Słońce zawraca w Strzelcu

Przypomnijmy na początek, że:

górowanie Słońca - to najwyższe położenie Słońca na niebie danego dnia, określa moment astronomicznego południa i wyznacza dokładnie kierunek południowy na półkuli północnej i północny - na południowej, w zależności od pory roku i szerokości geograficznej punktu obserwacji może mieć miejsce na różnych wysokościach nad horyzontem;

zenit - to najwyższy punkt na niebie, dokładnie nad głową obserwatora, na wysokości 90º nad horyzontem.

Górowanie Słońca w zenicie może zachodzić tylko na obszarze położonym pomiędzy równoleżnikami 23,5º, które nazywamy zwrotnikami (nazwa bierze się stąd, że nad tymi punktami Słońce zawraca w swojej pozornej rocznej wędrówce po niebie). Polska leży między równoleżnikami 49° i 54°, więc takie zjawisko u nas nie występuje.

W poniedziałek 21 XII 2009 nastąpiło przesilenie zimowe, czyli moment górowania Słońca w zenicie na najdalej wysuniętej na południe szerokości geograficznej, na jakiej górowanie w zenicie może nastąpić, czyli na zwrotniku Koziorożca. Na naszej półkuli był to najkrótszy, a na południowej - najdłuższy dzień kalendarzowego roku (tam nosi on nazwę przesilenia letniego). We Wrocławiu najkrótszy dzień trwa zaledwie 7 godzin i 42 minuty. Ze względu na długość roku i korekty kalendarza (lata przestępne) moment ten wypada obecnie w różnych latach w dniach 21, 22 lub 23 XII.

Na półkuli północnej Słońce góruje wtedy najniżej nad horyzontem, a cień rzucany w południe jest najdłuższy z możliwych w roku (też mierzonych rzecz jasna w południe - najdłuższe cienie w ogóle mamy oczywiście codziennie o wschodzie i zachodzie Słońca). Wysokość górowania Słońca nad horyzontem, czyli innymi słowy kąt padania promieni słonecznych w południe, można tego dnia wyznaczyć ze wzoru h = 90° - 23,5° - φ, gdzie φ jest szerokością geograficzną miejsca obserwacji. We Wrocławiu leżącym na 51° szerokości geograficznej północnej Słońce góruje tego dnia na wysokości 15,5° nad horyzontem.

Za to 21 VI 2009 nastąpiło na półkuli północnej przesilenie letnie, czyli moment górowania Słońca w zenicie na najdalej wysuniętej na północ szerokości geograficznej, na jakiej górowanie w zenicie może nastąpić, czyli na zwrotniku Raka. Na naszej półkuli nastąpi wtedy najkrótsza, a na południowej - najdłuższa noc kalendarzowego roku, nazywana u nas nocą Świętojańską (od przypadającej wtedy wigilii święta św. Jana). Najdłuższy w roku dzień trwa we Wrocławiu 16 godzin i 18 minut.

Na półkuli północnej Słońce góruje wtedy najwyżej nad horyzontem, a cień rzucany w południe jest najkrótszy ze wszystkich możliwych. Wysokość górowania Słońca nad horyzontem, czyli kąt padania promieni słonecznych w południe, można tego dnia wyznaczyć ze wzoru h = 90° + 23,5° - φ, gdzie φ jest szerokością geograficzną miejsca obserwacji. We Wrocławiu (φ=51°N) Słońce góruje tego dnia na wysokości 62,5° nad horyzontem.

Rys. 1 

Oczywiście na równiku, bez względu na porę roku i wysokość górowania Słońca, dzień i noc są równe, a wschód i zachód Słońca następuje zawsze o tej samej porze. Niezwykłe jest tylko to, że górowanie ma miejsce przez pół roku po północnej, a przez kolejne pół po południowej stronie nieba.

W dniach równonocy wiosennej (20/21 III) i jesiennej (22/23 IX) górowanie Słońca w zenicie ma miejsce nad równikiem. Są to dni wyjątkowe, bo wtedy na całej kuli ziemskiej (a nie tylko na równiku) w ciągu doby Słońce przebywa tyle samo czasu nad i pod linią horyzontu. Można powiedzieć, że dzień i noc są wtedy równe i stąd wzięła się właśnie nazwa równonocy. Jest to jednak prawdą tylko w odniesieniu do dnia i nocy astronomicznej, czyli mierzonej do momentu schowania się za horyzontem środka tarczy słonecznej. Dzień cywilny zaczyna się lub kończy, gdy padają pierwsze lub ostatnie promienie ze skraju tarczy słonecznej, kiedy środek tarczy jest jeszcze albo już pod horyzontem. Faktycznie w czasie równonocy dzień jest dłuższy od nocy o kilka minut.

