Näin aurinko liikkuu taivaalla läpi vuoden

Mihin tahansa vuorokaudenaikaan voisi teoriassa asettaa kameran ottamaan maisemakuvan, joka käsittää Auringon näennäisen sijainnin taivaalla. Jos palaisit seuraavana päivänä täsmälleen samaan aikaan 24 tuntia myöhemmin, huomaisit, että Aurinko oli muuttanut asemaansa hiukan. Jos tekisit näin joka päivä kokonaisen vuoden ajan, havaitsisit kaksi tärkeää asiaa:

1. Aurinko olisi viimein palannut lähtöpisteeseensä, kun Maa palasi samaan kohtaan kiertoradallaan vuotta aiemmin.
2. Jäljittämäsi muoto näyttäisi kahdeksikon muotoiselta, jossa toinen silmukka on toista silmukkaa isompi: tämä muoto tunnetaan nimellä analemma.

Ensimmäisen osan selittääkin se, että Maapallo kiertää Aurinkoa kerran vuodessa. Mutta Auringon liike tietyssä analemma-muodossaan johtuu syvällisten syiden yhdistelmästä. Selvitetäänpä miksi.

Ensimmäinen merkittävä tekijä Auringon näennäiseen liikkeeseen on se, että Maa kiertää Aurinkoa akselinsa ympäri kallistuneena. Maan noin 23,5°:n aksiaalinen kallistus takaa sen, että eri paikoissa olevat tarkkailijat näkevät Auringon nousevan korkeammalle tai matalammalle horisontin yläpuolelle vuoden mittaan. Kun pallonpuoliskosi on kallistunut kohti Aurinkoa, Auringon maksimiasento nousee lähemmäs zeniittiä, kun taas kun pallonpuoliskosi on kallistunut poispäin, Auringon maksimiasento poikkeaa siitä kauemmas.

Kun maapallosi puolisko on kallistunut kohti emotähteämme, Auringon reitti taivaalla näyttäytyy pidempänä, se nousee korkeammalle ja antaa meille keskimääräistä enemmän tunteja päivänvaloa. Aksiaalinen kallistus on syy vuodenaikoihin maapallolla, ja se selittää, miksi päivän pituudessa ja luonteessa on niin suuri ero kesäpäivänseisauksen ja talvipäivänseisauksen välillä.

Yleisesti kaikkialla maapallolla Aurinko näyttää nousevan taivaan itäosassa, nousevan korkealle päiväntasaajan suuntaan, laskevan alas ja laskevan länteen. Jos asut:

• 23,5° eteläisen leveyspiirin eteläpuolella, kesäkuun auringonseisaus merkitsee Auringon lyhintä, matalinta reittiä taivaalla, kun taas joulukuun auringonseisaus merkitsee pisintä, korkeinta reittiä.
• 23,5° pohjoisen leveyspiirin pohjoispuolella, joulukuun auringonseisaus merkitsee Auringon lyhintä, matalinta reittiä taivaalla, kun taas kesäkuun auringonseisaus merkitsee pisintä, korkeinta reittiä.”
• Kahden tropiikin välissä (välissä 23.5° eteläistä leveyttä ja 23,5° pohjoista leveyttä), Aurinko kulkee suoraan yläpuolellamme kahtena päivänä, jotka ovat yhtä kaukana yhdestä auringonseisauksesta.

Jos seuraisit Auringon asentoa vuoden mittaan mistä tahansa paikasta käsin – esimerkiksi neulanreikäkameran kautta – näkisit tämän.

Mutta Aurinko ei näytä yksinkertaisesti nousevan ja laskevan taivaalla symmetrisesti. Auringonlaskun ja auringonnousun ajat vaihtelevat ympäri vuoden. Aurinko saavuttaa korkeimman pisteensä eri aikoina vuodenaikojen vaihtuessa, ei pelkästään joka päivä keskipäivällä.

Syy tähän johtuu suurelta osin toisesta tärkeimmästä tekijästä, joka vaikuttaa Auringon näennäiseen liikkeeseen vuoden aikana: Maan kiertorata Auringon ympäri on ellipsin muotoinen, ei ympyrän muotoinen.

Ellipsin muotoinen kiertorata ei tarkoita vain sitä, että Maa on lähempänä tai kauempana Auringosta kiertoratansa tietyissä kohdissa. Se tarkoittaa myös – Keplerin toisen lain nojalla – että kun Maa on lähellä Aurinkoa (periheli), sillä on nopeampi kiertonopeus, ja kun Maa on kaukana Auringosta (afeli), sillä on hitaampi kiertonopeus.

Sinänsä tällä ei olisi suurta merkitystä, mutta nyt on lisättävä toinenkin tekijä: Maapallo ei pyöri akselinsa ympäri kerran vuorokaudessa. Sen sijaan Maa tekee täyden 360°:n kierroksen vain 23 tunnissa ja 56 minuutissa; vuorokausi kestää 24 tuntia, koska nämä ylimääräiset 4 minuuttia kuluvat sen matkan ”kuromiseen kiinni”, jonka Maa on kulkenut kiertoradallaan Auringon ympäri.

