Глава 4. Измерение времени

Измерение времени было важной астрономической задачей с момента зарождения астрономии: древние люди пытались определить благоприятные периоды для посадки и сбора урожая, и так началось развитие астрономии. Для определения таких периодов и времени были созданы календари и солнечные часы, в которых используются математические законы. Не будем подробно рассказывать об этих устройствах, расскажем лишь об основных понятиях, связанных с солнечным часами, и дадим краткие инструкции по их изготовлению.

Солнечные часы указывают реальное солнечное время в том месте, где они установлены, а вовсе не то время, что показывают привычные нам наручные часы.

Как определить время по солнечным часам

Солнечные часы указывают солнечное время, которое отличается от того, что показывают привычные наручные часы. И в этом заключена огромная проблема: если вы не умеете правильно читать данные солнечных часов, то можете решить, что они показывают неправильное время. Однако на самом деле солнечные часы указывают истинное солнечное время.

До изобретения механических часов время определялось по солнечным. Однако в соответствии со вторым законом Кеплера Земля вращается вокруг Солнца с переменной скоростью. Следовательно, в разные периоды движение Солнца, видимое с Земли, будет отличаться. И эта особенность движения Солнца стала огромной проблемой при изготовлении механических часов: сконструировать механизм, в котором длительность часов различалась бы в зависимости от времени года, непросто. Тогда было найдено более простое решение: ученые определили мнимое Солнце, которое следовало вдоль той же траектории, что и настоящее, но с постоянной скоростью. Различие между положением двух солнц определяется так называемым уравнением времени. Как показано в таблице, разница во времени между реальным и мнимым Солнцем не превышает четверти часа. Но именно эта разница заставляет неопытного наблюдателя думать, что солнечные часы показывают неверное время.

На следующем графике приведено уравнение времени для разных месяцев года. Иногда этот график изображают в виде восьмерки, или аналеммы, и такой график точнее соответствует видимому движению Солнца по небу. Если мы регулярно будем фотографировать Солнце на небе в разные дни года в один и тот же час (в час, который будут указывать механические часы, то есть без учета уравнения времени), а затем наложим фотографии друг на друга, то полученное изображение будет очень похоже на аналемму.

Смещение реального Солнца относительно идеальной модели.

Солнце в движении по небу описывает аналемму — график уравнения времени.

Но на этом неудобства не заканчиваются. В действительности солнечные часы указывают реальное время в точке наблюдений, а наручные часы — общее время для всей страны или определенного региона. Этим регионом может быть часть страны или даже сразу несколько небольших стран, граничащих друг с другом. К примеру, практически во всей Западной Европе используется время Гринвичского меридиана. Согласитесь, это удобно: путешествуя, не нужно постоянно подводить часы. Но если мы хотим сравнить время на наручных часах с реальным солнечным, нужно учитывать долготу места, в котором мы находимся. Земной шар разделен на 24 часовых пояса начиная с нулевого, или Гринвичского меридиана. Чтобы внести поправку с учетом долготы, нужно знать долготу места, где мы находимся, и долготу стандартного меридиана нашего часового пояса. При смещении на восток поправка вносится со знаком «плюс», при смещении на запад — со знаком «минус». Долготу следует выражать в часах, минутах и секундах (1 градус соответствует 4 минутам времени).

* * *

ДВЕНАДЦАТЕРИЧНАЯ И ШЕСТИДЕСЯТЕРИЧНАЯ СИСТЕМА СЧИСЛЕНИЯ В АСТРОНОМИИ

В современном обществе, в котором практически повсеместно используется десятичная система счисления, сутки делятся на 24 часа, час — на 60 минут, минута — на 60 секунд. Главная заслуга в этом принадлежит ученым Месопотамии, Древнего Египта и Древней Греции. Вавилонские математики использовали шестидесятеричную систему счисления, то есть систему счисления по основанию 60. Эта система счисления сохранилась и в астрономии, где используется при измерении углов, координат и времени. Возможно, математические открытия вавилонян состоялись благодаря тому, что число 60 имеет много делителей (1, 2,3, 4, 5, 6,10,12,15, 20,30 и 60), что упрощает действия с дробями. Вавилоняне использовали настоящую позиционную систему счисления, в которой цифры, записанные слева, обозначали величины больших порядков, как и в десятичной системе. Однако им не был известен эквивалент десятичной запятой, поэтому простота расчетов с дробями была для них очень важной.

Большинство историков считают, что первыми день на части разделили египтяне, которые примерно в 1500 году до н. э. создали солнечные часы в форме буквы Т. Их циферблат был разделен на 12 частей, так как египтяне частично использовали двенадцатеричную систему счисления.

День и ночь делились на 12 частей. Таким образом, сутки делились на 24 часа, имевших, однако, неодинаковую продолжительность. Часы неизменной продолжительности ввел Гиппарх Никейский (ок. 190 года до н. э. — ок. 120 года до н. э.), который первым стая делить день на 24 равноденственных часа (он использовал 12 световых часов и 12 ночных часов в дни весеннего и осеннего равноденствия). Несмотря на его предложение, в течение многих веков люди по-прежнему использовали часы разной продолжительности в зависимости от времени года. Часы фиксированной продолжительности стали применяться только с появлением в Европе первых механических часов. Гиппарх и другие древнегреческие астрономы использовали различные методы, созданные вавилонянами и шумерами. Эратосфен (276 год до н. э.- 194 год до н. э.) разделил круг на 60 равных частей и определил систему горизонтальных линий, соединявших точки земной поверхности одинаковой широты. Сто лет спустя Гиппарх дополнил эту систему параллельными линиями, указывавшими долготу. Лишь в 150 году н. э. Клавдий Птолемей в «Альмагесте», взяв за основу труды предшественников, разделил каждый из 360 градусов широты и долготы на более мелкие части: minutae primae («первая минута») — которые стали называться минутами, а те, в свою очередь, на minutae secundae («вторые минуты»), которые стали называться секундами. Минуты и секунды начали использоваться лишь спустя несколько веков после выхода в свет «Альмагеста». Циферблаты часов делились на 2, 3,4 и даже на 12 частей, но не на 60. Люди, как правило, не обращали внимания на минуты, пока в конце XVI века не появились первые механические часы.

