Et fotografi af solen taget på samme tidspunkt hver dag vil give det visuelle mønster, som ses her,… kendt som et analemma. Den sammenklemte, 8-tals-lignende form skyldes de varierende faktorer i Jordens bane i rummet.
César Cantú / AstroColors
På et hvilket som helst tidspunkt af dagen kan man teoretisk set sætte et kamera op til at tage et billede af det landskab, der omfatter Solens tilsyneladende position på himlen. Hvis du kom tilbage den næste dag på nøjagtig samme tidspunkt, 24 timer senere, ville du opdage, at Solen havde ændret sin position en lille smule. Hvis du gjorde dette hver dag i et helt år, ville du opdage to vigtige ting:
- Solen ville endelig være vendt tilbage til sit udgangspunkt, ligesom Jorden vendte tilbage til det samme punkt i sin bane fra året før.
- Den form, du trak ud, ville ligne et 8-tal med den ene løkke større end den anden: en form, der er kendt som vores analemma.
Den kendsgerning, at Jorden kredser om Solen én gang om året, forklarer den første del. Men Solens bevægelse i dens særlige analemmaform skyldes en kombination af dybe årsager. Lad os finde ud af hvorfor.
Jorden i kredsløb om Solen, med dens rotationsakse vist. Alle verdener i vores solsystem… har årstider, der er bestemt af enten deres aksiale hældning, ellipticiteten af deres baner eller en kombination af begge dele.
Wikimedia commons bruger Tauʻolunga
Den første store bidragsyder til Solens tilsyneladende bevægelse er det faktum, at Jorden kredser om Solen, mens den hælder om sin akse. Jordens aksiale hældning på ca. 23,5° sikrer, at observatører på forskellige steder vil se Solen nå højere eller lavere positioner over horisonten i løbet af året. Når din halvkugle hælder mod Solen, vil Solens maksimale position stige tættere på zenit, mens når din halvkugle hælder væk, vil Solens maksimale position afvige længere fra zenit.
Når din halvdel af verden hælder mod vores moderstjerne, fremstår Solens bane gennem himlen længere, stiger højere op og giver os flere timer med dagslys end i gennemsnit. Aksial hældning er årstidernes årsag på Jorden og forklarer, hvorfor der er så stor forskel på længden og karakteren af en dag ved sommersolhverv og vintersolhverv.
Solens tilsyneladende vej gennem himlen ved solhverv er meget forskellig nær ækvator, ved 20… grader breddegrad (venstre), kontra langt fra ækvator, ved 70 grader breddegrad (højre). Fra sidstnævnte sted er Solen aldrig synlig under vintersolhverv, da den aksiale hældning er større end breddeforskellen fra polen.
Wikimedia Commons bruger Tauʻolunga
Generelt set synes Solen over hele Jorden at stige op i den østlige del af himlen, stige højt oppe over himlen i retning mod ækvator, og derefter sænke sig ned og gå ned i vest. Hvis du bor:
- syd for 23,5° S breddegrad, markerer juni-solhverv solhverv Solens korteste, laveste vej gennem himlen, mens december-solhverv markerer den længste, højeste vej.
- nord for 23,5° N breddegrad markerer december-solhverv Solens korteste, laveste vej gennem himlen, mens juni-solhverv markerer den længste, højeste vej.
- mellem de to troper (mellem 23.5° S og 23,5° N), vil Solen passere direkte over himlen på to dage lige langt fra det ene solhverv.
Fra et hvilket som helst sted, hvis du skulle følge Solens position i løbet af året – f.eks. gennem et pinhole-kamera – er det dette, du ville se.
Den observerede vej, som Solen tager gennem himlen, kan følges fra solhverv til solhverv … ved hjælp af et pinhole-kamera. Denne laveste bane er vintersolhverv, hvor Solen vender kurs fra at falde lavere til at stige højere op i forhold til horisonten, mens den højeste bane svarer til sommersolhverv.
