Календари планет

С тех пор, как человек стал человеком, у него появилась потребность в календаре. Три важнейших периодических процесса управляют нашей жизнью: смена времени суток (день-ночь), смена фаз Луны (новолуние-полнолуние) и смена времен года (зима-весна-лето-осень). Но если «лунный календарь» после изобретения газовых и электрических фонарей почти вышел из употребления, то суточный и годичный циклы, похоже, никогда не потеряют своей актуальности. До появления искусственного освещения Луна была настоящей «царицей ночи»: пастухи и моряки, погонщики караванов и северные оленеводы, а проще говоря — все без исключения согласовывали свою ночную жизнь с лунными фазами. Сегодня, живя в городах, мы даже не замечаем, видно ли на небе «ночное светило». Поэтому сохранение месячного цикла в календаре — дань традиции, в основном регулирующая наши отношения с бухгалтерией.

Не исключено, что в календарях наших далеких потомков уже не будет деления на месяцы, но согласовывать длительность суток и года им все же придется. Солнечные сутки — это период обращения Земли вокруг своей оси относительно направления на Солнце. Существуют и другие сутки — например, звездные. Но ими интересуются только астрономы. А солнечные сутки управляют режимом жизни всех людей на планете: бодрствовать — спать — бодрствовать — снова засыпать… Год — это период обращения Земли вокруг Солнца. Он тоже не так прост: астрономы различают средний гражданский (календарный) год, а также звездный, тропический, драконический и аномалистический годы. Но для нас в быту важен тот, который управляет сменой сезонов: зима-весна-лето-осень, или лыжи-велосипед-лыжи, или школа-каникулы-школа, или пахать-сеять-собирать урожай… Этот год, управляющий сезонным режимом, называется тропическим, поскольку Солнце в течение него успевает пройти по небу путь от Северного тропика к Южному и обратно, или же от точки весеннего равноденствия до нее же.

Было бы очень удобно, если бы в год укладывалось целое число суток: тогда его начало всегда приходилось бы на начало суток, и календарь получился бы очень простым. Но в действительности это не так: вращение Земли вокруг оси (сутки) и вокруг Солнца (год) происходят независимо друг от друга и, более того, их периоды постепенно (очень медленно!) изменяются. Астрономы и физики регулярно измеряют продолжительность солнечных суток и тропического года. В нашу эпоху последняя — с точностью до секунды — равна 365 суток 5 часов 48 минут и 45 секунд, или, используя астрономическую запись, 365d05h48m45s. В долях стандартных (эфемеридных) суток длительностью 86 400 секунд это составляет 365,242188.

Узаконить в обыденной жизни длину календарного года равной дробному числу суток невозможно. Скажем, если бы мы хотели строго соблюдать длительность года, измеренную в сутках, часах, минутах и секундах, то после окончания 31 декабря (часы пробили полночь) нам следовало бы остановить все часовые механизмы почти на 6 часов и вновь запустить их под утро, установив на циферблате 00 часов 1 января. На следующий год время всех привычных дел (проснулся, вышел из дому и т.д.) сместилось бы почти на четверть суток, что крайне неудобно.

Но можно поступить иначе: положить длительность календарного года равной строго 365 суткам. Тогда год истечет на 5 часов 48 минут и 45 секунд раньше, чем Земля, двигаясь по орбите, вернется к исходному положению. В результате следующий год начнется почти на четверть суток раньше. За четыре года отставание календаря составит почти ровно сутки. Постепенно 1 января с зимы сместится на осень, а потом и на лето… Периодические мероприятия — посевную, начало учебного года — нельзя будет связывать с определенными календарными датами. А как же любимое «первое сентября»?

К методам согласования суточного и годичного циклов создатели календарей пришли не сразу. Для этого астрономы должны были точно измерить продолжительность суток и года, а математики — найти оптимальный способ их «привязки» друг к другу. Эта работа еще не завершена даже для Земли, а космическая эра уже выдвигает требования к календарям для других планет.

