home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / astronomy / faq / part3 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  2003-05-08  |  55.7 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!cambridge1-snf1.gtei.net!news.gtei.net!bos-service1.ext.raytheon.com!cyclone.swbell.net!newsfeed1.easynews.com!easynews.com!easynews!border3.nntp.aus1.giganews.com!border1.nntp.aus1.giganews.com!nntp.giganews.com!news.airnews.net!cabal12.airnews.net!cabal11.airnews.net!sn-xit-03!sn-xit-01!sn-post-01!supernews.com!corp.supernews.com!not-for-mail
  2. From: jlazio@patriot.net
  3. Newsgroups: sci.astro,sci.answers,news.answers
  4. Subject: [sci.astro] Time (Astronomy Frequently Asked Questions) (3/9)
  5. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  6. Followup-To: poster
  7. Date: 07 May 2003 19:36:39 -0400
  8. Organization: Posted via Supernews, http://www.supernews.com
  9. Message-ID: <llof2euy60.fsf@adams.patriot.net>
  10. Sender: jlazio@adams.patriot.net
  11. Summary: This posting addresses frequently asked questions about time,
  12.     calendars, and and related terrestrial phenomena.
  13. User-Agent: Gnus/5.0808 (Gnus v5.8.8) Emacs/20.7
  14. MIME-Version: 1.0
  15. Content-Type: text/plain; charset=us-ascii
  16. X-Complaints-To: abuse@supernews.com
  17. Lines: 1223
  18. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.astro:414140 sci.answers:15215 news.answers:251068
  19.  
  20. Last-modified: $Date: 2002/05/07 00:00:01 $
  21. Version: $Revision: 4.4 $
  22. URL: http://sciastro.astronomy.net/
  23. Posting-frequency: semi-monthly (Wednesday)
  24. Archive-name: astronomy/faq/part3
  25.  
  26. ------------------------------
  27.  
  28. Subject: Introduction
  29.  
  30.  sci.astro is a newsgroup devoted to the discussion of the science of
  31. astronomy.  As such its content ranges from the Earth to the farthest
  32. reaches of the Universe.
  33.  
  34.  However, certain questions tend to appear fairly regularly.  This
  35. document attempts to summarize answers to these questions.
  36.  
  37.  This document is posted on the first and third Wednesdays of each
  38. month to the newsgroup sci.astro.  It is available via anonymous ftp
  39. from <URL:ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/astronomy/faq/>,
  40. and it is on the World Wide Web at
  41. <URL:http://sciastro.astronomy.net/> and
  42. <URL:http://www.faqs.org/faqs/astronomy/faq/>.  A partial list of
  43. worldwide mirrors (both ftp and Web) is maintained at
  44. <URL:http://sciastro.astronomy.net/mirrors.html>.  (As a general note,
  45. many other FAQs are also available from
  46. <URL:ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/>.)
  47.  
  48. Questions/comments/flames should be directed to the FAQ maintainer,
  49. Joseph Lazio (jlazio@patriot.net).
  50.  
  51. ------------------------------
  52.  
  53. Subject: C.00 Time, Calendars, and Terrestrial Phenomena
  54.  
  55. [Dates in brackets are last edit.]
  56.  
  57.     C.01 When is 02/01/04? or is there a standard way of writing 
  58.            dates? [2001-12-14]
  59.     C.02 What are all those different kinds of time? [2002-05-07]
  60.     C.03 How do I compute astronomical phenomena for my location?
  61.          [2002-05-04]
  62.     C.04 What's a Julian date? modified Julian date? [1998-05-06]
  63.     C.05 Is 2000 a leap year? [2000-03-17]
  64.     C.06 When will the new millennium start? [2001-01-01]
  65.     C.07 Easter:
  66.       07.1 When is Easter? [1996-05-01]
  67.       07.2 Can I calculate the date of Easter? [1996-12-11]
  68.     C.08 What is a "blue moon?" [2001-10-02]
  69.     C.09 What is the Green Flash (or Green Ray)? [1999-01-01]
  70.     C.10 Why isn't the earliest Sunrise (and latest Sunset) on the 
  71.            longest day of the year? [2002-01-30]
  72.     C.11 How do I calculate the phase of the moon? [1996-10-08]
  73.     C.12 What is the time delivered by a GPS receiver? [2002-05-07]
  74.     C.13 Why are there two tides a day and not just one? [1999-12-15]
  75.  
  76. There is also a calendar FAQ maintained by Claus Tondering
  77. <c-t@pip.dknet.dk>,
  78. <URL:http://www.tondering.dk/claus/calendar.html>.
  79.  
  80. ------------------------------
  81.  
  82. Subject: C.01 When is 02/01/04? or is there a standard way of writing dates?
  83. Author: Markus Kuhn <Markus.Kuhn@cl.cam.ac.uk>
  84.  
  85. The international standard date notation is: YYYY-MM-DD
  86.  
  87. For example, February 4, 1995 is written as 1995-02-04. This notation
  88. is standardized in International Standard ISO 8601. For more details
  89. regarding  this standard, please
  90. <URL:http://www.cl.cam.ac.uk/~mgk25/iso-time.html>. 
  91.  
  92. Other commonly used notations are e.g., 2/4/95, 4/2/95, 4.2.1995,
  93. 04-FEB-1995, 4-February-1995, and many more. Especially the first two
  94. examples are dangerous, because as both are used quite often and can
  95. not be distinguished, it is unclear whether 2/4/95 means 1995-04-02 or
  96. 1995-02-04.
  97.  
  98. Advantages of the ISO standard date notation are:
  99.  
  100.   - easily parsed by software (no 'JAN', 'FEB', ... table necessary)
  101.   - easily sortable with a trivial string compare
  102.   - language independent
  103.   - can not be confused with other popular date notations
  104.   - consistent with 24h time notation hh:mm:ss which comes also
  105.     with the most significant component first and is consequently
  106.     also easily sortable (e.g., write 1999-12-31 23:59:59).
  107.   - short and has constant length (makes keyboard data entry easier)
  108.   - identical to the Chinese date notation, so the largest cultural
  109.     group (>25%) on this planet is already familiar with it.
  110.   - 4-digit year representation avoids overflow problems after
  111.     1999-12-31.
  112.  
  113. In shell scripts, use
  114.  
  115.   date "+%Y-%m-%d %H:%M:%S"
  116.  
  117. in order to print the date and time in ISO format. In C, use the
  118. string "%Y-%m-%d %H:%M:%S" as the format specifier for strftime().
  119.  
  120. Other useful information on the ISO standard is at <URL:
  121. http://dmoz.org/Science/Reference/Standards/Individual_Standards/ISO_8601/
  122. >.
  123.  
  124. ------------------------------
  125.  
  126. Subject: C.02 What are all those different kinds of time?
  127. Author: Paul Schlyter <pausch@saaf.se>,
  128.     Markus Kuhn <Markus.Kuhn@cl.cam.ac.uk>,
  129.     Paul Eggert <eggert@twinsun.com>
  130.  
  131. In the beginning there were only solar days: sunset was considered to
  132. be the end of the day and the beginning of the next day.  The Jewish
  133. and Moslem calendars, which nowadays are used only for religious
  134. purposes, still start a new date at sunset instead of midnight.
  135.  
  136. Later, the solar days were divided into hours: 12 hours for the day and
  137. 12 hours for the night.  The different lengths of day/night were ignored,
  138. therefore the daylight hours were longer in summer than in winter.
  139.  
  140. APPARENT (or TRUE) SOLAR TIME: Still later, the hours were made
  141. equally long: the day+night was 24 hours.  The "day" now started at
  142. midnight, not at sunset, which was marked as 00:00 (or 12:00 midnight
  143. in English time format).  Noon was at 12:00 (or 12:00 noon in English
  144. time format).  This is what we now refer to as "true solar time"---it
  145. is the time shown by a properly setup sundial.  This time is local, it
  146. is different for different longitudes.  (In strict English
  147. construction, 12:00 cannot be given either an A.M. = ante meridiem or
  148. P.M. = post meridiem designation, but it has become common to use 
  149. 12 A.M. to mean midnight and 12 P.M. to mean noon.  In traditional
  150. English, 12 M. = meridies means _noon_; nowadays one is just as likely
  151. to see 12 M. = midnight and 12 N. = noon.)
