Uma fotografia do Sol tirada à mesma hora todos os dias produzirá o padrão visual visto aqui,… conhecido como um analemma. A forma apertada, semelhante à figura 8, deve-se aos factores variáveis da órbita da Terra no espaço.
César Cantú / AstroColors
A qualquer hora do dia, poderia teoricamente montar uma câmara para tirar uma fotografia da paisagem que englobasse a posição aparente do Sol no céu. Se você voltasse no dia seguinte exatamente na mesma hora, 24 horas depois, você descobriria que o Sol tinha mudado sua posição sempre tão leve. Se você fizesse isso todos os dias durante um ano inteiro, você descobriria duas coisas importantes:
- O Sol teria finalmente voltado ao seu ponto inicial, pois a Terra voltou ao mesmo ponto em sua órbita de um ano antes.
- A forma que você traçou pareceria uma figura-8 com um laço maior que o outro: uma forma conhecida como nosso analemma.
O fato de a Terra orbitar o Sol uma vez por ano explica a primeira parte. Mas o movimento do Sol na sua forma analemática particular é devido a uma combinação de razões profundas. Vamos descobrir porque.
A Terra em órbita ao redor do Sol, com seu eixo de rotação mostrado. Todos os mundos do nosso sistema solar… têm estações determinadas ou pela sua inclinação axial, pela elipticidade das suas órbitas, ou por uma combinação de ambas.
Wikimedia commons utilizador Tauʻolunga
O primeiro grande contribuinte para o movimento aparente do Sol é o facto da Terra orbitar o Sol enquanto inclinada sobre o seu eixo. A inclinação axial da Terra de aproximadamente 23,5° assegura que observadores em diferentes locais verão o Sol alcançar posições mais altas ou mais baixas acima do horizonte durante todo o ano. Quando o seu hemisfério está inclinado para o Sol, a posição máxima do Sol subirá mais perto do zénite, enquanto que quando o seu hemisfério está inclinado para longe, a posição máxima do Sol irá afastar-se mais dele.
Quando a sua metade do mundo está inclinada para a nossa estrela mãe, o caminho do Sol através do céu aparece mais longo, sobe mais alto, e dá-nos mais horas de luz do dia do que a média. A inclinação axial é a causa das estações do ano na Terra, e explica porque há tanta diferença na duração e caráter de um dia no Solstício de Verão versus o Solstício de Inverno.
O caminho aparente do Sol através do céu no solstício é muito diferente perto do equador, a 20… graus de latitude (esquerda), versus longe do equador, a 70 graus de latitude (direita). Deste último local, o Sol nunca é visível durante o solstício de inverno, pois a inclinação axial é maior que a diferença de latitude do pólo.
Wikimedia Commons usuário Tauʻolunga
Em geral, por toda a Terra, o Sol parece subir na porção oriental do céu, elevar-se para cima em direção à direção equatorial, e depois descer e se fixar no Ocidente. Se você vive:
- sul de 23,5° S de latitude, o solstício de junho marca o caminho mais curto e mais baixo do Sol através do céu, enquanto o solstício de dezembro marca o caminho mais longo e mais alto.
- norte de 23,5° N de latitude, o solstício de dezembro marca o caminho mais curto e mais baixo do Sol através do céu, com o solstício de junho marcando o caminho mais longo e mais alto.
- entre os dois trópicos (entre 23.5° S e 23,5° N), o Sol passará diretamente por cima em dois dias equidistante de um solstício.
De qualquer lugar, se você fosse rastrear a posição do Sol ao longo do ano – como através de uma câmera pinhole – isto é o que você veria.
O caminho observado que o Sol toma através do céu pode ser rastreado, de solstício em solstício,… usando uma câmera de buraco. Esse caminho mais baixo é o solstício de inverno, onde o Sol inverte o curso de queda para cima em relação ao horizonte, enquanto que o caminho mais alto corresponde ao solstício de verão.
