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

Możecie pewnie powiedzieć, że w zasadzie, żadna mi tam nowość, a jednak czasem taka wiedza, jak dlaczego latem jest ciepło, choć Słońce jest najdalej od Ziemi, czy jak wiele zamieszania wywołują strefy czasowe, albo dlaczego w południe Słońce nie zawsze jest dokładnie na południu, potrafi umknąć. Poza tym, choć pewne rzeczy rozumiemy intuicyjnie, warto też czasem ogarnąć je konkretnie, bo przy okazji to niezła gimnastyka dla umysłu.

Przesilenie jest konsekwencją nachylenia osi obrotu Ziemi do płaszczyzny ekliptyki, czyli tej w której porusza się wokół Słońca. Przesilenie to też moment, w którym Słońce w momencie swojej rocznej podróży po ekliptyce osiąga położenie, w którym jest najdalej od równika niebieskiego. Takie momenty są dwa, letnie przesilenie, które w 2023 roku nastąpi o godzinie 16:58 w dniu 21 czerwca, oraz zimowe przesilenie, które miało miejsce o godzinie 22:48 w dniu 21 grudnia, a za rok przydarzy się dzień później 22 grudnia i to nocą o godzinie 4:27.

Moment przesilenia zimowego to ten moment w roku, gdy dnia przestaje ubywać, a zaczyna przybywać. To jednak nie jest moment, gdy Ziemia znajduje się najbliżej Słońca. Następuje on dopiero około dwóch tygodni później

Dwa tygodnie później, dokładnie 4 stycznia 2023 o godzinie 17:17, Ziemia w swojej rocznej podróży wokół Słońca znajdzie się w peryhelium orbity, czyli najbliżej naszej dziennej gwiazdy na przestrzeni roku. Będzie to odległość 147 098 925 kilometrów, jedna z większych na przestrzeni ostatnich lat.

Astronomiczna zima zaczyna się w dniu przesilenia zimowego, jednak dla meteorologów nadejście zimy ma miejsce już kilka tygodni wcześniej. Ta rozbieżność to konsekwencja niezgodności obecnego kalendarza z rzeczywistym cyklem zmian temperatury w ciągu roku.

To w zasadzie wszystko, ale jeśli chcecie wiedzieć więcej, czytajcie dalej.

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.

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.

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 0h, dla nas mniej istotna.

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.

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.

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.

Zastanawiać was może fakt, że przesilenie zimowe nie jest momentem, w którym Ziemia jest najbliżej Słońca, a także że dokładna data obu tych momentów ulega drobnym, ale dostrzegalnym zmianom co roku.

Gdyby Ziemia poruszała się wokół Słońca dokładnie po okręgu, a oś obrotu Ziemi znajdowała się w tej samej płaszczyźnie co linia łącząca punkty położenia Ziemi w największej (aphelium) i najmniejszej (peryhelium) odległości od Słońca, wszystko byłoby proste. Wystarczyłoby raz podać godzinę i dzień przesilenia. Nie byłoby też problemu ze zmienną odległością Ziemia-Słońce, bo przy ruchu po okręgu byłaby ona stale ta sama.

Zmienność dokładnej godziny i dnia przesilenia zimowego (jak i letniego) z roku na rok to konsekwencja ruchu Ziemi po elipsie wokół Słońca, a także drobnych, ale ciągłych, zmian w położeniu osi obrotu Ziemi.

Jednak rzeczywistość nie jest idealna, nasz kalendarz również, i dlatego dokładne momenty, gdy nastąpi przesilenie każdego roku są nieco inne, a największe zbliżenie Ziemi do Słońca ma miejsce około dwóch tygodni po przesileniu zimowym.

To konsekwencja zaburzeń grawitacyjnych, których źródłem jest Księżyc (w mniejszym stopniu inne planety), a które wpływają na zmiany najmniejszego dystansu Ziemia-Słońce w styczniu i podobnie największego dystansu w lipcu. Rozrzut w minimalnej (maksymalnej) odległości Ziemia-Słońce na przestrzeni dziesiątek lat wynosi około 29 tysięcy kilometrów. Pomijamy tu zmiany w skali dłuższej niż życie człowieka, a nawet istnienia cywilizacji, które mają jeszcze inne źródło.

Najdalej od Słońca w XXI wieku, w swoim rocznym obiegu, Ziemia znajdzie się 5 stycznia 2098 roku. Najmniejsza odległość w tym stuleciu przydarzyła się w 2020 roku

Uzbrojeni w tę wiedzę, być może kiedyś zdobędziecie punkty odpowiadając na astronomiczne pytanie w jakimś konkursie, a tymczasem możemy czekać spokojnie na przykład na pierwszą gwiazdkę w Wigilię. Kiedy ona pojawi się na niebie? O tym w kolejnym materiale.

Źródło: inf. własna, Sun Motion Simulator @ github