День не 24 часа

Наша система определения времени основана на предпосылке, что каждый день длится ровно 24 часа - достаточно точно, без исключений. Эта концепция полностью укоренилась в нашей культуре, основной принцип нашего современного технологического общества. В то же время в школе нас учат, что один день соответствует одному полному вращению Земли вокруг своей оси. К сожалению, эти две концепции не совсем совпадают - и несоответствие составляет более нескольких миллисекунд. На самом деле несоответствие составляет несколько минут каждый день. Кроме того, поскольку наша традиционная концепция «дня» фактически определяется циклом солнечного света и тьмы, а не одним вращением Земли, продолжительность реального дня не является постоянной, но несколько варьируется в течение года. Мы только делаем вид, что все дни имеют одинаковую продолжительность - усредняя длину всех дней в году, а затем определяя это среднее значение как «стандартный день», равный ровно 24 часам.

Это неплохая вещь. На самом деле, было очень полезно определить нашу систему времени таким образом. Но как только вы поймете, почему эта система не совсем соответствует реальному миру, вы можете начать понимать несколько интересных явлений. Например, вы могли бы подумать, что самый ранний закат и последний восход солнца произойдут в самый короткий день года, который является первым днем ​​зимы. Но это совсем не так.

Если бы наше определение дня было действительно основано на одном полном вращении Земли вокруг своей оси - вращении на 360 градусов - тогда день был бы 23 часами, 56 минутами и 4 секундами. Это почти на 4 минуты меньше нашего 24-часового стандартного дня. Однако наша концепция «дня» уже давно основана на естественном цикле солнечного света - периоде дневного света, за которым следует период без дневного света. Несоответствие почти 4 минут объясняется тем, что Земля должна вращаться более чем на 360 градусов между рассветом и рассветом Как вы знаете, Земля испытывает два одновременных движения - она ​​не только вращается вокруг своей оси, но и движется по орбите вокруг Солнца. В течение одного дня Земля проходит около 1/365 пути вокруг Солнца (потому что для того, чтобы пройти весь путь, требуется около 365 дней, как мы определяем год). Этот ежедневный прогресс на орбите Земли почти точно равен градусу (определенному как 1/360 круга). Поэтому Земля должна вращаться на один градус, чтобы каждый день снова выравниваться с Солнцем. В результате один полный цикл солнечного света и тьмы - один день - представляет вращение около 361 градуса, а не 360 градусов. Хотя год состоит из 365 и четверти дня, Земля фактически вращается 366 и четверть раза за год. С точки зрения восходов и закатов, одно полное вращение сводится на нет каждый год путешествием вокруг солнца.

Звездный день

Другой способ выразить эту идею заключается в том, что продолжительность дня зависит от нашей системы координат. По причинам, которые являются традиционными и логичными, мы обычно используем солнце в качестве ориентира при определении дня. Но если мы хотим определить день как одно полное вращение Земли вокруг своей оси, то мы можем использовать звезды в качестве ориентира. Наблюдая за расположением звезд на небе, мы можем определить, когда Земля совершила ровно один оборот. Мы называем день, определенный таким образом, звездным днем ​​или звездным днем. (Эти два термина имеют несколько разные определения, но почти одинаковые результаты.)

В звездный день любая звезда поднимается примерно в одно и то же время каждый день. Точнее, каждая звезда достигает своей высшей точки на небе в одно и то же время каждый звездный день. Это связано с тем, что в начале и в конце одного полного вращения Земли любая заданная точка на Земле теперь направлена ​​в одно и то же направление в пространстве. (Другими словами, любая точка на Земле теперь направлена ​​в том же направлении по отношению к другим звездам в нашей галактике.) Но поскольку звездный день примерно на 4 минуты короче традиционного солнечного дня, это означает, что любая данная звезда поднимается примерно на 4 минут раньше каждый день. Например, если вам нравится наблюдать созвездие Ориона осенью и зимой, то вы заметите, что оно поднимается чуть раньше каждую ночь. Если вы будете выходить ровно в 11:00 вечера каждую ночь, чтобы отметить положение Ориона, вы увидите, что каждую ночь созвездие на восточном небе немного выше, чем прошлой ночью.