  152.  
  153. (In general, the old English A.M./P.M. notation is extremely
  154. problematic.  A shorter and more obvious time notation is the modern
  155. 24h notation in which the hours in the day range from 00:00 to 23:59.
  156. This notation even allows one to distinguish midnight at the start of
  157. the day [00:00] from midnight at the end of the day [24:00], while the
  158. old English notation requires kludges like starting a contract at
  159. 12:01 A.M. in order to make clear which of the two midnights
  160. associated with a date had been intended.  The 24h notation is the
  161. official international standard time notation (ISO 8601) and displayed
  162. by almost all digital clocks outside the U.S.A.  The 24h notation is
  163. also recommended by the U.S. Naval Observatory in Washington, which
  164. defines official time in the U.S.)
  165.  
  166. MEAN SOLAR TIME: True Solar Time isn't a uniform time.  The time
  167. difference between one noon and the next noon varies through the year,
  168. due to two causes: 1. The earth's orbit is elliptical, not perfectly
  169. circular, and the Earth's speed in its orbit is greater when closer to
  170. the sun.  This makes the solar days shorter in July and longer in
  171. January. 2. The Earth's axis of rotation does not point in the same
  172. direction as the axis of the Earth's orbit round the Sun.  (The angle
  173. between these two is called the "obliquity of the ecliptic" and is
  174. about 23.45 degrees.)  This makes the solar days shorter in March and
  175. September and longer in June and December.  To account for these
  176. effects, a fictitious sun, "The Mean Sun," was invented: it moves with
  177. uniform velocity in the plane of the Earth's equator, with the same
  178. average speed as the true Sun.  This Mean Sun defines Mean Solar Time:
  179. When the Mean Sun is due south (for northern hemisphere observers), it
  180. is noon Mean Solar Time.  Now the time difference between two
  181. consecutive local noons is always the same (ignoring small
  182. irregularities in the Earth's rotation---more about that later).
  183.  
  184. SIDEREAL TIME: Closely connected with the Mean Solar Time is the
  185. Sidereal Time, which is defined as the RA (Right Ascension) of the
  186. Local Meridian: when the Vernal Point passes the meridian it is 00:00
  187. Sidereal Time.  When Orion is at its maximum altitude, it is between
  188. 5h and 6h Sidereal Time; when the Big Dipper can be seen close to the
  189. zenith it is about 12h Sidereal Time; and when Sagittarius, with all
  190. its glories close to the center of our Galaxy, reaches maximum
  191. altitude it is around 18h Sidereal Time.  The Sidereal Time at a
  192. particular place and location is the same as the local Mean Solar
  193. Time, plus 12 hours, plus the Right Ascension of the Mean Sun (which
  194. is the same as the Mean Longitude of the true sun).  It can be
  195. computed from this formula:
  196.  
  197.   LST(hours) = 6.6974 + 2400.051336 * T + 24 * FRAC(JD+0.5) + long/15
  198.  
  199. where:
  200.  
  201.   LST  = Local Sidereal Time in hours
  202.   JD   = the Julian Day Number for the moment, including fractions of a day
  203.          Note that a new Julian Day starts at Greenwich Noon
  204.   T    = ( JD - 2451545.0 ) / 36525.0
  205.   long = your local longitude: east positive, west negative
  206.   FRAC = a function discarding the integral part and returning only the
  207.          fractional part of a real number.
  208.  
  209. STANDARD TIME ZONES: Some 100+ years ago the railway made fast
  210. transportation possible for the first time.  Quite soon it became
  211. awkward for the travellers to continually have to adjust their clocks
  212. when travelling between different places, and the railway companies
  213. had the problem to select which city's time to use for their own
  214. schedules.  An interim solution was to use a specific "railway time,"
  215. but soon standard time zones were created.  At first the time to be
  216. used within a country was the local time of the capital of the
  217. country.  A few very large countries employed several time zones.  It
  218. took a few decades to arrive at a worldwide agreement here, and in
  219. particular there was a "battle" between England and France whether the
  220. world's prime meridian was to be the meridian of the Greenwich or the
  221. Paris observatory.  England won this battle, and "Greenwich Mean Time"
  222. (GMT) was universally agreed upon as the world's standard time zones.
  223. Almost all other parts of the world were assigned time zones, which
  224. usually differ from GMT by an integral number of hours.  Some
  225. countries (e.g., India) use differences that are not an integral
  226. number of hours.
  227.  
  228. GMT (Greenwich Mean Time): This term is a historic term which is in a
  229. strict sense obsolete, though often used (although not in astronomy,
  230. e.g., BBC still uses this abbreviation for patriotic reasons ;-) as a
  231. synonym for UTC.  In 1972, an international atomic time scale has been
  232. introduced and since then, the time on the zero meridian, which goes
  233. through the old observatory in Greenwich, London, UK, has been called
  234. Universal Time (UT).  Prior to 1925, it was reckoned for astronomical
  235. purposes from Greenwich mean noon (12h UT).  Sometimes GMT is referred
  236. to as Z ("Zulu").  (This arises from the military custom of writing
  237. times as hours and minutes run together and suffixed with a single
  238. letter designating the time zone: 2100Z = 21:00 UTC.  The word "zulu"
  239. is the phonetic word associated with the letter "z.")
  240.  
  241. UT (Universal time): Defined by the Earth's rotation and determined by
  242. astronomical observations.  This time scale is slightly irregular.
  243. There are several different definitions of UT, but the difference
  244. between them is always less than about 0.03 s. Usually one means UT2
  245. when saying UT.  UT2 is UT corrected for pole wandering and seasonal
  246. variations in the Earth's rotational speed.
  247.  
  248. If you are interested in time more precisely than 1 s, then you'll
  249. have to differentiate between the following versions of Universal
  250. Time:
  251.  
  252.  UT0 is the precise solar local time on the zero meridian. It is today
  253.     measured by radio telescopes which observe quasars.
  254.  
  255.  UT1 is UT0 corrected by a periodic effect known as Chandler wobble or
  256.     "polar wandering", i.e., small changes in the longitude/latitude
  257.     of all places on the Earth due to the fact that the geographical
  258.     poles of the Earth "wander" in semi-regular patterns: the poles
  259.     follow (very approximately) small circles, about 10--20 meters in
  260.     diameter, with a period of approximately 400--500 days.  The
  261.     changes in the longitude/latitude of all places of Earth due to
  262.     this amounts to fractions of an arc second 
  263.     (1 arc second = 1/3600 degree).
  264.  
  265.  UT2 is an even better corrected version of UT0 which accounts for
  266.     seasonal variations in the Earth's rotation rate and is sometimes
  267.     used in astronomy.
  268.  
  269.  UTC is a time defined not by the movement of the earth, but by a
  270.     large collection of atomic clocks located all over the world, the
  271.     atomic time scale TAI. When UTC and UT1 are about to drift apart
  272.     more than 0.9 s, a leap second will be inserted (or deleted, but
  273.     this never has happened) into UTC to correct this. When necessary,
  274.     leap seconds are inserted as the 61th second of the last UTC
  275.     minute of June or December. During a leap second, a UTC clock
  276.     (e.g., a radio clock such as MSF, HBG, or DCF77) shows: 
  277.  
  278.         1995-12-31 23:59:59
  279.         1995-12-31 23:59:60
  280.         1996-01-01 00:00:00
  281.  
  282.     Today, practically all national civil times are defined relative
  283.     to UTC and differ from UTC by an integral number of hours
  284.     (sometimes also half- or quarter-hours). UTC is defined in ITU-R
  285.     Recommendation TF.460-4 and was introduced in 1972.
  286.  
  287.     If you are interested in UTC more precisely than a microsecond,
  288.     then you also have to consider the following differences:
  289.  
  290.     The abbreviation UTC can be followed by an abbreviation of the
  291.     organization who publishes this time reference signal.
  292.     For example, UTC(USNO) is the US reference time published by the
  293.     US Naval Observatory, UTC(PTB) is the official German reference
  294.     time signal published (via a 77.5 kHz long-wave broadcast) by the
  295.     Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig and
  296.     UTC(BIPM) is the most official time published by the Bureau
  297.     International des Poids et Mesures in Paris, however UTC(BIPM) is
  298.     only a filtered paper clock published each year that is used by
  299.     the other time maintainers to resynchronize their clocks against
  300.     each other. All these UTC versions do not differ by more than a
  301.     few nanoseconds.
