ВЪВЕДЕНИЕ
Измерването на времето е тема, която се среща в учебните програми на началното училище, а в най-основната си форма - още в първите класове. Астрономическите знания, на които се основава измерването на времето, се разделят според развитието на интелектуалните възможности на децата с възрастта в учебния план през следващите години, практически през цялото основно училище.
Истинско слънчево време и средно слънчево време
Астрономически явления позволяват на хората да разделят непрекъснатия поток от време на различни отсечки, но като цяло на по-дълги периоди от време. За това разделяне могат да бъдат използвани различни астрономически обекти, но Слънцето и Луната са най-отличителните сред тях - от гледна точка на наблюдателите. С течение на времето са търсени връзките между основните единици на времето, получени от движението на астрономически обекти по небето, и са създадени първите календари. В същото време, стойностите на основните единици за време са подобрявани успоредно с по-задълбоченото разбиране на астрономическите явления и процеси, което довежда до въвеждане и на допълнителни единици за времето. Развитието на индустрията довежда до изобретяването на различни устройства за измерване на времето - на часовниците - и едновременно с това води до необходимостта от въвеждане на поточно измерване на времето, особено в областта на по-кратките времеви интервали.
Слънцето и измерването на времето
Както споменахме по-горе, най-яркото космическо тяло на небето е Слънцето. Движението на Слънцето по небето разделя непрекъснатото време на редуващи се дни и нощи. Това разделение на времето обаче е доста общо, което е довело до нуждата те да се разделят на по-къси времеви интервали. Отделните времеви интервали могат да бъдат определени от различното положение на слънчевия диск на небето. Това наблюдаване на времевите интервали обаче не е напълно оптимално, тъй като зависи от местоположението на наблюдателя (например, положението на Слънцето над изолирано дърво може да се случи в различно време на деня за наблюдателите на различни места). Оказва се, че е по-подходящо да се наблюдава сянката на пръчка, забита в земята. Това създава първия елементарен (от наша гледна точка - гномоничен) слънчев часовник.
Истинско слънчево време
Времето, измервано със слънчев часовник, се базира на движението на слънчевия диск по небето (или по-точно на въртенето на Земята около оста ѝ спрямо Слънцето) и се нарича истинско слънчево време. Истинското слънце се определя като център на истинския слънчев диск в небето. Истинското слънчево време се определя от ъгъла на Слънцето и се разделя на слънчеви дни и слънчеви часове. Едно слънчево денонощие е времето, което изтича при едно пълно завъртване на Земята около оста и, тоест времето между две преминавания на Слънцето през определен меридиан. Той може да се определи и като времето между две последователни максимални издигания на истинското слънце. Тъй като движението на Слънцето по небето е неравномерно, продължителността на истинския слънчев ден варира през годината. Слънчевият ден следователно не е съвсем оптимален за ежедневието ни и затова използваме времето, получено от средното слънчево време, което е равномерно.
Докато разликата в измерването на времето от порядъка на няколко десетки секунди не е било от значение за човечеството (и особено докато тя не е била отчитана от тогавашните часовници), практическото използване на истинския слънчев ден е било безпроблемно. Това време обаче е приключило с разработването на по-точните методи за измерване на времето. Тогава настъпва истинската нужда от използването на равномерно течащо време, но такова, при което да не се променя продължителността на слънчевия ден. Така се поражда средното слънчево време (осредненото истинско слънчево време), което през годината съдържа същия брой секунди като истинското слънчево време, но тече равномерн.
Средно слънчево време
Можем да кажем, че средното слънчево време е часовият ъгълът на т. нар. средно екваториално слънце. Средното екваториално слънце е въображаема точка, която се движи равномерно по екватора в същата посока като истинското слънце по еклиптиката и се среща с истинското слънце в пролетната равноденствена точка. В допълнение, съществува и друго средно слънце, което също се движи равномерно по небето, но се среща с истинското слънце в перихелия и афелия. От посоченото по-горе става ясно, че така определеното средно слънчево време не е напълно практично, за да бъде определяно от движението на Слънцето, тъй като средното екваториално слънце е просто една въображаема точка. Затова на практика средното слънчево време се определя от звездното време, за което ще говорим по-късно. Дори средното слънчево време не е напълно константно, особено в случаите на дългосрочни измервания, превишаващи няколко века (или в случаите на значими промени, причинени например от земетресения, въздействия на метеорити върху земната повърхност и други подобни явления). Тъй като понастоящем сме в състояние да измерваме времето с безпрецедентна точност, сме в състояние да отчетем дори такива, съвсем леки отклонения. Средният слънчев ден е с продължителност от около 86 400,002 секунди и е дефиниран в системата SI.
Фигура 8: Уравнение на времето(Източник: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Equation_of_time.svg)
Уравнение на времето
Между истинското слънчево време и средното слънчево време през годината има редовни разминавания, които се описват с физическа величина, наречена уравнение на времето. Тя е равна на разликата между двете времена: Δt = tp – ts, където tp е истинското слънчево време, а ts е средното слънчево време. Приложената графика илюстрира зависимостта на уравнението на времето от деня в годината. Тъй като разликите между истинските слънчеви дни и средните слънчеви дни постепенно се натрупват, най-голямата стойност на уравнението на времето е +16,4 минути (истинското слънчево време закъснява от средното слънчево време с 16,4 минути) – това се случва на 3 ноември. Най-малката стойност на уравнението е –14,4 минути (истинското слънчево време изпреварва средното слънчево време с 14,4 минути) – това се случва на 12 февруари.
Фигура 9: Уравнение на времето: истинско слънчево време, средно слънчево време
(Източник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Zeitgleichung.png)
Ако през годината редовно записваме положението на Слънцето на небето в едно точно определено време, например по обяд, ще забележим, че Слънцето не се движи по права линията (поради разликата между средното слънчево време и истинското слънчево време), а описва една много по-сложна осем-образна крива, наречена „аналема“ (вж. фигурата). Разликата между истинското слънчево време и средно слънчевото време е в основата и на словашката народна поговорка „Света Лучия отнема от нощта, но не прибавя към деня“, която на пръв поглед изглежда нелогична. Обяснението е свързано с факта, че на празника на св. Лучия (13-ти декември) Слънцето залязва най-рано от цялата година (малко преди 16 часа), т.е. след празника на св. Лучия залезите се придвижват обратно след 16 часа, но тъй като по-късният изгрев на Слънцето идва чак в началото на януари (през декември забележимо се измества момента на обеда от порядъка на няколко минути), „найкраткият бял ден“ не се пада на празника на св. Лучия, а се съкращава чак до деня на зимното слънцестоене, т.е. до 20-ти или 21-ви декември.
Фигура 10: Аналема
(Източник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Analemma_Earth.png)
Дори средното слънчево време не тече напълно равномерно. Основната причина за това е неравномерността на въртенето на Земята, причинена от краткотрайни извънредни процеси на Земята, като земетресения, падане на космически обекти върху нея и др., както и систематичното забавяне на въртенето на Земята с по 0,017 s за един век, което се дължи на приливното действие на Луната, което едновременно с това намалява и нейното сплескване. Става въпрос за много малки въздействия, така че трябва да ги вземаме предвид единствено тогава, когато са необходими поточни данни за времето или в случаите на дълги интервали от време.