Час є філософською, фізичною та соціальною категорією, то му задача точного вимірювання часу є однією з найважливіших проблем сучасної науки. З нашого досвіду відомо, що час «тече» рівномірно, подібно до води в спокійній, тихій річ ці. За цим принципом були в давнину сконструйо вані водяні та пісочні годинники. З часом був ство рений механічний годинник, дія якого основана на принципі періодичних коливань маятника , що дов го може зберігати сталим період своїх коливань. Принцип дії найточніших сучасних електронних го динників базується на використанні коливань в елек тромагнітному полі кристалів або навіть окремих молекул. Хоча годинники протягом віків змінюва ли вигляд і збільшувалась точність вимірювань, деякі одиниці для визначення часу залишилися одними й тими самими — рік та доба, бо вони пов'язані з рухом Землі навколо Сонця та її обертанням навколо своєї осі. Для визначення кутової швидкості обертання Землі орієнтира ми можуть служити небесні світила — Сонце, зорі та інші небесні світила. Тому і використовують дві системи відліку часу — зоряний час і сонячний час. Зоряний час переважно вико ристовують астрономи, а в повсякденному житті всі люди застосовують тільки сонячний час. Проміжок часу, за який Земля робить повний оберт навколо сво єї осі відносно Сонця, називають сонячною добою. До ба поділяється на 24 години. За традицією початок сонячної доби (0 год) настає опівночі. Сонячний час у певному місці, або місцевий час, можна визначити за допомогою сонячного годинни ка — звичайної палички, тінь від якої допоможе при близно виміряти місцевий час. Місцевий полудень — 12 година за місцевим часом — настає о тій порі, коли триває верхня кульмінація Сонця,— тоді тінь від палички найкоротша . У повсякденному житті користуватись місце вим часом незручно, бо в кожній точці на поверх ні Землі він різний, і ми, переїжджаючи від одно го місця до іншого, мусили б постійно переводити стрілки годинника на кілька хвилин. Ця пробле ма усувається, якщо користуватись поясним часом, який запровадили в кінці XI X ст. Землю поділи ли меридіанами на 24 годинні пояси і домовились, що всі годинники в одному поясі будуть показу вати однаковий час, який дорівнює місцевому ча су середнього меридіана . Мандрівники переводять годинники на одну годину тільки у ви падку, коли вони перетинають межу відповідного поясу. Нульовий пояс проходить через Гринвіцький меридіан, тому годинники у Великій Британії по казуют ь місцевий час Гринвіцького меридіана — цей час називають всесвітнім часом. У сучасних мобільних телефонах місцевий час нульового поясу позначають GMT (з англ. Гринвіцький середній час). Західна Європа живе за часом першого поясу, який на 1 годину випереджає всесвітній. Україна розташо вана у другому поясі, тому час, за яким живуть її мешканці (київський час), випереджає всесвітній час на 2 години. Якщо поїхати на захід, до Польщі, то стрілки наших годинників треба перевести на 1 го дину назад, а якщо подорожувати на схід, до Росії, наприклад до Москви,— то на 1 годину вперед. Різниця між місцевим і київським часом ви значається різницею географічних довгот Києва та місця спостереження. Наприклад, ми хочемо визначи ти різницю між київським і місцевим часом у Хар кові. Довгота Харков а Хх = 36° = 2 год 25 хв, довго та Києв а Хк = 30° = 2 год 00 хв . Тобто місцевий час у Харкові на 25 хвилин попереду київського часу, тому взимку Сонце у Харкові кульмінує приблизно об 11 год 35 хв за київським часом. На меридіані з довготою 180° проходить лінія зміни дат. Для тих, хто її перетинає, є можливість подорожувати не тільки в просторі, а й у часі. На приклад, якщо летіти з Азії на схід, в Америку, 1 січ ня, то наступний день теж буде 1 січня, тобто ви никає на перший погляд фантастична можливість прожити той самий день двічі. Зате коли пасажи ри летять у зворотному напрямку, з Америки на за хід, в Азію, то протягом перельоту за кілька годин можна прожити 2 доби — після 1 січня зразу на стане 3 січня.
