Солнцестояние — это время, когда Солнце достигает своего самого северного или южного смещения относительно небесного экватора на небесной сфере . Ежегодно происходят два солнцестояния, около 20–22 июня и 20–22 декабря. Во многих странах времена года определяются по солнцестояниям и равноденствиям .
Термин солнцестояние может также использоваться в более широком смысле, как день, когда это происходит. Для мест, не слишком близких к экватору или полюсам, даты с самым длинным и самым коротким периодом дневного света являются летним и зимним солнцестоянием соответственно. Термины, не имеющие двусмысленности относительно того, к какому полушарию относится контекст, — « июньское солнцестояние » и « декабрьское солнцестояние », относящиеся к месяцам, в которых они происходят каждый год. [7]
Слово «солнцестояние» происходит от латинских слов sol («солнце») и sistere («стоять на месте»), поскольку в дни солнцестояния склонение Солнца кажется «стоящим на месте»; то есть сезонное движение суточного пути Солнца (как видно с Земли ) останавливается на северной или южной границе, прежде чем изменить направление на противоположное.
Для наблюдателя на Северном полюсе Солнце достигает наивысшего положения на небе один раз в год в июне. День, когда это происходит, называется днем июньского солнцестояния. Аналогично, для наблюдателя на Южном полюсе Солнце достигает наивысшего положения в день декабрьского солнцестояния. Когда на одном полюсе летнее солнцестояние , на другом — зимнее солнцестояние . Движение Солнца на запад никогда не прекращается, поскольку Земля непрерывно вращается. Однако движение Солнца по склонению (т. е. вертикально) останавливается, прежде чем начать движение в обратную сторону, в момент солнцестояния. В этом смысле солнцестояние означает «стояние Солнца».
Это современное научное слово происходит от латинского научного слова, использовавшегося в поздней Римской республике I века до н. э.: solstitium . Плиний использует его несколько раз в своей «Естественной истории» с тем же значением, что и сегодня. Оно содержит две латинские морфемы: sol , «солнце», и -stitium , «остановка». [8] Римляне использовали «стояние» для обозначения компонента относительной скорости Солнца, наблюдаемого на небе. Относительная скорость — это движение объекта с точки зрения наблюдателя в системе отсчета . Из фиксированного положения на земле Солнце кажется вращающимся по орбите вокруг Земли. [9]
Для наблюдателя в инерциальной системе отсчета планета Земля видна вращающейся вокруг оси и орбиты вокруг Солнца по эллиптической траектории с Солнцем в одном из фокусов . Ось Земли наклонена по отношению к плоскости земной орбиты , и эта ось сохраняет положение, которое мало меняется по отношению к фону звезд . Поэтому наблюдатель на Земле видит солнечный путь, который является результатом как вращения, так и обращения.
Компонент движения Солнца, видимый земным наблюдателем, вызванный вращением наклонной оси, которая, сохраняя тот же угол в пространстве, ориентирована к Солнцу или от него, представляет собой наблюдаемое ежедневное увеличение (и боковое смещение) высоты Солнца в полдень в течение приблизительно шести месяцев и наблюдаемое ежедневное уменьшение в течение оставшихся шести месяцев. На максимальной или минимальной высоте относительное годовое движение Солнца перпендикулярно горизонту останавливается и меняет направление на противоположное.
За пределами тропиков максимальная высота приходится на летнее солнцестояние, а минимальная — на зимнее. Путь Солнца, или эклиптика , пролегает с севера на юг между северным и южным полушариями. Продолжительность времени, когда Солнце находится на небе, больше около летнего солнцестояния и меньше около зимнего солнцестояния, за исключением экватора. Когда путь Солнца пересекает экватор , продолжительность ночей на широтах +L° и −L° одинакова. Это называется равноденствием . В тропическом году бывает два солнцестояния и два равноденствия. [11]
Из-за разницы в скорости изменения прямого восхождения солнца дни самого длинного и самого короткого светового дня не совпадают с солнцестояниями для мест, очень близких к экватору. На экваторе самый длинный день приходится на 23 декабря, а самый короткий — на 16 сентября (см. график). Внутри Полярного или Антарктического кругов солнце все время светит в течение нескольких дней или даже месяцев.
