Астрономические основы календаря

Астрономические основы календаря

29

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУ ВПО «АмГУ»)

РЕФЕРАТ

на тему: Астрономические основы календаря

по дисциплине: Концепции современного естествознания

Исполнитель

студент группы С82 В

Руководитель

к.т.н., доцент

Благовещенск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1 Предпосылки появления календаря
• 2 Элементы сферической астрономии
• 2.1 Основные точки и линии небесной сферы
• 2.2 Небесные координаты
• 2.3 Кульминация светил
• 2.4 Сутки, звездные сутки
• 2.5 Среднее солнечное время
• 2.6 Поясное, декретное и летнее время
• 3 Смена времен года
• 3.1 Равноденствия и солнцестояния
• 3.2 Звездный год
• 3.3 Зодиакальные созвездия
• 3.4 Характерные восходы и заходы звезд
• 3.5 Тропический, Бесселев год
• 3.6 Прецессия
• 3.7 Изменение числа суток в году
• 4 Смена фаз луны
• 4.1 Сидерический месяц
• 4.2 Конфигурации и фазы Луны
• 4.3 Синодический месяц
• 5 Семидневная неделя
• 5.1 Происхождение семидневной недели
• 5.2 Названия дней недели
• 6 Арифметика календарей
• 6.1 Лунный календарь
• 6.2 Лунно-солнечный календарь
• 6.3 Солнечный календарь
• 6.4 Особенности григорианского календаря
• Заключение
• Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Естествознание - система наук о природе, включающая космологию, физику, химию, биологию, геологию, географию и другие. Главная цель изучения его - познание сущности (истины) явлений природы путем формулирования законов и выведения следствий из них /1/.

Учебный курс «Концепции современного естествознания» был введен сравнительно недавно в систему высшего образования и в настоящее время является основой естественнонаучного образования при подготовке в вузах России квалифицированных кадров гуманитарных и социально-экономических специальностей.

Первоочередная цель образования - приобщить нового члена общества к культуре, созданной за тысячелетнюю историю человечества. Понятие «культурный человек» традиционно ассоциируется с личностью, свободно ориентирующейся в истории, литературе, музыке, живописи: акцент, как видим, падает на гуманитарные формы отражения мира. Однако в наше время пришло понимание того, что неотъемлемой и важнейшей частью общечеловеческой культуры являются достижения естественных наук. Особенностью курса является то, что он охватывает чрезвычайно широкую предметную область.

Целью написания данного реферата является понимание астрономических основ календаря, причин его возникновения, а также происхождение отдельных понятий, таких как сутки, неделя, месяц, год, систематизация которых и привела к появлению календаря.

1 ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЯВЛЕНИЯ КАЛЕНДАРЯ

Чтобы использовать единицы измерения времени (сутки, месяц, год), людям древности необходимо было их осознать, затем научиться подсчитывать, сколько раз в каком-то промежутке времени, разделяющем интересующие их события, укладывалась та или другая единица счета. Без этого люди просто не могли жить, общаться между собой, торговать, заниматься земледелием и т. д. Вначале такой счет времени мог быть весьма примитивным. Но в дальнейшем, по мере развития человеческой культуры, с возрастанием практических потребностей людей календари все более совершенствовались, в качестве их составных элементов появились понятия года, месяца, недели.

Трудности, возникающие при разработке календаря, обусловлены тем, что продолжительность суток, синодического месяца и тропического года несоизмеримы между собой. Неудивительно поэтому, что в далеком прошлом каждое племя, каждый город, государство создавали свои собственные календари, по-разному составляя из суток месяцы и годы. В одних местах люди считали время единицами, близкими к продолжительности синодического месяца, принимая в году определенное (например, двенадцать) число месяцев и не считаясь с изменением времени года. Так появились лунные календари. Другие измеряли время такими же месяцами, но продолжительность года стремились согласовать с изменениями времен года (лунно-солнечный календарь). Наконец, третьи за основу счета дней брали смену времен года, а смену фаз Луны вообще не принимали во внимание (солнечный календарь).

