Почему зимой ковш стоит вверх дном?

Большая Медведица в средней полосе не заходит никогда — но осенним вечером она висит низко на севере чашей вверх, будто держит воду, весенним стоит почти в зените вверх дном, зимним опирается на ручку на северо-востоке, летним свисает ручкой вверх на северо-западе.

В один и тот же вечерний час за год ковш делает полный круг около Полярной. То есть это стрелка часов с периодом в год. А круг — след второго движения Земли: не суточного вращения, а годового обхода Солнца. Цена этого движения — четыре минуты в сутки.

Что сделать. 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 градусов в час, за два часа ковш заметно провернётся.

У Земли два вращения, и оба видны по ковшу. Суточное гонит его вокруг Полярной со скоростью 15° в час: 360 градусов за 24 часа. Годовое добавляет медленный сдвиг — и вот откуда он берётся.

Опыт со стрелкой на глобусе. Вообразите стрелку, воткнутую в глобус в вашем городе, и пусть сейчас полдень: стрелка смотрит точно на Солнце, а далеко за Солнцем, на той же линии, стоит какая-нибудь звезда.

Земля вращается, стрелка описывает круг. Вот она совершила ровно один оборот и 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 примерно один градус, и направление на близкое Солнце уехало в сторону. Земле нужно довернуться.

Один градус стоит четырёх минут. При скорости 15° в час:

$$\frac{1^\circ}{15^\circ/\text{ч}}=\frac{1}{15}\ \text{ч}=4\ \text{мин}$$

То есть оборот по звёздам занимает 23 часа 56 минут, а солнечные сутки, от полудня до полудня, — привычные 24 часа. Наши часы идут по Солнцу, поэтому звёзды каждый вечер приходят на прежнее место на четыре минуты раньше вчерашнего.

Ту же мысль можно сказать одной фразой: за год Земля делает относительно звёзд ровно на один оборот больше, чем относительно Солнца, — 366¼ против 365¼, и лишний оборот и есть годовой обход орбиты.

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: там Луна догоняла повернувшуюся линию Солнце — Земля, здесь Земля доворачивается до Солнца.

Отсюда же сезонные созвездия. Любое из них видно ночью тогда, когда 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.

Ковш при этом остаётся указателем. Как бы он ни повернулся, линия через две крайние звезды чаши — Мерак и Дубхе — всегда ведёт к Полярной. Направление на север читается по нему в любое время года и в любой час ночи.

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

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

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.