Сонячний час та зодіак
Слово зодіак (від грец.— коло із зображень тварин) уперше по чали вживати для визначення особливих сузір'їв ще кілька тисяч років тому. Ця назва пов'язана з тим, що Сонце, Місяць і планети Сонячної системи можна спостерігати на тлі 12 зодіакальних сузір'їв, які утворюють на небесній сфері велике коло, і серед назв цих сузір'їв переважають назви живих істот. На рис. 3.4 зображено орбіту Землі, далекі сузір'я та через кожні 30° проведені лінії, які по значають положення нашої планети відносно зір че рез кожний місяць. Таким чином, ми можемо по значати рух Землі по орбіті та відраховувати великі проміжки часу. За початок відліку руху Землі візьмемо точку весняного рівнодення. Якщо 21 березня з'єднати Зем лю і Сонце прямою лінією та продовжити її у космос, то ця пряма десь у далечині перетинає уявну небес ну сферу у двох діаметрально протилежних точках, одна з яких розташована в сузір'ї Діви (з боку Зем лі), а інша — у сузір'ї Риб (за Сонцем). У березні сузір'я Риб не видно, бо воно перебу ває за Сонцем. Астрономи цей момент описують так: « 21 березня Сонце розташоване у напрямку сузір'я Риб у точці весняного рівнодення». Рухаючись разом із Землею по орбіті, ми протя гом року спостерігатимемо Сонце в різних напрямках на тлі різних сузір'їв. Якщо кожного дня позначати по ложення центра Сонця відносно далеких зір, то можна отримати велике коло небесної сфери, яке називається екліптикою (від грец.— затемнення). Математичне ви значення екліптики — це лінія перетину площини ор біти Землі з небесною сферою, тобто площина екліпти ки збігається з площиною орбіти Землі. Площина екліптики протягом сто літь займає стале положення відносно зір, але полюси світу поступово зміщуються у космічному просторі — це явище нази вають прецесією (від лат.— випередження, рис. 3.5). Вісь обертання Землі описує у кос мосі конус із періодом 26000 років. І якщо в наш час Північний по люс світу розташований у сузір'ї Малої Ведмедиці, то через 13000 ро ків він переміститься у сузір'я Ліри, і наші нащадки будуть визначати напрямок на північ за допомогою зорі Вега. Внаслідок прецесії зміню ється також положення площини небесного екватора серед зір, тому в майбутньому в Україні не буде видно сузір'я Оріон, зате наші на щадки побачать найближчу до нас зорю Проксиму Кентавра.
Зміна пір року на Землі
З курсу природознавства відомо, що вісь обертання Землі нахи лена до площини орбіти під кутом 66,5°, і це призводить до зміни пір року на Землі. Якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площини орбіти, то зміни пір року не відбувалося б, бо Сонце протя гом року освітлювало б рівномірно Північну та Південну півкулі нашої планети. Зараз такі дні, коли Сонце одна ково освітлює дві півкулі Землі, настають тільки двічі на рік — весною 20—21 бе резня і восени 22—23 вересня, коли на всіх материках однакова тривалість дня — 12 годин. В інші місяці тривалість дня біль ша або менша за 12 годин і залежить від географічної широти місця спостережен ня. Найдовший день у Північній півкулі настає 21—22 червня — початок астроно мічного літа, а у Південній півкулі в цей день починається астрономічна зима. Через півроку 21—22 грудня, на впаки, у Північній півкулі настає астрономічна зима, а в Південній — літо. (Рис. 3.7, 3.8.) На широті 50° (Київ, Львів, Харків) тривалість найдовшого дня 22 червня — 16 год 20 хв — у два рази більша за тривалість найко- ротшого дня 22 грудня — 8 год. На широті 45° різниця між найдов ш им і найкоротшим днем трохи зменшується, тому в Криму най довший день триває 15 год ЗО хв, а найкоротший — 8 год 40 хв. Найбільше сонячної енергії поверхня Землі отримує опівдні, коли настає верхня кульмінація Сонця, а найменше — вранці та ввечері. Вночі Земля тільки охолоджується, тому середня температура поверх ні залежить також від тривалості дня і ночі. Наприклад, на широті 50° кількість енергії, яку отримує поверхня за літній день, досягає 25000 