W dniach równonocy w każdym miejscu na Ziemi Słońce wschodzi dokładnie na wschodzie, a zachodzi na zachodzie (oczywiście górowanie codziennie odbywa się dokładnie na południu na półkuli północnej i dokładnie na północy, na półkuli południowej - poza równikiem, gdzie występuje raz po jednej, raz po drugiej stronie nieba - ale miejsca wschodu i zachodu przesuwają się). To dwa dni w roku, gdy promienie słoneczne padają na równik pod kątem 90°. Nad każdym innym punktem kuli ziemskiej górowanie Słońca następuje w te dni na wysokości h° nad horyzontem, gdzie h = 90° - φ, a φ jest szerokością geograficzną miejsca obserwacji. We Wrocławiu Słońce góruje w dni równonocy na wysokości 39° (patrz rys. 1 powyżej). Przekształcając podany wzór, widać, że w dni równonocy łatwo jest wyznaczyć szerokość geograficzną punktu obserwacji, należy tylko zmierzyć wysokość górowania Słońca. 

Dni równonocy w sposób zadziwiający przebiegają na obu biegunach. Zastanów się, jak może to wyglądać. Odpowiedź znajdziesz na końcu tego artykułu.

W roku 2011 astronomiczna wiosna rozpoczęła się 20 III o godz. 6:14. I choć przyzwyczajeni jesteśmy do daty 21 III, na jakiś czas trzeba będzie o niej zapomnieć. W naszej strefie czasowej wiosna rozpoczynać się będzie 20 III aż do 2047 roku, od 2048 będzie to 19 lub 20 III, a do daty 21 III powrócimy dopiero w roku 2102.

Dokładne daty przesileń i równonocy można wyznaczyć za pomocą darmowego programu Laboratorium Cybermoon.

Oś Ziemi, czyli prosta łącząca biegun północny i południowy, nie jest ustawiona prostopadle do płaszczyzny orbity, po której Ziemia obiega Słońce. Gdyby tak było, górowanie w zenicie występowałoby zawsze tylko nad równikiem, Słońce zawsze wschodziłoby dokładnie na wschodzie i zachodziło na zachodzie, a każdy dzień byłby równy nocy (patrz rys. 2a). Czyli byłoby raczej nudno.

Jednak oś Ziemi nachylona jest pod magicznym kątem 23,5º do płaszczyzny orbity. Kąt ten po raz pierwszy wyznaczono w Chinach około 1100 roku p.n.e. na podstawie różnic długości cieni. To z powodu tego właśnie odchylenia obserwujemy pozorną roczną wędrówkę Słońca na niebie pomiędzy zwrotnikami (patrz rys. 2b). Drogę tę nazywamy ekliptyką. Dni przesilenia następują w momencie skrajnego odchylenia położenia Słońca od płaszczyzny równika, a dni równonocy w momentach, gdy droga Słońca przecina płaszczyznę orbity Ziemi.

Od czasów Mikołaja Kopernika wiemy, że wszystkie ruchy Słońca na ziemskim niebie są pozorne. W rzeczywistości to Ziemia wiruje wokół własnej osi, zatem w ciągu dnia to nie Słońce, ale punkt, w którym się znajdujemy, wschodzi (tzn. wchodzi w strefę słonecznego światła) i zachodzi (czyli wchodzi w strefę mroku), gdy ta część Ziemi, na której on się znajduje, odwróci się od Słońca. Jednak gdy obserwator znajduje się na Ziemi, nie może jej ruchu bezpośrednio zaobserwować (to tak, jakby jechać idealnie resorowanym samochodem - ma się wtedy wrażenie, że samochód i wszystko, co w nim jest, pozostaje nieruchome, a drzewa i inne obiekty na zewnątrz uciekają do tyłu). To dlatego tak trudno było zorientować się pierwszym astronomom, jak jest naprawdę.