Времена года происходят из-за того, что ось вращения Земли не перпендикулярна ее орбитальной плоскости ( плоскости эклиптики ), а в настоящее время составляет угол около 23,44° (называемый наклоном эклиптики ), и из-за того, что ось сохраняет свою ориентацию по отношению к инерциальной системе отсчета . В результате в течение полугода Северное полушарие наклонено к Солнцу, в то время как в течение другого полугодия Южное полушарие имеет это отличие. Два момента, когда наклон оси вращения Земли имеет максимальный эффект, — это солнцестояния.
В июньское солнцестояние подсолнечная точка находится севернее, чем в любое другое время: на широте 23,44° северной широты, известной как тропик Рака . Аналогично в декабрьское солнцестояние подсолнечная точка находится южнее, чем в любое другое время: на широте 23,44° южной широты, известной как тропик Козерога . Подсолнечная точка будет пересекать каждую широту между этими двумя крайностями ровно дважды в год.
Также во время июньского солнцестояния места на Полярном круге (широта 66,56° северной широты) увидят Солнце прямо над горизонтом в полночь, а все места к северу от него увидят Солнце над горизонтом в течение 24 часов. Это полуночное солнце или солнце середины лета или полярный день. С другой стороны, места на Полярном круге (широта 66,56° южной широты) увидят Солнце прямо над горизонтом в полдень, а все места к югу от него не увидят Солнце над горизонтом в любое время дня. Это полярная ночь . Во время декабрьского солнцестояния эффекты в обоих полушариях прямо противоположны. Это приводит к тому, что полярный морской лед ежегодно нарастает из-за недостатка солнечного света в воздухе над и вокруг моря. Самые теплые и самые холодные периоды года в умеренных регионах смещены примерно на один месяц относительно солнцестояний, задержанных тепловой инерцией Земли.
Концепция солнцестояний была заложена в древнегреческой небесной навигации . Как только они обнаружили, что Земля имеет шарообразную форму [12], они разработали концепцию небесной сферы [13] , воображаемой сферической поверхности, вращающейся с небесными телами ( ouranioi ), закрепленными на ней (современная сфера не вращается, но звезды на ней вращаются). Пока не сделано никаких предположений относительно расстояний этих тел от Земли или друг от друга, сферу можно считать реальной, и она фактически все еще используется. Древние греки использовали термин «ηλιοστάσιο» (heliostāsio) , что означает стояние Солнца .
Звезды движутся по внутренней поверхности небесной сферы по окружностям в параллельных плоскостях [14], перпендикулярных земной оси, бесконечно продолженных в небеса и пересекающих небесную сферу в небесном полюсе. [ 15] Солнце и планеты движутся не по этим параллельным траекториям, а по другой окружности, эклиптике, плоскость которой находится под углом, наклоном эклиптики , к оси, перенося Солнце и планеты через траектории звезд и среди них.*
Клеомед утверждает: [16]
Полоса Зодиака ( zōdiakos kuklos , «зодиакальный круг») находится под косым углом ( loksos ), поскольку она расположена между тропическими кругами и равноденственным кругом, касаясь каждого из тропических кругов в одной точке... Этот Зодиак имеет определяемую ширину (сегодня она установлена в 8°)... поэтому он описывается тремя кругами: центральный называется «гелиакическим» ( hēliakos , «солнечным»).
Термин гелиакальный круг используется для эклиптики, которая находится в центре зодиакального круга, задуманного как полоса, включающая отмеченные созвездия, названные по мифическим темам. Другие авторы используют Зодиак для обозначения эклиптики, которая впервые появляется в толковании неизвестного автора в отрывке из Клеомеда, где он объясняет, что Луна также находится в зодиакальном круге и периодически пересекает путь Солнца. Поскольку некоторые из этих пересечений представляют собой затмения Луны, пути Солнца дан синоним, эклейптикос (куклос) от эклейпсис , «затмение».
Два солнцестояния можно различать по разным парам названий, в зависимости от того, какую особенность хочется подчеркнуть.