кДж/м2 . Цікаво, що ця енергія на віть більша, ніж на екваторі, де цілий рік тривалість дня не змінюється і дорівнює 12 годинам. Узимку коротка тривалість дня та невелика висота Сонця над горизонтом призводять до значного зменшення со нячної енергії, що обігріває поверхню Зем лі. Наприклад, у грудні кількість енергії, яку отримує одиниця поверхні на наших широтах протягом дня, майже у 7 разів менша, ніж у літній день. Сучасний нахил осі обертання до площини орбіти під кутом 66,5° є опти мальним для різноманітних кліматичних зон на поверхні Землі — від тропіків до полярного кола. Усі інші варіанти зміни кута нахилу осі обертання Землі призвели б до катастрофічних змін клімату і глобаль ної екологічної катастрофи. Наприклад, Рис. 3.8. Механічний прилад XIX ст., який демонстрував рух планет і зміну пір року на Землі якби вісь обертання Землі була нахилена до площини орбіти під ку том 50°, то полярне коло проходило б через Україну, а тропіки — че рез Чорне море. На наших широтах влітку протягом місяця Сонце не заходило б за горизонт, а опівдні кульмінація була б поблизу зеніту. Розрахунки показують, що літня температура поверхні в Україні до сягала б критичних для життя меж від +6 0 до +80°С . В іншому ви падку, якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площи ни орбіти, зміни пір року взагалі не було б, тому Європа могла б перетворитись на холодну напівпустелю типу тундри. Поблизу полюсів є області, де Сонце кілька місяців не за ходить за горизонт — тоді влітку спостерігається полярний день. Узимку, навпаки, у полярних районах кілька місяців Сонце не сходить — настає полярна ніч. Границі цих областей називають ся полярними колами. Вони розташовані на широті 66,5° обох півкуль. На самих полюсах полярний день триває півроку і стільки ж триває полярна ніч. Наприклад, на Північному полюсі Сонце схо дить 21 березня і заходить 23 вересня. У цей період схилення Сон ця більше за нуль. На Південному полюсі, навпаки, полярний день триває від 23 вересня до 21 березня.
Календарі
У сучасному календарі усіх європейських країн за основу бе реться 1 тропічний рік — період обертання Землі навколо Сонця відносно точки весняного рівнодення fY\ але при створенні ідеаль ного календаря виникає ускладнення, бо тропічний рік не має ціло го числа діб. Довгий час в Європі користувалися юліанським календарем, який був запроваджений ще Юлієм Цеза рем у 46 році до н. е. У цьому календарі тривалість тро пічного року була прийнята за 365 діб 6 год 00 хв 00 с, а для того щоб рік мав ціле число діб, було прийнято, що кожні 3 роки підряд триватимуть по 365 діб, а четвертий рік — 366 діб (високосний рік). Але в середньому кожний календарний рік був довший за тропічний на 11 хв 14 с (365 діб 6 год 00 хв 00 с - - 365 діб 5 год 48 хв 46 с). Тобто коли тропічний рік уже реально закінчувався, рік за юліанським кален дарем тривав ще 11 хв 14 с. Тому за чотири роки по хибка накопичувалася і календар відставав уже на 44 хв 56 с, а за 400 років — майже на 3 доби. Григоріанський календар, що діє в наш час, ви правив цю неточність. У ньому вилучили три доби з кожних 400 років, тобто три високосні роки зроби ли простими. Легко помітити, що це ті роки, які закінчуються дво ма нулями і число сотень яких не ділиться на чоти ри без остачі. Григоріанський календар теж не є іде альним, але похибку на одну добу він дає приблизно
З часом був ство рений механічний годинник, дія якого основана на принципі періодичних коливань маятника , що дов го може зберігати сталим період своїх коливань. Принцип дії найточніших сучасних електронних го динників базується на використанні коливань в елек тромагнітному полі кристалів або навіть окремих молекул. Хоча годинники протягом віків змінюва ли вигляд і збільшувалась точність вимірювань, деякі одиниці для визначення часу залишилися одними й тими самими — рік та доба, бо вони пов'язані з рухом Землі навколо Сонця та її обертанням навколо своєї осі.
