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 0^h до 24^h 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 - Т_п - 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.

Первое появление звезды в лучах утренней зари (т. е. первый утренний восход звезды) называется ее гелиакическим (от греческого «гелиос» - Солнце) восходом. С каждым последующим днем эта звезда успевает подняться над горизонтом все выше: ведь Солнце продолжает свое годичное движение по небу. Через три месяца к моменту восхода Солнца эта звезда вместе со «своим» созвездием уже проходит меридиан (в верхней кульминации), а еще через три месяца будет скрываться за горизонтом на западе.

Заход звезды в лучах утренней зари, происходящий единственный раз в году (утренний заход), принято называть ее космическим («космос» - «украшение») заходом. Далее, восход звезды над горизонтом на востоке при заходе Солнца (восход в лучах вечерней зари) называется ее акроническим восходом (от греческого «акрос» - высший; по-видимому, имелось в виду наиболее удаленное от Солнца положение). И, наконец, заход звезды в лучах вечерней зари принято называть гелиакическим заходом.

3.5 Тропический, Бесселев год

При движении Солнца по эклиптике. 20 (или 21) марта центр диска Солнца пересекает небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. Точка пересечения небесного экватора с эклиптикой - точка весеннего равноденствия находится в наше время в созвездии Рыб. На небе она не «отмечена» какой-либо яркой звездой, ее местонахождение на небесной сфере астрономы устанавливают с весьма высокой точностью по наблюдениям близких к ней «опорных» звезд.

Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия называется истинным, или тропическим годом. Продолжительность его равна 365,2421988 суток или же 365 дней 5 часов 48 минут и 46 секунд. Принимается, что и среднее солнце за то же время возвращается к точке весеннего равноденствия.

Продолжительность нашего календарного года неодинакова: он содержит то 365, то 366 дней. Между тем астрономы отсчитывают тропические годы одинаковой длительности. По предложению немецкого астронома Ф. В. Бесселя (1784- 1846) за начало астрономического (тропического) года принимают момент, когда прямое восхождение среднего экваториального солнца равно 18^h40^m.

3.6 Прецессия

Продолжительность тропического года на 20 минут 24 секунды короче звездного года. Это связано с тем, что точка весеннего равноденствия со скоростью 50",2 в год перемещается по эклиптике навстречу годичному движению Солнца. Это явление было открыто еще древнегреческим астрономом Гиппархом во II в. до н. э. и названо прецессией, или предварением равноденствий. За 72 года точка весеннего равноденствия смещается по эклиптике на 1?, за 1000 лет - на 14° и т. д. Примерно за 26 000 лет она сделает полный круг на небесной сфере. В прошлом же, около 4000 лет назад, точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца недалеко от звездного скопления Плеяд, летнее же солнцестояние в это время наступало в момент прохождения Солнца через созвездие Льва недалеко от звезды Регул.

Явление прецессии возникает потому, что форма Земли отличается от сферической (наша планета как бы сплюснута у полюсов). Под действием притяжения Солнцем и Луной различных частей «сплюснутой» Земли ось ее суточного вращения описывает конус вокруг перпендикуляра плоскости эклиптики. В итоге полюсы мира перемещаются среди звезд по малым кругам с радиусами около 23°27^/. Одновременно смещается на небесной сфере и вся сетка экваториальных координат, а с него и точка весеннего равноденствия. Вследствие прецессии вид звездного неба на определенный день года медленно, но непрерывно меняется.

3.7 Изменение числа суток в году

Как показали проведенные на протяжении многих десятков лет наблюдения кульминаций звезд, вращение Земли вокруг своей оси постепенно замедляется, хотя величина этого эффекта все еще известна с недостаточной точностью. Предполагается, что за последние две тысячи лет продолжительность суток увеличивалась в среднем на 0,002 с в столетие. Это, казалось бы, ничтожно малая величина, накопляясь, приводит к весьма заметным результатам. Из-за этого, например, будут неточными расчеты моментов солнечных затмений и условий их видимости в прошлом.

В наше время величина тропического года уменьшается каждое столетие на 0,54 с. По оценкам, миллиард лет назад сутки были на 4 часа короче, чем сегодня, а примерно через 4,5 млрд. лет Земля будет делать всего девять оборотов вокруг своей оси за год.