Традиционные восточноазиатские календари делят год на 24 солнечных термина (節氣). Xiàzhì ( pīnyīn ) или Geshi ( rōmaji ) ( китайский и японский : 夏至; корейский : 하지(Haji) ; вьетнамский : Hạ chí ; букв. крайний срок лета ) — 10-й солнечный термин, знаменующий летнее солнцестояние . Он начинается, когда Солнце достигает небесной долготы 90° (около 21 июня) и заканчивается, когда Солнце достигает долготы 105° (около 7 июля). Xiàzhì чаще всего относится к дню, когда Солнце находится точно на небесной долготе 90°.
Dōngzhì ( пиньинь ) или Tōji ( ромадзи ) ( китайский и японский : 冬至; корейский : 동지(Dongji) ; вьетнамский : Đông chí ; букв. крайность зимы ) — 22-й солнечный термин, знаменующий зимнее солнцестояние . Он начинается, когда Солнце достигает небесной долготы 270° (около 23 декабря) и заканчивается, когда Солнце достигает долготы 285° (около 5 января). Dōngzhì чаще всего относится к дню, когда Солнце находится точно на небесной долготе 270°.
Солнцестояния (а также равноденствия ) отмечают середину сезонов в восточноазиатских календарях. Здесь китайский иероглиф 至 означает «крайний», поэтому термины для солнцестояний напрямую обозначают вершины лета и зимы.
Термин солнцестояние может также использоваться в более широком смысле, как дата (день), когда происходит такой переход. Солнцестояния, вместе с равноденствиями, связаны с временами года. В некоторых языках они считаются началом или разделением времен года; в других они считаются центральными точками (например, в Англии , в Северном полушарии, период вокруг северного солнцестояния известен как середина лета). День середины лета , определяемый христианской церковью как День Святого Иоанна , приходится на 24 июня, примерно через три дня после самого солнцестояния). Аналогично, 25 декабря является началом празднования Рождества и является днем, когда Солнце начинает возвращаться в Северное полушарие. Традиционные британские и ирландские главные дни аренды и встреч в году, «обычные дни кварталов », часто были днями солнцестояний и равноденствий.
Во многих культурах отмечают различные комбинации зимнего и летнего солнцестояния, равноденствия и средние точки между ними, что приводит к появлению различных праздников, связанных с этими событиями. Во время южного или зимнего солнцестояния Рождество является самым распространенным современным праздником, в то время как Ялда , Сатурналии , Карачун , Ханука , Кванза и Йоль также отмечаются в это время. В восточноазиатских культурах фестиваль Дунчжи отмечается в день зимнего солнцестояния. В северное или летнее солнцестояние христианские культуры отмечают праздник Святого Иоанна с 23 по 24 июня (см. Канун Святого Иоанна , День Ивана Купалы ), в то время как современные язычники отмечают Середину лета, известную среди виккан как Лита . Для весеннего равноденствия празднуется несколько весенних праздников, таких как персидский Навруз , соблюдение в иудаизме Песаха , обряды Пасхи в большинстве христианских церквей, а также викканская Остара . Осеннее равноденствие связано с еврейским праздником Суккот и викканским Мабоном .
На южной оконечности Южной Америки народ мапуче празднует We Tripantu (Новый год) через несколько дней после северного солнцестояния, 24 июня. Дальше на север народ Атакама раньше отмечал эту дату шумным фестивалем, чтобы призвать Солнце обратно. Дальше на восток народ аймара празднует свой Новый год 21 июня. Празднование происходит на восходе солнца, когда солнце светит прямо через Ворота Солнца в Тиуанако . Другие новогодние праздники аймара проходят по всей Боливии , в том числе на месте Эль-Фуэрте-де-Самайпата .
В индуистском календаре два сидерических солнцестояния называются Макара Санкранти , которое отмечает начало Уттараяны , и Карка Санкранти , которое отмечает начало Дакшинаяны . Первое происходит около 14 января каждого года, а второе происходит около 14 июля каждого года. Они отмечают движение Солнца по сидерически фиксированному зодиаку ( прецессия игнорируется) в Макару, зодиакальный знак, который соответствует Козерогу , и в Карку, зодиакальный знак, который соответствует Раку , соответственно.
