Семь странных фактов о високосном дне

Один раз каждые четыре года — ну, почти каждые четыре года — наш календарь дарит нам дополнительный день: 29 февраля, также известный как високосный день. Большинство из нас, кто родился на этой планете, испытает примерно около 20 таких високосных дней в своей жизни, большинство немного меньше, некоторые немного больше, но его значение не следует недооценивать. Високосные дни, как редкие и капризные, как они могут показаться, на самом деле играют важную роль в нашей роли хранителей времени: они поддерживают наш ежегодный календарь в соответствии с сезонами, год за годом и век за веком. Хотя високосный день может иметь странное историческое происхождение и сопровождается рядом городских легенд, его существование основано на научных, а не суеверных причинах.

Когда Земля вращается вокруг Солнца, она вращается вокруг своей оси. В настоящее время одному обороту Земли вокруг Солнца требуется 366,242188931 полный оборот Земли вокруг своей оси, что объясняет, почему у нас есть 365 дней в большинстве лет, но 366 дней каждые четыре года, в основном, чтобы поддерживать наш календарь в соответствии с времена года.

Без високосного дня физика планеты Земля быстро заставила бы сезоны сдвинуться с фазы с нашим годовым календарем, и равноденствия и солнцестояния были бы смещены по дням, месяцам и сезонам. Фактически, если бы мы просто добавляли високосный день в наши календари каждые четыре года без исключения, вещи тоже не совпали бы очень хорошо, что и происходило в течение веков, когда человечество следовало юлианскому календарю. Только если мы правильно учтем осевое вращение нашей планеты и ее обращение вокруг Солнца, мы сможем сохранить наш календарь корректным, и именно об этом и есть високосный день. Вот семь самых странных, но все же правдивых, научных фактов, которые каждый должен знать.

Один раз обойти орбиту Земли по пути вокруг Солнца — это путешествие длиной в 940 миллионов километров. Дополнительные 3 миллиона километров, которые Земля проходит через космос в день, гарантируют, что вращение на 360 градусов вокруг нашей оси не будет возвращать Солнце в одно и то же относительное положение на небе изо дня в день. Вот почему наши сутки длятся более 23 часов 56 минут и 4,09 секунды — времени, необходимого сфероидальной Земле для вращения на полные 360 градусов. Точно так же «год» — это не время, за которое Земля совершает полный оборот на 360 градусов вокруг Солнца, а определяется возвращением ее оси в то же положение относительно Солнца, что и в предыдущем году.

1.) Наш календарь требует их, отчасти потому, что "день" не равен 24 часам. Подумайте о том, как устроен наш календарь: мы делим год, период, в течение которого повторяются земные сезоны, на дни, когда Солнце встает утром, заходит вечером, а затем снова восходит на следующий день. Теперь подумайте о нашей Солнечной системе: Земля, как одна из планет, вращается вокруг своей оси, одновременно обращаясь вокруг Солнца.

- Определение дня, если бы мы основывались на Солнечной системе, было бы временем от восхода до восхода (или от заката до заката, или на полпути между закатом и восходом).

- Определение года, между тем, если бы мы основывались на Солнечной системе, было бы временем, необходимым Земле для возвращения в то же положение, с которого она начала, завершив полный оборот.

Завершение одного 360° вращения не то же самое, что один день, поскольку движение Земли в космосе относительно Солнца означает, что вращение один раз вокруг своей оси фактически оставляет вас немного "позади" того места, куда вам нужно было попасть.

Прежде чем мы поняли, как работает закон гравитации, мы смогли установить, что любой объект, находящийся на орбите вокруг другого, подчиняется второму закону Кеплера: он описывает равные площади за равные промежутки времени, что указывает на то, что он должен двигаться медленнее, когда он дальше, и быстрее, когда ближе. Для чрезвычайно эллиптических орбит, таких как кометы, скорость около перигелия огромна, в то время как скорость около афелия относительно мала.

Однако, поскольку орбита Земли является эллипсом, а не кругом, она движется быстрее на орбите, когда находится ближе к Солнцу, и медленнее на орбите, когда она дальше от Солнца. Полное 360° вращение всегда занимает одно и то же время: 23 часа, 56 минут и 4.09 секунды, но дополнительное количество вращения, которое меняется в течение года, означает, что каждый день обычно на несколько секунд длиннее или короче ровно 24 часов.

Этот график показывает уравнение времени для конкретного места на Земле. Там, где наклон графика положительный, дни укорачиваются; где наклон отрицательный, дни удлиняются; там, где наклон равен нулю (в четырех отмеченных местах), день точно равен 24 часам. Это происходит четыре раза в год в зависимости от широты.

