Точное местное время определяется путем наблюдения при помощи специального прибора (пассажный инструмент) звезд или Солнца.

Сутки были первой природной мерой времени, открытой человеком.

Звездные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми кульминациями точки весеннего равноденствия. За начало суток принимается момент верхней кульминации этой точки. Но точка весеннего равноденствия — воображаемая точка, поэтому практически для определения звездного времени измеряют часовой угол какой-либо звезды.

В любой момент времени звездное время равно сумме часового угла звезды и ее прямого восхождения. Зная прямое восхождение звезды и измерив ее часовой угол, можно в любой момент определить звездное время.

В момент верхней кульминации звезды ее часовой угол равен нулю. Следовательно, в момент верхней кульминации звездное время равно прямому восхождению звезды.

Истинные солнечные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра Солнца. Началом истинных солнечных суток считается полдень, когда Солнце находится в самой высокой точке над горизонтом.

Звездное время в быту неудобно тем, что звездные сутки короче солнечных на 3 мин 56 сек, поэтому начало звездных суток приходится на различное время дня и ночи.

Истинное солнечное время также неудобно, так как истинные сутки непостоянны: то длиннее, то короче. Продолжительность самых длинных декабрьских суток на 51 сек больше продолжительности самых коротких сентябрьских суток. Соответственно укорачиваются или удлиняются часы, минуты и секунды. Причинами непостоянства истинных суток являются неравномерность движения Солнца по эклиптике и наклон эклиптики к небесному экватору.

Вследствие суточного вращения Земли вокруг своей оси в одно и то же время на одной стороне экватора бывает день, а на противоположной стороне — ночь; вследствие годового движения Земли вокруг Солнца в одно и то же время в одном полушарии бывает лето, в другом — зима.

Земная ось все время наклонена к плоскости орбиты Земли на 66°33' и перемещается в пространстве параллельно самой себе. Поэтому Северное и Южное полушария попеременно бывают обращены в сторону Солнца, что и определяет смену времен года, которая зависит от высоты и продолжительности пребывания Солнца над горизонтом (рис. 23). Например, Северное полушарие в июне наклонено к Солнцу, а в декабре — в обратную сторону, в результате этого в Северном полушарии в июне бывает теплее, чем в декабре. В Южном полушарии наоборот: в декабре теплее, чем в июне.

Рис. 23. Положение Земли относительно Солнца в различное время года

Рис. 24. Положение Солнца над горизонтом в средних широтах в различное время года

Наблюдатель не замечает ни суточного, ни годового вращения Земли. Ежедневно он видит восход и заход Солнца, изменение его высоты в течение года. Летом Солнце проходит над горизонтом выше, зимой ниже. Меняются и точки восхода и захода Солнца на горизонте: 21 марта и 23 сентября оно восходит точно на востоке и заходит точно на западе; между этими датами точки восхода и захода смещаются к югу зимой и к северу летом (рис. 24). Поэтому светлого времени — от рассвета до наступления темноты — летом бывает значительно больше, чем зимой.

Обычно моментами наступления рассвета «и темноты принято считать моменты, когда высота Солнца, точнее — его центра, равна —7° (при наступлении рассвета Солнце еще не поднялось из-за горизонта, а при наступлении темноты опустилось за горизонт). Это весьма условно, так как при одном и том же положении Солнца за горизонтом может быть светлее или темнее в зависимости от метеорологических условий; например, при облачной погоде светлого времени до восхода и после захода Солнца будет меньше.

Промежутки времени между рассветом и восходом Солнца, между заходом Солнца и наступлением темноты называются сумерками (при восходе и заходе с учетом рефракции и углового радиуса Солнца высота Солнца равна —51’). Продолжительность сумерек зависит от времени года и широты места.

Если высота Солнца в полночь не будет ниже —7°, то темнота совсем не наступает; сумерки будут продолжаться всю ночь. Такие ночи называют «белыми». Во время «белых ночей» утренние сумерки наступают раньше, чем кончаются вечерние сумерки предыдущих суток, как говорят, «заря с зарей встречается».

Высота Солнца в полночь, т. е. в момент его нижней кульминации, определяется по формуле

h  = φ + δ — 90°.

Подставив в эту формулу наибольшее значение склонения Солнца δ = +23°,5 и минимальную высоту Солнца для сумерек h = —7°, легко определить, что «белые ночи» могут быть на широте φ = 59°,5 и больше. На территории СССР «белые ночи» наблюдаются примерно начиная от широты Ленинграда (φ = 60°) и до Северного полюса. Это чудесное явление природы полно поэзии, неповторимой прелести.

Строго говоря, астрономическими сумерками считаются периоды, когда Солнце находится за горизонтом до 17°,5. Следовательно, южная граница «белых ночей» проходит на широте Полтавы (φ = 49°). Но на этих широтах «белые ночи» очень слабо выражены и их, как правило, не замечают.

Перемещаясь вместе с Землей, наблюдатель проектирует Солнце на небесную сферу в плоскости орбиты Земли. В результате Солнце как бы перемещается среди звезд по кругу, по которому плоскость земной орбиты пересекается с небесной сферой. Этот большой круг, по которому происходит видимое годовое, движение Солнца среди звезд, называется эклиптикой. По эклиптике Солнце перемещается в направлении, обратном направлению вращения небесной сферы. При движении по эклиптике за полный оборот Солнце проходит последовательно двенадцать созвездий, образующих пояс Зодиака: Козерог (в январе), Водолей (в феврале), Рыбы (в марте), Овен (в апреле), Телец (в мае), Близнецы (в июне), Рак (в июле), Лев (в августе), Дева (в сентябре), Весы (в октябре), Скорпион (в ноябре) и Стрелец (в декабре).

Рис. 25. Положение эклиптики относительно небесного экватора

Вследствие наклона оси вращения Земли к плоскости ее орбиты плоскость земного экватора составляет с плоскостью годового движения Земли угол 23°27'; поэтому и плоскость небесного экватора с плоскостью эклиптики образует угол 23° 27’ (рис. 25).

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называются точками весеннего ϒ и осеннего ♎ равноденствия. В них Солнце бывает 21 марта и 23 сентября. Когда центр Солнца находится в этих точках, его склонение равно нулю и Солнце движется вдоль небесного экватора. В это время на Земле день равен ночи, граница света и тени проходит через географические полюсы.

22 июня Солнце находится в точке летнего солнцестояния[1], отстоящей от точки весеннего равноденствия на 90°. В этот день оно проходит в наивысшей точке над экватором и его склонение равно 23° 27'. В Северном полушарии в эти сутки бывает самый длинный день и самая короткая ночь. 22 декабря Солнце находится в точке зимнего солнцестояния; оно проходит в южной части небесной сферы и его склонение равно —23° 27'. В эти сутки в Северном полушарии бывает самая длинная ночь и самый короткий день.

Итак, Солнце, пройдя 21 марта точку весеннего равноденствия и двигаясь в направлении, обратном направлению вращения небесной сферы, поднимается в северную полусферу и 22 июня достигает наибольшего склонения в точке летнего солнцестояния. После этого оно постепенно снижается, 23 сентября проходит точку осеннего равноденствия и 22 декабря точку зимнего солнцестояния, в которой его склонение бывает наименьшим. Затем Солнце снова поднимается к точке весеннего равноденствия и т. д.