В отличие от солнечного дня, истинная продолжительность которого меняется в течение года, длина звездного дня довольно постоянна - всегда 23 часа, 56 минут и 4 секунды. Однако, если вы хотите быть с точностью до миллисекунды (1/1000 секунды), то вам нужно рассмотреть несколько видов «колебаний», которые влияют на направление оси Земли. (Самое большое из этих колебаний - это 26 000-летний цикл, называемый осевой прецессией.) Вы также должны учитывать очень постепенное замедление вращения Земли. (Один полный оборот занимает около 1,7 миллисекунды дольше, чем сто лет назад.)

Солнечный день

В отличие от звездного дня, солнечный день - один полный цикл солнечного света и темноты - имеет гораздо более изменчивую длину. Тем не менее, степень изменчивости частично зависит от того, когда вы рассматриваете начало дня. Например, вы можете рассматривать «новый день» как начало на рассвете, когда восходит солнце, или вы можете считать день окончанием, когда солнце садится - в этом случае следующий день начинается на закате. (Несколько выдающихся религий все еще используют последнюю систему.) Третий вариант - сказать, что новый день начинается точно в середине ночи - на полпути между заходом и восходом солнца. (Этот момент можно назвать «истинной полуночью».) В любой из этих систем продолжительность дня меняется в течение года, но средняя продолжительность составляет 24 часа. Однако полуночная система демонстрирует значительно меньшую изменчивость продолжительности дня, чем системы рассвета или заката.

В нашей нынешней системе стандартного времени новый день действительно начинается в полночь, за исключением того, что это не настоящая полночь. В любом конкретном месте в любой день может быть значительная разница между истинной полуночью и полуночью в соответствии со стандартным временем. В США разница может достигать одного часа, а в месяцы перехода на летнее время эта разница может достигать двух часов. В далеком западном Китае разница между стандартным и истинным временем составляет три часа, что является результатом объединения всей страны в единый часовой пояс.

Хотя вы можете считать, что продолжительность истинного солнечного дня - это количество времени от одной истинной полуночи до следующей истинной полуночи, разумной альтернативой является ее рассмотрение как количество времени от одного истинного полудня до следующего истинного полудня. В любом конкретном месте истинный полдень происходит точно на полпути между восходом и заходом солнца (при условии относительно плоского горизонта без гор). Это также момент, когда солнце достигает своей высшей точки на небе в этот день. В северных умеренных регионах мира в южный полдень солнце следует на юг. В южных умеренных регионах мира солнце должно быть на севере в полдень. В тропиках, то есть в любом месте в мире, которое находится к югу от тропика Рака и к северу от тропика Козерога, солнце будет либо на север, либо на юг в истинный полдень, в зависимости от того, в какой день года оно является. Кроме того, два раза в год в тропиках солнце прямо над головой в полдень. Точные даты этого явления варьируются в зависимости от широты расположения.

Вариации в солнечный день

Если бы орбита Земли вокруг Солнца была идеально круглой, то длина истинного солнечного дня - время от одного истинного полудня до следующего - была бы достаточно постоянной в течение года. Тем не менее, орбита Земли на самом деле является эллипсом, хотя и довольно близким к круговому. Следовательно, расстояние между Землей и Солнцем меняется в течение года примерно на 3% (примерно 3 миллиона миль). Скорость, с которой Земля движется вокруг Солнца, также изменяется примерно на 3% в течение года и является самой высокой, когда Земля находится ближе всего к Солнцу. Изменяющееся расстояние и изменяющаяся скорость влияют на продолжительность истинного солнечного дня - потому что они оба влияют на то, на сколько градусов Земля должна вращаться между двумя последовательными случаями истинного полдня в любом данном месте. Продолжительность настоящего солнечного дня в конце декабря составляет около 24 часов плюс 30 секунд. Продолжительность настоящего солнечного дня в середине сентября составляет около 24 часов минус 21 секунда. Таким образом, продолжительность солнечного дня меняется почти на минуту в течение года.