Фактически, только четыре дня из каждого календарного года имеют ровно 24 часа. И, если вас это интересует: нет, День високосного года не является одним из них.

Земля, движущаяся по своей орбите вокруг Солнца и вращающаяся вокруг своей оси, всегда определяет «полдень» и «полночь» одинаково: когда высота Солнца над или под горизонтом максимальна. Этот момент времени не соответствует тому, когда Земля повернулась на 360 градусов по сравнению с предыдущим днем, а скорее ближе к 360,9856 градусов из-за дополнительных эффектов движения Земли вокруг Солнца.

2.) Год не определяется завершением Землей оборота вокруг Солнца. Это то, что постоянно сбивает людей с толку: мы обычно думаем о календарном годе как о времени, необходимом планете Земля для совершения полного оборота вокруг Солнца. Это одно из определений года для астрономов — то, что мы называем звездным (сидерическим) годом — но это не то же самое, что мы обычно воспринимаем как год: когда сезоны повторяются в предсказуемом, периодическом порядке. Помните, что Земля вращается вокруг своей оси, одновременно обращаясь вокруг Солнца, и из-за различных гравитационных сил ось нашей планеты прецессирует со временем, что означает, что осевой наклон около 23,5° не всегда указывает в одном и том же направлении, но описывает небольшую круглую форму сам по себе на временных шкалах немного более 20 000 лет.

Это означает, что к тому времени, когда проходит один звездный год (полный 360° оборот Земли вокруг Солнца), Земля теперь ориентирована немного иначе относительно Солнца по сравнению с тем, как была направлена ее ось в предыдущем звездном году. Вместо звездного года наш календарь должен базироваться на тропическом году, который отличается от звездного года примерно на 20 минут, причем тропический год немного короче звездного года. Другими словами, день и год не определяются просто постоянным небесным движением, но также и изменениями, поскольку расстояние Земля-Солнце и относительная ориентация Земля-Солнце непостоянны.

Наличие или отсутствие 29 февраля в календаре во многом определяет, сместится ли равноденствие вперед или назад во времени по сравнению с равноденствием предыдущего года. 2020 год стал первым годом с 1896 года, когда на всей территории Соединенных Штатов произошло равноденствие 19 марта, а 2024 год станет еще одним годом с високосным днем. Високосные дни случаются каждые 4 года по юлианскому календарю, но в григорианском календаре это было изменено, чтобы удалить некоторые високосные дни (в годы, оканчивающиеся на «00», но не делящиеся на 400), чтобы лучше отслеживать время.

Наличие или отсутствие 29 февраля в календаре определяет с большой значимостью, сдвигается ли равноденствие вперед или назад во времени по сравнению с равноденствием предыдущего года. 2020 год стал первым годом с 1896 года, когда во всем Соединенных Штатах наступило равноденствие 19 марта, а 2024 год станет еще одним годом с високосным днем. Високосные дни происходили каждые 4 года по юлианскому календарю, но григорианский календарь пересмотрел это, убрав некоторые високосные дни (в годах, заканчивающихся на "00", но не делящихся на 400), чтобы лучше отслеживать время. (Источник: DG-RA/openclipart)

3.) В году нет равного количества дней, независимо от того, как вы его измеряете. Сколько дней в году? Некоторые говорят 365, но в этом году их 366, верно? Не совсем. Если бы вы попытались отобразить, сколько "опытных" дней есть в данном году, учитывая все, что мы знаем о:

• Скорости вращения Земли,
• Осевом наклоне Земли,
• Орбите Земли вокруг Солнца,
• Прецессии земных равноденствий,
• Гравитационных возмущениях всех планет, спутников и других объектов в Солнечной системе,

вы обнаружите, что в истинном календарном году 365.242188931 дней с наилучшей известной на данный момент точностью.

Если бы мы сказали "в году всего 365 дней, каждый год", то наш календарь начал бы смещаться почти на четверть дня каждый год. Если бы мы сказали: "ладно, каждый четвертый год мы добавим дополнительный день и назовем его високосным днем", то это в среднем вышло бы 365.25 дней в году, что лучше, но все еще не идеально. Это, фактически, основа старого юлианского календаря, который существовал около 1600 лет. К сожалению, к концу 1500-х это стало очень заметно, поскольку наш календарь сдвинулся примерно на 10 дней от своего первоначального совпадения с солнцестояниями и равноденствиями, поэтому в одном конкретном году (который варьировался в зависимости от страны) было фактически убрано несколько дней из календаря, чтобы вернуть календарь в соответствие, сигнализируя о переходе на текущий григорианский календарь.

