Полдень

В астрономии полдень представляет собой момент верхней кульминации Солнца, то есть его прохождения через местный небесный меридиан в той из двух точек, которая ближе к зениту (в другой точке происходит нижняя кульминация)^[7][4][8]. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) США обозначает данное явление термином «солнечный полдень» (англ. solar noon)^[5].

В этот момент или вблизи него (в пределах ~1,5 минуты) с точки зрения неподвижного наблюдателя Солнце достигает максимальной высоты над горизонтом в течение данных суток^[6].

В повседневной речи полдень означает середину дня и время, соответствующее 12 часам дня^[9].

На часах этот момент определяется принятой системой местного времени. В современных системах часовых поясов или часовых зон одно и то же местное время используется на всей территории зоны, поэтому 12:00 не обязательно совпадает с моментом прохождения Солнца через местный небесный меридиан^[10][11].

Кульминация — это прохождение светила через местный небесный меридиан с точки зрения земного наблюдателя, расположенного на определённой географической долготе. Верхней кульминацией называют прохождение, происходящее ближе к зениту (в отличие от нижней кульминации, которая происходит ближе к надиру)^[12][8][7].

Верхняя кульминация Солнца соответствует солнечному полудню на данной долготе. В этот момент часовой угол Солнца относительно местного меридиана равен нулю^[5][13]. Для наблюдателей на низких и средних географических широтах кульминация Солнца происходит примерно посередине между моментами его восхода и захода (на высоких широтах светило может быть незаходящим в течение более 24 часов и поэтому между восходом и заходом может произойти несколько кульминаций)^[6].

В момент верхней кульминации или вблизи него Солнце занимает наивысшее положение на небе относительно горизонта в течение данных суток. Если бы Солнце было неподвижным светилом относительно экваториальной системы небесных координат (как далёкие звёзды), то эти события в точности совпадали бы во времени. Однако из-за того, что Солнце движется по эклиптике и его склонение непрерывно меняется, момент максимальной высоты Солнца может произойти чуть раньше или чуть позже его прохождения через меридиан. Особенно велика эта разница вблизи равноденствий, когда склонение Солнца изменяется быстрее всего в течение года. Кроме того, эта разница тем значительнее, чем больше географическая широта местонахождения наблюдателя^[14]. Например, в день весеннего равноденствия на широте 80° максимальная высота Солнца достигается через 86,8 с после верхней кульминации^[15].

Местный небесный меридиан — это большая окружность небесной сферы, проходящая через полюсы мира и зенит данной точки наблюдения^[16][7].

В земной системе координат местный меридиан связан с определённой географической долготой. Поэтому солнечный полдень наступает в разное местное время на разных долготах, хотя для каждого места он соответствует прохождению Солнца через его собственный местный меридиан^[11].

Истинный полдень — момент верхней кульминации центра реального Солнца. Он определяется фактическим положением Солнца на небесной сфере и соответствует истинному местному солнечному времени, показываемому идеально настроенными солнечными часами^{[1][17][18][4][11]}.

Для построения равномерной шкалы времени вводится среднее экваториальное солнце — воображаемая точка, равномерно движущаяся по небесному экватору. Момент его верхней кульминации называют средним полуднем, а соответствующее время — средним местным солнечным временем^[19][13].

Истинный и средний солнечный полдень в течение года не совпадают. Разность между истинным и средним солнечным временем описывается уравнением времени, которое меняется в течение года, принимая то положительные, то отрицательные значения^[13].

В идеализированной системе часовых поясов Земля делится на 24 зоны шириной по 15° долготы, каждая из которых имеет центральный географический меридиан. Внутри одного пояса для гражданского обихода принимается одинаковое время, равное среднему солнечному времени центрального меридиана и называемое поясным временем. В соседних часовых поясах время отличается на 1 час. При прохождении Солнца над центральным меридианом местное время в соответствующем поясе называется поясным полднем и соответствует 12 часам дня^[20]. В пределах одного часового пояса поясной полдень наступает одновременно^[21].

Фактические границы часовых поясов могут отклоняться от идеальных и проводятся с учётом государственных и административных границ^[10]. В Российской Федерации Федеральным законом от 3 июня 2011 года № 107-ФЗ «Об исчислении времени», вступившим в силу 6 августа 2011 года вместо часовых поясов и поясного времени были введены понятия часовой зоны и местного времени, которое принимается одинаковым внутри одной зоны^[22]. Порядок исчисления времени в установленных часовых зонах и состав территорий, образующих каждую из них, определены постановлением Правительства РФ от 31 августа 2011 года № 725^[23].