Хотя этот эффект относительно невелик, если рассматривать только один день, он весьма заметен при накоплении за несколько месяцев. Представьте, что у вас есть два часа. Первые часы, которые являются просто очень точными солнечными часами, показывают истинное местное время, включая истинный полдень. Вторые часы являются электрическими, но вместо того, чтобы устанавливать стандартное время в соответствии с местным часовым поясом, они устанавливаются на местное среднее время. Другими словами, электрические часы предполагают, что все дни равны 24 часам (слово «среднее» означает среднее), но среднее время полудня должно совпадать с местным истинным полднем, как указано на солнечных часах. Четыре раза в год два часа договариваются о том, когда наступит полдень. Но в начале февраля электрические часы показывают полдень за 14 минут до солнечного часа. В начале ноября электрические часы показывают на 16 минут позже, чем солнечные часы. Это довольно резкая разница!

Это несоответствие объясняет, почему самый ранний закат и последний восход солнца года не происходят в самый короткий день года - зимнее солнцестояние - который происходит 21 декабря или около него в северном полушарии. (В южном полушарии 21 декабря - самый длинный день года и, следовательно, первый день лета.) Если мы действительно использовали истинное время солнца (в отличие от местного среднего времени или стандартного времени), то последний восход и самый ранний закат в году действительно произойдет в день зимнего солнцестояния, в первый день зимы.

Часовые пояса

Использование истинного солнечного времени было прекращено, когда механические часы позволили нам - или, возможно, заставили нас - принять стандартную продолжительность 24 часа в сутки, независимо от фактического положения солнца. Таким образом, солнечное время было заменено местным средним временем - несколько веков назад. Но, конечно же, мы больше не используем местное среднее время. Если бы мы это сделали, то всякий раз, когда вы путешествовали в нескольких милях к востоку или западу, вам приходилось настраивать часы. С 1880-х годов мы использовали стандартное время, основанное на часовых поясах. Идея состоит в том, чтобы разделить мир на 24 полосы или зоны север-юг. В каждой зоне все используют одно и то же время. Переходя из одной зоны в другую, вы обычно настраиваете свои часы ровно на один час. Каждый часовой пояс имеет среднюю ширину 15 градусов долготы (путем деления 360 градусов на 24 равных части). Это соответствует ширине около 1000 миль на экваторе, но часовые пояса постепенно сужаются по мере приближения к полюсам Земли.

В каждом часовом поясе стандартное время основывается на местном среднем времени на определенной долготе в пределах зоны. Например, в восточном часовом поясе в Северной Америке стандартное время основано на 75 градусах западной долготы - теоретической центральной линии для этого часового пояса. Для любого города или города с такой же приблизительной долготой, как, например, Филадельфия, существует почти идеальное соответствие между местным средним и стандартным временем. Но для города или города с долготой около 80 градусов по западу, таких как Чарльстон (Южная Каролина), стандартное время и местное среднее время отличаются примерно на 20 минут. В Индианаполисе, расположенном около 86 градусов западной долготы, разница между стандартным и местным средним временем составляет около 45 минут. Летом, когда действует летнее время, к любому местоположению, находящемуся к западу от центральной линии, добавляется еще один час разницы, хотя для мест к востоку от центральной линии (например, Бостона) вычитается один час. В результате в Индианаполисе летом стандартное время и местное среднее время отличаются почти на два часа.

Индианаполис был в центральном часовом поясе вместе со всем штатом Индиана. Но сейчас большая часть штата находится в восточном часовом поясе. Если Индианаполис все еще использует центральное время, то стандартное время и местное среднее время будут отличаться только на 15 минут вместо 45 минут. Проблема в том, что к 11:45 утра солнце в среднем уже будет на половине неба. В начале ноября из-за разницы между средним временем и фактическим временем Солнца солнце будет на половине неба в 11:30. Поэтому рассвет и закат произойдут на полчаса раньше, чем ожидалось. Большинство людей предпочли бы, чтобы солнце находилось на полпути по небу в 12:30, а не в 11:30, чтобы восход и заход солнца были немного позже, чем ожидалось. Аналогичная проблема затрагивает любое другое место, расположенное к востоку от центральной линии соответствующего часового пояса. В результате политики постоянно испытывают соблазн сместить границы часового пояса на запад. Большинство мест в США (но, конечно, не все) в настоящее время расположены к западу от центральной линии для соответствующего часового пояса.