  302.  
  303.     The acronym UTC stands for Coordinated Universal Time.  In 1970
  304.     when this system was being developed by the International
  305.     Telecommunication Union, it felt it was best to designate a single
  306.     abbreviation for use in all languages in order to minimize
  307.     confusion.  Unanimous agreement could not be achieved on using
  308.     either the English word order, CUT, or the French word order, TUC,
  309.     so a compromise using neither, UTC, was adopted.
  310.  
  311.  DUT1 is the difference between UTC and UT1 as published by the US
  312.     Naval Observatory rounded to 0.1 s each week. This results in the
  313.     UT1 which is used e.g., for space navigation.
  314.  
  315. ET (Ephemeris Time): Somewhere around 1930--1940, astronomers noticed
  316. that errors in celestial positions of planets could be explained by
  317. assuming that they were due to slow variations on the Earth's
  318. rotation.  Starting in 1960, the time scale Ephemeris Time (ET) was
  319. introduced for astronomical purposes.  ET closely matches UT in the
  320. 19th century, but in the 20th century ET and UT have been diverging
  321. more and more.  Currently ET is running almost precisely one minute
  322. ahead of UT.  In 1984, ET was replaced by Dynamical Time and TT.  For
  323. most purposes, ET up to 1983-12-31 and TDT from 1984-01-01 can be
  324. regarded as a continuous time-scale.
  325.  
  326. TT and Dynamical Time: Introduced in 1984 as a replacement for ET, it
  327. defines a uniform astronomical time scale more accurately, taking
  328. relativistic effects into account.  There are two kinds of Dynamical
  329. Time: TDT (Terrestrial Dynamical Time), which is a time scale tied to the
  330. Earth, and TDB (Barycentric Dynamical Time), used as a time reference
  331. for the barycenter of the solar system.  The difference between TDT and
  332. TDB is always smaller than a few milliseconds.  When the difference
  333. TDT-TDB is not important, TDT is referred to as TT.  For most purposes,
  334. TDT can be considered equal to TAI + 32.184 seconds.
  335.  
  336. TAI (Temps Atomique International = International Atomic Time):
  337. Defined by the same worldwide network of atomic clocks that defines
  338. UTC. In contrast to UTC, TAI has no leap seconds. TAI and UTC were
  339. identical in the late 1950s. The difference between TAI and UTC is
  340. always an integral number of seconds. TAI is the most uniform time
  341. scale we currently have available.
  342.  
  343.  
  344.                 RELATION BETWEEN THE TIME SCALES
  345.                 --------------------------------
  346.  
  347.     TDT = TAI+32.184s  ==>  UT-UTC = TAI-UTC - (TDT-UT) + 32.184s
  348.  
  349.     Starting at    TAI-UTC  ET/TDT-UT  UT-UTC
  350.     
  351.     1972-01-01     +10.00    +42.23    -0.05
  352.     1972-07-01     +11.00    +42.80    +0.38
  353.     1973-01-01     +12.00    +43.37    +0.81
  354.     1973-07-01       -"-     +43.93    +0.25
  355.     1974-01-01     +13.00    +44.49    +0.69
  356.     1974-07-01       -"-     +44.99    +0.19
  357.     1975-01-01     +14.00    +45.48    +0.70
  358.     1975-07-01       -"-     +45.97    +0.21
  359.     1976-01-01     +15.00    +46.46    +0.72
  360.     1976-07-01       -"-     +46.99    +0.19
  361.     1977-01-01     +16.00    +47.52    +0.66
  362.     1977-07-01       -"-     +48.03    +0.15
  363.     1978-01-01     +17.00    +48.53    +0.65
  364.     1978-07-01       -"-     +49.06    +0.12
  365.     1979-01-01     +18.00    +49.59    +0.59
  366.     1979-07-01       -"-     +50.07    +0.11
  367.     1980-01-01     +19.00    +50.54    +0.64
  368.     1980-07-01       -"-     +50.96    +0.22
  369.     1981-01-01       -"-     +51.38    -0.20
  370.     1981-07-01     +20.00    +51.78    +0.40
  371.     1982-01-01       -"-     +52.17    +0.01
  372.     1982-07-01     +21.00    +52.57    +0.61
  373.     1983-01-01       -"-     +52.96    +0.22
  374.     1983-07-01     +22.00    +53.38    +0.80
  375.     1984-01-01       -"-     +53.79    +0.39
  376.     1984-07-01       -"-     +54.07    +0.11
  377.     1985-01-01       -"-     +54.34    -0.16
  378.     1985-07-01     +23.00    +54.61    +0.57
  379.     1986-01-01       -"-     +54.87    +0.31
  380.     1986-07-01       -"-     +55.10    +0.08
  381.     1987-01-01       -"-     +55.32    -0.14
  382.     1987-07-01       -"-     +55.57    -0.39
  383.     1988-01-01     +24.00    +55.82    +0.36
  384.     1988-07-01       -"-     +56.06    +0.12
  385.     1989-01-01       -"-     +56.30    -0.12
  386.     1989-07-01       -"-     +56.58    -0.40
  387.     1990-01-01     +25.00    +56.86    +0.32
  388.     1990-07-01       -"-     +57.22    -0.04
  389.     1991-01-01     +26.00    +57.57    +0.61
  390.     1991-07-01       -"-     +57.94    +0.24
  391.     1992-01-01       -"-     +58.31    -0.13
  392.     1992-07-01     +27.00    +58.72    +0.46
  393.     1993-01-01       -"-     +59.12    +0.06
  394.     1993-07-01     +28.00    +59.5     +0.7
  395.     1994-01-01       -"-     +59.9     +0.3
  396.     1994-07-01     +29.00    +60.3     +0.9
  397.     1995-01-01       -"-     +60.7     +0.5
  398.     1995-07-01       -"-     +61.1     +0.1
  399.     1996-01-01     +30.00    +61.63    +0.55
  400.     1996-07-01       -"-     +62.0     +0.2
  401.     1997-01-01       -"-     +62.4     -0.2
  402.     1997-07-01     +31.00    +62.8     +0.4
  403.     1998-01-01       -"-     +63.3     -0.1
  404.     1998-07-01       -"-     +63.7     -0.5
  405.     1999-01-01     +32.00    +64.1     +0.1
  406.  
  407. Additional information about the world time standard UTC (e.g., when
  408. will the next leap second be inserted in time) is available from the
  409. US Naval Observatory and the International Earth Rotation Service
  410. (IERS):
  411.  
  412. <URL:http://tycho.usno.navy.mil/time.html>
  413. <URL:http://tycho.usno.navy.mil/gps_datafiles.html>
  414. <URL:http://maia.usno.navy.mil/>
  415. <URL:ftp://maia.usno.navy.mil/ser7/tai-utc.dat>
  416. <URL:ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/series/ser14.txt>
  417. <URL:ftp://maia.usno.navy.mil/ser7/deltat.preds>
  418.      
  419. <URL:ftp://mesiom.obspm.fr/iers/>. 
  420. <URL:ftp://hpiers.obspm.fr/iers/bul/bulc/BULLETINC.GUIDE>
  421.      
  422. Also <URL:http://www.eecis.udel.edu/~ntp/> is a good start if you want
  423. to learn more about time standards.
  424.  
  425. ------------------------------
  426.  
  427. Subject: C.03 How do I compute astronomical phenomena for my location?
  428. Author: Paul Schlyter <pausch@saaf.se>
  429.  
  430.     COMPUTING AZIMUTH AND ELEVATION
  431.     -------------------------------
  432.  
  433. To compute the azimuth and elevation of an object, you first must
  434. compute the Local Sidereal Time of the place and time in question.
  435. First convert your local time to UT (Universal Time), with the date
  436. adjusted if needed.  Now suppose that the time is Y,M,D,UT where Y,M,D
  437. is the calendar Year, Month (1--12) and Date (1--31), and UT is the
  438. Universal Time in hours+fractions.  Also suppose your position is
  439. lat,long, where lat is counted as + if north and - if south, and long
  440. is counted as + if east and - if west.  Now, first compute a "day
  441. number", d:
  442.  