Хотя многие страны впервые приняли григорианский календарь в 1582 году, только в 18 веке он был принят в Англии, причем многие страны перешли на него даже позже. В результате одна и та же дата, зафиксированная в разных странах, часто соответствует разному моменту времени. В то время как странам, первым принявшим этот закон в 1582 году, нужно было удалить из своего календаря всего 10 дней, России, календарь которой был пересмотрен в 1918 году, нужно было удалить 13 таких дней.

4.) Наш текущий григорианский календарь, включая его правила для високосных дней, также не совсем идеален. Единственное большое отличие между нашим текущим (григорианским) календарем и тем, который был разработан более 2000 лет назад (юлианским календарем) в отношении високосных дней, заключается в том, в какие годы они выпадают. По юлианскому календарю каждый год имел 365 дней, если только он не делился на 4, в этом случае он имел 366 дней, включая один високосный день, который приходился на 29 февраля. Но по григорианскому календарю, если ваш год заканчивается на числа "00", как если бы вы переживали смену столетия, он является високосным только в том случае, если это число также делится на 400. Другими словами, 2000 год был високосным, как и 1600 и как 2400 будет, но 1700, 1800 и 1900 не были, и 2100, 2200 и 2300 тоже не будут.

Вместо 365.25 дней в году, которые давал нам в среднем юлианский календарь, григорианский календарь дает нам 365.2425 дней в году, что гораздо ближе к фактическому количеству дней, которые мы испытываем в году. Фактически, в то время как юлианский календарь сдвигался примерно на день с каждыми прошедшими 150 годами, григорианский календарь не сдвинется на целый день до тех пор, пока не пройдет около 3200 лет. Фактически, если бы мы пошли на шаг дальше, чем григорианский календарь, и исключили каждый год, который делится на 3200, из имеющих високосный день, наш календарь, предполагая, что орбита Земли со временем не изменяется, не отставал бы ни на один день примерно до 700 000 года.

Луна оказывает приливное воздействие на Землю, которое не только вызывает наши приливы, но и замедляет вращение Земли, что ведет к удлинению дня. Асимметричная природа Земли, усугубляемая воздействием гравитационных сил Луны и Солнца, заставляет Землю вращаться медленнее. Чтобы компенсировать и сохранить угловой момент, Луна должна спирально удаляться. По этой причине Земля больше не будет иметь полных солнечных затмений после еще 600 миллионов лет, и продолжительность каждого дня увеличивается с течением времени.

5.) Орбита Земли действительно меняется, что означает, что наша текущая система високосных дней потребует пересмотра в будущем. Есть факт о Земле, который почти никто не ценит: наша скорость вращения не совсем постоянна, но замедляется на крошечное, почти незаметное количество. На протяжении долгих периодов времени один фактор будет доминировать в изменении скорости вращения Земли: тот факт, что у нас есть большая, массивная луна, с которой нужно считаться. Наша луна не только оказывает гравитационное влияние на Землю, она немного сильнее притягивает ту часть Земли, которая ближе к ней, чем та, которая находится в центре, и еще меньше притягивает ту часть, которая дальше.

Это создает приливной бугор на Земле, и поскольку Земля вращается, а луна обращается вокруг Земли, эти приливные силы от луны вызывают два очень маленьких изменения, которые происходят одновременно.

• Скорость вращения Земли, очень незначительно, замедляется.
• И в то же время, Луна, очень незначительно, спирально удаляется дальше и дальше от Земли.

Ранее мы отмечали, что для Земли полное 360° вращение всегда занимает одно и то же время: 23 часа, 56 минут и 4.09 секунд. Но оказывается, что этот эффект — известный как приливное торможение — заставляет скорость вращения Земли замедляться примерно на 14 микросекунд в год. Со временем это действительно накапливается; оглядываясь назад во времени благодаря геологическим особенностям, таким как приливные ритмиты, мы можем определить, что день был:

• примерно на 20 минут короче в меловом периоде,
• немного меньше 22 часов около 620 миллионов лет назад, в докембрийский период,
• и мог быть всего лишь 6-8 часов примерно 4 миллиарда лет назад.

Это означает, что даже сейчас день на Земле становится немного длиннее. По мере того как время идет вперед, нам потребуется добавлять все меньше и меньше високосных дней, чтобы наш календарь оставался синхронизированным.

Приливные ритмиты, такие как образование Туше, показанное здесь, могут позволить нам определить, какой была скорость вращения Земли в прошлом. Во время появления динозавров наши сутки длились около 23 часов, а не 24. Еще миллиарды лет назад, вскоре после образования Луны, сутки длились всего лишь 6–8 часов, а не 24.

