Аналемма над камнями Калланиш
Представим, что каждый день в одно и то же время вы выходите на одно и то же место и фотографируете Солнце. Логично ожидать, что светило будет стоять на месте: летом повыше, зимой пониже. Но если сложить снимки за год, Солнце нарисует в небе вытянутую восьмерку.
Эта фигура называется аналеммой. Итальянский астрофотограф Giuseppe Petricca снял ее над одним из самых загадочных памятников Европы, кругом камней Калланиш на шотландском острове Льюис.
Как снимали аналемму Солнца над камнями Калланиш
Кадр собран из 42 снимков Солнца, сделанных в течение 2017 года около полудня, и фоновой панорамы из трех кадров. Для автора это была уже вторая попытка. Погода на Внешних Гебридах меняется очень быстро, и каждый ясный полдень приходилось ловить отдельно. Композицию Petricca выстроил намеренно: самая нижняя, зимняя точка восьмерки приходится ровно на самый высокий камень круга. Фон снят около декабрьского солнцестояния, поэтому сияние настоящего Солнца видно у основания фигуры.
Калланиш лежит на широте около 58° – примерно как Пермь и Киров. Здесь полуденное Солнце в декабре поднимается всего на 8° над горизонтом, а в июне – на 55°. Весь этот размах и укладывается в высоту восьмерки.
Почему Солнце рисует восьмерку
У аналеммы два движения, и причины у них разные.
Вверх-вниз Солнце ходит из-за наклона земной оси на 23,4° относительно перпендикуляра к плоскости нн орбиты. Летом Северное полушарие повернуто к Солнцу, и полуденное светило стоит высоко, зимой – низко. Разница между крайними точками составляет около 47°, то есть удвоенный наклон оси.
Влево-вправо Солнце смещается потому, что оно не держит ритм наших часов. Часы отсчитывают ровные сутки по 24 часа, а солнечные сутки в течение года то чуть длиннее, то чуть короче. Накапливаясь день за днем, эта разница уводит Солнце от «часового» полудня: в начале ноября оно проходит самую высокую точку примерно на 16 минут раньше, в середине февраля – на 14 минут позже. Астрономы называют это уравнением времени.
Здесь тоже две причины. Первая – орбита Земли не круговая, а слегка вытянутая. В начале января Земля ближе всего к Солнцу и движется по орбите быстрее, поэтому, чтобы Солнце снова оказалось на юге, планете приходится довернуться чуть дальше обычного. Вторая – тот же наклон оси. Видимый годовой путь Солнца по небу идет под углом к небесному экватору, и его проекция на экватор около солнцестояний движется быстрее, а около равноденствий – медленнее. Если бы орбита была идеальным кругом, а ось стояла строго вертикально, вся аналемма сжалась бы в одну точку.
Почему нижняя петля аналеммы больше верхней
На снимке хорошо видно, что восьмерка несимметрична: верхняя петля узкая и маленькая, нижняя – широкая. Дело в том, что Земля проходит ближайшую к Солнцу точку орбиты в начале января, почти одновременно с зимним солнцестоянием. Зимой оба эффекта складываются и сильно раздвигают петлю вширь. Летом они работают частично друг против друга, и петля получается узкой. Для наблюдателя в Южном полушарии картина переворачивается: большая петля оказывается сверху, потому что в декабре Солнце там стоит высоко.
Где на аналемме равноденствия и солнцестояния
Солнцестояния найти проще всего: это верхняя и нижняя точки фигуры. На версии с датами верхушку отмечает 23 июня, а декабрьская точка скрыта в сиянии Солнца прямо за камнями.
С равноденствиями есть подвох. Интуитивно кажется, что они должны быть в точке пересечения восьмерки, но это не так. Равноденствия лежат ровно на середине высоты фигуры, на ее боковых ветвях: мартовское – на левой, между 16 и 25 марта, сентябрьское – на правой, между 19 и 26 сентября. Пересечение же приходится на середину апреля и конец августа. В эти дни Солнце стоит на одинаковой высоте и одинаково отклоняется от «часового» полудня. Так как верхняя петля меньше нижней, точка пересечения поднята примерно на 10° выше середины фигуры.
Ближайшее равноденствие наступит 23 сентября в 03:05 по московскому времени – в этот момент Солнце окажется ровно на середине правой ветви восьмерки. В Америке будет еще вечер 22 сентября, поэтому в оригинальной публикации NASA равноденствие обещано «через два дня». Время заката по городам России мы приводили в обзоре неба на сентябрь.