  443.                 7*(Y + INT((M+9)/12))
  444. d = 367*Y - INT(---------------------) + INT(275*M/9) + D - 730530 + UT/24
  445.                          4
  446.  
  447. where INT is a function that discards the fractional part and returns the
  448. integer part of a function.  d is zero at 2000 Jan 0.0
  449.  
  450. Now compute the Local Sidereal Time, LST:
  451.  
  452.    LST  =  98.9818  +  0.985647352 * d  +  UT*15  +  long
  453.  
  454. (east long. positive).  Note that LST is here expressed in degrees,
  455. where 15 degrees corresponds to one hour.  Since LST really is an angle,
  456. it's convenient to use one unit---degrees---throughout.
  457.  
  458. Now, suppose your object resides at a known RA (Right Ascension) and
  459. Dec (Declination).  Convert both RA and Dec to degrees + decimals,
  460. remembering that 1 hour of RA corresponds to 15 degrees of RA.
  461.  
  462. Next, compute the Hour Angle:
  463.  
  464.    HA  =  LST - RA
  465.  
  466. Now you can compute the Altitude, h, and the Azimuth, az:
  467.  
  468.   sin(h)   =  sin(lat) * sin(Dec)  +  cos(lat) * cos(Dec) * cos(HA)
  469.  
  470.                                 sin(HA)
  471.   tan(az)  =  --------------------------------------------
  472.               cos(HA) * sin(lat)  -  tan(Dec) * cos(Lat)
  473.  
  474. Here az is 0 deg in the south, 90 deg in the west etc.  If you prefer
  475. 0 deg in the north and 90 deg in the east, add 180 degrees to az.
  476.  
  477.  
  478.     A NOTE ON TRIGONOMETRIC FUNCTIONS ON YOUR COMPUTER
  479.     --------------------------------------------------
  480.  
  481. If you have an atan2() function (or equivalent) available on your
  482. computer, compute the numerator and denominator separately and feed
  483. them both to your atan2() function, instead of dividing and feeding
  484. them to your atan() function---then you'll get the correct quadrant
  485. immediately.  In the "C" language you would thus write:
  486.  
  487.   az = atan2( sin(HA), cos(HA)*sin(lat)-tan(Dec)*cos(Lat) );
  488.  
  489. instead of:
  490.  
  491.   az = atan( sin(HA) / (cos(HA)*sin(lat)-tan(Dec)*cos(Lat)) );
  492.  
  493. On a scientific calculator, there is often a "rectangular to polar"
  494. coordinate conversion function that does the same thing.
  495.  
  496. Users of Pascal and other programming languages that lack an atan2()
  497. function are strongly encouraged to write such a function of their
  498. own.  In Pascal it would be (pi is assumed to have been assigned an
  499. appropriate value---one way is to compute: pi := 4.0*arctan(1) ):
  500.  
  501.    function atan2( y : real, x : real ) real;
  502.    (* Compute arctan(y/x), selecting the correct quadrant *)
  503.    begin
  504.      if x > 0
  505.        atan2 := arctan(y/x)
  506.      else if x < 0
  507.        atan2 := arctan(y/x) + pi
  508.      (* Below x is zero *)
  509.      else if y > 0
  510.        atan2 := pi/2
  511.      else if y < 0
  512.        atan2 := -pi/2
  513.      /* Below both x and y are zero *)
  514.      else
  515.        atan2 := 0.0     (* atan2( 0.0, 0.0 )  is really an error though.. *)
  516.    end
  517.  
  518. Another trick I also use is to add a set of trig functions that work
  519. in degrees instead of radians to my function library---that will make
  520. life a lot easier when you're working in degrees as the basic unit.  I
  521. name them sind, cosd, atan2d, etc.  If you don't do that, you'll have
  522. to convert between degrees and radians when calling the standard trig
  523. functions.
  524.  
  525.     COMPUTING RISE AND SET TIMES
  526.     ----------------------------
  527.  
  528. To compute when an object rises or sets, you must compute when it
  529. passes the meridian and the HA of rise/set.  Then the rise time is
  530. the meridian time minus HA for rise/set, and the set time is the
  531. meridian time plus the HA for rise/set.
  532.  
  533. To find the meridian time, compute the Local Sidereal Time at 0h local
  534. time (or 0h UT if you prefer to work in UT) as outlined above---name
  535. that quantity LST0.  The Meridian Time, MT, will now be:
  536.  
  537.     MT  =  RA - LST0
  538.  
  539. where "RA" is the object's Right Ascension (in degrees!).  If negative,
  540. add 360 deg to MT.  If the object is the Sun, leave the time as it is,
  541. but if it's stellar, multiply MT by 365.2422/366.2422, to convert from
  542. sidereal to solar time.  Now, compute HA for rise/set, name that
  543. quantity HA0:
  544.  
  545.                 sin(h0)  -  sin(lat) * sin(Dec)
  546. cos(HA0)  =  ---------------------------------
  547.                      cos(lat) * cos(Dec)
  548.  
  549. where h0 is the altitude selected to represent rise/set.  For a purely
  550. mathematical horizon, set h0 = 0 and simplify to:
  551.  
  552.     cos(HA0)  =  - tan(lat) * tan(Dec)
  553.  
  554. If you want to account for refraction on the atmosphere, set h0 = -35/60
  555. degrees (-35 arc minutes), and if you want to compute the rise/set times
  556. for the Sun's upper limb, set h0 = -50/60 (-50 arc minutes).
  557.  
  558. When HA0 has been computed, leave it as it is for the Sun but multiply
  559. by 365.2422/366.2422 for stellar objects, to convert from sidereal to
  560. solar time.  Finally compute:
  561.  
  562.    Rise time  =  MT - HA0
  563.    Set  time  =  MT + HA0
  564.  
  565. convert the times from degrees to hours by dividing by 15.
  566.  
  567. If you'd like to check that your calculations are accurate or just
  568. need a quick result, check the USNO's Sun or Moon Rise/Set Table,
  569. <URL:http://aa.usno.navy.mil/AA/data/docs/RS_OneYear.html>.
  570.  
  571.     COMPUTING THE SUN'S POSITION
  572.     ----------------------------
  573.  
  574. To be able to compute the Sun's rise/set times, you need to be able to
  575. compute the Sun's position at any time.  First compute the "day
  576. number" d as outlined above, for the desired moment.  Next compute:
  577.  
  578.    oblecl = 23.4393 - 3.563E-7 * d
  579.  
  580.    w  =  282.9404  +  4.70935E-5   * d
  581.    M  =  356.0470  +  0.9856002585 * d
  582.    e  =  0.016709  -  1.151E-9     * d
  583.  
  584. This is the obliquity of the ecliptic, plus some of the elements of
  585. the Sun's apparent orbit (i.e., really the Earth's orbit): w =
  586. argument of perihelion, M = mean anomaly, e = eccentricity.
  587. Semi-major axis is here assumed to be exactly 1.0 (while not strictly
  588. true, this is still an accurate approximation).  Next compute E, the
  589. eccentric anomaly:
  590.  
  591.    E = M + e*(180/pi) * sin(M) * ( 1.0 + e*cos(M) )
  592.  
  593. where E and M are in degrees.  This is it---no further iterations are
  594. needed because we know e has a sufficiently small value.  Next compute
  595. the true anomaly, v, and the distance, r:
  596.  
  597.      r * cos(v)  =  A  =  cos(E) - e
  598.      r * sin(v)  =  B  =  sqrt(1 - e*e) * sin(E)
  599.  
  600. and
  601.  
  602.      r  =  sqrt( A*A + B*B )
  603.      v  =  atan2( B, A )
  604.  
  605. The Sun's true longitude, slon, can now be computed:
  606.  
  607.     slon  =  v + w
  608.  
  609. Since the Sun is always at the ecliptic (or at least very very close to
  610. it), we can use simplified formulae to convert slon (the Sun's ecliptic
  611. longitude) to sRA and sDec (the Sun's RA and Dec):
  612.  
  613.                   sin(slon) * cos(oblecl)
  614.     tan(sRA)  =  -------------------------
  615.             cos(slon)
  616.  
  617.     sin(sDec) =  sin(oblecl) * sin(slon)
  618.  