Regina Valkenborgh / www.reginavalkenborgh.com
Men Solen ser ikke ud til blot at stige og falde på himlen i en symmetrisk form. Tidspunkterne for solnedgang og solopgang varierer i løbet af året. Solen når sit højeste punkt på forskellige tidspunkter i takt med årstidernes skiften og ikke blot ved middagstid hver dag.
Grunden til dette skyldes i høj grad den anden hovedfaktor, der bidrager til Solens tilsyneladende bevægelse i løbet af året: Jordens bane omkring Solen er elliptisk, ikke cirkulær.
At kredse i en ellipse betyder ikke bare, at Jorden er tættere på eller længere væk fra Solen på bestemte punkter i sin bane. Det betyder også – i henhold til Keplers anden lov – at når Jorden er tæt på Solen (perihelium), har den en hurtigere kredsløbshastighed, og når Jorden er langt fra Solen (aphelium), har den en langsommere kredsløbshastighed.
Planeterne bevæger sig stabilt i de baner, de gør, på grund af bevarelsen af vinkel… impulsmomentet. Da de ikke har mulighed for at få eller miste vinkelimpuls, forbliver de i deres elliptiske baner vilkårligt langt ud i fremtiden. Jorden nærmer sig solen tættest hver 3. januar eller deromkring, mens den er længst væk i begyndelsen af juli.
NASA / JPL
I sig selv ville dette ikke gøre nogen stor forskel, men nu skal vi tilføje en anden faktor: Jorden roterer ikke en gang om sin akse hvert døgn. I stedet foretager Jorden en fuld 360° rotation i kun 23 timer og 56 minutter; en dag tager 24 timer, fordi det tager de ekstra 4 minutter at “indhente” den afstand, som Jorden har tilbagelagt i sin bane omkring Solen.
På en gennemsnitlig dag, hvor Jorden bevæger sig med sin gennemsnitlige hastighed omkring Solen, er 24 timer lige tilpas. Men når Jorden bevæger sig langsommere (nær aphelium), er 24 timer for lang tid til, at Solen kan vende tilbage til sin samme position, og derfor ser det ud til, at Solen skifter langsommere end gennemsnittet. På samme måde, når Jorden bevæger sig hurtigere (nær perihelium), er 24 timer ikke helt lang nok til, at Solen kan vende tilbage til det sted, hvor den startede, og derfor skifter den hurtigere end gennemsnittet.
Virkningen af vores banes elliptiske karakter (til venstre) og vores aksiale hældning (i midten) på Solens position … på himlen skaber tilsammen den analemmaform (til højre), som vi observerer fra planeten Jorden.
Autodesk-genereret billede via UK
Hvis vi kun havde aksial hældning at kæmpe med, og vores bane var en perfekt cirkel, ville Solens bane på himlen være en virkelig perfekt figur 8: symmetrisk omkring både den horisontale og den vertikale akse.
Hvis vi levede på en planet, der havde en elliptisk bane, ville Solens vej gennem himlen simpelthen være en ellipse: hvor excentriciteten ville være den eneste faktor, der bidrager til, hvordan Solen bevæger sig. Det er det, der nogenlunde sker på Jupiter og Venus, hvor den aksiale hældning er ubetydelig.
Men her på Jorden har vi både en elliptisk bane og en betydelig aksial hældning, og derfor er begge virkninger betydelige. Især når vi kombinerer dem, kan vi straks se, hvorfor vores analemma ligner en “8”, der er klemt på den ene smalle side.
Da Jorden roterer om sin akse og kredser om Solen i en ellipse, ser Solens tilsyneladende position … ud til at ændre sig fra dag til dag i denne særlige form: Jordens analemma.
Giuseppe Donatiello / flickr
Her på Jorden finder perihelium sted den 3. januar: kun 2 uger efter solhverv i december. Da vores planet er i bevægelse med størst hastighed tæt på solhverv i december, gør det den “nederste” side af analemmaet (fra den nordlige halvkugle) meget større end den “øverste” side, som falder sammen med aphelium i begyndelsen af juli og solhverv i juni.