Если место наблюдения на земной поверхности находится восточнее центрального меридиана своего часового пояса, то Солнце проходит его местный меридиан раньше, чем центральный меридиан, поэтому солнечный полдень по местным стандартным часам наступает раньше 12:00. Для места западнее центрального меридиана он наступает позже. Разность составляет примерно 4 минуты на каждый градус долготы^[24].

Истинное местное солнечное время отличается от среднего солнечного времени по двум причинам^[25][13]:

• орбита Земли имеет эллиптическую форму, вследствие чего изменяется орбитальная скорость движения планеты;
• плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора, из-за чего приращение прямого восхождения Солнца в течение года происходит с разной скоростью (она максимальна вблизи солнцестояний и минимальна вблизи равноденствий).

Разность между истинным и средним солнечным временем в один и тот же момент и в одной и той же точке Земли называют уравнением времени. Истинный солнечный полдень в течение года смещается относительно среднего солнечного полудня; накопленная разность солнечного времени может достигать примерно 16 минут^[11]. Уравнение времени является математическим описанием этой периодической разности^[13].

При введении летнего времени часы переводятся на один час вперёд по отношению к стандартному времени. Поэтому при неизменном положении места и дате показание местных часов в момент солнечного полудня при действующем летнем времени оказывается на один час больше, чем при стандартном времени^[10].

Высота Солнца над горизонтом при верхней кульминации зависит от географической широты места и склонения Солнца. Для точки с широтой ${\displaystyle \varphi }$ при склонении Солнца ${\displaystyle \delta }$ зенитное расстояние ${\displaystyle z}$ во время истинного солнечного полудня определяется разностью этих величин: ${\displaystyle z=|\varphi -\delta |}$, а высота Солнца над горизонтом ${\displaystyle h}$ является его дополнением до 90°^[26][27]:

${\displaystyle h=90^{\circ }-|\varphi -\delta |.}$

Поскольку склонение Солнца ${\displaystyle \delta }$ в течение года меняется, то и полуденная высота Солнца в одной и той же точке Земли в разные дни года различна. С точки зрения наблюдателя, находящегося в Северном полушарии Земли, в день летнего солнцестояния (20—21 июня) полуденная высота Солнца максимальна в течение года, а в день зимнего солнцестояния (21—22 декабря) — минимальна^[28]. В Южном полушарии — наоборот.

Северный и Южный тропики, проходящие вдоль географических параллелей 23°26′ с. ш. и 23°26′ ю. ш. соответственно, ограничивают область поверхности Земли, в пределах которой Солнце хотя бы в некоторые дни года может находиться в зените в полдень^[29][30].

В точках между ними Солнце проходит через зенит дважды в год. На экваторе это происходит в дни равноденствий. На самих тропиках Солнце бывает в зените только раз в году — в день летнего солнцестояния на Северном тропике и в день зимнего солнцестояния на Южном тропике. За пределами тропической зоны Солнце не бывает в зените^[29][31][32].

В момент солнечного полудня Солнце достигает наибольшей высоты над горизонтом за данные сутки, поэтому тень от вертикального предмета имеет минимальную длину в течение дня^[33].

Поскольку Солнце в это время пересекает небесный меридиан, тень направлена вдоль полуденной линии^[34], обычно непосредственно на север или юг в зависимости от широты места и времени года^[5].

В области земной поверхности, находящейся между тропиками, Солнце в разное время года находится как к югу, так и к северу от зенита. Направление тени указывает в сторону, противоположную положению Солнца. Поскольку на самих тропиках и между ними Солнце в течение года может переходить через зенит, в момент такого прохождения вертикальный предмет не отбрасывает тени в горизонтальной плоскости^[32].

Полночь связана с нижней кульминацией Солнца, тогда как полдень — с его верхней кульминацией. Эти моменты разделяет примерно половина солнечных суток^[7][5].

Таким образом, полночь является антонимом полудня^[9].

Зенит — точка небесной сферы, находящаяся непосредственно над головой наблюдателя. Надир находится в противоположном направлении, у него под ногами (и скрыт от него поверхностью Земли). Зенитное расстояние небесного тела определяется как его угловое расстояние от зенита^[35][7].

В солнечный полдень Солнце проходит местный небесный меридиан, но это не означает, что оно обязательно находится в зените: его высота зависит от географической широты места наблюдения и склонения Солнца в этот день года^[26][27].

Кульминацией называют прохождение небесного светила через местный небесный меридиан. Для светила, имеющего две кульминации в течение суток, различают верхнюю и нижнюю кульминации; верхняя происходит ближе к зениту, а нижняя — дальше от него^[8][7].

Для Солнца верхняя кульминация соответствует солнечному полудню, а нижняя — солнечной полуночи^[6].