Для визначення кутової швидкості обертання Землі орієнтира ми можуть служити небесні світила — Сонце, зорі та інші небесні світила. Тому і використовують дві системи відліку часу — зоряний час і сонячний час. Зоряний час переважно вико ристовують астрономи, а в повсякденному житті всі люди застосовують тільки сонячний час. Проміжок часу, за який Земля робить повний оберт навколо сво єї осі відносно Сонця, називають сонячною добою. До ба поділяється на 24 години. За традицією початок сонячної доби (0 год) настає опівночі. Сонячний час у певному місці, або місцевий час, можна визначити за допомогою сонячного годинни ка — звичайної палички, тінь від якої допоможе при близно виміряти місцевий час. Місцевий полудень — 12 година за місцевим часом — настає о тій порі, коли триває верхня кульмінація Сонця,— тоді тінь від палички найкоротша . У повсякденному житті користуватись місце вим часом незручно, бо в кожній точці на поверх ні Землі він різний, і ми, переїжджаючи від одно го місця до іншого, мусили б постійно переводити стрілки годинника на кілька хвилин. Ця пробле ма усувається, якщо користуватись поясним часом, який запровадили в кінці XI X ст. Землю поділи ли меридіанами на 24 годинні пояси і домовились, що всі годинники в одному поясі будуть показу вати однаковий час, який дорівнює місцевому ча су середнього меридіана . Мандрівники переводять годинники на одну годину тільки у ви падку, коли вони перетинають межу відповідного поясу. Нульовий пояс проходить через Гринвіцький меридіан, тому годинники у Великій Британії по казуют ь місцевий час Гринвіцького меридіана — цей час називають всесвітнім часом. У сучасних мобільних телефонах місцевий час нульового поясу позначають GMT (з англ. Гринвіцький середній час). Західна Європа живе за часом першого поясу, який на 1 годину випереджає всесвітній. Україна розташо вана у другому поясі, тому час, за яким живуть її мешканці (київський час), випереджає всесвітній час на 2 години. Якщо поїхати на захід, до Польщі, то стрілки наших годинників треба перевести на 1 го дину назад, а якщо подорожувати на схід, до Росії, наприклад до Москви,— то на 1 годину вперед. Різниця між місцевим і київським часом ви значається різницею географічних довгот Києва та місця спостереження. Наприклад, ми хочемо визначи ти різницю між київським і місцевим часом у Хар кові. Довгота Харков а Хх = 36° = 2 год 25 хв, довго та Києв а Хк = 30° = 2 год 00 хв . Тобто місцевий час у Харкові на 25 хвилин попереду київського часу, тому взимку Сонце у Харкові кульмінує приблизно об 11 год 35 хв за київським часом. На меридіані з довготою 180° проходить лінія зміни дат. Для тих, хто її перетинає, є можливість подорожувати не тільки в просторі, а й у часі. На приклад, якщо летіти з Азії на схід, в Америку, 1 січ ня, то наступний день теж буде 1 січня, тобто ви никає на перший погляд фантастична можливість прожити той самий день двічі. Зате коли пасажи ри летять у зворотному напрямку, з Америки на за хід, в Азію, то протягом перельоту за кілька годин можна прожити 2 доби — після 1 січня зразу на стане 3 січня.
Площина екліптики протягом сто літь займає стале положення відносно зір, але полюси світу поступово зміщуються у космічному просторі — це явище нази вають прецесією (від лат.— випередження, рис. 3.5). Вісь обертання Землі описує у кос мосі конус із періодом 26000 років. І якщо в наш час Північний по люс світу розташований у сузір'ї Малої Ведмедиці, то через 13000 ро ків він переміститься у сузір'я Ліри, і наші нащадки будуть визначати напрямок на північ за допомогою зорі Вега. Внаслідок прецесії зміню ється також положення площини небесного екватора серед зір, тому в майбутньому в Україні не буде видно сузір'я Оріон, зате наші на щадки побачать найближчу до нас зорю Проксиму Кентавра.
Найбільше сонячної енергії поверхня Землі отримує опівдні, коли настає верхня кульмінація Сонця, а найменше — вранці та ввечері. Вночі Земля тільки охолоджується, тому середня температура поверх ні залежить також від тривалості дня і ночі. Наприклад, на широті 50° кількість енергії, яку отримує поверхня за літній день, досягає 25000 кДж/м2 . Цікаво, що ця енергія на віть більша, ніж на екваторі, де цілий рік тривалість дня не змінюється і дорівнює 12 годинам. Узимку коротка тривалість дня та невелика висота Сонця над горизонтом призводять до значного зменшення со нячної енергії, що обігріває поверхню Зем лі. Наприклад, у грудні кількість енергії, яку отримує одиниця поверхні на наших широтах протягом дня, майже у 7 разів менша, ніж у літній день. Сучасний нахил осі обертання до площини орбіти під кутом 66,5° є опти мальним для різноманітних кліматичних зон на поверхні Землі — від тропіків до полярного кола. Усі інші варіанти зміни кута нахилу осі обертання Землі призвели б до катастрофічних змін клімату і глобаль ної екологічної катастрофи. Наприклад, Рис. 3.8. Механічний прилад XIX ст., який демонстрував рух планет і зміну пір року на Землі якби вісь обертання Землі була нахилена до площини орбіти під ку том 50°, то полярне коло проходило б через Україну, а тропіки — че рез Чорне море. На наших широтах влітку протягом місяця Сонце не заходило б за горизонт, а опівдні кульмінація була б поблизу зеніту. 