Земные календари

КАЛЕНДАРЬ ЮЛИАНСКИЙ — древнеримский солнечный календарь, используемый до настоящего времени некоторыми религиозными конфессиями. Введен с 1 января 45 г. до н.э. после реформы, осуществленной в 46 г. до н.э. Юлием Цезарем (отсюда и название). Средняя продолжительность года в юлианском календаре — 365,25 суток, что на 11 минут 14 секунд больше тропического года. В юлианском календаре три года подряд считались по 365 дней, а четвертый — високосный — имел 366 дней. Дополнительный день добавлялся к последнему по счету месяцу, которым тогда был февраль. «Длинными» (високосными) считались все годы с порядковыми номерами, делящимися на 4.

КАЛЕНДАРЬ ГРИГОРИАНСКИЙ — современный солнечный календарь («новый стиль»), который начал вводиться с 1582 г. в результате реформы юлианского календаря («старый стиль»), произведенной на основе буллы папы римского Григория XIII. Дни недели в обоих календарях совпадают.

Различие состоит в том, что в григорианском календаре из числа високосных исключены те вековые годы (с двумя нулями на конце), число сотен которых не делится на 4. Усредненная за длительный период продолжительность календарного года при этом оказывается всего на 26 секунд больше года тропического, что приводит к ошибке в одни сутки лишь за 3280 лет, тогда как в юлианском календаре ошибка в сутки накапливается за 128 лет (эта разница как раз и компенсируется «вычитанием» трех дополнительных дней за 400-летний период).

Для устранения расхождений с юлианским календарем при переходе к григорианскому пропускалось 10 суток в тех регионах, где он вводился в XVI-XVII веках, 11 — в XVIII веке, 12 — в XIX веке и 13 — в XX-XXI веках.

Григорианский календарь был введен в католических странах в XVI столетии, в протестантских — на протяжении XVII-XVIII веков, в Японии — в XIX столетии, в Китае, Болгарии, Греции, Турции и некоторых других странах — лишь в прошлом веке. Например, в России григорианский календарь официально используется с 14 февраля 1918 г. Именно поэтому «старый новый год» отмечается в ночь с 13 на 14 января. На 13 суток сдвинуты также все религиозные праздники с фиксированными датами. В XXII веке эта разница увеличится до 14 дней.

Календарь Луны

Учитывая наше стремление покорить Луну, вероятно, скоро придется составлять календари для лунян (или, по-научному, селенитов). К счастью, это несложно.

Роль «луны» в небе нашего естественного спутника исполняет Земля. Правда, делает она это весьма своеобразно. Как известно, вращение Луны вокруг оси и ее обращение вокруг Земли происходят синхронно. В одном лунном полушарии, которое мы называем «видимой стороной Луны», наша планета видна всегда и при этом почти не меняет своего положения на небе. А в другом полушарии луняне ни-когда не увидят Землю, поэтому у них не может быть цикла, аналогичного нашему месяцу. Кроме того, есть довольно широкий пояс лунной поверхности, расположенный на границе видимого и невидимого полушарий, где Земля время от времени приподнимается над горизонтом и вновь прячется за ним вследствие явления, называемого либрацией. Оно, в свою очередь, связано с эллиптичностью лунной орбиты и наклоном оси вращения Луны к орбитальной плоскости. Будущие жители этих территорий смогут иногда видеть Землю над горизонтом и устанавливать с ней прямую радиосвязь. Происходит это с периодом в один сидерический месяц (около 27,3 суток), соответствующим вращению нашего спутника относительно звезд.