Таким образом, задача о построении календаря состоит из двух частей. Во-первых, на основании многолетних астрономических наблюдений необходимо было как можно точнее установить продолжительность периодического процесса (тропического года, синодического месяца), который принимается за основу календаря. Во-вторых, было необходимо подобрать календарные единицы счета целых суток, месяцев, лет различной продолжительности и установить правила их чередования таким образом, чтобы за достаточно большие промежутки времени средняя продолжительность календарного года (а также календарного месяца в лунных и лунно-солнечных календарях) была близкой к тропическому году (соответственно - синодическому месяцу).

В своей практической деятельности люди не могли обходиться и без определенной эры- системы счета (летосчисления). В далеком прошлом каждое племя, каждое поселение создавало свою собственную календарную систему и свою эру. При этом в одних местах счет лет велся от какого-то реального события (например, от прихода к власти того или другого правителя, от опустошительной войны, наводнения или землетрясения), в других - от события вымышленного, мифического, часто связанного с религиозными представлениями людей. Начальную точку отсчета той или другой эры принято называть ее эпохой.

Все свидетельства о событиях давно минувших дней необходимо было упорядочить, найти им соответствующее место на страницах единой всемирной истории. Так возникла наука хронология (от греческих слов «хронос»- время и «логос» - слово, учение), задача которой - изучать все формы и методы счисления времени, сопоставлять и определять точные даты различных исторических событий и документов, а в более широком плане - узнавать возраст находимых при археологических раскопках остатков материальной культуры, а также возраст нашей планеты в целом. Хронология является такой научной областью, в которой астрономия соприкасается с историей.

2 ЭЛЕМЕНТЫ СФЕРИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ

2.1 Основные точки и линии небесной сферы

При изучении вида звездного неба пользуются понятием небесной сферы - воображаемой сферы произвольного радиуса, к внутренней поверхности которой как бы «подвешены» звезды. В центре этой сферы (в точке О) и находится наблюдатель (рисунок 1). Точка небесной сферы, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом, противоположная ей - надиром. Точки пересечения воображаемой оси вращения Земли («оси мира») с небесной сферой называются полюсами мира. Проведем через центр небесной сферы три воображаемые плоскости: первую перпендикулярно к отвесной линии, вторую перпендикулярно к оси мира и третью - через отвесную линию (через центр сферы и зенит) и ось мира (через полюс мира). В результате на небесной сфере получим три больших круга (центры которых совпадают с центром небесной сферы): горизонт, небесный экватор и небесный меридиан. Небесный меридиан пересекается с горизонтом в двух точках: точке севера (N) и точка юга (S), небесный экватор - в точке востока (Е) и точке запада (W). Линия SN, определяющая направление «север - юг», называется полуденной линией.

Рисунок 1 - Основные точки и линии небесной сферы; стрелкой указано направление ее вращения

Видимое годичное передвижение центра диска Солнца среди звезд происходит по эклиптике - большому кругу, плоскость которого составляет с плоскостью небесного экватора угол е = 23°27/. С небесным экватором эклиптика пересекается в двух точках (рисунок 2): в точке весеннего равноденствия Т (20 или 21 марта) и в точке осеннего равноденствия (22 или 23 сентября).

2.2 Небесные координаты

Как и на глобусе - уменьшенной модели Земли, на небесной сфере, можно построить координатную сетку, позволяющую определить координаты любого светила. Роль земных меридианов на небесной сфере играют круги склонений, проходящие от северного полюса мира к южному, вместо земных параллелей на небесной сфере проводятся суточные параллели. Для каждого светила (рисунок 2) можно найти:

1. Угловое расстояние а его круга склонения от точки весеннего равноденствия, измеренное вдоль небесного экватора против суточного движения небесной сферы (аналогично тому, как вдоль земного экватора мы измеряем географическую долготу X - угловое расстояние меридиана наблюдателя от нулевого гринвичского меридиана). Эта координата называется прямым восхождением светила.

2. Угловое расстояние светила б от небесного экватора- склонение светила, измеренное вдоль круга склонений, проходящего через это светило (соответствует географической широте).

