Почему зимой мы видим Большую Медведицу перевёрнутой?

Ковш Большой Медведицы в средней полосе не заходит никогда, но каждый сезон стоит по-своему. Осенним вечером — низко на севере, чашей вверх, будто держит воду. Весенним — почти в зените, вверх дном. Зимним — стоит на ручке на северо-востоке, летним — свисает ручкой вверх на северо-западе.

В один и тот же вечерний час за год он делает полный круг около Полярной. Ковш — стрелка часов с периодом в год, и этот круг — след второго движения Земли.

У Земли два вращения, и оба видны по ковшу. Суточное гонит его вокруг Полярной со скоростью 15° в час — это заметно даже за один вечер. Годовое добавляет медленный сдвиг. Чтобы увидеть, откуда он берётся, вообразите стрелку, воткнутую в глобус в вашем городе, и пусть сейчас полдень: стрелка смотрит точно на Солнце, а далеко-далеко за Солнцем, на той же линии, стоит какая-нибудь звезда.

Земля вращается, стрелка описывает круг. Вот она совершила ровно один оборот: снова смотрит на ту же далёкую звезду — звезда так далеко, что направление на неё одно и то же, откуда ни смотри. Но полдень ещё не наступил. Пока Земля крутилась вокруг оси, она успела пройти по орбите вокруг Солнца примерно один градус — 360° на 365 дней, — и направление на близкое Солнце уехало на этот градус в сторону. Земле нужно довернуться. При скорости 15° в час один градус стоит четырёх минут — они и отличают оборот от суток: оборот по звёздам занимает 23 часа 56 минут, а солнечные сутки, от полудня до полудня, — привычные 24 часа.

— 24 ч.

А наши часы идут по Солнцу. Поэтому звёзды каждый вечер приходят на прежнее место на четыре минуты раньше, чем вчера.

Можно сказать то же самое одной фразой: за год Земля делает относительно звёзд ровно на один оборот больше, чем относительно Солнца, — 366¼ оборота против 365¼, и лишний оборот — это годовой обход орбиты. Отсюда точная длина суток «по звёздам»:

$$\frac{24\ \text{ч}\times 365{,}25}{366{,}25}=23\ \text{ч}\ 56\ \text{мин}\ 4\ \text{с}$$

Четыре минуты в сутки — это градус в сутки, тридцать градусов в месяц, полный оборот за год: вот и весь механизм годовой стрелки. Заметьте, это зеркальный близнец синодического месяца из сюжета о фазах: там Луна догоняла повернувшуюся линию Солнце — Земля, здесь Земля доворачивается до Солнца.

1. Полярная в центре: ковш ходит вокруг неё
2. Мерак → Дубхе: указатели на Полярную
3. против часовой стрелки: за сутки — полный оборот

«указатели»: линия Мерак → Дубхе ведёт к Полярной из любого положения.

Отсюда же сезонные созвездия: любое из них видно ночью тогда, когда оно оказывается в стороне, противоположной Солнцу. Орион — зимняя фигура не потому, что зимой «появляется», а потому, что зимой Земля повёрнута к нему ночной стороной; летом он стоит на дневном небе, утопленный в солнечном свете.

Проверьте сами. Сдвиг ловится за месяц. Заметьте сегодня в десять вечера положение ковша относительно дерева или конька крыши. Через месяц в те же десять он уйдёт на тридцать градусов против часовой стрелки — это три ширины кулака на вытянутой руке. А суточное вращение видно за один вечер: 15° в час, и за два часа между чаем и сном ковш заметно провернётся вокруг Полярной.

Тот же принцип. Этими четырьмя минутами люди пользовались тысячелетиями. Египтяне ловили утро, когда Сириус впервые показывается в рассветном небе после семидесяти дней невидимости — всё это время он стоял слишком близко к Солнцу и тонул в его свете. Возвращение Сириуса совпадало с разливом Нила и три тысячи лет держало египетский календарь. А обсерватории до сих пор живут по звёздному времени — по часам, которые честно спешат на четыре минуты в сутки: только они показывают, какие созвездия сейчас над телескопом.

Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (А.В. Ребриков) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».

Точная длина оборота. Звёздные сутки — 23 часа 56 минут 4,09 секунды. Разница с солнечными: 3 минуты 56 секунд, те самые «четыре минуты» с точностью до четырёх секунд. За год набегает

$$365{,}25\times 3\ \text{мин}\ 56\ \text{с}\approx 24\ \text{ч}$$

оценка порядка

Иначе говоря, накопленный сдвиг ровно равен одним суткам — то есть одному лишнему обороту. Это и есть проверка счёта 366¼ против 365¼.

Обсерватории живут по этим часам. Звёздное время — шкала, в которой сутки длятся 23 ч 56 мин 4 с; часы, идущие по ней, честно спешат на четыре минуты в сутки. Только по ним видно, какое созвездие сейчас над телескопом, — солнечное время для этого не годится.

Границы этого рассуждения.

• Четыре минуты — величина средняя. Истинные солнечные сутки за год гуляют от 23 ч 59 мин 38 с в середине сентября до 24 ч 00 мин 30 с около Рождества: Земля идёт по эллипсу неравномерно, а ось наклонена к плоскости орбиты. Накопленное расхождение солнечных часов с обычными доходит до 15 минут — это уравнение времени, и без него солнечные часы врут.
• «Ковш не заходит» верно не везде. Незаходящим он остаётся примерно севернее 41° северной широты. В Сочи часть ковша уже опускается за горизонт, в тропиках он заходит целиком, а в Южном полушарии его не видно вовсе.
• Полярная — не точно на полюсе. Она отстоит от него примерно на 0,7 градуса и сама описывает за сутки маленький круг. Для похода это не важно, для съёмки — уже да.
• Фигура ковша не вечна. Семь его звёзд лежат на разном удалении и движутся в разные стороны; через сто тысяч лет узнаваемого ковша не будет.

Ось тоже поворачивается. Кроме суточного и годового движения есть третье, медленное: земная ось описывает конус за 25 800 лет. Полярная звезда — должность, а не имя собственное: четыре тысячи лет назад ближайшей к полюсу была Тубан в созвездии Дракона, через двенадцать тысяч лет ею станет Вега. Прецессия сдвигает и точку весеннего равноденствия — по этой причине астрономические созвездия давно разошлись со знаками зодиака примерно на один знак.

О чём спорят. Четырьмя минутами в сутки люди пользовались тысячелетиями. Египтяне ловили утро, когда Сириус впервые показывается в рассветном небе после семидесяти дней невидимости: всё это время он стоял слишком близко к Солнцу. Возвращение Сириуса совпадало с разливом Нила и три тысячи лет держало египетский календарь.

По этим же записям пытаются датировать египетские царствования — и вот здесь единого мнения нет. День, когда Сириус впервые виден, зависит от широты наблюдения: в Асуане он показывается примерно на восемь дней раньше, чем в Каире. Где именно велось наблюдение — в Мемфисе, Фивах или на Элефантине, — по текстам не восстанавливается, и ошибка в выборе места сдвигает всю хронологию на десятилетия¹.

Открытый вопрос. Скорость вращения Земли не постоянна. Приливное торможение должно удлинять сутки на 2,3 мс за век, а по записям древних затмений выходит 1,8. Разницу приписывают перераспределению массы планеты после схода ледников, но баланс не сведён — и это значит, что и «четыре минуты в сутки» в прошлом были другими.