6.) Примерно через 4 миллиона лет високосные дни станут не нужны, и календарь будет содержать ровно 365 дней на некоторое время. Приливное торможение может быть почти незаметно в человеческих временных масштабах, но его эффекты — очень важно — накопительны, что означает, что они суммируются со временем. (Хотя идея добавления "високосных секунд" недавно была отменена, она была призвана компенсировать эффекты изменения скорости вращения Земли, на что также влияют такие события, как землетрясения.) После того как на Земле пройдет еще 4 миллиона лет, длительность одного дня увеличится примерно на 56 секунд: именно настолько, чтобы один тропический (календарный) год требовал ровно 365.0000 дней.

По мере приближения 4-миллионного года мы постепенно захотим начать убирать високосные дни из календаря, делая это все реже и реже, чтобы сохранить соответствие времени с орбитой Земли вокруг Солнца. Примерно через 4 миллиона лет в будущем нам больше не понадобятся високосные дни, так как они будут не нужны и будут только выводить календарь из синхронизации с сезонами. После этого нам нужно будет начать пропускать дни в некотором виде "обратного високосного дня", а затем, на протяжении десятков миллионов лет, нам придется начать полностью убирать дни из календаря.

Когда Луна проходит прямо между Землей и Солнцем, происходит солнечное затмение. Будет ли затмение полным или кольцеобразным, зависит от того, кажется ли угловой диаметр Луны больше или меньше солнечного при наблюдении с поверхности Земли. Полные солнечные затмения возможны только тогда, когда угловой диаметр Луны кажется больше солнечного, ситуация, которая больше не будет возможна примерно через 600–650 миллионов лет. Затмения были предсказуемыми явлениями почти 3000 лет: с времен древних вавилонян

7.) Долгосрочные изменения в високосных днях совпадают с потерей полных солнечных затмений. Трудно поверить, но тот же приливный тормоз от нашей Луны, который заставляет скорость вращения Земли постепенно замедляться, заставляет Луну удаляться от Земли: это последствие закона сохранения углового момента. И "вращение", и "обращение" являются видами углового момента, и поскольку вращение Земли замедляется из-за приливных сил Луны, оно передается таким образом, что увеличивает расстояние между Землей и Луной.

Знаете ли вы, что еще зависит от расстояния между Землей и Луной? Солнечные затмения, и в частности, падает ли тень от Луны на саму Землю, приводя к полному солнечному затмению, или тень от Луны заканчивается до того, как достигает Земли, что вместо этого приводит к кольцеобразному солнечному затмению. Сегодня примерно половина наших солнечных затмений с идеальным выравниванием Солнце-Луна-Земля являются полными, а другая половина - кольцеобразными (наряду с несколькими гибридными затмениями, которые выглядят кольцеобразными в некоторых частях Земли и полными в других частях), но это соотношение изменится со временем. Больше затмений станут кольцеобразными, чем полными с течением времени, при этом последнее полное солнечное затмение на Земле произойдет примерно через 600–650 миллионов лет.

Вдоль центральной линии кольцеобразного затмения, в момент максимального затмения, особенность "огненного кольца" создаст идеально круглое кольцо части Солнца, которое не может быть закрыто Луной. Эта фотография была сделана во время кольцеобразного затмения в мае 2012 года, и хотя сегодня только около 50% всех солнечных затмений на Земле являются кольцеобразными, через другие 600–650 миллионов лет они все будут такими, поскольку Луна продолжает удаляться от Земли из-за приливного торможения.

Необходимость високосных дней не следует недооценивать, так как без них сезоны Земли быстро сместились бы со временем, как и обычно надежные даты равноденствий и солнцестояний. Однако с нашей текущей реализацией високосных дней эти даты никогда не отличаются более чем на день или два и остаются стабильными на протяжении тысячелетий. На более долгих временных шкалах, однако, нам придется продолжать пересматривать наш календарь и изменять нашу реализацию високосных дней, поскольку длительность дня постоянно меняется со временем.

Однако на данный момент этот високосный год означает, что мы просто получаем дополнительный день для 2024 года, и когда наступит 2096 год, мы будем наслаждаться долгой серией каждого 4-го года, являющегося високосным, начиная с 1904 года. Однако 1900 год не был високосным, и 2100 год тоже не будет, так что те из вас, у кого день рождения 29 февраля — примерно 5,5 миллиона человек — наслаждайтесь празднованием вашего особенного дня раз в четыре года до тех пор. После этого вам придется ждать, пока пройдет восемь из них между 2096 и 2104 годами!