Podobnie jest z pozorną wędrówką Słońca na niebie w ciągu roku. Kopernik ogłosił, że to Ziemia w ciągu roku okrąża nieruchome Słońce, ale ziemskiemu obserwatorowi wydaje się, że jest na odwrót i że to Słońce przesuwa się wokół Ziemi na tle gwiazd. Poniższy rysunek wyjaśnia, jak powstaje to złudzenie.

Rys. 3

W V w. p.n.e. wyróżniono i nazwano 12 gwiazdozbiorów leżących na niebie wzdłuż ekliptyki. Nazwano je zodiakiem, czyli zwierzyńcem (wśród gwiazdozbiorów zodiaku tylko Waga nie jest ożywiona). Roczna droga Słońca została w ten sposób podzielona na 12 równych łuków i każdemu przypisano znak, będący nazwą gwiazdozbioru, w którym ten łuk leżał. Był to pierwowzór rocznego kalendarza podzielonego na 12 miesięcy. Takie kalendarze umieszczano często razem z zegarami dobowymi na wieżach ratuszowych najbogatszych miast Europy.

Aby określić jakiś dzień w roku, podawano, w którym znaku na ekliptyce znajdowało się wtedy Słońce. Oczywiście nie dało się tego zaobserwować bezpośrednio, bo gdy Słońce jest na niebie, nie widać żadnych gwiazd, dlatego ustalenie położenia Słońca na tle gwiazd odbywało się na podstawie obserwacji prowadzonych o świcie lub o zmierzchu albo podczas zaćmień Słońca, gdy na chwile na niebie ukazywały się gwiazdy.

W dniu przesilenia zimowego Słońce wchodziło w znak Koziorożca, dlatego równoleżnik, nad którym tego dnia Słońce górowało w zenicie nazwano zwrotnikiem Koziorożca. Natomiast w dniu przesilenia letniego Słońce wkraczało w znak Raka i stąd wzięła się nazwa zwrotnik Raka.

Tak było 2000 lat temu, gdy nadawano nazwy tym równoleżnikom. Dziś, na skutek precesji, czyli ruchu osi obrotu Ziemi, która nie jest nieruchoma lecz zakreśla powierzchnię boczną stożka (podobnie do osi wirującego bąka, którego próbujemy wytrącić z równowagi), w momencie przesilenia zimowego Słońce znajduje się w gwiazdozbiorze Strzelca, a w dniu przesilenia letniego - w Bliźniętach, ale tradycyjne nazwy zwrotników pozostały niezmienione.

W wielu kulturach przesilenia i równonoce były okazją do świętowania. Na przykład noc Kupały zwana też Sobótką to słowiańskie święto wody, ognia i miłości związane z przesileniem letnim, obchodzone w najkrótszą noc w roku. W czasach chrześcijańskich pogańskie obrzędy połączono z kultem św. Jana, stąd dzisiejsza nazwa - noc świętojańska.

Z równonocą wiosenną związany jest sposób wyznaczania daty Wielkanocy, która tradycyjnie musi wypadać w niedzielę. W 325 roku na Soborze Nicejskim ustalono, że będzie to pierwsza niedziela wypadająca po pierwszej pełni Księżyca, która wypadnie po równonocy.

Natomiast podczas przesilenia zimowego w starożytnym Rzymie obchodzono Saturnalia, w Persji narodziny bóstwa Słońca - Mitry, wśród ludów germańskich - Jul, a u Słowian - Święto Godowe. Na początku naszej ery w kalendarzu juliańskim dzień przesilenia zimowego wypadał 25 XII i stąd wzięła się data Bożego Narodzenia.

Od przesilenia zimowego zaczyna się też pierwsza w kalendarzu pora roku - na półkuli północnej jest to astronomiczna zima. Czy zastanawialiście się, dlaczego tak się dzieje, że w swojej rocznej wędrówce po orbicie wokół Słońca Ziemia przechodzi przez wszystkie pory roku? Dlaczego położenie Ziemi w jednej części tej orbity sprowadza do nas zimę, a w innej lato?