Аналемма

Как почти все знают, солнце поднимается выше в небе летом, чем зимой. Предполагая, что вы живете в Северном полушарии, самая высокая точка каждый день наступает в истинный полдень, а самая высокая точка года наступает во время летнего солнцестояния (первый день лета), около 21 июня. Если вы установили камеру на Платформа направлена ​​на юг, и вы каждый день в полдень делали снимок неба и горизонта, тогда солнце будет подниматься выше на каждой фотографии до 21 июня, а затем опускаться каждый день до 21 декабря. Но что, если вместо того, чтобы снимать фотография в полдень, вы сделали фотографию в полдень по часам (не обращая внимания на летнее время)? Когда вы просматриваете фотографии, солнце будет продолжать подниматься и опускаться, но оно также будет слегка переплетаться влево и вправо из-за несоответствия между истинным временем солнца и средним временем до 16 минут. Если вы объедините все изображения в одну фотографию, вы увидите цифру 8 в небе. Если вы снимаете фотографии в одинаковое время, отличное от полудня, то цифра 8 будет отклоняться в сторону:

Аналемма Солнца, автор Дьёрдь Сопоняй

Возможно, вы видели диаграмму с такой же формой, называемой аналеммой, напечатанной на глобусе. Смысл по сути тот же. Если бы вы рисовали точку на земном шаре с точными 24-часовыми интервалами в течение всего года, указывая точку на земле, где солнце находится прямо над головой, вы бы получили такую ​​же цифру-8 на земном шаре:

Времена года

Вопреки ожиданиям людей в Северном полушарии, самый близкий к Земле подход Солнца (называемый перигелием) происходит в начале января. Интенсивность солнечного света, падающего на Землю, в начале января на 7% выше, чем в начале июля, когда Земля находится дальше всего от Солнца. Это вызывает небольшую умеренность в разнице между летними и зимними температурами в северном полушарии и вызывает небольшое увеличение различий между летними и зимними температурами в южном полушарии.

Конечно, наш цикл сезонов связан с наклоном оси Земли, а не с расстоянием от Солнца. Основным фактором, влияющим на интенсивность солнечного света, является просто то, насколько высоко солнце находится над горизонтом. Когда солнце находится низко в небе, лучи падают на Землю под косым углом, распространяя энергию по большой площади, тем самым уменьшая интенсивность. Поэтому в полдень солнечный свет намного интенсивнее, чем рано утром или поздно днем. Кроме того, солнечный свет более интенсивен летом, когда солнце поднимается выше в небе, чем зимой. Кроме того, летом больше дневного света, что приводит к увеличению дневного периода нагрева и сокращению ночного периода охлаждения. В тропиках высота солнца в полдень не сильно меняется в течение года, равно как и продолжительность светового дня. Поэтому тропики не испытывают большого изменения средних температур в течение года.

В местах, которые находятся далеко от экватора и поэтому испытывают резкое различие между летом и зимой, этот эффект значительно усиливается в местах с континентальным климатом, в отличие от морского климата. Другими словами, места, которые находятся не только далеко от экватора, но и далеко от любого океана, будут испытывать наибольшую разницу между летними и зимними температурами. Сибирь, расположенная на гигантском азиатском континенте, является ярким примером таких крайностей - но северные равнины Северной Америки (такие как Северная Дакота и южный Саскачеван) также являются хорошим примером.

Резюме

В заключение вернемся к нашему первоначальному вопросу: как долго длится день? Если мы определяем день на основе фактического, ежедневного, наблюдаемого физического явления, то у нас есть два возможных ответа. Если мы определим день как одно полное вращение Земли вокруг своей оси - звездный день - тогда день примерно на 4 минуты меньше, чем 24 часа. Если мы определяем день как время между истинным полднем одного дня и истинным полднем следующего дня - солнечным днем, то продолжительность дня меняется в течение года, варьируя от 21 секунды менее 24 часов до 30 секунд более 24 часов , Но если мы возьмем среднюю продолжительность всех солнечных дней в году, то в результате мы получим ровно 24 часа, как мы пришли к нашему стандартному дню. Тем не менее, есть только 4 раза в год, когда стандартный день и истинный солнечный день имеют одинаковую длину. В результате стандартный 24-часовой день - это не то, что можно найти в природе, а человеческое изобретение, которое приблизительно соответствует реальным дням - солнечным дням или звездным дням - которые мы фактически испытываем на Земле.