011021
Jesień
zaczęła się o godzinie o 21.21 w dniu 22 września. Hmm, jak można
wyliczyć początek pory roku z minutową dokładnością? Tym razem
nie poprzestałem na zdziwieniu, tylko pomyszkowałem po stronach
www. Sprawa okazała się prosta, a granica między porami roku
faktycznie możliwa do dokładnego wyliczenia i mająca konkretne
uzasadnienie. To, co kiedyś sprawiało mi kłopot, wyjaśniłem,
chociaż z wyjaśnieniem czytelnikom łatwo nie będzie.
Wiadomo,
że Ziemia obiega Słońce, co zajmuje jej calutki rok, bo rok jest
właśnie czasem obiegu planety wokół naszej gwiazdy. Płaszczyzna,
po której krąży Ziemia, nazywa się ekliptyką; w jej środku tkwi
Słońce. Ziemia obraca się wokół swojej osi, czyli kręci się
jak bączek, dzięki czemu mamy noce i dnie, ale oś jej obracania
się, czyli linia biegnąca przez obydwa bieguny, jest pochylona
względem płaszczyzny rocznego obiegu wokół Słońca, czyli
względem ekliptyki. Bieguny, to właśnie miejsca osi obrotu. Nic
tam w rzeczywistości nie ma, to miejsca wyliczone na podstawie
pomiarów. Te punkty nie zataczają okręgu w czasie obracania się
Ziemi, a kręcą się w miejscu. Jakbyśmy piłkę nadziali na cienki
drut i nią kręcili trzymają oba końce drutu: miejsca jego wbicia
w płaszczyznę piłki to bieguny.
Tutaj
uwagą językowa: jeśli mamy na myśli ciała niebieskie, ich nazwy
piszemy wielką literą.
Polonista
z PWN tak wyjaśnia tajniki pisowni.
Dodam
jeszcze uwagę o wzorach, liczbach i fachowych słowach: jeśli to
nie okaże się absolutnie konieczne, będę unikał ich
zamieszczania tutaj.
Więc
Ziemia jest nachylona względem ekliptyki, co skutkuje zmieniającym
się nasłonecznieniem różnych szerokości geograficznych planety,
a zatem istnieniu pór roku, na dokładkę odmiennych na obu
półkulach, czyli północnej i południowej, oraz zmieniających
się długości dni i nocy.
Jak to
się dzieje? Znalazłem niezłe rysunki, które tutaj wklejam; w ich
nazwy wpisałem strony, z których je skopiowałem.
Można
z nich wyciągnąć błędny wniosek o pochylaniu się i prostowaniu
Ziemi względem Słońca. Tutaj tkwi powód mojego niezrozumienia
sprzed lat, gdy próbowałem rozgryźć pewne niejasności. Nie,
Ziemia jest pochylona cały czas jednakowo, i WŁAŚNIE dlatego w
miarę swojego obiegu wokół Słońca jest zwrócona do niego górną
swoją połową lub dolną, albo „bokiem”. Oczywiście te
kierunki są umowne. Pojęcia góry i dołu wynikają z przyjętej
orientacji kuli ziemskiej na mapach. Po prostu pierwsze mapy były
rysowane przez obserwatorów mieszkających na półkuli północnej,
więc dla północy wybrali miejsce na górze map. Ten sposób tak
się utrwalił, że gdybyśmy obecnie próbowali rysować mapy
zorientowane na południe, mielibyśmy wrażenie patrzenia na
odwrócony obraz, czyli „do góry nogami”.
Jeśli
ktoś ma w domu globus, łatwo zaobserwuje zjawisko pozornej zmiany
nachylenia: wystarczy, że obejdzie globus dookoła, a zobaczy zmiany
przedstawione na rysunkach powyżej.
Jesień
i wiosna zaczynają się wtedy, gdy w południe słońce stoi w
zenicie nad równikiem, czyli świeci pionowo z góry, a więc domy,
ludzie i rzeczy nie rzucają cienia. Ponieważ równik dzieli Ziemię
na dwie równe części, czyli na połowy, na obu biegunach Słońce
świeci jednakowo. Tam ledwie się pokaże nad horyzontem; jego
promienie będą biegły po stycznej, czyli prawie poziomo, ale tak
samo będzie na biegunie południowym i północnym. W tych dniach oś
obrotu Ziemi, czyli linia biegnąca przez bieguny, jest prostopadła
do płaszczyzny ekliptyki, to znaczy do płaszczyzny po której nasza
planeta obiega Słońce. To warunek konieczny dla równomiernego
oświetlenia obu półkul i moment przełomowy. Widać to wyraźnie
na zdjęciach.