* * *

Кроме того, во многих странах с целью экономии электроэнергии введено летнее и зимнее время: при переходе на летнее время стрелки часов переводятся на час вперед. Обычно это происходит в воскресенье, в два часа ночи. Таким образом, если учесть уравнение времени, поправку на долготу и переход на летнее время, вероятность того, что солнечные часы будут показывать тот же час, что и наручные, практически равна нулю. Кроме того, следует учитывать и рвение реставраторов, которые, не обладая достаточными знаниями астрономии, «подводят» солнечные часы во время работ по восстановлению фасадов. Они считают, что решить проблему очень просто: некоторые пытаются подвинуть гномон так, чтобы он указывал «то, что нужно», подобно тому, как мы подводим минутную стрелку часов. После этого не остается никаких шансов на то, что солнечные часы будут показывать точное время.

Автор этих строк собрала коллекцию фотографий солнечных часов, которые, предположительно, были «исправлены». Несколько лет назад мне довелось побывать в недавно восстановленном деревенском доме. В верхней части стены были укреплены прекрасно отреставрированные солнечные часы. Я поздравила хозяина дома и отметила, что часы отреставрированы очень качественно, на что хозяин ответил: «Что вы такое говорите! Эти часы показывают неправильное время. Мы даже приглашали университетского профессора, чтобы он их исправил. Однако он приехал ночью. Как же солнечные часы будут показывать точное время, если профессор исправил их ночью?»

На самом деле часы были в полном порядке, а профессор приехал ночью, чтобы убедиться, что гномон указывает точно на Северный полюс мира, на Полярную звезду. Циферблат часов был размечен верно, а неточность была вызвана поправками на уравнение времени, долготу и летнее время. Я попыталась объяснить это крестьянину, который выслушал меня внимательно, но что он при этом думал, неизвестно. Может быть, что-то вроде: «Эти, которые из университетов, всегда горой стоят друг за дружку».

Как бы то ни было, солнечные часы стали частью нашей культуры. Я хочу, чтобы читатель понял, как они работают, и при желании мог сделать такие часы сам.

Как работают солнечные часы

Солнечные часы представляют собой плоскость с закрепленным на ней гномоном. В зависимости от расположения плоскости часы делятся на экваториальные, горизонтальные и вертикальные. Можно изготовить и более сложные виды солнечных часов, однако мы не будем рассматривать их в этой книге, ведь наша цель — объяснить базовые астрономические понятия и математические законы, необходимые для создания этого прибора.

Принцип действия солнечных часов основан на видимом движении Солнца, которое мы наблюдаем с Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, нам кажется, что Солнце каждый день встает на востоке и садится на западе. Так как мы видим, что Солнце движется относительно оси вращения Земли, гномон солнечных часов должен быть направлен вдоль этой оси независимо от того, где мы их установим. Таким образом, важно знать координаты места, где будут установлены наши часы, в частности широту (знать долготу нужно будет только для того, чтобы определять время по солнечным часам, но об этом мы расскажем чуть позже).

Чтобы гномон был направлен вдоль оси вращения Земли, нужно, чтобы он указывал на Полярную звезду, или на Северный полюс мира (если мы находимся в Северном полушарии), либо на Южный полюс мира (если мы находимся в Южном полушарии). В любом случае угол между гномоном и плоскостью горизонта должен равняться широте места, где установлены часы.

Высота полюса мира над горизонтом равна широте точки наблюдений. Следует отметить, что на иллюстрации не соблюден масштаб, так как по сравнению с бесконечно большим радиусом небесной сферы радиус Земли практически равен нулю. Мы изобразили Землю как шар, чтобы продемонстрировать равенство вышеупомянутых углов.

Как показано на рисунке, угловая высота полюса мира над плоскостью горизонта равна широте точки наблюдений, то есть углу между земным экватором и точкой наблюдений, отложенному на меридиане места. Широта определяется углом между плоскостью земного экватора и отвесом или, что аналогично, угловой высотой полюса, или оси вращения Земли, относительно плоскости горизонта. Эти углы равны, так как их стороны соответственно перпендикулярны.

Экваториальные солнечные часы

В зависимости от расположения циферблата существуют различные виды таких часов. Начнем с самого простого случая — солнечных часов, циферблат которых параллелен экватору. В дни осеннего и весеннего равноденствия Солнце движется по небесному экватору, а в другие дни — параллельно ему и в конце концов достигает Северного тропика (с отклонением +23,5°) или Южного тропика (с отклонением —23,5°). Для изготовления простейших солнечных часов достаточно расположить плоскость параллельно плоскости небесного экватора и закрепить на ней гномон, направленный вдоль оси вращения Земли, как показано на следующем рисунке. Таким образом, угол наклона гномона относительно горизонтали будет равен широте места, где установлены часы. Гномон необходимо направить в сторону полюса мира, то есть вдоль линии север — юг. Для этого можно воспользоваться компасом и учесть небольшое отклонение, вызванное тем, что Северный географический полюс и Северный магнитный полюс не совпадают. Впрочем, этой ошибкой можно пренебречь.

Плоскость экватора будет располагаться перпендикулярно оси вращения Земли и, следовательно, перпендикулярно прямой север — юг, лежащей в плоскости горизонта. Линия на циферблате, соединяющая точку пересечения гномона с плоскостью часов и точку пересечения плоскости часов с линией север — юг, на которой расположены часы, будет указывать полдень. Очевидно, что Солнце будет проходить над линией север — юг точно в полдень. Остальные часы размечаются под равными углами 13°, так как Солнце совершает полный оборот в 360° за 24 часа (360/24 = 15°).

Схема циферблата экваториальных часов, на которой 1 часу соответствует угол в 15°. Схему необходимо согнуть вдоль пунктирной линии, так как в течение полугода часы будут указывать время в верхней части плоскости, в течение оставшейся половины года — в нижней части плоскости.

