Dni bez nocy i noce bez dni

 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.