4 СМЕНА ФАЗ ЛУНЫ

Вероятно, первое из астрономических явлений, на которое обратил внимание первобытный человек, была смена фаз Луны. Она-то и позволяла ему учиться вести счет суткам. И не случайно, во многих языках слово «месяц» имеет общий корень, созвучный с корнями слов «мерить» и «Луна», например, латинское mensis - месяц и mensurа - мера, греческое «мэнэ» - Луна и «мэн» - месяц, английское moon - Луна и month - месяц. Да и русское общенародное название Луны - месяц.

4.1 Сидерический месяц

Наблюдая за положением Луны на небе на протяжении нескольких вечеров, легко убедиться в том, что она передвигается среди звезд с запада на восток со средней скоростью 13°,2 в сутки. Угловой диаметр Луны (так же, как и Солнца) равен примерно 0°,5. Можно сказать поэтому, что за каждые сутки Луна сдвигается к востоку на 26 своих поперечников, а за один час - более чем на величину своего диаметра. Сделав полный круг на небесной сфере, Луна спустя 27,321661 суток (=27^d07^h43^mll^s,5) возвращается к той же звезде. Этот промежуток времени называется сидерическим (т. е. звездным: sidus - звезда по-латыни) месяцем.

4.2 Конфигурации и фазы Луны

Как известно, Луна, диаметр которой почти в 4, а масса - в 81 раз меньше, чем у Земли, обращается вокруг нашей планеты на среднем расстоянии в 384 000 км. Поверхность Луны холодна и светится она отраженным солнечным светом. При обращении Луны вокруг Земли или, как принято говорить, при смене конфигураций Луны (от латинского configuro - придаю правильную форму) - ее положений относительно Земли и Солнца та часть ее поверхности, которую видно с нашей планеты, освещается Солнцем неодинаково. Следствием этого является периодическое изменение фаз Луны. Когда Луна при своем движении оказывается между Солнцем и Землей (это положение называется конъюнкцией - соединением), к Земле она обращена неосвещенной стороной, и тогда ее вообще не видно. Это - новолуние.

Появившись затем на вечернем небе сначала в виде узкого серпа, Луна приблизительно через 7 суток уже видна в форме полукруга. Эта фаза называется первой четвертью. Еще примерно через 8 дней Луна занимает положение прямо противоположное Солнцу и ее обращенная к Земле сторона полностью освещается им. Наступает полнолуние, в это время Луна восходит при заходе Солнца и видна на небе всю ночь. Через 7 суток после полнолуния наступает последняя четверть, когда Луна снова видна в форме полукруга, обращенного выпуклостью уже в другую сторону, и восходит после полуночи. Напомним, что если в момент новолуния тень Луны падает на Землю (чаще она проскальзывает «выше» или «ниже» нашей планеты), происходит солнечное затмение. Если же Луна в полнолунии погружается в тень Земли, наблюдается лунное затмение.

4.3 Синодический месяц

Промежуток времени, спустя который фазы Луны снова повторяются в том же порядке, называется синодическим месяцем. Он равен 29,53058812 суток = 29^d12^h44^m2^s,8. Двенадцать же синодических месяцев составляют 354,36706 суток. Таким образом, синодический месяц несоизмерим ни с сутками, ни с тропическим годом: он не состоит из целого числа суток и не укладывается без остатка в тропическом году.

Указанная продолжительность синодического месяца является его средним значением, которое получают так: подсчитывают, сколько времени протекло между двумя далеко отстоящими друг от друга затмениями, сколько раз за это время Луна сменила свои фазы, и делят первую величину на вторую (причем выбирают несколько пар и находят среднее значение). Так как Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите, то линейная и наблюдаемая угловая скорости ее движения в различных точках орбиты различны. В частности, эта последняя изменяется в пределах примерно от 11° до 15° в сутки. Очень усложняется движение Луны и силой притяжения, действующей на нее со стороны Солнца, ведь величина этой силы непрерывно меняется как по ее численному значению, так и по направлению: она имеет наибольшее значение в новолунии и наименьшее - в полнолунии. Реальная продолжительность синодического месяца меняется от 29^d6^h15^m до 29^d19^h12^m

5 СЕМИДНЕВНАЯ НЕДЕЛЯ

5.1 Происхождение семидневной недели

Искусственные единицы измерения времени, состоящие из нескольких (трех, пяти, семи и т. д.) дней, встречаются у многих народов древности. В частности, древние римляне и этруски вели счет дням «восьмидневками»- торговыми неделями, в которых дни обозначались буквами от А до Н; семь дней такой недели были рабочими, восьмые - базарными. Эти рыночные дни становились и днями празднеств.