Эти солнечные часы, несомненно, изготовить проще всего, однако они обладают любопытной особенностью: весной и летом они указывают время в верхней части плоскости, осенью и зимой — в нижней части плоскости. Следовательно, циферблат нужно разметить с двух сторон, как показано на рисунке. Это самые простые, но не самые популярные часы: чаще всего циферблат солнечных часов располагается горизонтально или вертикально. Горизонтальные и вертикальные часы можно изготовить на основе экваториальных, построив простую проекцию и применив основные тригонометрические функции.

Три разновидности солнечных часов: экваториальные, горизонтальные и вертикальные. На иллюстрации изображены солнечные часы для Северного полушария. Чтобы использовать эти часы в Южном полушарии, нужно поменять стороны света местами.

Вверху — вертикальные солнечные часы, внизу — горизонтальные солнечные часы, изготовленные из бронзы.

Горизонтальные солнечные часы

Плоскость этих часов расположена строго горизонтально. Гномон образует с линией север — юг угол, равный широте точки, в которой установлены часы, и направлен в сторону полюса мира. Прямая север — юг будет указывать 12 часов. Расположение остальных линий на циферблате определяется по следующему выражению

где ? — угол между линией, указывающей 12 часов, и искомой часовой линией,

Н = 15°, 30°, 43°…, соответственно, согласно следующей иллюстрации.

Спроецировав часовые линии экваториальных солнечных часов на горизонтальную плоскость, получим линии циферблата новых часов. Нужно всего лишь учесть, что tg ? = СА/АО, tg H = СА/АВ, sin ф = АВ/АО, откуда следует, что tg ? = tg H sin ф. При Н = 15° а будет углом, под которым расположена часовая линия, указывающая 11 и 13 часов. При Н = 30° угол а укажет расположение часовой линии 10 и 14 часов и так далее до линии 6 и 18 часов.

Вертикальные солнечные часы

Чаще всего используются солнечные часы, укрепленные на стенах домов, то есть вертикальные. Если стена направлена вдоль линии запад — восток, изготовить такие часы не сложнее, чем горизонтальные, нужно всего лишь учесть, что угол наклона гномона относительно стены будет равен дополнительному углу к широте места. Часовые линии также определяются как проекции часовых линий экваториальных солнечных часов на вертикальную плоскость, направленную вдоль линии запад — восток», и по выражениям

где ? — угол между линией, указывающей 12 часов, и искомой часовой линией,

Н = 15°, 30°, 45°…, соответственно, согласно следующей иллюстрации:

Спроецировав часовые линии экваториальных солнечных часов на вертикальную плоскость, направленную вдоль линии запад — восток, получим линии циферблата новых часов. Нужно всего лишь учесть, что tg ? = СА/АО, tg H = СА/АВ, sin (90° — ф) = АВ/АО, откуда следует, что tg ? = tg Н соs ф. При Н = 15° ? будет углом, под которым расположена часовая линия, указывающая 11 и 13 часов. При Н = 30° угол ? укажет расположение часовой линии 10 и 14 часов и так далее до линии 6 и 18 часов.

Однако стены большинства домов не направлены вдоль линии запад — восток, а образуют с этой линией некоторый угол, который можно точно измерить. В этом случае разметка циферблата заметно усложняется. Необходимые для этого тригонометрические расчеты приведены в приложении.

Солнечные часы в роли календаря

Солнечные часы иногда используют в качестве календаря, и тогда они указывают не только час, но и примерный день месяца. Это возможно благодаря тому, что Солнце в разные дни расположено на разной высоте над горизонтом и летом оно находится намного выше, чем зимой. Мы можем определить месяц года по зодиакальным линиям, которые представляют собой конические сечения. Но прежде чем рассказать, как эти сечения строятся, вкратце рассмотрим, как Солнце движется по орбите в течение года.

Почему меняются времена года

Земля движется вокруг Солнца в так называемой плоскости эклиптики. Ось вращения Земли наклонена на 23,5° относительно перпендикуляра к этой плоскости. Именно наклон оси вращения Земли является причиной смены времен года, так как в разное время года Солнце при наблюдении с Земли находится на разной высоте над горизонтом. Экватор образует с плоскостью эклиптики угол, равный ±23,5°.

На рисунке показано, что в день летнего солнцестояния в Северном полушарии высота Солнца над экватором равна 23,3° относительно эклиптики. Этот же день будет днем зимнего солнцестояния в Южном полушарии. И напротив, в день зимнего солнцестояния в Северном полушарии Солнце находится ниже всего над горизонтом — его склонение относительно экватора равно —23,5°. Этот же день будет днем летнего солнцестояния в Южном полушарии. В день осеннего и весеннего равноденствия склонение Солнца относительно экватора будет равно 0°.

Таким образом, экватор образует с плоскостью эклиптики угол в ±23,5°. Именно наличие этого угла является причиной смены времен года.

* * *

СХЕМА КАРМАННЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЧАСОВ

Линии циферблата горизонтальных или вертикальных солнечных часов строятся как проекции соответствующих часовых линий экваториальных часов. При построении нужно всего лишь учесть широту точки, в которой находятся часы. Далее мы рассмотрим описанную выше проекцию графически и попробуем сконструировать карманные солнечные часы, объединяющие горизонтальный и вертикальный тип циферблата. Вначале определим размеры часов. Построим окружность радиуса z и отметим на ней линии, которые будут указывать часы (от 6 до 18), отстоящие друг от друга на 15°. Размеры горизонтальных и вертикальных часов можно определить, взглянув на рисунок на стр. 105. Для этого достаточно рассмотреть прямоугольные треугольники, определяемые осью вращения Земли и плоскостью экватора, а также использовать определение синуса и косинуса для угла, указывающего широту. Так, длина часовой линии, указывающей 12 часов на горизонтальных часах, будет равна z/sin ф. Длина часовой линии, указывающей 12 часов на вертикальных часах, будет равна z/cos ф. Сначала разметим циферблат горизонтальных часов. Отметим на часовой линии, указывающей 12 часов, отрезок длиной z/sin ф, который укажет размеры циферблата горизонтальных часов. Так как линии, указывающие часы, должны быть одинаковы, продолжим линии циферблата горизонтальных часов и определим точки их пересечения с линией, перпендикулярной линии север — юг (линии 12 часов).