На видимой стороне Луны в течение солнечных суток (т.е. синодического месяца, имеющего среднюю продолжительность чуть больше 29,5 земных суток) Земля меняет фазы, проходя от «новоземия» к «полноземию» и обратно. В середине лунной ночи она всегда полная и создает уровень освещенности в десятки раз выше, чем полная Луна, сияющая в земном небе. Так что наша планета — очень полезный «ночной светильник» для видимой стороны ее спутника, а также неплохие ночные часы… но далеко не самый удачный небесный объект для «привязки» к нему календаря.

Экватор Луны почти не наклонен к плоскости ее орбиты вокруг Солнца, поэтому ежедневный путь светила по лунному небу всегда практически одинаков (различие заключается только в его максимальной высоте над горизонтом) — там нет сезонного изменения высоты Солнца в кульминации, как это происходит на Земле: у нас летом оно плывет по небу выше над горизонтом, а зимой — ниже. На Луне же дни почти неотличимы друг от друга. Правда, небольшая вытянутость земной орбиты приводит к тому, что в течение года расстояние от Луны до Солнца немного меняется: в начале января она вместе с нашей планетой подходит ближе к светилу, а в начале июля оказывается чуть дальше. Но это «чуть» составляет всего 1,7% от среднего значения. Если не принимать это во внимание, можно сказать, что смены сезонов на Луне нет. Понятие «год» там может быть важным только для астрономов, предпочитающих вести наблюдения в отсутствие Солнца на небе. Хотя на нашем спутнике, лишенном атмосферы, оно не создает существенных помех.

Так что календарь для жителей обратной стороны Луны будет до смешного прост: солнечные сутки продолжительностью около 29,5 земных, монотонно сменяющие друг друга. Ни «месяцев», ни «лет» в их календаре не будет. Зато в календаре жителей видимой стороны и либрационных зон — а это почти 60% лунной поверхности — придется согласовывать два периода: синодический (29,5 суток) и сидерический (27,3 суток), чтобы связать со сменой дня и ночи условия видимости Земли и льющегося от нее бесплатного ночного освещения.

Календарь Марса

Ось Марса наклонена к плоскости орбиты почти под таким же углом, как земная. Следовательно, сезонные изменения там выражены весьма заметно. Правда, на поверхности планеты отсутствует биосфера вместе с весенним цветением растений и зимней спячкой животных. Но среднесуточная температура и снежный покров в полярных областях меняются довольно сильно. В южном марсианском полушарии это усугубляется еще и тем, что эксцентриситет орбиты Красной планеты достаточно велик (второй по величине среди планет), и афелий — самую удаленную от Солнца точку своей орбиты — она проходит как раз тогда, когда в этом полушарии середина зимы. Поэтому климат там «жестко континентальный» с очень большими сезонными колебаниями температуры. А в северном полушарии по этой же причине климат более мягкий.

Год на Марсе длится 687 земных суток или около 669 марсианских солнечных суток. Дело в том, что суточный цикл там примерно на 40 минут длиннее, чем на Земле — этот период получил название «сол» (sol). Хотя вокруг Марса суетливо бегают два крохотных спутника Фобос и Деймос, их роль в ночном освещении планеты почти нулевая, а периоды обращения очень короткие (у Фобоса — втрое меньше продолжительности суток), поэтому «привязать» к ним какой-то месячный цикл не представляется возможным. Интересно, что для марсианских наблюдателей спутники движутся по небосводу в противоположных направлениях.

Тем не менее, для удобства будущих исследователей Марса им предлагается календарь, содержащий 24 месяца по 28 солов в каждом, сгруппированных в 4 недели, кроме последнего месяца каждого квартала, в котором на один сол меньше. Именно таков один из первых марсианских календарей, разработанный американским инженером Томасом Гангале (Thomas Gangale) и опубликованный им в 1986 г. Позже Гангале неоднократно модифицировал свой календарь. Поступали предложения и от других авторов. Но каждый из них сталкивался с той же проблемой, что и создатели земного календаря — с нецелым количеством дней в году, длящемся на Красной планете 668,5907 солов. Поэтому, чтобы точно согласовать суточный и годичный циклы, там тоже придется вводить систему високосных лет, напоминающую земную (в первом приближении в ней будет присутствовать пятилетний цикл с тремя «полными» годами и двумя «сокращенными»).