  619. As was the case when computing az, the Azimuth, if possible use an
  620. atan2() function to compute sRA.
  621.  
  622.     REFERENCES
  623.     ----------
  624.  
  625. "Practical Astronomy with your Calculator", Peter Duffet-Smith, 3rd
  626. edition.  Cambridge University Press 1988. ISBN 0-521-35699-7.
  627.  
  628. A good introduction to basic concepts plus many useful algorithms.
  629. The third edition is much better than the two previous editions.  This
  630. book is also preferable to Duffet-Smith's "Practical Astronomy with
  631. your Computer", which has degenerated into being filled with Basic
  632. program listings.
  633.  
  634. "Astronomical Formulae for Calculators", Jean Meeus, 4th ed,
  635. Willmann-Bell 1988, ISBN 0-943396-22-0 
  636.  
  637. "Astronomical Algorithms", Jean Meeus, 1st ed, Willmann-Bell 1991,
  638. ISBN 0-943396-35-2
  639.  
  640. Two standard references for many kinds of astronomical computations.
  641. Meeus' is an undisputed authority here---many other authors quote his
  642. books. "Astronomical Algorithms" is the more accurate and more modern
  643. of the two, and one can also buy a floppy disk containing software
  644. implementations (in Basic or C) to that book.
  645.  
  646. ------------------------------
  647.  
  648. Subject: C.04 What's a Julian date? modified Julian date?
  649. Author: Edward Wright <wright@eggneb.astro.ucla.edu>,
  650.     William Hamblen <william.hamblen@nashville.com>
  651.  
  652. It's the number of days since noon 4713 BC January 1.  What's so
  653. special about this date?  
  654.  
  655. Joseph Justus Scaliger (1540--1609) was a noted Italian-French
  656. philologist and historian who was interested in chronology and
  657. reconciling the dates in historical documents.  Before the western
  658. civil calendar was adopted by most countries, each little city or
  659. principality reckoned dates in its own fashion, using descriptions
  660. like "the 5th year of the Great Poo-bah Magnaminus."  Scaliger wanted
  661. to make sense out of these disparate references so he invented his own
  662. era and reckoned dates by counting days.  He started with 4713 BC
  663. January 1 because that was when solar cycle of 28 years (when the days
  664. of the week and the days of the month in the Julian calendar coincide
  665. again), the Metonic cycle of 19 years (because 19 solar years are
  666. roughly equal to 235 lunar months) and the Roman indiction of 15 years
  667. (decreed by the Emperor Constantine) all coincide.  There was no
  668. recorded history as old as 4713 BC known in Scaliger's day, so it had
  669. the advantage of avoiding negative dates.  Joseph Justus's father was
  670. Julius Caesar Scaliger, which might be why he called it the Julian
  671. Cycle.  Astronomers adopted the Julian cycle to avoid having to
  672. remember "30 days hath September ...."
  673.  
  674. For reference, Julian day 2450000 began at noon on 1995 October 9.
  675. Because Julian dates are so large, astronomers often make use of a
  676. "modified Julian date"; MJD = JD - 2400000.5.  (Though, sometimes 
  677. they're sloppy and subtract 2400000 instead.)
  678.  
  679. ------------------------------
  680.  
  681. Subject: C.05 Is 2000 a leap year?
  682. Author: Steve Willner <swillner@cfa.harvard.edu>
  683.  
  684. Yes.
  685.  
  686. Oh, you wanted to know more?
  687.  
  688. The reason for leap days is that the year---the time it takes the
  689. Earth to go round the Sun---is not an integral multiple of the
  690. day---the time it takes the Earth to rotate once on its axis.  In this
  691. case, the year of interest is the "tropical year," which controls the
  692. seasons.  The tropical year is defined as the interval from one spring
  693. equinox to the next: very close to 365.2422 days.
  694.  
  695. The Julian calendar, instituted by the Roman Emperor Julius Caesar
  696. (who else? :), has a 365-day ordinary year with a 366-day leap year
  697. every fourth year.  This gives a mean year length of 365.25 years, not
  698. a very large error.  However, the error builds up, and by the
  699. sixteenth century, reform was considered desirable.  A new calendar
  700. was established in most Roman Catholic countries in 1582 under the
  701. authority of Pope Gregory XIII; in that year, the date October 4 was
  702. followed by October 15---a correction of 10 days.  Most non-Catholic
  703. countries adopted this "Gregorian" calendar somewhat later (Great
  704. Britain and the American colonies in 1752), and by then the difference
  705. between Julian and Gregorian dates was even greater than 10 days.
  706. (Russia didn't adopt the Gregorian calendar until after the "October
  707. Revolution"---which took place in November under the new calendar!)
  708. Many of the calendar changeovers elicited strong emotional reactions
  709. from the populations involved; people objected to "losing ten (or
  710. more) days of our lives."
  711.  
  712. The rule for leap years under the Gregorian calendar is that all years
  713. divisible by four are leap years EXCEPT century years NOT divisible by
  714. 400.  Thus 1700, 1800, and 1900 were not leap years, while 2000 will be
  715. one.  This rule gives 97 leap years in 400 years or a mean year length
  716. of exactly 365.2425 days.
  717.  
  718. The error in the Gregorian calendar will build up to a full day in
  719. roughly 3000 years, by which time another reform will be necessary.
  720. Various schemes have been proposed, some taking account of the changing
  721. lengths of the day and/or the tropical year, but none has been
  722. internationally recognized.  Leaving a reform to our descendants seems
  723. reasonable, since there is no obvious need to make a correction now.
  724.  
  725. ------------------------------
  726.  
  727. Subject: C.06 When will the new millennium start?
  728. Author: Steve Willner <swillner@cfa.harvard.edu>,
  729.     Paul Schlyter <pausch@saaf.se>
  730.  
  731. There is a difference of opinion.  Steve Willner writes:
  732.  
  733. Big "end of millennium" parties were held on 1999-12-31.  The
  734. psychological significance of changing the first digit in the year
  735. must not be discounted.  (Preceeding these parties were the big
  736. headaches that occurred as everybody rushed to ensure---appropriately
  737. enough---that the date code in everybody's computer did not break on
  738. the next day.)  However, the third millennium A.D. in fact begins on
  739. 2001-01-01; there was no year zero, and thus an interval of 2000 years
  740. from the arbitrary beginning of "A.D." dates will not have elapsed
  741. until then.
  742.  
  743. More details may be found in an article by Ruth Freitag in the 1995
  744. March newsletter of the American Astronomical Society.  I am seeking
  745. permission to include the article in the FAQ.
  746.  
  747. A view to the contrary is expressed by Paul Schlyter <pausch@saaf.se>:
  748.  
  749. On 2000 January 1 of course!  Some people argue that it should be 2001
  750. January 1 just because Roman Numerals lacks a symbol for zero, but I
  751. find that irrelevant, because:
  752.  
  753.    1. Our year count wasn't introduced until A.D. 525---thus the people
  754.       who lived at A.D. 1 were completely unaware that we label that
  755.       year "A.D. 1."
  756.  
  757.    2. No real known event occurred at either 1 B.C. or A.D. 1---Jesus
  758.       was born some 6--7 years earlier.  Thus the new millennium
  759.       should _really_ have been celebrated already, at least of we
  760.       want to celebrate 2000 years since the event that supposedly
  761.       started our way of counting years.... 
  762.  
  763. (Yes, the Julian calendar _was_ around at 1 B.C. and 1 A.D., but at that
  764. time the years was counted since the "foundation of Rome.")
  765.  
  766. Interested readers may also want to check the Web sites of The Royal
  767. Observatory Greenwich <URL:http://www.rog.nmm.ac.uk/> and the US Naval
  768. Observatory <URL:http://www.usno.navy.mil/>.
  769.  
  770. ------------------------------
  771.  
  772. Subject: C.07 Easter:
  773.  
  774. ------------------------------
  775.  
  776. Subject: C.07.1 When is Easter?
  777. Author: Jim Van Nuland <Jim.Van.Nuland@pctie.microbbs.us.com>,
  778.     John Harper <John.Harper@vuw.ac.nz>
  779.  
  780. The "popular" rule (for Roman Catholics and most Protestant
  781. denominations) is that Easter is on the first Sunday after the first
  782. full moon after the March equinox.
  783.  