Соотношения между размерами циферблатов экваториальных и горизонтальных часов (слева) и экваториальных и вертикальных часов (справа).

Наконец, перенесем циферблаты вертикальных и горизонтальных часов на две дощечки, скрепленные клейкой лентой или небольшими дверными петлями (в этом случае потребуется учесть толщину петель). Закрепим на концах линий, указывающих часы, два конца веревки так, чтобы под прямым углом друг к другу находились линии, указывающие 12 часов на вертикальном и горизонтальном циферблате. Чтобы правильно скрепить все детали и привязать веревку, понадобится помощник.

Веревка будет играть роль гномона. Важно, чтобы после закрепления ее концов циферблаты часов были перпендикулярны.

Чтобы использовать эти часы, необходимо расположить их так, чтобы линия, указывающая 12 часов на горизонтальном циферблате, была направлена точно вдоль линии север — юг. Для этого часы обычно дополняют компасом. Будет удобно закрепить на часах уровень или небольшой отвес, чтобы циферблат горизонтальных часов располагался строго горизонтально. Также можно наклонять часы до тех пор, пока оба циферблата не покажут одинаковое время.

* * *

Чем выше Солнце над горизонтом, тем ближе к перпендикуляру будут падать его лучи. Следовательно, излучение в пересчете на квадратный метр земной поверхности будет выше.

Следует отметить, что поверхность, на которую попадает солнечное излучение в соответствующем полушарии, летом больше, чем зимой. А поскольку Солнце находится выше над горизонтом, световой день становится длиннее.

Солнце движется вдоль небесного экватора лишь в дни весеннего и осеннего равноденствия, когда длительность дня и ночи одинакова в обоих полушариях. Движение Солнца по небу изображено на рисунке так, как оно выглядит в Северном полушарии.

* * *

ГОРОДСКИЕ ЛЕГЕНДЫ

Существует множество теорий, связанных с астрономией, которые можно назвать городскими легендами. Одна из этих теорий гласит, что солнце восходит на востоке, но это не всегда верно: солнце восходит точно на востоке и заходит точно на западе всего два дня в году — в день весеннего и осеннего равноденствия. В остальные дни солнце восходит в разных точках между юго-востоком и северо-востоком и заходит между юго-западом и северо-западом.

Согласно еще одной популярной легенде, летом Земля получает больше тепла, так как находится ближе к Солнцу. На самом деле орбита Земли представляет собой эллипс с очень маленьким, почти нулевым эксцентриситетом, то есть по форме она близка к окружности. Кроме того, почему при одинаковом расстоянии до Солнца в Северном полушарии наступает лето, а в Южном — зима? И при этом лето в Северном полушарии наступает тогда, когда Земля находится дальше всего от Солнца. Как мы уже отмечали, смена времен года объясняется наклоном оси вращения Земли относительно плоскости ее орбиты.

* * *

Зодиакальные линии и конические сечения

В течение года Солнце находится на разной высоте над горизонтом (его склонение изменяется), и эту информацию можно использовать в солнечных часах для определения времени года. К примеру, тень гномона горизонтальных солнечных часов летом будет короче, чем зимой, потому что летом Солнце стоит выше над горизонтом.

В вертикальных солнечных часах тень гномона, напротив, будет тем длиннее, чем выше Солнце над горизонтом.

На циферблатах солнечных часов иногда изображают линию, которую описывает конец тени в разные дни. Так как построить эту линию для всех дней невозможно, ее обычно изображают только для четырех первых дней каждого сезона. Так, в Северном полушарии на циферблатах солнечных часов изображают следующие линии: линия 21 марта, первого дня весны (здесь рассматриваются астрономические времена года, которые отсчитываются от дней солнцестояния и равноденствия), когда Солнце находится в созвездии Овна; 21 июня — первый день лета, когда Солнце находится в созвездии Рака; 23 сентября — первый день осени, день осеннего равноденствия, когда Солнце находится в созвездии Весов, и 21 декабря, когда Солнце находится в созвездии Козерога. Следует отметить, что эти дни указаны лишь приближенно, день, когда Солнце входит в созвездие Овна, для каждого года рассчитывается отдельно. В Южном полушарии в первый день лета Солнце находится в созвездии Козерога, в первый день зимы — в созвездии Рака.

Слева — фотография вертикальных солнечных часов, где, помимо часовых линий, изображены зодиакальные линии. Справа — карманные солнечные часы с часовыми и зодиакальными линиями и компасом, необходимым для точного ориентирования часов.

На циферблаты многих часов нанесены не только эти линии, но и все зодиакальные линии, указывающие положение конца тени в первый день каждого знака зодиака. Строятся они по тем же правилам, что и линии для четырех времен года.

Зодиакальных линий на солнечных часах не двенадцать, а линий, отмечающих времена года — не четыре, так как некоторые из них совпадают. В первый день весны Солнце движется по небесному экватору, во второй день — вдоль линии, параллельной ему и расположенной чуть выше, в третий день весны — по линии, расположенной еще чуть выше. Так день за днем Солнце постепенно поднимается над горизонтом, пока не достигает максимального склонения в 23,5° в первый день лета. Во второй день лета Солнце начинает постепенно опускаться, и в конце концов в первый день осени оно вновь следует вдоль небесного экватора (напомним, что рассматриваются не календарные, а астрономические времена года).

Таким образом, весна, лето и дни равноденствий перекрываются. Следовательно, зодиакальные линии, соответствующие месяцам весны, совпадут с зодиакальными линиями летних созвездий, подобно тому как линия Овна (весеннего равноденствия) совпадает с линией Весов (осеннего равноденствия), линия Тельца совпадает с линией Девы, линия Близнецов — с линией Льва. Аналогично совпадают линии осенних и зимних знаков зодиака: Скорпиона и Рыб, Стрельца и Водолея, как показано на следующем рисунке.

