No i zaczęła się zima. Co to jest przesilenie zimowe? Symulator ruchu Słońca po niebie wszystko wyjaśni.

Co to jest roczna wędrówka Słońca po ekliptyce? Symulator i garść wiedzy dla wytrwałych, z której wynika wszystko

By wyobrazić sobie dobrze zagadnienie ruchu Słońca pomocne będą tu ilustracje/animacja, z których korzysta każdy student astronomii lub uczeń zgłębiający podstawy ruchu Słońca po niebie. Z tą wiedza uczniowie zaznajamiają się tygodnie, my postaramy się ogarnąć zagadnienie znacznie szybciej.

Roczny pozorny ruch Słońca po niebie to konsekwencja rzutowania jego aktualnej pozycji na znajdujące się w tle gwiazdozbiory. Co prawda w dzień nie widzimy gwiazd, ale one są obecne (fot: Tauʻolunga / Wikipedia / CC-BY-SA 3.0)

Wszystko wyjaśnimy na bazie symulatora on-line dziennego i rocznego ruchu Słońca po niebie. Za jego pomocą łatwo zwizualizujemy sobie dzienny i roczny ruch Słońca po niebie, a także wyjaśnimy dlaczego dni w grudniu są takie krótkie w Polsce, a długie w Nowej Zelandii.

Opcje General settings pozwalają nam wyświetlić, po zaznaczeniu pól wyboru, kolejno - tor ruchu Słońca w danym dniu, okrąg ekliptyki, nazwy miesięcy odpowiadające pozycjom Słońca na ekliptyce, sferę nieba pod horyzontem oraz ludzika wraz z rzucanym przez niego cieniem. Pozostałe opcje służą dostosowaniu pozycji obserwatora i momentu rozpoczęcia animacji.

 
Za pomocą przeciągnięcia kursorem myszy na animacji można zmienić orientację obrazu w symulatorze. Powyżej dwa z wielu ustawień

Otóż Słońce każdego dnia roku wykonuje postrzegany przez obserwatora na Ziemi ruch po sferze niebieskiej po torze, który można przybliżyć okręgiem (w rzeczywistości po elipsie, w symulatorze ma on żółty kolor) leżącym w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny równika niebieskiego (w symulatorze jest to niebieski okrąg). Równik niebieski to nic duchowego, a po prostu wynik rzutowania równika ziemskiego na sferę niebieską. Równik ziemski i niebieski leżą w tej samej płaszczyźnie. Niebieski półokrąg to pozycja koła godzinnego 0^h, dla nas mniej istotna.

Tor (żółty okrąg) ruchu Słońca po niebie dla obserwatora w Polsce w dniu przesilenia zimowego, równonocy wiosennej (lub jesiennej) i przesilenia letniego

Płaszczyzna równikowa nachylona jest do płaszczyzny horyzontu (zielona płaszczyzna w symulatorze) pod kątem równym 90 stopni minus szerokość geograficzna miejsca, w którym się znajdujemy (w symulatorze możemy zmieniać naszą pozycję suwakiem na mapce świata). I tak na równiku ten kąt jest równy 90 stopni, na biegunach 0 stopni, a w Polsce to około 38 stopni, bo u nas szerokość geograficzna to mniej więcej 52 stopnie.

Ekliptyka to okrąg na niebie (w symulatorze biały okrąg), który leży w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny równika niebieskiego o 23,5 stopnia. Tak, dokładnie tyle ile wynosi nachylenie osi obrotu Ziemi, gdyż ekliptyka jest torem po którym w ciągu roku pozornie porusza się Słońce. 

Każdego dnia Słońce znajduje się na ekliptyce w ściśle określonej pozycji (w symulatorze jest to żółta kropka, która leży na styku białego okręgu ekliptyki i żółtego okręgu dziennego ruchu Słońca), tak samo jak Ziemia znajduje się na orbicie w konkretnej pozycji względem Słońca. Każdego też dnia ekliptyka wykonuje pozorny obrót wokół osi obrotu Ziemi niczym wirująca moneta na stole. Ten ruch jest odzwierciedleniem obrotu Ziemi wokół własnej osi.

Tor (żółty okrąg) ruchu Słońca po niebie dla obserwatora w Nowej Zelandii w dniu przesilenia zimowego w Polsce (letniego na południowej półkuli nieba), równonocy wiosennej (lub jesiennej) i przesilenia letniego w Polsce (zimowego na południowej półkuli nieba)

Ten ruch sprawia, że Słońce w ciągu dnia porusza się po wspomnianym okręgu w płaszczyźnie równoległej do równika niebieskiego (w symulatorze mamy suwak Animation speed, by określić szybkość animacji ruchu słońca po wciśnięciu przycisku Start animation). Gdy mamy lato w Polsce ten okrąg znajduje się ponad równikiem (lub na północ od niego), a większość tego okręgu jest nad horyzontem. To dlatego dni są latem długie. Gdy jest zima, sytuacja jest odwrotna, większość tego okręgu jest pod horyzontem, dlatego dni są krótkie. Każdego kolejnego dnia (w praktyce w każdej kolejnej sekundzie) Słońce jest na ekliptyce już w innej pozycji i zataczany okrąg (tor dobowy ruchu Słońca po niebie) w wyniku ruchu ekliptyki leży w nieco innej płaszczyźnie.

Przesilenie zimowe to właśnie moment, gdy wspomniane okręgi, odpowiadające dziennemu ruchowi Słońca po niebie, przestają się oddalać od równika, a zaczynają zbliżać. Coraz większą ich cześć znowu mamy nad horyzontem i dlatego dnia przybywa. Na biegunach te okręgi są równoległe do horyzontu i zmienia się w ciągu roku tylko ich wysokość nad tymże horyzontem. Z tego tez powodu mamy tam zjawisko nocy i dnia polarnego, bo przez cześć roku Słońce, albo cały czas jest nad horyzontem, albo znika na dłużej pod nim. Są też dni gdy cały dzień tarcza słoneczna ślizga się po horyzoncie.

Tor (żółty okrąg) ruchu Słońca po niebie dla obserwatora na biegunie północnym w dniu przesilenia zimowego (noc polarna), równonocy wiosennej (lub jesiennej) i przesilenia letniego (dzień polarny). Na biegunie południowym sekwencja obrazów byłaby odwrotna

Tor (żółty okrąg) ruchu Słońca po niebie dla obserwatora na równiku w dniu przesilenia zimowego, równonocy wiosennej (lub jesiennej) i przesilenia letniego. Jak widać każdy dzień trwa tyle samo, niezależnie od pory roku

Na równiku sytuacja jest odmienna. Zawsze połowa każdego z okręgów oznaczających dobowy tor ruchu Słońca jest nad horyzontem, niezależnie od pory roku. I dlatego dzień o noc są tam w przybliżeniu tak samo długie przez cały rok (ze względu na refrakcję atmosferyczną, która zauważalnie podnosi pozorną pozycję obiektów na niebie gdy są blisko horyzontu, dzień na równiku zawsze jest minimalnie dłuższy od 12 godzin).

A my w Polsce mamy raz dni tak krótkie jak 7 godzin 42 minuty i 10 minut, albo tak długie jak 16 godzin 46 minut i 40 sekund. To, aż około 9 godzin różnicy. Poniższa animacja podsumowuje zmianę położenia Słońca na niebie w Polsce w ciągu roku w dniach przesileń i równonocy.

Obejrzyj w