  784. The actual rule is similar, except that the astronomical equinox is
  785. not used; the date is fixed at March 21.  And the astronomical full
  786. moon is not used; an "ecclesiastical" new moon is determined by
  787. adopted tables based on the Metonic cycle, and "full" is taken as the
  788. 14th day of that lunation.  There are auxiliary rules that make March
  789. 22 the earliest possible date for Easter and April 25 the latest.  The
  790. intent of these rules is that the date will be incontrovertibly fixed
  791. and determinable indefinitely in advance.  In addition it is
  792. independent of longitude or time zones.
  793.  
  794. The popular rule works surprisingly well.  When the two rules give
  795. different dates, that occurs in only part of the world because two dates
  796. separated by the international date line are simultaneously in progress.
  797.  
  798. The Eastern Churches (most Orthodox and some others, e.g., Uniate
  799. Churches in Palestine) use the same system, but based on the old
  800. (Julian) calendar.  In that calendar, Easter Day is also between March
  801. 22 and April 25, but in the western (Gregorian) calendar those days
  802. are at present April 3 and May 8. Whenever the Gregorian calendar
  803. skips a leap year, those dates advance one day.
  804.  
  805. Some Eastern Churches find both movable feasts like Easter and fixed
  806. ones like Christmas with the Julian calendar; some use the Julian for
  807. movable and the Gregorian for fixed feasts; and the Finnish Orthodox
  808. use the Gregorian for all purposes.
  809.  
  810. To explain the Eastern system one must begin with the Jews in
  811. Alexandria at the time of the Christian Council of Nicaea in 325, who
  812. appear to have been celebrating Passover on the first "full moon"
  813. after March 21, as specified by the 19-year Metonic cycle and the
  814. Julian calendar (with its leap year every 4 years, end of century or
  815. not). The Bishop of Alexandria was made responsible for the Christian
  816. calendar; he specified that Easter be the Sunday after that Passover.
  817. Eastern Christians still say that Easter must follow Passover, but
  818. that Passover is the one that is meant, not the Passover defined by
  819. the present Jewish calendar.
  820.  
  821. Subsequently the Jews reformed their calendar (in 358 or in the early
  822. 6th century according to different sources; possibly at different
  823. times in different places), in order to improve the fit between
  824. astronomy and their arithmetic, but the Christians did not follow
  825. suit.  In 1996, for example, Passover was on April 4 but the Orthodox
  826. Easter was on Sunday April 14, not April 7 (which as it happens was
  827. the Western Easter.)
  828.  
  829. The Eastern Easter is 0, 1, 4, or 5 weeks after the Western
  830. Easter. The Western Easter can precede the (modern) Jewish Passover,
  831. as in 1967, 1970, 1978, 1986, 1989 and 1997, and can even coincide
  832. with it, as in 1981.
  833.  
  834. Much of this information was taken from the Explanatory Supplement to
  835. the Astronomical Ephemeris, page 420, 1974 reprint of the 1961
  836. edition.  There is more in the Explanatory Supplement, specifically a
  837. series of tables that can be used to determine the Easter date for
  838. both the Julian (Eastern and pre-1582 Western) and Gregorian
  839. calendars.  However, the Explanatory Supplement is misleading on the
  840. subject of the Eastern Easters, though its tables are correct.
  841.  
  842. Jean Meeus has published a program to compute Easter in "Astronomical
  843. Algorithms," also see below.  Simon Kershaw has written one in C,
  844. available at <URL:http://www.ely.anglican.org/cgi-bin/easter>.
  845.  
  846. The most easily available published source for what the Jews 
  847. and Christians were doing in ancient Alexandria appears to be Otto 
  848. Neugebauer's "Ethiopic Easter Computus" in his _Astronomy and History 
  849. Selected Essays_, Springer, New York, 1983, pp. 523--538. 
  850.  
  851. John Harper acknowledges the help of Archimandrite Kyril Jenner, Simon
  852. Kershaw, and Dr. Brian Stewart concerning Eastern Easters.
  853.  
  854. ------------------------------
  855.  
  856. Subject: C.07.2  Can I calculate the date of Easter?
  857. Author: Bill Jefferys <bill@clyde.as.utexas.edu>
  858.  
  859. John Horton Conway (the Princeton mathematician who is responsible for
  860. "the Game of Life") wrote a book with Guy and Berlekamp, _Winning
  861. Ways_, that describes in Volume 2 a number of useful calendrical
  862. rules, including How to Calculate the Day of the Week, Given The Date,
  863. and Easter.  Here's a brief precis of how to calculate Easter:
  864.  
  865.   G(the Golden Number) = Year_{mod 19} + 1 (never forget to add the 1!)
  866.  
  867.   C(the Century term) = +3 for all Julian years (i.e., if using the
  868.                          Julian Calendar)
  869.                         
  870.                         -4 for 15xx, 16xx        }
  871.                         -5 for 17xx, 18xx        } Gregorian
  872.                         -6 for 19xx, 20xx, 21xx  }
  873.  
  874. The general formula for C in a Gregorian year Hxx is
  875.  
  876.     C = -H + [H/4] + [8*(H+11)/25]  (brackets [] mean integer part)
  877.  
  878. 1)  The Paschal Full Moon is given by the formula
  879.  
  880.   (Apr 19 = Mar 50) - (11*G+C)_{mod 30}
  881.  
  882. Except when the formula gives Apr 19 you should take Apr 18, and when it
  883. gives Apr 18 and G>=12 you should take Apr 17.  Easter is then the
  884. following Sunday, since Easter always falls on the next Sunday that is
  885. _strictly later_ than the Paschal Full Moon.
  886.  
  887. Example: 1945 = 7 mod 19, so G = 8 and we find for the Paschal Full Moon
  888.  
  889.        Mar 50 - (88-6)_{mod 30} = Mar 50 - 22 = Mar 28.
  890.  
  891. This happens to be a Wednesday (by Horton's "Doomsday" rule for Day of
  892. the Week, see below).  Therefore, Easter 1945 took place on Sunday,
  893. April 1.
  894.  
  895. Conway's "Doomsday" method for finding the day of the week, given the
  896. date, is needed for his Easter method.
  897.  
  898. To every year there is a distinguished day of the week, which Conway
  899. calls the "Doomsday", D.  In any year, if March 0 (the last day of
  900. February) falls on a particular DOW, then the following dates also
  901. fall on the same DOW: 4/4, 6/6, 8/8, 10/10, 12/12.  Also 5/9, 9/5,
  902. 7/11, 11/7 (for which he has devised the mnemonic "I went to my
  903. nine-to-five job at the Seven-Eleven.  Note to non-US readers:
  904. "Seven-Eleven" is the name of a ubiquitous chain of convenience
  905. stores.)  In non-leap years, Jan 3 and Feb 0 (Jan 31) also fall on
  906. that DOW; in leap years, Jan 4 and Feb 1.  Conway calls this DOW the
  907. "doomsday" for that year.
  908.  
  909. For example, in 1995 Doomsday is Tuesday.  Columbus Day (10/12) is two
  910. days after 10/10, a Tuesday, so 10/12 is a Thursday.
  911.  
  912. All that remains is a rule for calculating the Doomsday for any year.
  913. In any century, this is done by taking the last two digits of the
  914. year, call them xx, dividing by 12 to get a quotient Q and remainder
  915. R.  Divide R by 4 to get a second quotient Q2.  Then this century,
  916. the Doomsday for that year is given by Wednesday + Q + R + Q2.  In
  917. 1995, for example, we have 95/12 = 7 with remainder 11; 11/4 gives
  918. quotient 2; Wednesday + 7 + 11 + 2 = Tuesday (cf. above).
  919.  
  920. In other years on the Gregorian calendar, one uses instead of
  921. Wednesday, the century day as follows: 16xx and 20xx: Tuesday; 17xx
  922. and 21xx: Sunday; 18xx and 22xx: Friday; 15xx, 19xx and 23xx:
  923. Wednesday.  The cycle repeats over a 4 century period.
  924.  
  925. If you need the DOW on the Julian calendar, the rules are the same
  926. except that the century rule is different: for a date in the year ccxx,
  927. use -cc for the century day of week, where Sunday = 0.  For example,
  928. October 4, 1582 (the last day of the Julian calendar in countries that
  929. followed Pope Gregory's institution of the Gregorian calendar) took
  930. place as follows:
  931.  