Wystarczyłoby
minimalna zmiana ustawienia Ziemi, by światło Słońca nie dotarło
na któryś biegun, a że zmiany następują w każdej chwili,
ponieważ wynikają z nieustającego, równomiernego obiegu Ziemi,
więc czas jednakowego oświetlania obu półkul jest chwilą, stąd
tak duża dokładność w ustaleniu chwili zmiany pór roku. Rezultat
zmiany jednodniowej można zaobserwować samemu, bo jest
kilkuminutową różnicą długości dnia i nocy, ale jeśli dokona
się dokładnych pomiarów, wtedy moment, w którym Słońce
dokładnie tak samo oświetla obie półkule, wyliczyć można z
sekundową dokładnością.
W tym
dniu dzień i noc na całej Ziemi są równe i trwają po 12 godzin.
Z wyjątkiem biegunów, ale do nich jeszcze wrócę, teraz wyjaśnię
tylko, dlaczego dni nie mają dokładnie po 12 godzin, a nieco
więcej. Otóż przyjęto, że dzień zaczyna się w chwili
pojawienia się pierwszego rąbka Słońca, a kończy, gdy ostatni
fragment zniknie za horyzontem. Samo chowanie się i wyłanianie
tarczy Słońca zajmuje trochę czasu, stąd różnica której nie
byłoby, gdyby brać po uwagę połowę tarczy Słońca, nie rąbek.
Przy
okazji uwaga o zmienności tych różnic. Otóż jeśli słońce
stało w zenicie, zachodzi chowając się pionowo w dół, natomiast
na dużych szerokościach słońce chowa się pod ostrym kątem,
jakby ślizgiem łagodnie zjeżdża pod horyzont. W pierwszym
przypadku „zagłębia” się pod horyzont szybciej niż w drugim,
co tłumaczy dość szybkie zapadanie ciemności, a rano nastawanie
jasności blisko równika; odwrotnie się dzieje bliżej biegunów,
stąd minutowe różnice w długości pór doby w czasie równonocy –
większe na północy niż w pobliżu równika.
Kiedyś
nie bez satysfakcji doszedłem do wniosku, co wyznaczają zwrotniki i
koła podbiegunowe. Cechy wyróżniające te miejsca widać na
rysunkach: zwrotniki wyznaczają najdalszy zasięg zenitu, czyli
świecenia Słońca w pionie w czasie najdłuższego dnia roku.
Oczywiście osobno na obu półkulach, ponieważ gdy u nas zaczyna
się lato, na antypodach zaczyna się zima.
Na
zwrotnikach jest jeden taki dzień w roku, między zwrotnikami (czyli
i na równiku) dwa razy w roku. Dlaczego dwa razy w roku? Bo zasięg
zenitu przesuwa się w stronę zwrotnika, osiąga tę linię (w
przypadku zwrotnika Raka będzie to w dniu 22 czerwca, a następnie
cofa się w stronę zwrotnika Koziorożca, gdzie dociera 22 września
i z powrotem. Stąd i nazwa linii: zwrotnik jako miejsce zawracania.
Poza
zwrotnikami, czyli bardziej na północ od zwrotnika Raka i na
południe od Koziorożca, Słońce nigdy nie świeci w zenicie.
Koła
podbiegunowe wyznaczają maksymalny zasięg występowania dnia
polarnego z lecie i nocy polarnej w zimie. Na linii koła północnego
w dniu 22 czerwca Słońce nie zachodzi całkowicie. Im bardziej
bylibyśmy na południe, tym dłuższa stawałaby się noc – od
minut blisko koła, stopniowo do dwunastu godzin na równiku. 22
grudnia na kole podbiegunowym północnym po raz pierwszy Słońce
nie wschodzi, natomiast w miarę przesuwania się na południe
wschodzi na dłużej, czyli noc ulega skracaniu – od blisko
dwudziestu czterech godzin w pobliżu koła, do dwunastu na równiku.
Dodam
jeszcze, że linia koła podbiegunowego jest wyliczona i dotyczy
idealnych warunków ukształtowania powierzchni. Ktoś, kto mieszka
na wzniesieniu, będzie widział Słońce, mimo że jego dom stoi
kawałek za kołem – i vice versa.