Wiadomo, że w ciągu roku zmienia się odległość Ziemi od Słońca. Jest to następstwem pierwszego prawa Keplera: planety poruszają się po orbitach eliptycznych, a Słońce znajduje się w jednym z ognisk tego toru. Dawniej astronomowie myśleli (a i dziś uważa tak wiele osób), że właśnie stad biorą się pory roku. Gdy Ziemia jest bliżej Słońca, ono bardziej ją ogrzewa i mamy wtedy lato, a gdy jest dalej - ogrzewa ją słabiej i mamy zimę. Tę teorię już dawno obalono, bowiem jeszcze w XVI wieku z relacji wielkich podróżników dowiedziano się, że kiedy na półkuli północnej jest zima, to na południowej jest lato i na odwrót.  Gdyby zima na półkuli północnej brała się stąd, że zwiększyła się odległość Ziemi od Słońca, to na półkuli południowej nie mogłoby być lata. Zatem zmiana odległości Ziemi od Słońca nie ma żadnego związku z występowaniem pór roku. Dziś wiadomo zresztą, że najbliżej Słońca Ziemia znajduje się właśnie w zimie - ok. 3 stycznia, a najdalej w lecie - ok. 3 lipca. Dokładne daty położenia Ziemi najbliżej (peryhelium) i najdalej (aphelium) od Słońca można wyznaczyć za pomocą darmowego programu Laboratorium Cybermoon.
Musi być jakieś inne wyjaśnienie tego zjawiska!

Pory roku również biorą się stąd, że oś obrotu Ziemi (tzn. prosta przechodząca przez oba bieguny) nie jest ustawiona prostopadle do płaszczyzny orbity, po której Ziemia okrąża ona Słońce, ale odchylona od niej o 23,5º. Ważne jest jednak, że kierunek tej osi względem gwiazd nie zmienia się przez cały rok. Taką tezę postawił Mikołaj Kopernik i choć podane przez niego uzasadnienie było trochę niezgrabne, teza okazała się słuszna. To ona właściwie tłumaczy zjawisko następowania po sobie pór roku.

Rysunek powyżej przedstawia oświetlenie Ziemi w dniu przesilenia zimowego 21 XII. Wtedy biegun północny jest odchylony od Słońca, a południowy skierowany ku Słońcu. Dlatego przez całą dobę do bieguna północnego nie dociera światło. Panuje tam noc polarna. Dzieje się tak nie tylko na biegunie północnym, ale na całym obszarze w obrębie 23,5° od niego (w zależności od szerokości geograficznej noc polarna może trwać kilka dób, kilka tygodni, a na samym biegunie trwa pół roku). Okrąg zamykający ten obszar nazywamy kołem podbiegunowym północnym, a obszar wewnątrz to Arktyka. Za to na biegunie południowym jest odwrotnie - sam biegun i obszar (zwany Antarktyką) w obrębie 23,5º od niego (czyli wewnątrz koła podbiegunowego południowego) oświetlony jest przez całą dobę. Trwa tam dzień polarny.

A co można powiedzieć o miejscach takich, jak Wrocław, czyli leżących na półkuli północnej, ale na południe od koła podbiegunowego? Otóż każde z nich będzie oświetlone w ciągu doby krócej niż 12 godzin (im bliżej koła podbiegunowego leży punkt, tym dzień tam będzie krótszy, a noc dłuższa). Na półkuli południowej jest na odwrót: tam dzień jest dłuższy od nocy i staje się tym dłuższy im bliżej koła podbiegunowego południowego się przesuwamy.

Zatem w grudniu na półkuli południowej jest cieplej niż na północnej, gdyż dni są tam dłuższe. Poza tym dociera tam więcej światła słonecznego, gdyż kąt padania promieni słonecznych na tę półkulę jest większy (tzn. bliższy kąta prostego - patrz rys. 4).

Na rysunku poniżej widzimy, jak oświetlenie kuli ziemskiej zmienia się w ciągu roku. Położenie A odpowiada przesileniu zimowemu. Z kolei w położeniu C tzn. ok. 21 VI, w dniu przesilenia letniego na półkuli północnej, sytuacja całkowicie się odwraca. Wtedy to biegun północny pochylony jest ku Słońcu, a południowy odchylony od niego, i przeprowadzając podobne rozumowanie można wykazać, że na półkuli północnej jest wtedy ciepło (zaczyna się lato), a na południowej zimno (zaczyna się zima).