Рисунок 2 - Положение эклиптики на небесной сфере; стрелкой указано направление видимого годичного движения Солнца

Прямое восхождение светила а измеряется в часовой мере - в часах (ч или h), минутах (м или т) и секундах (с или s) от 0h до 24h склонение б - в градусах, со знаком «плюс» (от 0° до +90°) по направлению от небесного экватора к северному полюсу мира и со знаком «минус» (от 0° до -90°) - к южному полюсу мира. В процессе суточного вращения небесной сферы эти координаты для каждого светила остаются неизменными.

Положение каждого светила на небесной сфере в данный момент времени можно описать и двумя другими координатами: его азимутом и угловой высотой над горизонтом. Для этого от зенита через светило к горизонту проводим мысленно большой круг - вертикал. Азимут светила А отсчитывается от точки юга S к западу до точки пересечения вертикала светила с горизонтом. Если же отсчет азимута ведется от точки юга против часовой стрелки, то ему приписывают знак минус. Высота светила h отсчитывается вдоль вертикала от горизонта до светила (рисунок 4). Из рисунка 1, видно, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте наблюдателя.

2.3 Кульминация светил

В процессе суточного вращения Земли каждая точка небесной сферы дважды проходит через небесный меридиан наблюдателя. Прохождение того или другого светила через ту часть дуги небесного меридиана, на которой расположен зенит наблюдателя, называется верхней кульминацией светила. При этом высота светила над горизонтом достигает наибольшего значения. В момент нижней кульминации светило проходит противоположную часть дуги меридиана, на которой находится надир. Временем, прошедшим после верхней кульминации светила, измеряется часовой угол светила U.

Если светило в верхней кульминации проходит через небесный меридиан к югу от зенита, то его высота над горизонтом в этот момент равна:

2.4 Сутки, звездные сутки

Постепенно поднимаясь вверх, Солнце достигает своего наивысшего положения на небе (момент верхней кульминации), после чего медленно опускается вниз, чтобы на несколько часов снова скрыться за горизонтом. Спустя 30 - 40 минут после захода Солнца, когда закончатся вечерние сумерки, на небе появляются первые звезды. Это правильное чередование дня и ночи, являющееся отображением вращения Земли вокруг своей оси, и дало людям естественную единицу времени - сутки.

Итак, сутки - это промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Солнца. За начало истинных солнечных суток принимают момент нижней кульминации центра диска Солнца (полночь). В согласии с традицией, которая пришла к нам из Древнего Египта и Вавилонии, сутки делятся на 24 часа, каждый час - на 60 минут, каждая минута - на 60 секунд. Время Т0, измеренное от нижней кульминации центра диска Солнца, называется истинным солнечным временем.

Но Земля является шаром. Поэтому свое собственное (местное) время будет одинаковым лишь для пунктов, находящихся на одном и том же географическом меридиане.

Уже говорилось о вращении Земли вокруг своей оси относительно Солнца. Оказалось удобным и даже необходимым ввести еще одну единицу времени - звездные сутки, как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями одной и той же звезды. Так как, вращаясь вокруг оси, Земля еще и движется по своей орбите, то звездные сутки короче солнечных почти на четыре минуты. В году же звездных суток ровно на единицу больше, чем солнечных.

За начало звездных суток принят момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия. Отсюда звездное время - это время, истекшее с момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия. Оно измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия. Звездное время равно прямому восхождению светила, находящегося в данный момент времени в верхней кульминации (в это время часовой угол светила t = 0).

Уравнение времени говорит о том, что истинное Солнце в своем движении на небесной сфере то «обгоняет» среднее солнце, то «отстает» от него, и если время измеряется по среднему солнцу, то тени от всех предметов отбрасываются из-за их освещения истинным Солнцем. Предположим, что кто-то решил построить здание лицом к югу. Желаемое направление ему укажет полуденная линия: в момент верхней кульминации Солнца, когда оно, пересекая небесный меридиан, «проходит над точкой юга», тени от вертикальных предметов падают вдоль полуденной линии по направлению к северу. Поэтому для решения задачи достаточно подвесить на нити грузик и в упомянутый момент времени вбить колышки вдоль отброшенной нитью тени.