Теперь посмотрим, как связаны солнечные часы и конические сечения. Для этого надо представить траекторию, вдоль которой следует Солнце каждый день относительно оси вращения Земли. Если мы представим, что Солнце испускает единственный луч, который проходит точно через конец гномона, то при вращении Солнца вокруг оси мира этот луч опишет коническую поверхность, вершиной которой будет конец гномона (напомним, что гномон всегда направлен вдоль оси вращения Земли).

Если мы рассечем этот конус плоскостью, параллельной экватору, то есть перпендикулярной оси вращения Земли, получим окружность. Подобные окружности будут зодиакальными линиями экваториальных солнечных часов. Радиус этих окружностей зависит только от склонения Солнца и длины гномона.

Зодиакальные линии экваториальных солнечных часов — это концентрические окружности с центром в точке пересечения гномона и плоскости часов.

Если мы рассечем поверхность конуса горизонтальной или вертикальной плоскостью, полученные сечения будут ветвями гиперболы. Их форма определяется широтой места и, очевидно, склонением Солнца в каждом из зодиакальных созвездий. В зависимости от склонения Солнца ветви гиперболы будут выпуклыми или вогнутыми, а в день равноденствия примут вид прямых линий. Если мы изобразим небесную сферу бесконечного радиуса и будем считать Землю точкой, то изображение конических сечений на плоскости горизонта в упрощенном виде будет выглядеть так, как показано на предыдущей странице.

Если конец тени гномона движется вдоль одной из зодиакальных линий или вдоль линии, заключенной между двумя зодиакальными линиями, то мы можем приблизительно определить день месяца. Единственно возможная ошибка, которую можно допустить в теплом климате, это перепутать времена года. К примеру, если конец тени гномона находится между линиями Овен — Весы и Скорпион — Рыбы, а с деревьев облетают листья, то на дворе октябрь, если же листьев на деревьях нет — февраль.

Зодиакальные линии горизонтальных и вертикальных солнечных часов — это гиперболы, которые обращаются в прямые линии в дни равноденствий.

На рисунке выше показаны сечения конической поверхности, определяемые положением Солнца и концом гномона на плоскости горизонта. Если рассматривать небесную сферу бесконечно большого радиуса, Земля, как и гномон, будет точкой. Пересечением конуса, определяемого суточной параллелью со склонением D = +23,5°, с плоскостью горизонта будет гипербола, пересечением конуса, определяемого суточной параллелью со склонением D = — 23,5°, также будет гипербола.

При других значениях склонения, отличных от 0, сечениями также будут гиперболы. Если склонение равно 0°, конус обращается в круг, а линией его пересечения с плоскостью горизонта будет прямая.

Как устранить проблемы, связанные с измерением времени

От солнечных часов не требовалось особой точности. В XVII–XVIII веках люди были не слишком пунктуальны, и опозданию на полчаса не придавалось особого значения.

На древних солнечных часах не прочерчены часовые линии.

Определить время можно только по цифрам на циферблате, то есть очень примерно. Современный ритм жизни требует от нас все большей точности, и создатели солнечных часов стараются успеть за временем. Все мы знаем, когда действует летнее или зимнее время. Если указать на солнечных часах долготу места, то любой, взглянув на циферблат, сможет внести необходимую поправку (1 градус долготы соответствует 4 минутам времени).

Во многих случаях солнечные часы дополняют уравнением времени в той или иной форме: в виде таблицы, графика, «восьмерки», или аналеммы, которую изображают на одной или нескольких часовых линиях. На некоторых часах эта поправка учтена при расположении гномона, таким образом, корректировка вносится постоянно, однако если вы не знаете, как именно следует рассчитывать поправку, определить время с помощью таких часов затруднительно.

Благодаря всем этим усовершенствованиям солнечные часы становятся намного удобнее для обычных людей. Главное — чтобы они были правильно расположены.

На этих солнечных часах указаны долгота и график уравнения времени. На всех часовых линиях изображена аналемма.

* * *

ГДЕ ОШИБКА?

Горизонтальные солнечные часы, изображенные на фотографии, установлены неверно. Мы предлагаем читателю обнаружить ошибку самостоятельно. Если вам это не удалось, то вспомните, что линия север — юг должна совпадать с линией, указывающей 12 часов, однако стрелка компаса говорит, что это не так. Таким образом, часы могут указывать совершенно произвольное время.

* * *

Древняя задача определения долготы

Из Гибралтара, на юге Пиренейского полуострова, на родину отплывает пять английских кораблей. Туманной ночью 22 октября 1701 года в условиях плохой видимости, неподалеку от архипелага Силли (к юго-западу от Англии) адмирал Клаудесли Шовелл собирает офицеров, чтобы определить координаты кораблей и дальнейший курс. Все сходятся на том, что нужно следовать на север. Однако матрос с флагманского корабля «Содружество» сообщает капитану, что, по его подсчетам, корабли следуют неверным курсом, так как их координаты были определены неверно. На борту поддерживается строжайшая дисциплина, и матроса немедленно вешают за нарушение субординации. Спустя несколько часов «Содружество» налетает на огромные подводные камни близ архипелага Силли и тонет за несколько минут.

Эта же судьба постигает еще три корабля, и лишь одному удается спастись. При кораблекрушении погибло более 2 тысяч человек.

Это далеко не единственная история подобного рода. Прокладывать курс вдали от побережья было очень сложно, поскольку моряки не умели точно вычислять координаты корабля в открытом море. Конечно, любой опытный моряк умел определять широту по высоте Полярной звезды (в Северном полушарии) или по расположению Солнца в полдень. Однако с долготой все было намного сложнее.

Угловая высота Полярной звезды над горизонтом равна широте корабля.

Этим же свойством обладают и другие звезды, в частности Южный Крест или Пояс Ориона, однако оценить их положение на небе несколько сложнее. Аналогично, широту нетрудно определить по Солнцу в момент прохождения меридиана в 12 часов по солнечному времени, когда тени предметов будут самыми короткими.