Kiedy Słońce znajduje się nad jakimś punktem w zenicie, jego promienie padają prostopadle do powierzchni i uzyskuje on maksymalne możliwe oświetlenie słoneczne. To znaczy, że jest tam wtedy najcieplej. Wiemy już, że Słońce w zenicie może znaleźć się tylko w pasie między zwrotnikami. Obszar ten nazywamy strefą równikową lub tropikalną (tropic to po angielsku zwrotnik). Ze względu na duży kąt padania promieni słonecznych przez cały rok, w tej strefie jest najcieplej. Obszar, gdzie Słońce nigdy nie góruje w zenicie, ale świeci codziennie (są to na obu półkulach pasy od zwrotnika do koła podbiegunowego) nazywany jest strefą umiarkowaną. W niej leży Polska, która rozciąga się na szerokości geograficznej północnej między równoleżnikami 49° i 54°. Za kołami podbiegunowymi, czyli na szerokościach powyżej 66,5° przez połowę roku występuje dzień, a przez drugą - noc. Są to strefy polarne i jest tam najzimniej.

W położeniach B i D orbity (na rys. 5) ani obszar bieguna północnego, ani południowego nie jest nachylony ku Słońcu. Wtedy na żadnej półkuli nie ma przewagi dnia nad nocą, czyli są to momenty równonocy (wiosennej lub jesiennej). Wtedy dzień zrównuje się z nocą prawie w każdym miejscu na Ziemi. A dlaczego "prawie" w każdym?

Nie jest bowiem prawdą, że w pobliżu obu biegunów przez 12 godzin trwa dzień i przez 12 trwa noc. To, co dzieje się na biegunach w porze równonocy jest naprawdę niezwykłe. Zgodnie z podaną wcześniej zależnością, wysokość górowania Słońca w dniach równonocy wynosi h = 90° - φ, gdzie φ jest szerokością geograficzną, zatem dla bieguna wynosi 90°. Oznacza to, że h=0°. Obserwator znajdujący się na jednym z biegunów ujrzy wycinek tarczy słonecznej przesuwający się po całym widnokręgu w ciągu 24 godzin. Reszta tarczy pozostaje niewidoczna, schowana za horyzontem (widzi ją obserwator na przeciwnym biegunie). To znaczy, że o każdej porze doby niebo będzie wyglądało tak, jakby właśnie trwał wschód lub zachód Słońca. Dlaczego tak się dzieje?

Rys. 6

To zjawisko przewidział i opisał Kopernik w XVI wieku, choć na biegun pierwsi zdobywcy dotarli dopiero w XX wieku i dopiero wtedy mogli te przypuszczenia potwierdzić. Otóż 21 VI w dniu przesilenia letniego na półkuli północnej obserwator na biegunie północnym widzi Słońce przez całą dobę na maksymalnej możliwej dla bieguna wysokości, czyli h = 90° + 23,5° - φ = 23,5° (a więc dużo wyżej niż we Wrocławiu w czasie zimy). Na biegunie panuje wtedy dzień polarny, więc Słońce nie zachodzi, ale na skutek ruchu wirowego Ziemi obserwator widzi je codziennie jak porusza się na niebie po okręgach równoległych do płaszczyzny horyzontu, ale leżących coraz niżej nad tą płaszczyzną. Aż w dniu równonocy Słońce odbywa swoją wędrówkę wzdłuż linii horyzontu, a w kolejnych dniach znika za horyzontem i na biegunie północnym zapada kilkudziesięciodniowy zmierzch, a później polarna noc. Tymczasem nad biegunem południowym od kilkudziesięciu dni utrzymuje się już polarny świt, później następuje wschód Słońca, rozpoczynający polarny dzień, a od równonocy Słońce zaczyna wspinać się po analogicznych okręgach coraz wyżej nad horyzontem bieguna południowego, aż 21 XII w dniu równonocy letniej na tamtej półkuli osiągnie maksymalną wysokość 23,5° i zacznie obniżać się, poruszając nadal w ciągu dnia po równoległych do płaszczyzny horyzontu okręgach. O zjawiskach zmierzchu i świtu więcej przeczytasz tutaj. 

Ciekawym zjawiskiem zachodzącym podczas nocy polarnych w strefie podbiegunowej są zorze polarne. Natomiast podczas dnia polarnego na obszarach położonych blisko kół podbiegunowych, ale na niższych od nich szerokościach, występują tzw. białe noce. Więcej możesz o nich przeczytać na Portalu tutaj.