. Из этих двух факторов первостепенную роль играет именно наклон оси планеты, а эллиптичность орбиты находится на втором плане. Если бы орбита Земли представляла собой идеальный круг, а её ось всегда была бы строго перпендикулярна плоскости орбиты, то не наблюдалось бы никаких сезонных расхождений во времени. Вот только ни одна из известных науке планет не находится в таких идеальных условиях.
Поскольку Земля движется вокруг Солнца по эллипсу, то скорость движения по орбите меняется. Скорость движения вокруг Солнца максимальна в январе, а медленнее всего Земля движется по орбите в Июле. Вот на этой анимации сравнивается движение по эллипсу и движение по кругу.
За сутки земля А (что движется по кругу) прошла небольшое расстояние и наблюдатель на ней смотрит на Солнце. Земля Б (движущаяся по эллипсу) прошла расстояние чуть большее вокруг Солнца. Но из-за того, что её орбитальная скорость больше, она не успела полностью повернуться вокруг себя. Это приводит к тому, что нам с вами покажется, что Солнце на небе находится чуть-чуть восточнее, чем вчера в то же самое время.
С каждым днём разница будет накапливаться, и Солнце будет сдвигаться по небу всё больше на восток. Далее, двигаясь по эллипсу, Земля дойдёт до своего «летнего» положения на орбите и её движение станет замедляться. Тогда Солнце на небе начнёт смещаться немного на запад.
В итоге получится, что если бы Земная ось не была наклонена, то вместо восьмёрки Солнце рисовало бы прямую.
Теперь давайте мысленно наклоним ось Земли. Для нас, сидящих на экваторе, это будет выглядеть так, будто всё небо вместе с Солнцем сдвинулось вокруг Земли вниз (зимой для северного полушария) или вверх (летом для северного полушария). Для Южного полушария всё будет наоборот.



Эта фотография была сделана в Греции (то есть в северном полушарии). Самая низкая часть аналеммы фотографировалась в конце декабря, а самая высокая — в июне.



Наклону земной оси мы обязаны времами года. Летом Солнце поднимается высоко в небе и успевает сильнее прогреть воздух и землю. Зимой Солнце быстрее закатывается, лучи отражаются от поверхности атмосферы, температура понижается.
Если бы земная орбита была круговой, но ось вращения нашей планеты все же была наклонена к плоскости орбиты то, в указанных условиях наблюдений, Солнце на небесной сфере будет двигаться по линии к северу или к югу относительно небесного экватора в диапазоне от 230,45 с.ш. до 230,45 ю.ш. При этом оно будет строго повторять свою траекторию при перемещении, как в одну, так и в другую сторону.

Переменность скорости движения Земли по орбите отображается неравномерностью перемещения Солнца по эклиптике на небе (смотрите Уравнение времени). Поэтому Солнце к выбранному моменту наблюдения либо не достигает, либо минует некоторую особую точку, и линия разворачивается в фигуру, похожую на восьмерку.
Особая точка, в которой Солнце оказывается два раза в год, располагается в месте соединения верхней и нижней части восьмерки — аналеммы. Это время приходится на середину апреля и самый конец августа каждого года. Время опоздания прибытия Солнца в «особую точку» в разные дни различно, но может достигать 14 минут 19 секунд, а время опережения — 16 минут 30 секунд. Это значит, что в угловой мере ширина аналеммы на небе составляет 7,7 градуса.
На форму аналеммы влияет имеющийся между некоторыми важными календарными датами сдвиг. Земля проходит точку перигелия 2 января. В это время скорость движения Солнца по эклиптике на небесной сфере максимальна. Точку афелия — 3 июля, когда скорость движения Солнца по эклиптике минимальна.
С другой стороны, день зимнего солнцестояния приходится на 22 декабря, а день летнего солнцестояния — на 22 июня (смотрите Точки солнцестояния). В северном полушарии Земли на эти дни приходятся моменты, когда Солнце занимает свои самые низкое и высокое положения над горизонтом. Одиннадцатисуточный сдвиг между указанными двумя летними и двумя зимними датами как раз определяет несимметричность восьмерки — аналеммы.

Источник: masterok.livejournal.com