Így mozog a Nap az égen az év során

A nap bármely szakában elméletileg beállíthatnánk egy fényképezőgépet, hogy olyan képet készítsünk a tájról, amely a Nap látszólagos helyzetét öleli fel az égen. Ha másnap, pontosan ugyanebben az időpontban, 24 órával később visszamennél, azt látnád, hogy a Nap helyzete valamennyire megváltozott. Ha ezt egy teljes éven át minden nap megtennéd, két fontos dolgot fedeznél fel:

1. A Nap végre visszatért a kiindulási pontjára, ahogy a Föld is visszatért pályájának ugyanabba a pontjába, ahonnan egy évvel korábban indult.
2. A felrajzolt alakzat úgy nézne ki, mint egy nyolcas, ahol az egyik hurok nagyobb, mint a másik: ez az alakzat az úgynevezett analemma.

A tény, hogy a Föld évente egyszer kerüli meg a Napot, magyarázza az első részt. De a Nap sajátos analemma alakú mozgása mélyebb okok kombinációjának köszönhető. Derítsük ki, miért.

A Nap látszólagos mozgásához először is nagyban hozzájárul az a tény, hogy a Föld a tengelye körül megdőlve kering a Nap körül. A Föld körülbelül 23,5°-os tengelyferdülése biztosítja, hogy a különböző helyeken tartózkodó megfigyelők az év folyamán a Napot hol magasabb, hol alacsonyabb pozícióban látják a horizont felett. Amikor az Ön félgömbje a Nap felé billen, a Nap maximális helyzete közelebb emelkedik a zenithez, míg amikor az Ön félgömbje távolabb van, a Nap maximális helyzete távolabb tér el tőle.

Amikor a világ fele a mi szülőcsillagunk felé billen, a Nap útja az égbolton hosszabbnak tűnik, magasabbra emelkedik, és az átlagosnál több órányi nappali fényt ad. A tengelyferdeség okozza az évszakokat a Földön, és megmagyarázza, miért van ekkora különbség a nap hossza és jellege között a nyári napfordulón és a téli napfordulón.

A Föld egészén általában úgy tűnik, hogy a Nap az égbolt keleti részén kel fel, magasan az egyenlítő irányába emelkedik, majd nyugaton leereszkedik és lenyugszik. Ha Ön:

• a déli szélesség 23,5°-tól délre él, a júniusi napforduló jelzi a Nap legrövidebb, legalacsonyabb útját az égen, míg a decemberi napforduló a leghosszabb, legmagasabb útját.
• az északi szélesség 23,5°-tól északra a decemberi napforduló jelzi a Nap legrövidebb, legalacsonyabb útját az égen, míg a júniusi napforduló a leghosszabb, legmagasabb útját.
• a két trópus között (a 23. szélességi körök között.5° déli szélesség és 23,5° északi szélesség között), a Nap két napfordulótól egyenlő távolságra lévő napon halad el közvetlenül a Nap felett.

Ha bármely helyről követnénk a Nap helyzetét az év folyamán – például egy lyukkamerán keresztül -, ezt látnánk.

A Nap azonban nem úgy tűnik, hogy egyszerűen szimmetrikusan emelkedik és süllyed az égen. A napnyugta és napkelte időpontjai az év folyamán változnak. A Nap az évszakok váltakozásával különböző időpontokban éri el a legmagasabb pontját, nem csupán minden nap délben.

Az ok nagyrészt a Nap év közbeni látszólagos mozgásához hozzájáruló második fő tényezőnek köszönhető: A Föld Nap körüli pályája elliptikus, nem pedig kör alakú.

Az ellipszisben való keringés nem csak azt jelenti, hogy a Föld a pályája bizonyos pontjain közelebb vagy távolabb van a Naphoz. Azt is jelenti – Kepler második törvénye alapján -, hogy amikor a Föld közel van a Naphoz (perihélium), akkor gyorsabb keringési sebességgel rendelkezik, és amikor a Föld távol van a Naptól (aphélium), akkor lassabb keringési sebességgel rendelkezik.

Önmagában ez nem jelentene nagy különbséget, de most hozzá kell vennünk egy másik tényezőt is: a Föld nem 24 óránként forog egyszer a tengelye körül. Ehelyett a Föld mindössze 23 óra 56 perc alatt tesz meg egy teljes 360°-os fordulatot; egy nap azért tart 24 óráig, mert ez a plusz 4 perc kell ahhoz, hogy “behozza” azt a távolságot, amit a Föld a Nap körüli pályáján megtett.