Камни Калланиш: обсерватория каменного века?
Камни Калланиш установлены между 2900 и 2600 годами до нашей эры, то есть раньше главного круга Стоунхенджа. Тринадцать камней стоят кольцом вокруг центрального монолита высотой 4,8 метра. От круга на восток, запад и юг расходятся ряды камней, а на север ведет аллея длиной 83 метра. Внутри круга позже появилась погребальная камера, а в 1000–500 годах до нашей эры памятник постепенно затянуло торфом.
Имел ли Калланиш астрономическое значение, до сих пор неизвестно. Самая популярная гипотеза связывает его не с Солнцем, а с Луной. Раз в 18,6 года Луна в этих широтах проходит очень низко над южным горизонтом, почти касаясь холмов, и планировка камней может отмечать это событие. Сам Petricca называет Калланиш «лунной обсерваторией». Однако строгих доказательств у этой версии нет, а камней в комплексе так много, что случайные совпадения с направлениями на небесные объекты найти несложно.
Какой будет аналемма над Москвой
Форма восьмерки одинакова для любой точки Земли, от широты зависит лишь то, как высоко она стоит над горизонтом. В Москве полуденное Солнце за год поднимается от 11° в декабре до 58° в июне, и восьмерка в полдень будет висеть над южной стороной горизонта.
Интересно, когда в Москве наступает настоящий полдень. Столица лежит западнее середины своего часового пояса, поэтому в среднем Солнце проходит через юг около 12:30. С учетом уравнения времени этот момент гуляет в течение года от 12:14 в начале ноября до 12:44 в середине февраля. А вот снимать аналемму в России даже проще, чем в Европе: у нас нет перевода часов на летнее время, и с время съемок не надо пересчитывать дважды в год.
Источники
- 2017 Solar Analemma over Callanish – Giuseppe Petricca
- Calanais Standing Stones: History – Historic Environment Scotland
- The Equation of Time and the Analemma – Peter Lynch, Irish Mathematical Society Bulletin, 2012
Часто задаваемые вопросы
Что такое равноденствие простыми словами?
Равноденствие – это момент, когда Солнце пересекает небесный экватор. Оно наступает дважды в год: 20-21 марта (весеннее) и 22–23 сентября (осеннее). В этот день Солнце встает почти точно на востоке и садится почти точно на западе, а день и ночь примерно равны. Точного равенства при этом нет: из-за преломления света в атмосфере и того, что восход и закат отсчитывают по верхнему краю солнечного диска, в равноденствие на широте Москвы день длиннее ночи примерно на 10–15 минут. Солнцестояния – противоположные точки года, 20-21 июня и 21–22 декабря, когда полуденное Солнце стоит выше или ниже всего.
Что такое уравнение времени в астрономии?
Это разница между истинным солнечным временем, которое показывают солнечные часы, и равномерным средним временем, по которому идут обычные часы. В начале ноября солнечные часы спешат примерно на 16 минут, в середине февраля отстают на 14 минут, а четыре раза в год – около 15 апреля, 13 июня, 1 сентября и 25 декабря – оба времени совпадают. Именно уравнение времени задает ширину аналеммы. Со школьными «уравнениями движения» из физики это понятие никак не связано, слово «уравнение» здесь означает поправку, которая уравнивает два времени.
Можно ли сфотографировать аналемму самому?
Да, но нужен год терпения. Камера должна каждый раз стоять в одной и той же точке и смотреть в одном и том же направлении, а снимать нужно строго в одно и то же время по часам. Достаточно одного кадра раз в одну-две недели, пропуски из-за облаков допустимы. Солнце снимают через специальный солнечный фильтр, а пейзаж – отдельным кадром без фильтра, затем снимки совмещают. Смотреть на Солнце через видоискатель или любую оптику без специального фильтра нельзя: это грозит необратимым повреждением глаз.
Бывает ли аналемма на других планетах?
Бывает, и у каждой планеты она своя, потому что зависит от наклона оси вращения и вытянутости орбиты. У Марса орбита заметно более вытянутая, чем у Земли, поэтому его аналемма похожа не на восьмерку, а на каплю. Расхождение между солнечным и часовым временем на Марсе достигает почти 50 минут.