Keskimääräisen vuorokauden aikana, kun Maa liikkuu keskimääräisellä nopeudellaan Auringon ympäri, 24 tuntia on juuri sopiva aika. Mutta kun Maa liikkuu hitaammin (lähellä afeliota), 24 tuntia on liian pitkä aika Auringolle palata samaan asentoonsa, ja siksi Aurinko näyttää siirtyvän keskimääräistä hitaammin. Vastaavasti, kun Maa liikkuu nopeammin (lähellä periheliä), 24 tuntia ei ole tarpeeksi pitkä aika, jotta Aurinko palaisi takaisin lähtöpaikalleen, joten se siirtyy keskimääräistä nopeammin.

Jos meillä olisi vain aksiaalinen kallistus ja kiertoratamme olisi täydellinen ympyrä, Auringon taivaalla kulkema rata olisi todella täydellinen kahdeksikko: symmetrinen sekä vaaka- että pystyakselin suhteen.

Jos eläisimme kallistumattomalla planeetalla, jonka kiertorata olisi elliptinen, Auringon taivaalla kulkema rata olisi yksinkertaisesti ellipsi: jossa eksentrisyys olisi ainoa tekijä siinä, miten Aurinko liikkuu. Näin tapahtuu suunnilleen Jupiterilla ja Venuksella, joilla aksiaalikallistukset ovat merkityksettömiä.

Mutta täällä Maassa meillä on sekä elliptinen rata että merkittävä aksiaalikallistus, joten molemmat vaikutukset ovat merkittäviä. Erityisesti, kun yhdistämme ne, voimme heti nähdä, miksi analemmaamme näyttää ”8:lta”, joka on puristettu yhdeltä kapealta sivulta.

Täällä maapallolla periheli tapahtuu 3. tammikuuta: vain kaksi viikkoa joulukuun auringonseisauksen jälkeen. Koska planeettamme liikkuu suurimmalla nopeudella lähellä joulukuun auringonseisausta, se tekee analemman ”alemman” puolen (pohjoiselta pallonpuoliskolta katsottuna) paljon suuremmaksi kuin ”ylemmän” puolen, joka osuu yhteen heinäkuun alussa tapahtuvan afeliitin ja kesäkuun auringonseisauksen kanssa.

Kaiken kaikkiaan voimme yhdistää nämä vaikutukset, jotta voimme laatia yhtälön, joka kertoo, missä Auringon sijainti on mihinkin tiettyyn aikaan katsottuna mistä tahansa paikasta maapallolla. Kutsumme tätä johdettua suuretta ajan yhtälöksi.

Kaiken kaikkiaan vain aksiaalinen kallistus ja elliptisyys määräävät Auringon radan muodon katsottuna samaan aikaan joka päivä Maasta käsin. Maapallon analemma on kiinnittynyt tähän tiettyyn muotoon.

Mutta on vielä kaksi muuta tekijää, jotka määrittävät analemman tarkan suunnan. Yksi on sijaintisi maapallolla: pohjoisen pallonpuoliskon havaitsijat näkevät pienen analemmasilmukan esiintyvän korkealla taivaalla ja suuren silmukan esiintyvän alempana taivaalla, kun taas eteläisen pallonpuoliskon havaitsijat näkevät päinvastoin.

Ja toinen on se, mihin aikaan päivästä otat valokuvia. Jos otat päivittäisen valokuvasi:

• keskipäivällä, kun Aurinko on korkeimmillaan, analemma näyttää täysin pystysuoralta.
• ennen keskipäivää, ennen kuin Aurinko on korkeimmillaan, analemma näyttää pyörähtäneen vastapäivään keskipäivän asennosta.
• keskipäivän jälkeen, sen jälkeen, kun Aurinko on korkeimmillaan, analemma näyttää pyörähtäneen vastapäivään keskipäivän asennosta.

Katsomalla César Cantún 52 yhdistelmäkuvaa koko vuoden ajalta yhteen ommeltuna voi todeta, että hän kuvasi Auringon myöhään iltapäivällä Meksikossa sijaitsevalta leveyspiiriltään.

On helppo huomata, että ylimmäinen piste vastaa kesäpäivänseisausta, kun taas alin piste vastaa talvipäivänseisausta, mutta Auringon analemman ”ristikkäispisteellä” ei ole mitään erityistä tähtitieteellistä merkitystä maapallolta nähtynä. Nämä päivämäärät, jotka osuvat suunnilleen 14. huhtikuuta ja 30. elokuuta, määräytyvät vain sen mukaan, miten aksiaalisen kallistuksen perusteella määräytyvät vuodenaikamme ovat linjassa planeettamme kiertoradan kanssa Auringon ympärillä.

Jos perihelimme ja aphelimme olisivat linjassa päiväntasausten kanssa, eikä auringonseisausten kanssa, meillä olisi pisaranmuotoinen analemma eikä kahdeksanlukuinen analemma, jollaiselta Aurinko näyttäytyy Marsin näkökulmasta! Analemma on kaunis, luonnollinen muoto, jonka Aurinko on ajan mittaan piirtänyt ja joka muodostaa kahdeksikon, kuten sekä kiertoratamme että aksiaalinen kallistuksemme sanelevat. Nauti auringon liikkeestä taivaallamme, sillä sen ainutlaatuinen kosminen piruetti johtuu planeettamme ainutlaatuisesta liikkeestä avaruudessa!