Но установить «на глаз», когда центр диска Солнца пересекает небесный меридиан, невозможно, этот момент следует рассчитать заранее.

Звездное время используем для определения того, какие участки звездного неба (созвездия) будут видны над горизонтом в то или другое время суток и года. В каждый конкретный момент времени в верхней кульминации находятся те звезды, для которых а = 5. Рассчитывая звездное время s, и определяем условия видимости звезд и созвездий.

2.5 Среднее солнечное время

Измерения показывают, что продолжительность истинных солнечных суток на протяжении года неодинакова. Наибольшую длину они имеют 23 декабря, наименьшую 16 сентября, причем разница в их продолжительности в указанные дни составляет 51 секунду. Это обусловлено двумя причинами:

1) неравномерным движением Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите;

2) наклоном оси суточного вращения Земли к плоскости эклиптики.

Очевидно, что пользоваться при измерении времени такой нестабильной единицей, как истинные сутки, нельзя. Поэтому в астрономии было введено понятие среднего солнца. Это - фиктивная точка, которая на протяжении года равномерно перемещается вдоль небесного экватора. Промежуток времени между двумя одноименными последовательными кульминациями среднего солнца называется средними солнечными сутками. Время, измеренное от нижней кульминации среднего солнца, называется средним солнечным временем. Именно среднее солнечное время и показывают наши часы, ими мы пользуемся во всей своей практической деятельности.

2.6 Поясное, декретное и летнее время

В конце прошлого века земной шар был разбит через каждые 15° по географической долготе на 24 часовых пояса. С тем, чтобы внутри каждого пояса, имеющего номер N (N изменяется от 0 до 23), часы указывали одно и то же поясное время - Тп - среднее солнечное время географического меридиана, проходящего через середину этого пояса. При переходе от пояса к поясу, в направлении с запада на восток, время на границе пояса скачком увеличивается ровно на один час. В качестве нулевого принят пояс, расположенный (по долготе) в полосе ±7°,5 от гринвичского меридиана. Среднее солнечное время этого пояса называется гринвичским или всемирным.

Во многих странах мира в летние месяцы года практикуется переход на время соседнего, расположенного к востоку часового пояса.

В России также введено летнее время: ночью в последнее воскресенье марта стрелки часов переводятся на один час вперед по сравнению с декретным временем, а ночью в последнее воскресенье сентября возвращаются обратно.

3 СМЕНА ВРЕМЕН ГОДА

3.1 Равноденствия и солнцестояния

Вращаясь вокруг своей оси, Земля в то же время со скоростью 30 км/с движется вокруг Солнца. При этом воображаемая ось суточного вращения планеты не изменяет своего направления в пространстве, а переносится параллельно самой себе. Поэтому величина склонения Солнца на протяжении года непрерывно (и к тому же с различной скоростью) изменяется. Так, 21 (22) декабря оно имеет наименьшее значение, равное -23°27', через три месяца, 20(21) марта равно нулю°, далее 21 (22) июня оно достигает наибольшего значения +23°27/, 22 (23) сентября снова становится равным нулю, после чего до 21 декабря склонение Солнца непрерывно уменьшается. Но весной и осенью скорость изменения склонения довольно велика, тогда как в июне и декабре она гораздо меньше. Это создает впечатление некоторого «стояния» Солнца летом и зимой на определенном расстоянии от небесного экватора на протяжении нескольких суток. 21 - 22 декабря в северном полушарии высота Солнца над горизонтом в верхней его кульминации бывает наименьшей; этот день в году является наиболее коротким, за ним следует самая длинная в году ночь зимнего солнцестояния. Наоборот, летом, 21 или 22 июня, высота Солнца над горизонтом в верхней кульминации наибольшая, этот день летнего солнцестояния имеет самую большую длительность. 20 или 21 марта наступает весеннее равноденствие (Солнце в своем видимом годичном движении проходит через точку весеннего равноденствия из южного полушария в северное), а 22 или 23 сентября - осеннее равноденствие. В эти даты длительность дня и ночи уравнивается. Под влиянием притяжения, действующего на Землю со стороны других планет, параметры орбиты Земли, в частности ее наклонение к плоскости небесного экватора е, изменяются: плоскость земной орбиты как бы «пошатывается» и на протяжении миллионов лет эта величина колеблется около своего среднего значения.

Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, и поэтому ее расстояние от него на протяжении года несколько изменяется. Ближе всего к Солнцу наша планета (в настоящее время) бывает 2-5 января, в это время скорость ее движения по орбите является наибольшей. Поэтому продолжительность сезонов года неодинакова: весны - 92 дня, лета - 94 дня, осени - 90 и зимы - 89 дней для северного полушария. Весна и лето (число дней, истекших от момента перехода Солнца через точку весеннего равноденствия до его перехода через точку осеннего равноденствия) в северном полушарии продолжаются 186 дней, тогда как осень и зима - 179. Несколько тысяч лет назад «вытянутость» эллипса земной орбиты была меньшей, поэтому меньшей была и разность между упомянутыми промежутками времени. В связи с изменением высоты Солнца над горизонтом происходит закономерная смена времен года. Холодная зима с ее лютыми морозами, длинными ночами и короткими днями сменяется цветущей весной, затем урожайным летом, за которым идет осень.

3.2 Звездный год

Сопоставляя вид звездного неба сразу после захода Солнца ото дня ко дню на протяжении нескольких недель, можно заметить, что видимое положение Солнца по отношению к звездам непрерывно меняется: Солнце передвигается с запада на восток и на протяжении каждых 365,256360 суток делает на небе полный круг, возвращаясь к той же звезде. Этот промежуток времени называется звездным годом.

3.3 Зодиакальные созвездия

Для лучшей ориентации в безграничном звездном океане астрономы разделили небо на 88 отдельных площадок - созвездий. По 12 созвездиям, которые называются зодиакальными, и проходит Солнце на протяжении года.

В прошлом, примерно 2000 лет назад, да и в средневековье для удобства в отсчете положения Солнца на эклиптике, она была разделена на 12 равных частей по 30° в каждой. Каждую дугу в 30° было принято обозначать знаком того зодиакального созвездия, через которое в том или другом месяце проходило Солнце. Так на небе появились «знаки Зодиака». За начало отсчета была принята точка весеннего равноденствия, находившаяся в начале н. э. в созвездии Овна. Отсчитанная от нее дуга длиной 30° обозначалась знаком «бараньи рога». Дальше Солнце проходило через созвездие Тельца, поэтому дуга эклиптики от 30 до 60° обозначалась «знаком Тельца» и т. д. Расчеты положения Солнца, Луны и планет в «знаках Зодиака», т. е. фактически на определенных угловых расстояниях от точки весеннего равноденствия, проводились на протяжении многих столетий для составления гороскопов.

3.4 Характерные восходы и заходы звезд

Благодаря непрерывному перемещению диска Солнца на небесной сфере с запада на восток вид звездного неба от вечера к вечеру хотя и медленно, но непрерывно изменяется. Так, если в определенное время года какое-то созвездие зодиака спустя час после захода Солнца видно в южной части неба (скажем, проходит через небесный меридиан), то благодаря указанному движению Солнца в каждый последующий вечер это созвездие будет проходить через меридиан на четыре минуты раньше, чем в предыдущий. К моменту же захода Солнца оно будет все больше передвигаться в западную часть неба. Примерно через три месяца это зодиакальное созвездие уже скроется в лучах вечерней зари, а спустя 10-20 дней оно будет видно уже утром перед восходом Солнца в восточной части небосвода. Примерно так же ведут себя и другие заходящие созведия и отдельные звезды. При этом смена условий их видимости существенно зависит от географической широты наблюдателя и склонения светила, в частности от его расстояния от эклиптики. Так, если звезды зодиакального созвездия достаточно удалены от эклиптики, то утром они видны даже раньше, чем прекращается их вечерняя видимость.

Страницы: 1, 2