Календари внутренних планет

Орбита Венеры практически круговая, а ось вращения почти перпендикулярна к плоскости орбиты, так что времен года там нет. Учитывая, что венерианское небо всегда затянуто облаками и звезды на нем не видны, догадаться о том, в каком положении на орбите находится планета, при визуальных наблюдениях с ее поверхности невозможно (для этого потребуются как минимум радиотелескопы). Остается считать монотонные дни. Сколько же дней в венерианском году?

На оборот вокруг Солнца Венера затрачивает чуть меньше 225 земных суток. Вокруг оси она вращается еще медленнее — один оборот за 243 наших дня. К тому же вращается она в обратную сторону (если сравнивать с Землей и другими планетами, кроме Урана). В результате длительность солнечных суток на «Утренней звезде» составляет около 117 земных. Так что в венерианском году укладывается менее двух венерианских суток! Незамысловатый календарь получается…

Но, пожалуй, наиболее удивительный календарь — у Меркурия. Год на самой маленькой планете продолжается всего около 88 земных суток, а период ее вращения вокруг оси относительно звезд — 58,6 суток. Сочетание этих двух периодов приводит к тому, что от восхода до следующего восхода Солнца там проходит 176 земных суток, то есть ровно 2 меркурианских года. Поэтому в отношении Меркурия «календарный» вопрос звучит весьма необычно: «Сколько лет в ваших сутках?» Такую связь между суточным вращением и орбитальным обращением называют не синхронной (как у Луны), а резонансной с целочисленным отношением периодов 2:3 — за год планета совершает полтора оборота вокруг оси.

Ось вращения Меркурия строго перпендикулярна орбитальной плоскости, однако смена времен года там вполне заметна и целиком связана с большим эксцентриситетом орбиты (0,20564). Так что понятие «год» для этой планеты актуально, ведь в течение меркурианского года мощность солнечного освещения в целом меняется более чем вдвое.

Особенности резонансного вращения Меркурия были поняты далеко не сразу. Сначала астрономы думали, что он вращается синхронно с движением вокруг Солнца и обращен к светилу одной стороной. Первые сомнения по поводу синхронности суточного вращения и орбитального обращения планеты принесли наблюдения ее теплового излучения, выполненные в 1962 г. Если бы она вращалась синхронно, с вечным днем в одном полушарии и вечной ночью в другом, то средние температуры соответствующих полушарий должны были бы составлять 880 и 60 K (т.е. около +600°C и -210°C). Принятое от Меркурия тепловое радиоизлучение, испускаемое с глубины около 10 см под поверхностью, показало, что дневная сторона не так горяча, как ожидалось, а от ночной исходит ощутимый тепловой поток. Поскольку атмосферы там нет, а перенос тепла сквозь твердое тело планеты пренебрежимо мал, был сделан вывод о ее несинхронном вращении.

Но действительность оказалась еще интереснее: данные, полученные в 1965 г. с помощью радиолокации с Земли, доказывали, что Меркурий находится в резонансном вращении! Проходя через любую конкретную точку орбиты, он через раз «подставляет» светилу одно и то же полушарие, а через раз — противоположное. Поэтому солнечные сутки на Меркурии длятся вдвое дольше его года и втрое дольше звездных суток (одного оборота относительно неподвижных звезд). Температура меркурианской поверхности достигает наибольшего значения в двух диаметрально противоположных областях, которые попеременно оказываются подсолнечными, когда планета проходит перигелий — ближайшую к Солнцу точку своей орбиты. Одна из них получила название «Равнина Жары» (Planitia Caloris).