Чтобы определить широту места, нужно измерить высоту Солнца над горизонтом А, зная склонение Солнца в день наблюдений.

С помощью простейшего инструмента (квадранта или поперечного жезла) или более современного приспособления (секстанта или октанта) несложно измерить высоту Солнца над горизонтом в момент, когда оно пересекает меридиан север — юг, то есть когда оно находится в наивысшей точке над горизонтом. Этот угол, как показано на рисунке дальше, равен А = 90° — ф + D, склонение Солнца в любой день года можно узнать из астрономического ежегодника. Имеем ф = 90°— A + D.

Высота Солнца в момент прохождения местного меридиана равна 90 — ф (где ф — широта) с поправкой на склонение Солнца, которое может быть положительным (летом и весной) или отрицательным (зимой и осенью).

Однако определить долготу совсем не просто. Христофор Колумб в 1492 году попытался достичь Индии, следуя вдоль параллели с момента отплытия с Канарских островов. Широта его кораблей была постоянной, и Колумб не достиг Японии только потому, что путь ему преградила Америка. При таком выборе курса решения задачи о долготе удалось избежать. Но если бы корабли Колумба не достигли Америки, участники экспедиции погибли бы, поскольку Колумб преуменьшил размеры Земли, и когда на горизонте показалась земля, запасы провианта уже подходили к концу. Колумбу повезло…

Почему же определить долготу так сложно? Как мы уже говорили, в силу вращения Земли ось вращения и экватор определяются однозначно. Окружности, параллельные экватору, имеют разные размеры, но обладают одним общим свойством: все они меньше экватора. Однако меридианы, представляющие собой большие круги земной сферы, проходящие через ее полюса, имеют совершенно одинаковую длину, и нулевой меридиан выбирается только из соображений удобства. Основная проблема заключается в том, чтобы определить угловое расстояние из любой точки земной поверхности до этого меридиана, который выбран не из астрономических, а из политических соображений. В этом и заключается основная проблема при определении долготы. Несколько веков назад, когда корабли отправлялись в плавание, моряки располагали лишь примитивными методами определения координат. Они обычно определяли пройденное расстояние, выбрасывая за корму веревку и подсчитывая число узлов, ушедших за борт, в определенный интервал времени. Измерив этот интервал с помощью примитивных песочных часов, моряки вычисляли мгновенную скорость корабля и на основе этого значения примерно оценивали координаты. Однако скорость судна изменялась в зависимости от ветра, течений и других факторов. Иными словами, определить точное положение корабля в открытом море было практически невозможно. Путешествия длились месяцами, недостаток витамина С угнетал сердечно-сосудистую систему, моряки страдали от цинги. Власти всех морских держав были озабочены проблемой определения долготы, которая более 300 лет волновала умы великих ученых.

Как мы уже объясняли, 15° долготы эквивалентны одному часу, или, что аналогично, 1 градус долготы эквивалентен 4 минутам времени. К примеру, на экваторе, где длина земной окружности наибольшая, это расстояние будет равно примерно 111 км. Иными словами, ошибка в одну минуту соответствовала отклонению примерно на 27 километров. К югу или к северу от экватора расстояние, соответствующее одному градусу долготы, уменьшается, что также вносит неточность.

После нескольких месяцев, проведенных в открытом море, определить местонахождение корабля было невозможно. Из-за этого капитаны опасались отклоняться от более или менее известных маршрутов, что приводило к скоплениям судов в определенных регионах и упрощало жизнь пиратам. К примеру, в 1590 году португальский корабль «Мадре де Деуш» был атакован английской эскадрой, которая захватила ценный груз стоимостью полмиллиона фунтов, что в то время составляло половину всего бюджета английского министерства финансов. Задача определения долготы требовала незамедлительного решения.

Учитывая склонность капитанов следовать известным маршрутам, в XVIII веке был предложен любопытный проект. Организаторы проекта хотели поставить на якорь в Атлантическом океане по кораблю каждые 600 миль. Команды этих кораблей должны были стрелять из пушек и запускать фейерверки, видимые на расстоянии в 100 миль, и тем самым указывать курс капитанам других судов. Целью авторов проекта (впрочем, нереализованного) было создание безопасной морской «автомагистрали».

Испанские короли Карл V и Филипп II, король Великобритании Георг II и французский король Людовик XIV потратили много сил на поиски решения. Торговля с Вест-Индией, военные экспедиции, желание открывать новые земли привели к тому, что роль мореходного дела возросла, и, как следствие, увеличилось число кораблекрушений, уносивших множество жизней и ценного груза. Из-за нерешен ной задачи о долготе морские карты до XVII века грешили значительными неточностями. Составлять их вообще было непросто, из-за чего возникали серьезные споры о принадлежности территориальных вод. Все это объясняет, почему многие острова в Океании были открыты по два и даже по три раза. Мореплаватель открывал остров, не нанесенный на карту, и объявлял его собственностью своего короля. Несколько лет спустя другой мореплаватель вновь «открывал» этот же остров и отмечал его на морской карте в другом месте. Впоследствии это приводило к проблемам и спорам, особенно между французскими и английскими мореплавателями, которые были искренне уверены, что именно они открыли тот или иной остров.

Наконец было предложено два принципиально разных решения задачи о долготе: астрономическое и механическое. Астрономическое решение основывалось на наблюдениях периодического движения небесных тел с последующим сравнением их положения на небе. Механическое решение заключалось в создании механических часов, позволявших с точностью определять время. Дело в том, что задача определения долготы на самом деле сводится к задаче определения времени: разница во времени эквивалентна разнице в долготе, и требовалось просто точно измерить эту разницу.

Любой достаточно опытный моряк мог определить, когда наступал солнечный полдень, однако для решения задачи этого было недостаточно. Если бы моряк знал, когда наступает солнечный полдень в порту отплытия, то, определив разницу во времени, он смог бы узнать разницу долгот (повторим: один градус долготы соответствует четырем минутам). Требовалось найти способ, позволявший узнавать время в порту отплытия.

Астрономическое решение

Допустим, что наблюдатель находится в центре Земли и у него есть надежные часы.