Обычай измерять время семидневной неделей пришел к нам из Древнего Вавилона и, по-видимому, связан с изменением фаз Луны. В самом деле, продолжительность синодического месяца составляет 29,53 суток, причем люди видели Луну на небе около 28 суток: семь дней продолжается увеличение фазы Луны от узкого серпа до первой четверти, примерно столько же - от первой четверти до полнолуния и т. д.

Но наблюдения за звездным небом дали еще одно подтверждение «исключительности» числа семь. В свое время древневавилонские астрономы обнаружили, что, кроме неподвижных звезд, на небе видны и семь «блуждающих» светил, которые позже были названы планетами (от греческого слова «планэтэс», которое и означает «блуждающий»). Предполагалось, что эти светила обращаются вокруг Земли и что их расстояния от нее возрастают в таком порядке: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. В Древнем Вавилоне возникла астрология - верование, будто планеты влияют на судьбы отдельных людей и целых народов. Сопоставляя определенные события в жизни людей с положением планет на звездном небе, астрологи полагали, что такое же событие наступит снова, если это расположение светил повторится. Само же число семь - количество планет - стало священным как для вавилонян, так и для многих других народов древности.

5.2 Названия дней недели

Разделив сутки на 24 часа, древневавилонские астрологи составили представление, будто каждый час суток находится под покровительством определенной планеты, которая как бы «управляет» им. Счет часов был начат с субботы: первым ее часом «управлял» Сатурн, вторым - Юпитер, третьим - Марс, четвертым - Солнце, пятым - Венера, шестым - Меркурий и седьмым - Луна. После этого цикл снова повторялся, так что 8-м, -15-м и 22-м часами «управлял» Сатурн, 9-м, 16-м и 23-м - Юпитер и т. д. В итоге получилось, что первым часом следующего дня, воскресенья, «управляло» Солнце, первым часом третьего дня-Луна, четвертого - Марс, пятого - Меркурий, шестого - Юпитер и седьмого - Венера. Соответственно этому и получили свои названия дни недели. Последовательную смену этих названий астрологи изображали вписанной в окружность семиконечной звездой, в вершинах которой обычно ставились названия дней недели, планет и их условные обозначения (рисунок 00).

Рисунок 3 - Астрологические изображения смены дней недели

Эти названия дней недели именами богов перекочевали к римлянам, а затем в календари многих народов Западной Европы.

В русском языке название дня перешло на всю семидневку (седмицу, как ее когда-то называли). Таким образом, понедельник - это «первый день после недели», вторник - второй день, четверг - четвертый, пятница - пятый, а среда действительно была средним днем. Любопытно, что в старославянском языке встречается и более древнее ее название - третийник.

В заключение следует отметить, что семидневная неделя распространилась в Римской империи еще при императоре Августе (63 г. до н. э. - 14 г. н. э.) в связи с увлечением римлян астрологией. В частности, в Помпеях найдены настенные изображения семи богов дней недели. Само же широкое распространение и «живучесть» промежутка времени в семь суток связано, по-видимому, с наличием определенных психофизиологических ритмов человеческого организма соответствующей продолжительности.

6 АРИФМЕТИКА КАЛЕНДАРЕЙ

Природа предоставила людям три периодических процесса, позволяющих вести учет времени: смену дня и ночи, смену фаз Луны и смену времен года. На их основе и сложились такие понятия как сутки, месяц и год. Однако число суток и в календарном году, и в календарном месяце (как и число месяцев в году) может быть только целым. Между тем их астрономические прообразы - синодический месяц и тропический год - содержат дробные части суток. «Поэтому,- говорит известный специалист по «календарной проблеме» ленинградский профессор Н. И. Идельсон (1885-1951),- календарная единица неизбежно выходит ошибочной против своего астрономического прообраза; с течением времени эта ошибка накопляется и календарные даты уже не соответствуют астрономическому положению вещей». Как выровнять эти расхождения? Это задача чисто арифметическая; она ведет к установлению календарных единиц с неодинаковым числом дней (например, 365 и 366, 29 и 30) и к определению правил их чередования После того как с помощью астрономических наблюдений надежно установлены продолжительность тропического года и синодического месяца, а из теории чисел получены правила чередования календарных единиц с неодинаковым числом дней (например, простых и високосных годов), календарную проблему можно считать решенной. По образному выражению Н. И. Идельсона, календарная система «получает свое течение как бы независимо от астрономии» и, «обращаясь к календарю, мы вовсе не должны... сосредоточиваться на тех астрономических фактах и соотношениях, из которых он выведен». И наоборот: «Календарь, который остается в постоянном соприкосновении с астрономией, делается громоздким и неудобным»