  932.   82/12 = 6 remainder 10; 10/4 gives remainder 2; 6+10+2-15= 3,
  933.   which is Wednesday.  10/10 was Wednesday, 10/3 was Wednesday, so
  934.   10/4/1582 (Julian) was a Thursday.
  935.  
  936.   The following day was October 15, 1582 (Gregorian).  Again we
  937.   can check: 6+10+2+Wed = Sunday.  10/10 was a Sunday (Gregorian)
  938.   so 10/15/1582 (Gregorian) was a Friday.
  939.  
  940. The nice thing about these algorithms is that they can easily be done in
  941. one's head with a little practice (OK, mod 19 for the Golden Number is a
  942. bit hairy for me, but I can still do it!).  The DOW calculation is very
  943. useful if you are caught without a calendar, and it makes a good party
  944. trick.
  945.  
  946. Additional information is available at
  947. <URL:http://quasar.as.utexas.edu/BillInfo/doomsday.html> and
  948. <URL:http://quasar.as.utexas.edu/BillInfo/ReligiousCalendars.html>.
  949.  
  950. ------------------------------
  951.  
  952. Subject: C.08 What is a "blue moon?"
  953. Author: Steve Willner <swillner@cfa.harvard.edu>,
  954.     Jay Respler <jrespler@superlink.net>
  955.  
  956. Colloquially the term "blue moon" is used to mean "a very long time."
  957. In fact, there have been at least seven different uses of the term
  958. "blue moon" in the past several hundred years.
  959.  
  960. The alt.usage.english FAQ discusses these different meanings of the
  961. term "blue moon."  The two definitions most relevant to astronomy are
  962. the following:
  963.  
  964. 1. Under certain conditions of atmospheric haze, the moon may actually
  965. look blue.  A notable example occurred after the explosion of the
  966. volcano Krakatoa.  The appropriate conditions are extremely rare.
  967.  
  968. 2. The second full moon in a calendar month.  Since the synodic month
  969. is 29.53 days, this kind of blue moon occurs roughly once out of 60
  970. 30-day months and once out of 21 31-day months or about once in 2.5
  971. years on average.  It can occur in January and the following March if
  972. there is no full moon at all in February.  There are some indications
  973. that some calendars used to put the first moon in the month in red,
  974. the second in blue, hence the origin of the term.
  975.  
  976.  Philip Hiscock, writing in the 1999 March issue of Sky & Telescope,
  977. expands upon the history of this definition.  This definition of "blue
  978. moon" is of fairly recent vintage and came into widespread use in the
  979. late 1980s as a result of the board game Trivial Pursuit.  He was able
  980. to trace its origin to an (incorrect) entry in the 1937 edition of the
  981. _Maine Farmer's Almanac_.
  982.  
  983. The alt.usage.english FAQ is available from
  984. <URL:
  985. ftp://rtfm.mit.edu/
  986. pub/usenet-by-group/alt.usage.english/alt.usage.english_FAQ>
  987. or
  988. <URL:
  989. http://www.cis.ohio-state.edu/
  990. hypertext/faq/usenet/alt-usage-english-faq/faq.html>.
  991.  
  992. ------------------------------
  993.  
  994. Subject: C.09 What is the Green Flash (or Green Ray)?
  995. Author: Steve Willner <swillner@cfa.harvard.edu>,
  996.     Geoffrey A. Landis <geoffrey.landis@lerc.nasa.gov>
  997.  
  998. When the sun sets, sometimes the last bit of light from the disk itself
  999. is an emerald green.  The same is true of the first bit of light from
  1000. the rising sun.  This phenomenon is known as the "green flash" or "green
  1001. ray."  It is not an optical illusion.
  1002.  
  1003. The green flash is common and will be visible any time the sun is
  1004. rises or sets on a *clear*, *unobstructed*, and *low* horizon.  From
  1005. our observatory at Mt. Hopkins, I (SW) see the sunset green flash
  1006. probably 90% of the evenings that have no visible clouds on the
  1007. western horizon.  It typically lasts one or two seconds (by estimate,
  1008. not stopwatch) but on rare occasions much longer (5 seconds??).  I've
  1009. seen the dawn green flash only once, but a) I'm seldom outside
  1010. looking, b) the topography is much less favorable, and c) it takes
  1011. luck to be looking in exactly the right place.  If you'd like to see
  1012. the green flash, the higher you can go, the better (see below).
  1013.  
  1014. The explanation for the green flash involves refraction, scattering,
  1015. and absorption.  First, the most important of these processes,
  1016. refraction: light is bent in the atmosphere with the net effect that
  1017. the visible image of the sun at the horizon appears roughly a solar
  1018. diameter *above* the geometric position of the sun.  This refraction
  1019. is mildly wavelength dependent with blue light being refracted the
  1020. most.  Thus if refraction were the only effect, the red image of the
  1021. sun would be lowest in the sky, followed by yellow, green, and blue
  1022. highest.  If I've understood the refraction table properly, the
  1023. difference between red and blue (at the horizon) is about 1/40 of a
  1024. solar diameter.
  1025.  
  1026. Now scattering: the blue light is Rayleigh scattered away (not Compton
  1027. or Thomson scattering).
  1028.  
  1029. Now absorption: air has a very weak absorption band in the yellow.
  1030. When the sun is overhead, this absorption hardly matters, but near the
  1031. horizon, the light travels through something like 38 "air masses," so
  1032. even a weak absorption becomes significant.
  1033.  
  1034. The explanation for the green flash is thus, 1) refraction separates
  1035. the solar images by color; 2) at just the right instant, the red image
  1036. has set, 3) the yellow image is absorbed; and 4) the blue image is
  1037. scattered away.  We are left with the upper limb of the green image.
  1038.  
  1039. Because the green flash is primarily a refraction effect, it lasts
  1040. longer and is easier to see from a mountain top than from sea level.
  1041. The amount of refraction is proportional to the path length through
  1042. the atmosphere times the density gradient (in a linear approximation
  1043. for the atmosphere's index of refraction).  This product will scale
  1044. like 1+(h/a)^(0.5), where h is your height and a the scale height of
  1045. the atmosphere.  The density scale height averaged over the bottom 
  1046. 10 km of the atmosphere is about 9.2 km, so for a 2 km mountain the
  1047. increase in refraction is about a factor 1.5; a 3 km mountain gives
  1048. 1.6 and a 4.2 km mountain (e.g., Mauna Kea) gives 1.7.
  1049.  
  1050. More details can be found in _The Green Flash and Other Low Sun
  1051. Phenomena_, by D. J. K. O'Connell and the classic _Light and Color in
  1052. the Open Air_.  A refraction table appears in _Astrophysical
  1053. Quantities_, by C. W. Allen.  There's also an on-line resource at
  1054. <URL:http://mintaka.sdsu.edu/GF>.
  1055.  
  1056. ------------------------------
  1057.  
  1058. Subject: C.10 Why isn't the earliest Sunrise (and latest Sunset) on the 
  1059.          longest day of the year?
  1060. Author: Steve Willner <willner@cfa183.harvard.edu>
  1061.  
  1062. This phenomenon is called the "equation of time."  This is just a
  1063. fancy name for the fact that the Sun's speed along the Earth's equator
  1064. is not constant.  In other words, if you were to measure the Sun's
  1065. position at exactly noon every day, you would see not only the
  1066. familiar north-south change that goes with the seasons but also an
  1067. east-west change in the Sun's position.  A graphical representation of
  1068. both positional changes is the analemma, that funny figure 8 that most
  1069. globes stick in the middle of the Pacific ocean.
  1070.  
  1071. The short explanation of the equation of time is that it has two
  1072. causes.  The slightly larger effect comes from the obliquity of the
  1073. ecliptic---the Earth's equator is tilted with respect to the orbital
  1074. plane.  Constant speed along the ecliptic---which is how the "mean
  1075. sun" moves---translates to varying speed in right ascension (along the
  1076. equator).  This gives the overall figure 8 shape of the analemma.
  1077. Almost as large is the fact that the Earth's orbit is not circular,
  1078. and the Sun's angular speed along the ecliptic is therefore not
  1079. constant.  This gives the inequality between the two lobes of the
  1080. figure 8.