Сначала он наблюдает прохождение звезды через нулевой меридиан в момент времени t₁ затем Земля поворачивается на некоторый угол, и наблюдатель видит, что эта же звезда проходит через меридиан места в момент времени t₂. Разница во времени t₂ — t₁ соответствует разнице долгот между нулевым меридианом и меридианом места. Так как наблюдатель находится не в центре Земли, а на ее поверхности, он может наблюдать только момент прохождения звезды через меридиан места. Момент прохождения звезды через нулевой меридиан определяется по астрономическим таблицам, после чего, определив разницу во времени, наблюдатель сможет решить задачу о долготе.

Основным решением задачи было наблюдение затмений. Допустим, что наблюдатель находится посреди Атлантического океана и наблюдает лунное затмение.

Если он знает, что затмение произошло в Лондоне в момент времени h₁ а сам он увидел затмение в момент времени h₂ то, определив разницу во времени h₂ — h₁ он сможет вычислить разницу между долготой корабля и долготой Лондона. Основная проблема заключается в том, с какой точностью мореплаватель может определить время h₂ по своим песочным часам. Кроме того, затмения наблюдаются не каждую ночь, а определять долготу требуется как минимум раз в сутки.

В 1514 году Иоханнес Вернер создал метод лунных расстояний, позднее улучшенный. Мы знаем, что Луна каждый час проходит расстояние, примерно равное ее диаметру, то есть половину градуса. Если у нас есть очень точная карта звездного неба, показывающая, когда Луна «касается» различных известных звезд, мы сможем определить, когда это «касание» можно наблюдать с нулевого меридиана. Если наблюдатель определит точный момент времени, в который Луна «касается» звезды, то сможет вычислить разницу во времени между нулевым меридианом и меридианом корабля. Однако время на корабле определяется по неточным песочным часам.

Кроме того, сложная траектория движения Луны была недостаточно хорошо изучена. Метод лунных расстояний стало возможно использовать с удовлетворительной точностью только в середине XVIII века. На тот момент Джон Флемстид провел более 40 тысяч наблюдений Луны и звезд, астроном-наблюдатель Тихо Браге составил прекрасный атлас звездного неба, Галлей подробно изучил взаимное влияние Земли и Луны друг на друга, а Джон Хэдли изобрел квадрант — астрономический инструмент, при использовании которого с помощью зеркал можно было определять угловую высоту небесных тел над искусственным горизонтом в случаях, когда естественный горизонт не виден. На основе квадранта позднее был создан секстант, дополненный небольшим телескопом и обладавший более высокой точностью.

В 1610 году Галилей открыл спутники Юпитера: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто, которые впоследствии стали называться галилеевыми спутниками. Их затмения наблюдались с четкой периодичностью, и Галилей предложил решение задачи о долготе, основанное на результатах наблюдений затмений. Однако увидеть спутники Юпитера было непросто даже с обсерватории на берегу, поэтому метод Галилея оказался неприменим на практике. Хотя ученый даже сконструировал специальный шлем с подзорной трубой, упрощавший наблюдение, сам он признавал, что на его точность могло повлиять даже биение сердца наблюдателя. После смерти Галилея и с усовершенствованием телескопов этот метод начали применять на суше для более точного определения долготы и, следовательно, составления более точных карт. Людовик XIV говорил, что «потерял больше земель по вине своих картографов, чем по вине своих врагов».

Еще один метод определения долготы заключался в оценке изменений магнитного поля. Но от этого метода пришлось отказаться, поскольку отклонение магнитного поля зависело не только от места, но и от времени наблюдений.

Галилеевы спутники Юпитера, слева направо: Ио, Европа, Гэнимед, Каллисто.

* * *

ЗАТМЕНИЯ ГАЛИЛЕЕВЫХ СПУТНИКОВ И СКОРОСТЬ СВЕТА

В 1680 году итальянский астроном Джованни Доменико Кассини опубликовал свои таблицы затмений галилеевых спутников Юпитера, в которых приводились дата и время последующих затмений. Юный датский астроном Оле Рёмер показал: когда Земля находилась ближе к Юпитеру, затмения наблюдались раньше расчетного времени, а когда Земля отдалялась от Юпитера, затмения наблюдались позже расчетного времени. Отсюда следует: расхождения возникают из-за того, что лучу света требуется определенное время на то, чтобы пройти расстояние, равное диаметру земной орбиты. Следовательно, скорость света составляет 300000 км/с.

* * *

Решение, найденное часовщиком

Требовалось создать точные механические часы, пригодные для мореплавателей. С их помощью моряки смогли бы определять точное время в порту отплытия (с известной долготой). Если бы часы были идеально точными, то достаточно было определить по Солнцу полдень, посмотреть на часы, показывающие время в порту отплытия, и найти разницу во времени. А уж на ее основании очень просто определить долготу корабля. Первые маятниковые часы изготовил Гюйгенс, однако они сохраняли точность лишь в определенных погодных условиях. Следовательно, использовать такие часы в открытом море было нельзя.

Разные страны предлагали премии тому, кто сможет изготовить механические часы необходимой точности: так, король Испании Филипп III пообещал пожизненную пенсию тому, кто решит задачу о долготе; британский парламент во времена правления королевы Анны, в 1714 году, принял Декрет о долготе, согласно которому того, кто решит задачу с погрешностью менее половины градуса (то есть 50 километров на экваторе), ждала премия в 20 тысяч фунтов. Как видите, требуемая точность была очень велика, а огромный размер премии наводит на мысли, что англичане были на грани отчаяния — от решения задачи о долготе зависела экономика всей страны. Чтобы автор решения получил премию, его часы должны были сохранять требуемую точность хода во время плавания до Вест-Индии и обратно. Для контроля был учрежден Совет по долготе, куда вошли глава Гринвичской королевской обсерватории, глава Лондонского королевского общества, морской министр, председатель палаты общин, делегат от вооруженных сил и несколько ученых. Получить премию пытались многие. Мы отметим лишь Джереми Такера: он сконструировал часовой механизм, позднее дополненный двумя усовершенствованиями, которые используются и по сей день. Речь о вакуумной камере со стеклянными стенками и особой системе, благодаря которой часы не останавливались во время завода.