Egy átlagos napon, amikor a Föld átlagos sebességgel mozog a Nap körül, a 24 óra éppen megfelelő. Amikor azonban a Föld lassabban mozog (az aphélium közelében), 24 óra túl hosszú idő ahhoz, hogy a Nap visszatérjen ugyanabba a helyzetébe, és így a Nap az átlagosnál lassabban látszik elmozdulni. Hasonlóképpen, amikor a Föld gyorsabban mozog (perihélium közelében), 24 óra nem elég hosszú ahhoz, hogy a Nap visszatérjen oda, ahonnan elindult, és így az átlagosnál gyorsabban mozog.

Ha csak a tengelyferdeséggel kellene számolnunk, és a pályánk tökéletes kör lenne, akkor a Nap által az égen bejárt pálya valóban tökéletes nyolcas lenne: szimmetrikus mind a vízszintes, mind a függőleges tengely körül.

Ha egy ellipszis alakú pályával rendelkező, ferde bolygón élnénk, akkor a Nap pályája az égen egyszerűen egy ellipszis lenne: ahol az excentricitás lenne az egyetlen tényező, ami hozzájárulna a Nap mozgásához. Nagyjából ez történik a Jupiteren és a Vénuszon, ahol a tengelyferdeség elhanyagolható.

De itt a Földön egyszerre van elliptikus pályánk és jelentős tengelyferdeségünk, így mindkét hatás jelentős. Különösen, ha ezeket kombináljuk, rögtön láthatjuk, miért néz ki az analémiánk úgy, mint egy “nyolcas”, amely az egyik keskeny oldalán beszorult.

Itt a Földön a perihélium január 3-án következik be: mindössze 2 héttel a decemberi napforduló után. Mivel bolygónk a decemberi napforduló közelében mozog a legnagyobb sebességgel, ezért az analemma “alsó” oldala (az északi féltekéről nézve) sokkal nagyobb, mint a “felső” oldala, ami egybeesik a július eleji aphéliummal és a júniusi napfordulóval.

Mindent egybevetve, ezeket a hatásokat kombinálva felállíthatunk egy egyenletet arra, hogy a Föld bármely pontjáról nézve hol fog állni a Nap egy adott időpontban. Ezt a származtatott mennyiséget nevezzük az idő egyenletének.

Összességében csak a tengelyferdeség és az ellipszis határozza meg a Nap pályájának alakját a Földről nézve minden nap ugyanabban az időben. A Föld analemmája ebben a bizonyos alakban rögzített.

Az analemma pontos orientációjának meghatározásában azonban még két tényező játszik szerepet. Az egyik a Földön elfoglalt helyzete: az északi félteke megfigyelői a kis analemma hurkot magasan, a nagy hurkot pedig alacsonyabban látják az égen, míg a déli félteke megfigyelői ennek fordítottját látják.

A másik pedig az, hogy milyen napszakban fényképezünk. Ha naponta fényképezel:

• délben, amikor a Nap a legmagasabb pontján áll, az analemma tökéletesen függőlegesnek fog tűnni.
• dél előtt, mielőtt a Nap elérné a legmagasabb pontját, az analemma az óramutató járásával ellentétes irányban elforgatottnak fog tűnni a déli helyzetéhez képest.
• dél után, miután a Nap elérte a csúcspontját, az analemma az óramutató járásával ellentétes irányban elforgatottnak fog tűnni a déli helyzetéhez képest.

César Cantú egész évben készült 52 kombinált képének összevágott vizsgálatából megállapíthatjuk, hogy a Napot késő délután fotózta a mexikói szélességi fokáról.

Ez könnyen belátható, hogy a legfelső pont a nyári napfordulónak, míg a legalsó pont a téli napfordulónak felel meg, de a Földről nézve a Nap analemmájában lévő “keresztezési pontnak” nincs különleges csillagászati jelentősége. Ezek a nagyjából április 14-én és augusztus 30-án bekövetkező időpontok csupán attól függenek, hogy a tengelyferdeség által meghatározott évszakok hogyan igazodnak a bolygónk Nap körüli pályájához.

Ha a perihéliumunk és az aphéliumunk a napéjegyenlőségekhez igazodna, nem pedig a napfordulókhoz, akkor egy könnycsepp alakú analemma lenne, nem pedig egy 8-as, ahogy a Nap a Marsról nézve látszik! Az analemma az a gyönyörű, természetes alakzat, amelyet a Nap az idők során rajzolt ki, és amely egy nyolcas alakzatot hoz létre, ahogyan azt a pályánk és a tengelyferdeségünk diktálja. Élvezze a Nap mozgását az égbolton keresztül, hiszen egyedülálló kozmikus piruettje bolygónk egyedülálló űrbeli mozgásának köszönhető!