Szukałem
informacji o zachowaniu się Słońca nad biegunami, ale znalazłem
tylko powszechnie znane fakty o dniu i nocy polarnej. Wiadomo, że
Słońce nie zachodzi, ale jak się zachowuje na niebie?
Zaznaczę
tutaj, że do tego miejsca część informacji jest moja w tym
sensie, że sam doszedłem do takich wniosków, a część znalazłem
w internecie, ale dalej są już tylko moje wnioski, czy jak kto woli
spekulacje. Mogę się mylić, więc jeśli ktoś ma pewniejsze
wiadomości, proszę o komentarz.
Jak się
zachowuje Słońce w obrębie kół podbiegunowych i na biegunach?
Mam w
domu niewielki globus, ale od jego kręcenia tylko w głowie mi się
zakręciło, więc wziąłem się na sposób i zastosowałem metodę
zwaną ekstrapolacją. Nazwa sugeruje wymądrzanie się, ale w
rzeczywistości jest to sposób wnioskowania stosowany przez nas
wszystkich i to na co dzień.
Czy
dobrze się nią posłużyłem, mam nadzieję dowiedzieć się od
czytelników.
Na
równiku w pierwsze dni wiosny i jesieni Słońce wschodzi dokładnie
na wschodzie, zachodzi na zachodzie. Dni trwają tyle co noce, po 12
godzin. Nota bene, akurat tam cały rok tyle trwają. Jeśli w lecie
(na półkuli północnej) będziemy się przesuwać ku północy,
doświadczymy zmian, które w niewielkim stopniu możemy obserwować
sami, w życiu codziennym. Otóż Słońce nie dzieli już
nieboskłonu na połowy, bo świeci coraz dłużej, a przy tym wznosi
się niżej. Im bardziej na północ, tym bliżej północy Słońce
wschodzi i zachodzi, a jego droga, chociaż dłuższa, biegnie
niższym łukiem.
Wspomniałem
o możliwości zaobserwowania tych zmian samemu, bez specjalistycznej
wiedzy i przyrządów. Otóż wystarczy, mieszkając na południu
kraju, zadzwonić o zachodzie do znajomego mieszkającego nad morzem,
i zapytać o pozycję Słońca. Albo przed wyjazdem z Krakowa
sprawdzić godzinę zachodu, a na drugi dzień, już po przyjechaniu
do Ustki, sprawdzić ponownie. W skrajnych przypadkach (najdalej na
południe i najdalej na północy Polski) różnica wynosi godzinę,
ale z odmiennym znakiem zależnie od pory roku: w lecie dzień na
północy kraju jest dłuższy, w zimie krótszy niż na południu.
Pamiętam
pewną pogodną noc czerwcową, gdy wieczorem wyjechałem ciężarówką
w daleką drogę na północ: łuna zachodu świeciła trochę na
lewo od północnego kierunku, a ledwie zgasła, niewiele na prawo
pojawiła się Jutrzenka, czyli Eos. W tych dniach ta dziewczyna ma
przechlapane!
Na
rysunku, przy dacie 22 czerwca, widać wyraźnie, jak zwiększa się
długość obwodu Ziemi oświetlonej Słońcem, czyli długość
dnia, w miarę przesuwania się na północ, a na drugim, z datą 22
grudnia, jak się skraca.
Zmiany
są stopniowe, bez nagłych skoków, ponieważ Ziemia zmienia
położenie równomiernie i jest kulą, nie wykrzywionym kartoflem.
Im bliżej bieguna, tym dni są dłuższe, a przy tym Słońce niżej
szczytuje.
Jeśli
ta wyimaginowana wędrówka będzie w pierwsze dni lata, gdzieś w
okolicach Helsinek zauważymy zjawisko białych nocy: Słońce tak
niewiele się chowa pod horyzontem, że nie ma zupełnych ciemności.
Właściwie dlaczego nie jest ciemno, skoro nie ma Słońca? Ponieważ
powietrze ma zdolność jego rozpraszania. Po prostu cząsteczki
światła są odbijane przez cząsteczki powietrza, skręcają na
boki, można powiedzieć. Rozpraszają się.
Wyobraźcie
sobie dni z zachodem słońca o godzinie 23, a wschodem o pierwszej!
Podsumuję
zmiany pozycji Słońca: w lecie im dalej na północ, tym krótsze
noce, bo Słońce chowa się na krócej. Chowa się też płycej, a
to ważne. Jeśli przedłużymy ciąg znanych nam, obserwowanych
naocznie zmian, wiedzieć będziemy, jak się zachowuje w pobliżu
bieguna. Owe przedłużenie ciągu to właśnie ekstrapolacja.