Казалось бы, наконец-то нашлось в Солнечной системе тело, у которого сутки и год находятся в целочисленном соотношении, и для него можно создать простой и вечный календарь. Это справедливо для «плакатных» календарей, где не указываются моменты восхода и захода Солнца. Но если это нужно сделать, как в популярных отрывных календарях, то возникают проблемы. Близость периодов осевого вращения и орбитального обращения, а также большой эксцентриситет орбиты Меркурия приводят к тому, что Солнце в своем видимом движении по небу там иногда останавливается и даже возвращается назад. В некоторых областях восходы и заходы наблюдаются дважды за одни сутки, причем как на востоке, так и на западе. Если в земных календарях моменты восхода и захода Солнца по местному времени на определенную дату зависят от широты наблюдателя, то в меркурианском календаре они зависят от долготы. Это же, кстати, справедливо и для восходов и заходов Земли на Луне.

Кстати, о Земле. Будущие переселенцы с нее на любую из планет, очевидно, будут интересоваться положением «Старого света» на небе своей новой родины. И тут Меркурий преподнес нам еще один сюрприз. Уникальность его вращения заключается не только в том, какие «бока» он подставляет Солнцу — у него еще наблюдаются и любопытные соотношения с движением Земли. Во-первых, между двумя последовательными нижними соединениями (прохождениями вблизи линии «Солнце-Земля») он успевает совершить почти ровно два оборота вокруг оси: меркурианский синодический период равен 115,88 суток, а период вращения — 58,646 суток. Во-вторых, в течение земного года Меркурий успевает сделать почти точно 3 оборота вокруг Солнца и 6 оборотов вокруг оси. И вот к чему это приводит.

В средних широтах Северного полушария (где раньше проживало большинство астрономов) существует два удобных периода для наблюдений Меркурия — это эпохи его наибольшей восточной элонгации весной и наибольшей западной элонгации осенью. Весенними вечерами и осенью перед рассветом эклиптика пересекает горизонт под наибольшим углом, и Меркурий в сумерках виден довольно высоко. Поэтому наблюдатели обычно пропускают зимние и летние элонгации, используя для наблюдения осенние и весенние, т.е. проводят наблюдения через полтора синодических периода (115,88×1,5=173,8 суток). Один оборот Меркурия вокруг оси относительно направления на Землю занимает 69,864 суток. Поэтому между периодами наблюдений он успевает повернуться 2,5 раза. Казалось бы, мы должны, таким образом, наблюдать попеременно то одно, то другое полушарие планеты. Но это не так: за полгода Солнце меняет свое положение относительно нее на противоположное, вновь освещая то же полушарие, что и в прошлый сезон. В течение нескольких последовательных сезонов астрономы видят попеременно освещенные половинки одного и того же полушария Меркурия, повернутого к Солнцу. Естественно, у них возникает уверенность в том, что планета вращается синхронно с обращением по орбите.

Знаменитый итальянский астроном Джованни Скиапарелли (Giovanni Schiaparelli, 1835-1910), больше известный в связи с марсианскими «каналами», провел первые наблюдения Меркурия в 1881 г. и повторил их ровно через год. Разумеется, никаких изменений в его внешнем виде ученый не заметил. Скиапарелли продолжил наблюдения и в 1889 г. окончательно решил, что планета всегда повернута одной стороной к Солнцу. В 1890 г. он пришел к аналогичному выводу и в отношении Венеры, хотя в ее случае основания для таких умозаключений совершенно непонятны, поскольку венерианская поверхность под облаками не видна.

Печально, но Скиапарелли заблуждался как по поводу каналов на Марсе, так и в отношении синхронного вращения Меркурия с Венерой. Но это отнюдь не свидетельствует о его низкой квалификации как астронома. На самом деле он был замечательным наблюдателем, талантливым ученым, членом многих академий, в том числе Петербургской. Просто наземные визуальные наблюдения планет в телескоп очень трудны. Не верите — попробуйте сами!