Regina Valkenborgh / www.reginavalkenborgh.com
Mas o Sol não parece simplesmente subir e cair no céu em forma simétrica. O pôr-do-sol e o nascer do sol variam ao longo do ano. O Sol atinge o seu ponto mais alto em uma variedade de momentos à medida que as estações mudam, não apenas ao meio-dia todos os dias.
A razão para isso é em grande parte devido ao segundo principal contribuinte para o movimento aparente do Sol ao longo do ano: A órbita da Terra ao redor do Sol é elíptica, não circular.
Orbitar numa elipse não significa apenas que a Terra está mais próxima ou mais distante do Sol em certos pontos da sua órbita. Também – pela segunda lei de Kepler – significa que quando a Terra está perto do Sol (periélio), possui uma velocidade orbital mais rápida, e quando a Terra está longe do Sol (afélio), possui uma velocidade orbital mais lenta.
Os planetas movem-se nas órbitas que fazem, de forma estável, por causa da conservação do momento angular… Sem forma de ganhar ou perder momento angular, eles permanecem em suas órbitas elípticas arbitrariamente longe no futuro. A Terra faz a sua aproximação mais próxima ao Sol a cada 3 de Janeiro, mais ou menos, enquanto está mais distante no início de Julho.
NASA / JPL
Por si só, isto não faria muita diferença, mas agora precisamos de acrescentar outro factor: a Terra não roda uma vez no seu eixo a cada 24 horas. Em vez disso, a Terra faz uma rotação completa de 360° em apenas 23 horas e 56 minutos; um dia leva 24 horas porque leva esses 4 minutos extras para “alcançar” a quantidade de distância que a Terra percorreu em sua órbita ao redor do Sol.
Durante um dia médio, quando a Terra se move à sua velocidade média ao redor do Sol, 24 horas é o tempo certo. Mas quando a Terra se move mais devagar (perto do Afeganistão), 24 horas é muito tempo para o Sol voltar à sua mesma posição, e assim o Sol parece se mover mais lentamente do que a média. Da mesma forma, quando a Terra se move mais rapidamente (perto do periélio), 24 horas não é tempo suficiente para o Sol voltar à sua posição inicial, e assim ele se desloca mais rapidamente do que a média.
O efeito da natureza elíptica da nossa órbita (esquerda) e a nossa inclinação axial (meio) sobre a posição do Sol… no céu combinam-se para criar a forma analemática (direita) que observamos a partir do planeta Terra.
Imagem gerada pela Autodesk via Reino Unido
Se tivéssemos apenas uma inclinação axial para enfrentar, e a nossa órbita fosse um círculo perfeito, o caminho que o Sol traçou no céu seria uma figura-8 verdadeiramente perfeita: simétrica sobre ambos os eixos horizontal e vertical.
Se vivêssemos em um planeta com uma órbita elíptica, o caminho do Sol através do céu seria simplesmente uma elipse: onde a excentricidade seria o único que contribuiria para a forma como o Sol se move. Isto é o que acontece aproximadamente em Júpiter e Vênus, onde as inclinações axiais são insignificantes.
Mas aqui na Terra, temos tanto uma órbita elíptica como uma inclinação axial significativa, e assim ambos os efeitos são significativos. Em particular, quando os combinamos, podemos imediatamente ver porque é que o nosso analemma parece um “8” que está apertado num lado estreito.
Como a Terra gira no seu eixo e orbita o Sol numa elipse, a posição aparente do Sol… parece mudar do dia-a-dia nesta forma particular: Analemma da Terra.
Giuseppe Donatiello / flickr
Aqui na Terra, o periélio ocorre a 3 de Janeiro: apenas 2 semanas após o solstício de Dezembro. Como nosso planeta está em movimento com a maior velocidade perto do solstício de dezembro, isso torna o lado “inferior” do analemma (do Hemisfério Norte) muito maior do que o lado “superior”, que coincide com o apélio no início de julho e o solstício de junho.