Решение задачи о долготе нашел плотник Джон Гаррисон, который сконструировал первые часы из маленьких латунных деталей, когда ему не было и двадцати лет. Гаррисон дополнил часы таблицей уравнения времени для сравнения фактического и солнечного времени. Он же придумал маятник, состоящий из двух стержней, изготовленных из чередующихся полос различных металлов, чтобы компенсировать воздействие перепадов температуры на точность хода. Однако в морских часах маятнику было не место, поэтому Гаррисон разработал особый механизм, обеспечивавший равномерную передачу энергии от сжатой пружины.

* * *

СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ И ЗВЕЗДНОЕ ВРЕМЯ

Из соображений удобства мы делим сутки на 24 часа — именно за такой промежуток времени Солнце проходит через меридиан одного и того же места два раза подряд. Мы уже говорили, что в действительности используем среднее солнечное время: движение Земли вокруг Солнца описывается законом равенства площадей, поэтому Земля иногда движется чуть медленнее, иногда — чуть быстрее, но в среднем Солнце совершает полный круг над горизонтом и дважды проходит через меридиан места за 24 часа.

Если в качестве точки отсчета мы будем использовать не Солнце, а неподвижные звезды, то увидим, что период обращения Земли несколько меньше: любая неподвижная звезда проходит два раза подряд через один и тот же меридиан места за 23 часа 56 минут 4 секунды, так как Земля при вращении вокруг Солнца движется в опережением в 3 минуты 56 секунд.

Разница между звездным и солнечным временем.

Джон Гаррисон обеспечивал точность своих часов по результатам наблюдений за определенными звездами из своей примитивной обсерватории. Он обнаружил, что звезды постоянно появлялись на небе на 3 минуты 56 секунд раньше, чем прошлой ночью. Таким образом он добился расхождения всего в одну секунду в месяц — стандартной погрешностью для часов того времени была одна минута в сутки. Гаррисон получил займ от Совета по долготе на изготовление своего первого морского хронометра Н1. На работу ушло пять лет. Хронометр был изготовлен из дерева, весил 34 кг и находился внутри стеклянного резервуара объемом в 1 м³  (отметим, что первый хронометр Гаррисона работает до сих пор). Он был погружен на корабль, отплывавший в Лиссабон, и очень пригодился в плавании. В 1737 году Совет по долготе был созван в первый раз и единогласно утвердил хронометр Н1. Единственным, кто счел хронометр несовершенным, был сам Гаррисон, который попросил новый займ на внесение необходимых изменений. В 1739 году был создан хронометр Н2, в 1751-м — НЗ. Лишь хронометр Н4 отличался существенно меньшим весом и размером.

Любопытно, что Гаррисон начал работу над принципиально иным хронометром после того, как получил от одного из учеников в подарок карманные часы. Н4 имел 133 мм в диаметре и весил 1300 г, одного завода хватало на 30 часов, при этом во время завода хронометр не останавливался. В октябре 1761 года Гаррисон отправился на Ямайку и по прибытии в Порт-Ройял, после двух месяцев в пути, астрономическими методами определил, что отставание хронометра составило всего 5 секунд, что соответствовало ошибке в 1,25 минуты долготы, или примерно 2000 м — намного меньше, чем требовалось Декретом о долготе. Однако Совет постановил, что проведенных экспериментов недостаточно для определения долготы в открытом море. Дело в том, что в Совет вошли три новых участника, три математика, которые настаивали на том, что долгота Порт-Ройяла не была установлена по результатам наблюдения за спутниками Юпитера. При этом капитан корабля не знал и не мог знать, что должен определить долготу таким способом. Хронометр Н4 был вновь погружен на борт корабля в 1764 году, и на этот раз по результатам испытаний Совет постановил: «часы идут с достаточной точностью». Однако Совет предложил Гаррисону лишь половину премии и внес дополнительное условие: изобретатель должен изготовить еще два хронометра и открыть свои секреты, чтобы можно было начать серийное производство.

На изготовление копии, Н5, у Гаррисона ушло три года. Ему было уже семьдесят девять лет, и он не знал, успеет ли закончить работу. К счастью, король Георг III настоял, чтобы Совет выплатил Гаррисону оставшуюся часть премии. Погрешность хода хронометра Н5 составила всего 1/3 секунды в день, а само устройство было подлинным шедевром.

В хронометрах Гаррисона практически отсутствовало трение, им не требовалась смазка, они были прекрасно сбалансированы и поддерживали точность хода в любой температуре. Так что стоит отдать должное искусству мастера.

Гаррисон умер в 1776 году, и доступ к его наработкам получили многие часовые мастера, которые приступили к изготовлению собственных хронометров. В 1860 году на 200 кораблей английского флота приходилось 800 хронометров. За короткое время это устройство стало привычным средством навигации и заняло важное место в мореходном деле. Можно сказать, что морское господство Британии, да и вообще появление Британской империи стало возможным благодаря быстрому и точному определению координат кораблей в открытом море. Этот способ применялся еще совсем недавно, пока ему на смену не пришли системы спутниковой навигации.

* * *

Дорогу указывают спутники. Система глобального позиционирования

GPS (от англ. Global Positioning System — «система глобального позиционирования») — это глобальная система спутниковой навигации, позволяющая определять положение любого объекта на поверхности Земли с точностью до нескольких метров. Система включает 32 спутника, которые находятся на околоземной орбите на высоте 20200 км. Траектории спутников синхронизированы так, что они обеспечивают покрытие всей поверхности Земли. Кроме того, ряд наземных станций отправляют им контрольную информацию. Для определения местоположения с помощью GPS требуются специальные приемники, каждый из них использует сигнал как минимум трех спутников. Приемник синхронизирует часы GPS и рассчитывает время прохождения сигнала со спутника, после чего определяет расстояние до спутника с помощью триангуляции и, наконец, реальные координаты точки, в которой он находится.