Sammenlagt kan vi kombinere disse effekter for at lave en ligning for, hvor Solen vil befinde sig på et bestemt tidspunkt set fra et hvilket som helst sted på Jorden. Vi kalder denne afledte størrelse for tidsligningen.
Tidsligningen er bestemt af både formen af en planets bane og dens aksiale hældning, samt … hvordan de flugter. I månederne nærmest juni-solhverv (hvor Jorden nærmer sig aphelium, sin fjerneste position fra Solen) bevæger den sig langsomst, og det er derfor, at denne del af analemmaet virker klemt, mens december-solhverv, der finder sted nær perihelium, er langstrakt.
Wikimedia Commons-bruger Rob Cook
Samlet set er det kun aksial hældning og ellipticitet, der bestemmer formen af Solens bane set på samme tidspunkt, hver dag, fra Jorden. Jordens analemma er fastlåst i denne særlige form.
Men der er yderligere to faktorer, der spiller ind, når det gælder om at bestemme den nøjagtige orientering af analemmaet. Den ene er din placering på Jorden: Observatører fra den nordlige halvkugle vil se den lille analemmasløjfe forekomme højt på himlen og den store sløjfe forekomme lavere på himlen, mens observatører fra den sydlige halvkugle vil se det omvendte.
Hvis du fotograferer solen hver dag ved middagstid, vil dit analemma fremstå perfekt lodret (til venstre)…. Før middagstid (øverst til højre) ser analemmaet ud til at rotere mod uret i retning af horisonten, mens det efter middagstid ser ud til at rotere med uret i forhold til horisonten. Disse billeder er endnu et bevis for eventuelle tvivlere derude på, at Jorden er rund.
The Sydney Morning Herald
Og det andet er, på hvilket tidspunkt af dagen du tager dine fotografier. Hvis du tager dit daglige fotografi:
- ved middagstid, når Solen står på sit højeste, vil analemmaet fremstå perfekt lodret.
- før middagstid, før Solen når sit højeste, vil analemmaet fremstå drejet mod uret fra middagspositionen.
- efter middagstid, efter at Solen har nået sit højeste, vil analemmaet fremstå drejet med uret fra middagspositionen.
Du kan se ved at undersøge César Cantú’s 52 kombinerede billeder fra hele året, som er sat sammen, at han fotograferede Solen sidst på eftermiddagen fra sin breddegrad i Mexico.
I løbet af et år på 365 dage synes Solen ikke kun at bevæge sig op og ned på himlen, som… bestemt af vores aksiale hældning, men også frem og tilbage, som bestemt af vores elliptiske bane omkring Solen. Når begge virkninger kombineres, er den sammenklemte 8-taller, der opstår, kendt som et analemma. De solbilleder, der vises her, er et udvalgte 52 fotografier fra César Cantú’s observationer i Mexico i løbet af et kalenderår.
César Cantú / AstroColors
Det er let at se, at det øverste punkt svarer til sommersolhverv, mens det nederste punkt svarer til vintersolhverv, men der er ingen særlig astronomisk betydning for “krydsningspunktet” i Solens analemma set fra Jorden. Disse datoer, der indtræffer omtrent den 14. april og den 30. august, er kun bestemt af den måde, hvorpå vores årstider, der bestemmes af den aksiale hældning, flugter med vores planets bane omkring Solen.
Hvis vores perihelium og aphelium var rettet ind efter jævndøgn i stedet for solhverv, ville vi have et dråbeformet analemma i stedet for et 8-tal, som er den måde, Solen ser ud fra Mars! Analemmaet er den smukke, naturlige form, som Solen har tegnet over tid, og som skaber et 8-tal, sådan som både vores bane og aksiale hældning dikterer det. Nyd Solens bevægelse gennem vores himmel, da dens unikke kosmiske pirouette skyldes vores planets enestående bevægelse gennem rummet!