Dalej
na północ noc będzie coraz krótsza aż stanie się chwilą, a na
linii koła podbiegunowego Słońce obniży się, zacznie chować się
pod horyzont, ale zaraz… zacznie się wznosić, by na niskim
pułapie obiec cały widnokrąg, najwyższą pozycję mając w
południe.
Przy
dalszej drodze na północ, czyli w stronę bieguna, zauważymy
stopniowe obniżanie się Słońca, jednak już niewielkie, a
jednocześnie mniejsze jego opadanie ku linii horyzontu o północy,
czyli będzie krążyć wokół nas po wyrównującej się linii.
Na
biegunie zanikną pionowe wahania pozycji Słońca. Będzie krążyć
po niebie zataczając pełny i równomierny obrót. Jak długo? Przez
pół roku: trzy miesiące stopniowego wznoszenia się i trzy
miesiące powolnego opadania z zachowaniem dwudziestoczterogodzinnego
obracania się wokół, aż w końcu w pierwszy dzień jesieni
zniknie na kolejne pół roku, przy czym zejście pod horyzont nie
będzie nagłą zmianą. Ponieważ Słońce ma swoją niemałą
wielkość (wizualną, widzianą z Ziemi), początkowo będzie się
ślizgać po linii horyzontu (albo chwilowo chować się za jakąś
lodową górką) i powoli, powoli znikać pod linią horyzontu. Nie
potrafię przeprowadzić odpowiednich obliczeń, więc tylko oszacuję
czas zachodu na kilka dni.
Może
tyle wystarczy, bo widzę, że naskrobałem, czyli wystukałem, dwie
bite strony.
Ciekawe,
czy kogoś zainteresowałem. Pomysł napisania tekstu zadanie jednak
spełnił: pogłębiłem i uporządkowałem swoją wiedzę.
Dla
ciekawskich podstępne zagadki:
W którą
stronę iść będąc na biegunie północnym, by iść na południe?
Jak tam jest z kierunkami zachodnim i wschodnim?
Byłem
też daleko od polityki, a to znaczny zysk.
A
propos, zagadka ułożona przeze mnie: kim jest człowiek, którego z
powodu braku jakichkolwiek norm etycznych i moralnych nie można
zatrudniać na stanowisku stróża składu złomu?
To
polityk.
Dobre
strony: tutaj, tutaj, i tutaj.
* * *
Późniejszy
dopisek.
Wymyśliłem
sposób na obliczenie czasu chowania się i pojawiania Słońca na
biegunach, czyli wschodu i zachodu. Oto on:
Średnica
kątowa Słońca wynosi 32’, czyli odrobinę ponad pół stopnia.
Co to znaczy? Że jeślibyśmy pociągnęli linie między nami a
górnym i dolnym rąbkiem Słońca, kąt między nimi wyniósłby pół
stopnia.
W
internecie przeczytałem, że Słońce nad biegunem północnym w
dniu 22 czerwca świeci będąc 23,5 stopnia ponad horyzontem. Czy to
dużo? Mało. Dla porównania w Polsce w południe najdłuższego
dnia roku jest około (bo to zależy od miejsca w naszym kraju) 62
stopnie nad horyzontem. W tym samym dniu nad biegunem
świeci tak, jak u nas w połowie listopada.
Więc
wspięło się 23,5 stopnia nad horyzont, gdzie było w dniu
równonocy, czyli 21 marca. Jeśli w ciągu trzech miesięcy, a więc
w 90 dni, podniosło się od zera do 23,5 stopnia, zatem podnosiło
się o jeden stopień w ciągu niecałych czterech dni, a więc o pół
stopnia w dwie doby. Te zwykłe ziemskie doby, bo trzeba pamiętać,
że na biegunach jedna doba trwa rok.
Wyszło
mi, że dwie doby mijają od pokazania się „czubka” Słońca, do
jego oderwania się od horyzontu, i tyle samo zajmuje jego chowanie
się. Oczywiście cały czas trzeba pamiętać o odkryciu Kopernika,
i dodawać zastrzeżenia „ pozorne chowanie się, pozorny ruch”.
Nie
jestem pewny poprawności obliczeń, bo nie znalazłem odpowiednich
informacji, to są wyłącznie moje domysły, proszę więc o
sprostowanie, jeśli się mylę.