На Южнополярной станции Амундсена-Скотта каждый год 21 июня отмечается праздник середины зимы, посвященный достижению Солнцем самой низкой точки и его возвращению.
Парад Фремонтского солнцестояния проводится каждый год в день летнего солнцестояния во Фремонте, Сиэтле, штат Вашингтон , США .
Реконструированный Cahokia Woodhenge , большой круг из древесины , расположенный на археологическом объекте культуры Миссисипи Кахокия около Коллинсвилля, штат Иллинойс , [22] является местом ежегодных празднований восхода солнца в дни равноденствия и солнцестояния. Из уважения к верованиям коренных американцев эти события не включают в себя церемонии или ритуалы любого рода. [23] [24] [25]
В отличие от равноденствия, время солнцестояния определить нелегко. Изменения в солнечном склонении становятся меньше по мере того, как Солнце приближается к своему максимальному/минимальному склонению. В дни до и после солнцестояния скорость склонения составляет менее 30 угловых секунд в день, что составляет менее 1 ⁄ 60 углового размера Солнца или эквивалентно всего 2 секундам прямого восхождения .
Эту разницу трудно обнаружить с помощью устройств косвенного наблюдения, таких как секстант, оснащенный нониусом , и невозможно с помощью более традиционных инструментов, таких как гномон [26] или астролябия . Также трудно обнаружить изменения в азимуте восхода/заката из-за изменений атмосферной рефракции [27] . Эти проблемы с точностью делают невозможным определение дня солнцестояния на основе наблюдений, сделанных в течение 3 (или даже 5) дней, окружающих солнцестояние, без использования более сложных инструментов.
Отчеты не сохранились, но греческие астрономы, должно быть, использовали метод приближения, основанный на интерполяции, который до сих пор используется некоторыми любителями. Этот метод заключается в регистрации угла склонения в полдень в течение нескольких дней до и после солнцестояния, пытаясь найти два отдельных дня с одинаковым склонением. Когда эти два дня найдены, середина времени между обоими полуднями является предполагаемым временем солнцестояния. Интервал в 45 дней был постулирован как наилучший для достижения точности до четверти дня при определении солнцестояния. [28] В 2012 году журнал DIO обнаружил, что точность в один или два часа со сбалансированными ошибками может быть достигнута путем наблюдения за Солнцем на одинаковой высоте около S = двадцать градусов (или d = около 20 дней) до и после летнего солнцестояния, поскольку среднее значение двух времен будет на q угловых минут раньше, где q равно (πe cosA)/3, умноженному на квадрат S в градусах (e = эксцентриситет земной орбиты, A = перигелий Земли или апогей Солнца), а шум в результате составит около 41 часа, деленного на d, если остроту зрения принять за одну угловую минуту.
Астрономические альманахи определяют солнцестояния как моменты, когда Солнце проходит через колюр солнцестояния , то есть времена, когда видимая геоцентрическая небесная долгота Солнца равна 90° (июньское солнцестояние) или 270° (декабрьское солнцестояние). [29] Даты солнцестояния меняются каждый год и могут происходить на день раньше или позже в зависимости от часового пояса . Поскольку орбита Земли занимает немного больше времени, чем календарный год из 365 дней, солнцестояния происходят немного позже каждый календарный год, пока високосный день не выровняет календарь с орбитой. Таким образом, солнцестояния всегда происходят между 20 и 22 июня и между 20 и 23 декабря [30] [31] в четырехлетнем цикле, причем 21-е и 22-е являются наиболее распространенными датами, как можно увидеть в расписании в начале статьи.
Используя текущие официальные границы созвездий МАС и принимая во внимание переменную скорость прецессии и вращение эклиптики, солнцестояния смещаются по созвездиям следующим образом [32] (выражено в астрономической нумерации лет , в которой год 0 = 1 г. до н.э., −1 = 2 г. до н.э. и т.д.):
sphairikē ... tēs gēs epiphaneia, сферическая — поверхность Земли
shairoeidēs ... уран, сферический по виду ... это рай
Приведенные выше графики показывают, как дата летнего солнцестояния смещается по григорианскому календарю в соответствии с добавлением високосных лет.
