23 сентября в 00:44 по московскому времени наступило осеннее равноденствие. Солнце, двигаясь на фоне созвездий, пересекло небесный экватор и перешло в южную небесную полусферу. Начиная с сегодняшнего дня наше дневное светило будет больше освещать южное полушарие Земли, где наступает астрономическая весна. В северном полушарии Земли, соответственно, наступает астрономическая осень.

О том, что такое осеннее равноденствие, чем замечательна эта дата и действительно ли в эту дату день равен ночи, мы писали подробно в 2012 году. Заметим также, что сегодня, равно как и в дни солнцестояний астрофотографы часто публикуют аналеммы, как бы вспоминая годовой путь солнца по небу. Чтобы пояснить, что это такое, прежде хотелось бы задать простой вопрос: как меняется положение солнца на небе в течение года, если наблюдать его в одно и то же время (например, в полдень)?

Казалось бы, ответ ясен: звезда сияла бы над одним и тем же местом, но на разной высоте. Из-за того, что земная ось наклонена к плоскости земной орбиты на 23,5°, в течение года высота солнца, измеряемая в одно и то же время, должна меняться на 47°. При этом в день летнего солнцестояния солнце находилось бы на максимальной высоте, а в день зимнего солнцестояния — на минимальной. Соответственно, в дни равноденствий (как сегодня) звезда находилась бы на небе в промежуточном положении. Так?

Все так, однако если бы мы взяли фотоаппарат и в течение года, скажем, раз в неделю фотографировали солнце в одно и то же время в одном и том же месте, то через год получили бы странную картину: наше дневное светило выписало бы на небе не прямую линию, а «восьмерку»! Такая «восьмерка» в астрономии называется аналеммой.

Аналемма. Фотографируя положение солнца на небе в одно и то же время, мы обнаружили бы, что звезда выписывает в течение года в небе «восьмерку». Фото: Tunc Tezel

Откуда же она взялась? Почему, периодически отмечая положение Солнца на небе в одно и то же время, мы за год вынуждены нарисовать в небе замысловатую кривую?

Оказывается, на образование аналеммы влияют два фактора: наклон земной оси и вытянутость (эллиптичность) земной орбиты.

Для начала давайте разберемся, как влияет на положение солнца наклон земной оси. Выше мы уже определили, что именно из-за наклона оси полуденная высота солнца на небе постоянно меняется. Но наклон также влияет и на отклонение солнца к востоку и к западу (вправо и влево) в одно и то же время суток. Чтобы понять, почему, взгляните на глобус Земли.

Глобус Земли с вертикальными линиями долгот и горизонтальными линиями широт. Две горизонтальные штриховые линии, расположенные симметрично к экватору — Северный и Южный тропики. Это места на земном шаре, где Солнце находится в зените во время летнего и зимнего солнцестояний. Вертикальные линии долгот сближаются тем ближе, чем севернее они находятся. Фото: votorsal.com.ua

Во время летнего солнцестояния в июне солнце в полдень находится в зените над Северным тропиком (тропиком Рака), во время зимнего — над Южным (тропиком Козерога). На глобусе тропики показаны штриховыми линиями. Заметим, что в этих местах линии долго́т (вертикальные линии) находятся ближе друг к другу, чем на экваторе Земли, где солнце бывает в полдень в дни осенних и весенних равноденствий. А ведь именно с долготой связано местное время!

Получается, что дважды в год — весной и осенью, — после того, как солнце пересекло небесный экватор, скорость его движения немного увеличивается в направлении слева направо (с востока на запад). Летом и зимой скорость, напротив, уменьшается. Таким образом, наклон Земли вызывает изменение скорости движения солнца в течение года как с севера на юг, что понятно, так и с востока на запад, что кажется на первый взгляд удивительным. В результате аналемма имеет форму цифры восемь.

Теперь вспомним, что орбита Земли представляет собой не идеальный круг, а слегка вытянута. Из-за этого в моменты, когда наша планета находится ближе к Солнцу, она движется по орбите быстрее, чем в моменты наибольшего удаления. Во время пересечения перигелия — ближайшей к Солнцу точки орбиты — Земля движется с максимальной скоростью. Происходит это в начале января. В начале июля, когда Земля находится в афелии к Солнцу, наоборот, планета движется по орбите медленнее всего.

Из-за этого солнце на небе движется с разной скоростью в зависимости от времени года! Получается, что вытянутость орбиты Земли хотя и не меняет основную форму аналеммы, но вносит в нее ассиметричность. Зимняя (южная) петля несколько больше летней (северной).

Если бы Земля двигалась вокруг Солнца по кругу, форма аналеммы была бы абсолютно симметричной, а петли пересекались бы в точке равноденствий (справа). На деле же летняя петля немного меньше зимней, а точки равноденствий находятся на зимней петле. Происходит это из-за того, что орбита Земли вытянута, и в результате летом Солнце движется медленнее по небу, чем зимой. Рисунок: Большая Вселенная

Последнее, на что хотелось бы обратить внимание, это наклон аналеммы. Если мы будем фотографировать солнце в полдень, то получим вертикальную фигуру. Аналемма, наблюдаемая утром или вечером будет наклоненной тем больше, чем раньше (позже) фотографировать звезду. Вот как выглядит аналемма, сфотографированная в течение года в 9 утра по местному времени греческим любителем астрономии Энтони Айомамитисом.

Утренняя аналемма над храмом Аполлона в древнем Коринфе. Фото: Anthony Ayiomamitis