6.1 Лунный календарь

При рассмотрении теории лунного календаря продолжительность синодического месяца с достаточной степенью точности можно принять равной 29,53059 суток. Очевидно, что соответствующий ему календарный месяц может содержать 29 или 30 суток. Календарный лунный год состоит из 12 месяцев. Соответствующая ему продолжительность астрономического лунного года равна:

12X29,53059 = 354,36706 суток.

Можно поэтому принять, что календарный лунный год состоит из 354 суток: из шести «полных» месяцев по 30 суток и шести «пустых» по 29 суток, так как 6 X 30 + 6 X 29 = 354. А чтобы начало календарного месяца как можно точнее совпадало с новолунием, эти месяцы должны чередоваться; например, все нечетные месяцы могут содержать по 30, а четные - по 29 дней.

Однако промежуток времени в 12 синодических месяцев на 0,36706 суток больше календарного лунного года в 354 суток. За три таких года эта ошибка составит уже 3X0,36706= 1,10118 суток. Следовательно, в четвертом от начала счета году новолуния будут уже приходиться не на первые, а на вторые числа месяцев, через восемь лет - на четвертые и т. д. А это значит, что календарь время от времени следует исправлять: приблизительно через каждые три года делать вставку в один день, т. е. вместо 354 дней считать в году 355 дней. Год в 354 дня принято называть простым, год в 355 дней - продолженным или високосным.

Задача построения лунного календаря сводится к следующему: найти такой порядок чередования простых и високосных лунных годов, при котором начала календарных месяцев не отодвигались бы заметно от новолуния.

Опыт показывает, что за каждые 30 лет (один цикл) новолуния по отношению к первому числу календарных месяцев передвигаются на 0,0118 суток вперед, а это дает сдвиг в один день примерно за 2500 лет.

6.2 Лунно-солнечный календарь

Теория. В основу теории лунно-солнечных календа рей положены две астрономические величины:

1 тропический год = 365,242 20 суток;

1 синодический месяц = 29,530 59 суток.

Отсюда получаем:

1 тропический год = 12,368 26 синодических месяцев.

Другими словами, в солнечном году содержится 12 полных лунных месяцев и еще примерно одна треть. Следовательно, год в лунно-солнечном календаре может состоять из 12 или из 13 лунных месяцев. В последнем случае год называется эмболисмическим (от греческого «эмболисмос» - вставка).

Заметим, что в Древнем Риме и средневековой Европе вставку дополнительного дня или месяца было принято называть интеркаляцией (от латинского intercalatio - вставка), а сам добавленный месяц - интеркалярием.

В лунно-солнечном календаре начало каждого календарного месяца должно как можно ближе располагаться к новолунию, а средняя на протяжении цикла продолжительность календарного года должна быть близкой к продолжительности тропического года. Вставка 13-го месяца производится время от времени так, чтобы начало календарного года поддерживать по возможности ближе к какому-то моменту астрономического солнечного года, например, к равноденствию.

6.3 Солнечный календарь

В основе солнечного календаря лежит продолжительность тропического года - 365,24220 суток. Отсюда сразу видно, что календарный год может содержать либо 365 либо 366 суток. Теория должна указать порядок чередования простых (в 365 дней) и високосных (366 дней) годов в каком-то определенном цикле с тем, чтобы средняя продолжительность календарного года за цикл была по возможности ближе к продолжительности тропического года.

Таким образом, цикл состоит из четырех лет, и на протяжении этого цикла производится одна вставка. Другими словами, из каждых четырех лет три года имеют по 365 дней, четвертый 366 дней. Такая система високосов существовала в юлианском календаре. В среднем продолжительность такого календарного года на 0,0078 суток больше продолжительности тропического года, и эта разность примерно за 128 лет составляет целые сутки.