  1081.  
  1082. Some additional discussion, with illustrations, is provided by Nick
  1083. Strobel at
  1084. <URL:http://www.astronomynotes.com/nakedeye/nakedeyb.htm#A2.4>, though
  1085. you may want to start with the section on time at
  1086. <URL:http://www.astronomynotes.com/nakedeye/nakedeyb.htm#2>.
  1087. Mattthias Reinsch provides an analytic expression for determining the
  1088. number of days between the winter solstice and the day of the latest
  1089. sunrise for Northern Hemisphere observers,
  1090. <URL:http://arXiv.org/abs/astro-ph/?0201074>.
  1091.  
  1092. The Earth's analemma will change with time as the Earth's orbital
  1093. parameters change.  This is described by Bernard Oliver (1972 July,
  1094. _Sky and Telescope_, pp. 20--22)
  1095.  
  1096. An article by David Harvey (1982 March, _Sky and Telescope_,
  1097. pp. 237--239) shows the analemmas of all nine planets.
  1098.  
  1099. ------------------------------
  1100.  
  1101. Subject: C.11  How do I calculate the phase of the moon?
  1102. Author: Bill Jefferys <bill@clyde.as.utexas.edu>
  1103.  
  1104. John Horton Conway (the Princeton mathematician who is responsible for
  1105. "the Game of Life") wrote a book with Guy and Berlekamp, _Winning
  1106. Ways_, that describes in Volume 2 a number of useful calendrical
  1107. rules.  One of these is an easy "in your head" algorithm for
  1108. calculating the phase of the Moon, good to a day or better depending
  1109. on whether you use his refinements or not.
  1110.  
  1111. In the 20th century, calculate the remainder upon dividing the
  1112. last two digits of the year by 19; if greater than 9, subtract
  1113. 19 from this to get a number between -9 and 9. 
  1114.  
  1115. Multiply the result by 11 and reduce modulo 30 to obtain a
  1116. number between -29 and +29.
  1117.  
  1118. Add the day of the month and the number of the month (except
  1119. for Jan and Feb use 3 and 4 for the month number instead of
  1120. 1 and 2).
  1121.  
  1122. Subtract 4.
  1123.  
  1124. Reduce modulo 30 to get a number between 0 and 29. This is
  1125. the age of the Moon.
  1126.  
  1127. Example: What was the phase of the Moon on D-Day (June 6,
  1128. 1944)?
  1129.  
  1130. Answer: 44/19=2 remainder 6.
  1131.  
  1132. 6*11=66, reduce modulo 30 to get 6.
  1133.  
  1134. Add 6+6 to this and subtract 4: 6+6+6-4=14; the Moon was (nearly)
  1135. full. I understand that the planners of D-day did care about the phase
  1136. of the Moon, either because of illumination or because of tides. I
  1137. think that Don Olsen recently discussed this in _Sky and Telescope_
  1138. (within the past several years).
  1139.  
  1140. In the 21st century use -8.3 days instead of -4 for the last number.
  1141.  
  1142. Conway also gives refinements for the leap year cycle and also
  1143. for the slight variations in the lengths of months; what I have
  1144. given should be good to +/- a day or so.
  1145.  
  1146. ------------------------------
  1147.  
  1148. Subject: C.12  What is the time delivered by a GPS receiver?
  1149. Author: Markus Kuhn <Markus.Kuhn@cl.cam.ac.uk>
  1150.  
  1151. Navstar GPS (global positioning system) is a satellite based
  1152. navigation system operated by the US Air Force. The signals broadcast
  1153. by GPS satellites, contain all information required by a GPS receiver
  1154. in order to determine both UTC and TIA highly accurately.  Commercial
  1155. GPS receivers can provide a time reference that is closer than 340 ns
  1156. to UTC(USNO) in 90% of all measurements, classified military versions
  1157. are even better.
  1158.  
  1159. ------------------------------
  1160.  
  1161. Subject: C.13 Why are there two tides a day and not just one?
  1162. Author: Joseph Lazio <jlazio@patriot.net>,
  1163.     Paul Zander <paulz@sc.hp.com>
  1164.  
  1165. An easy way to think of the Moon's effect on the Earth is the
  1166. following.  The Moon exerts a gravitational force on the Earth.  The
  1167. strength of the gravitational force decreases with increasing
  1168. distance.  So, because the surface of the ocean is closer to the Moon
  1169. than the sea floor, the surface water is attracted more strongly to
  1170. the Moon.  That's the tide that occurs (nearly) under the Moon.
  1171.  
  1172. What's happening on the other side of the Earth?  On the other side of
  1173. the Earth from the Moon, the sea floor is being pulled more strongly
  1174. toward the Moon than the surface water.  In essence, the surface water
  1175. is being left behind.  Voila, another bulge in the surface water and
  1176. another tide.
  1177.  
  1178. In principle, there should be two tides of equal height in a day.  In
  1179. practice, many parts of the earth do not experience two tides of equal
  1180. height in a day.
  1181.  
  1182. First, because the Moon's orbit is at an angle to the Earth's equator,
  1183. one tidal bulge may be in the northern hemisphere, while the other is
  1184. in the southern hemisphere.
  1185.  
  1186. Except around Antarctica, the shape of the Earth's continents prevent
  1187. the tidal bulges from simply following the moon.  Each ocean basin has
  1188. its own individual pattern for the tidal flow.  In the South Atlantic
  1189. Ocean, the tides travel from south to north, taking about 12 hours to
  1190. go from the tip of Africa to the equator.
  1191.  
  1192. In the North Atlantic, the tides travel in a counter-clockwise
  1193. direction going around once in about 12 hours.  The effect is similar
  1194. to water sloshing around in a bowl.  Because the two tides are roughly
  1195. equal, they are called semidaily or semidiurnal.
  1196.  
  1197. In some parts of the Gulf of Mexico, there is only one high tide and
  1198. one low tide a day.  These are called daily or diurnal tides.  In much
  1199. of the Pacific Ocean, there are two high tides and two low tides each
  1200. day, but they are of unequal height.  These are called mixed tides.
  1201.  
  1202. The traditional way to predict tides has been to collect data for
  1203. several years to have enough combinations of positions of the moon and
  1204. sun to allow accurate extrapolation.  More recently, computer models
  1205. have been made taking into account detailed shapes of the ocean
  1206. bottoms and coastlines.
  1207.  
  1208. Even the best predictions can have difficulties.  The extremely heavy
  1209. snow fall during the winter of 1994--95 in California and the
  1210. associated run-off as it melted were not part of the model for San
  1211. Francisco Bay.  Sail boat races scheduled to take advantage of tidal
  1212. currents coming into the Golden Gate found the current was still going
  1213. out!
  1214.  
  1215. Ref: Oceanography, A View of the Earth, M. Grant Gross, Prentice Hall,
  1216. Englewood Cliffs, New Jersey, 1972.
  1217.  
  1218. For even more details, see
  1219. <URL:ftp://d11t.geo.tudelft.nl/pub/ejo/tides> and
  1220. <URL:http://www.co-ops.nos.noaa.gov/restles1.html>.
  1221.  
  1222. ------------------------------
  1223.  
  1224. Subject: Copyright
  1225.  
  1226. This document, as a collection, is Copyright 1995--2003 by T. Joseph
  1227. W. Lazio (jlazio@patriot.net).  The individual articles are copyright
  1228. by the individual authors listed.  All rights are reserved.
  1229. Permission to use, copy and distribute this unmodified document by any
  1230. means and for any purpose EXCEPT PROFIT PURPOSES is hereby granted,
  1231. provided that both the above Copyright notice and this permission
  1232. notice appear in all copies of the FAQ itself.  Reproducing this FAQ
  1233. by any means, included, but not limited to, printing, copying existing
  1234. prints, publishing by electronic or other means, implies full
  1235. agreement to the above non-profit-use clause, unless upon prior
  1236. written permission of the authors.
  1237.  
  1238. This FAQ is provided by the authors "as is," with all its faults.  Any
  1239. express or implied warranties, including, but not limited to, any
  1240. implied warranties of merchantability, accuracy, or fitness for any
  1241. particular purpose, are disclaimed.  If you use the information in
  1242. this document, in any way, you do so at your own risk.
  1243.