С 1582 г. страны Западной Европы, а позже и многие другие народы мира перешли на счет времени по григорианскому календарю, проект которого был разработан итальянским ученым Луиджи Лилио (1520-1576). Продолжительность календарного года здесь принята равной 365,24250 суток. В соответствии с величиной дробной части года /( = 0,2425 = 97/400 в промежутке времени в 400 лет дополнительный 366-й день в году вставляется 97 раз, т. е. по сравнению с юлианским календарем здесь трое суток в 400 лет выбрасывается.

Вторая календарная система - новоюлианский календарь, предложенный югославским астрономом Милутином Миланковичем (1879-1956). В данном случае средняя продолжительность календарного года равна 365,24222.

Вставки дополнительного 366-го дня в году здесь должны производиться 218 раз в каждые 900 лет. Это значит, что по сравнению с юлианским в календаре новоюлианском в каждые 900 лет выбрасывается 7 суток. Предложено високосными считать те вековые годы, у которых число сотен при делении на 9 дает в остатке 2 или 6. Ближайшими такими годами, начиная с 2000 г., будут еще 2400, 2900, 3300 и 3800. Средняя продолжительность новоюлианского календарного года больше продолжительности года тропического на 0,000022 средних солнечных суток. А это значит, что расхождение в целые сутки такой календарь дает лишь за 44 000 лет.

6.4 Особенности григорианского календаря

В григорианском календаре простой год также имеет 365 дней, високосный 366. Как и в юлианском календаре, високосным является каждый четвертый год - тот, порядковый номер которого в нашем летосчислении делится на 4 без остатка. При этом, однако, те вековые годы календаря, число сотен которых не делится без остатка на 4, считаются простыми (например, 1500, 1700, 1800, 1900 и т. д.). Високосными же являются столетия 1600, 2000, 2400 и т. д. Таким образом, полный цикл григорианского календаря состоит из 400 лет; кстати, первый такой цикл закончился совсем недавно-15 октября 1982 г., причем в нем содержится 303 года по 365 дней и 97 лет по 366 дней.

Ошибка этого календаря в одни сутки набегает за 3300 лет. Следовательно, по точности и четкости системы високосов (облегчающей ее запоминание) этот календарь следует признать весьма удачным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Давным-давно человек заметил цикличность многих явлений природы. Солнце, поднявшись над горизонтом, не остается висеть над головой, а опускается на западной стороне неба, чтобы вновь подняться через какое-то время на востоке. То же происходит с Луной. Долгие теплые летние дни сменяются короткими и холодными зимними, и обратно. Наблюдаемые в природе периодические явления послужили основой для счета времени.

Наиболее популярный период времени - это сутки, определяемые сменой дня и ночи. Известно, что смена эта обусловлена вращением Земли вокруг своей оси. Для исчисления больших промежутков времени сутки малопригодны, нужна большая единица. Таковыми стали период смены фаз Луны - месяц, и период смены сезонов - год. Месяц обусловлен вращением Луны вокруг Земли, а год - вращением Земли вокруг Солнца. Разумеется, мелкие и крупные единицы нужно было соотнести друг с другом, т.е. привести в единую систему. Такая система, а также правила ее применения для измерения большим промежутков времени, стала называться календарем.

Календарем принято называть определенную систему счета продолжительных промежутков времени с подразделениями их на отдельные более короткие периоды (годы, месяцы, недели, дни).

Потребность измерять время возникла у людей уже в глубокой древности, и определенные методы счета времени, первые календари возникли много тысячелетий назад, на заре человеческой цивилизации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Арчаков И.Ю. Планеты и звезды. СПб.: Дельта, 1999.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.:Центр, 2000.

3. Дуничев В.М. Концепции современного естествознания: Учебно-методическое пособие / Дуничев В.М.- Южно-Сахалинск: Сахалинское книжное издательство, 2000. - 124 с.

4. Климишин И.А. Календарь и хронология М: «Наука» Главная редакция физико-математической литературы, 1985 г., 320 с

5. Мур П. Астрономия с Патриком Муром/ пер. с англ. М.: ФАИР - ПРЕСС, 1999.