Todos informados, podemos combinar esses efeitos para fazer uma equação de onde o Sol estará localizado a qualquer momento em particular, como visto de qualquer lugar na Terra. Chamamos a esta quantidade derivada a equação do tempo.
A equação do tempo é determinada tanto pela forma da órbita de um planeta como pela sua inclinação axial… como também pela forma como se alinham. Durante os meses mais próximos do solstício de junho (quando a Terra se aproxima do aphelion, sua posição mais distante do Sol), ela se move mais lentamente, e é por isso que esta seção do analemma aparece apertada, enquanto o solstício de dezembro, ocorrendo perto do perihelion, é alongado.
Wikimedia Commons utilizador Rob Cook
Tudo dito, é apenas a inclinação axial e a elipticidade que determinam a forma do caminho do Sol como visto ao mesmo tempo, todos os dias, a partir da Terra. O analemma da Terra é fixado nesta forma particular.
Mas há mais dois fatores em jogo na determinação da orientação exata do analemma. Um é a sua localização na Terra: observadores do Hemisfério Norte verão o pequeno laço analemático ocorrer alto no céu e o grande laço ocorrer mais baixo no céu, enquanto observadores do Hemisfério Sul verão o inverso.
Se você fotografar o Sol todos os dias ao meio-dia, seu analemma aparecerá perfeitamente vertical (esquerda)…. Antes do meio-dia (superior direito), o analemma parece rodar no sentido anti-horário em direcção ao horizonte, enquanto depois do meio-dia, parece rodar no sentido horário em relação ao horizonte. Estas imagens são mais uma prova, para qualquer dúvida lá fora, que a Terra é redonda.
The Sydney Morning Herald
E a outra é a que hora do dia você tira suas fotografias. Se você tirar a sua fotografia diária:
- ao meio-dia, quando o Sol estiver no seu ponto mais alto, o analemma aparecerá perfeitamente vertical.
- antes do meio-dia, antes do Sol atingir o seu ponto mais alto, o analemma aparecerá rodado no sentido anti-horário a partir da posição do meio-dia.
- depois do meio-dia, depois do Sol atingir o seu ponto mais alto, o analemma aparecerá rodado no sentido horário a partir da sua posição do meio-dia.
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Vocês podem ver, ao examinar as 52 imagens combinadas de César Cantú de todo o ano costuradas juntas, que ele fotografou o Sol no final da tarde a partir da sua latitude no México.
No decorrer de um ano de 365 dias, o Sol parece mover-se não só para cima e para baixo no céu, como… determinado pela nossa inclinação axial, mas para a frente e para trás, como determinado pela nossa órbita elíptica à volta do Sol. Quando ambos os efeitos são combinados, a figura 8 que resulta é conhecida como um analemma. As imagens do Sol aqui mostradas são 52 fotografias selecionadas das observações de César Cantú no México ao longo de um ano civil.
César Cantú / AstroColors
É fácil ver que o ponto mais alto corresponde ao solstício de verão, enquanto o ponto mais baixo corresponde ao solstício de inverno, mas não há nenhum significado astronômico especial para o “ponto de cruzamento” no analemma do Sol como visto da Terra. Ocorrendo aproximadamente em 14 de abril e 30 de agosto, essas datas são determinadas apenas pela forma como nossas estações, determinadas pela inclinação axial, se alinham com a órbita do nosso planeta ao redor do Sol.
Se nosso periélio e apélio estivessem alinhados com os equinócios, ao invés dos solstícios, teríamos um analemma em forma de lágrima, ao invés de uma figura-8, que é como o Sol aparece a partir de Marte! O analemma é a bela e natural forma traçada pelo Sol ao longo do tempo, criando uma figura-8 como a nossa órbita e inclinação axial ditam. Desfrute do movimento do Sol através dos nossos céus, uma vez que a sua pirueta cósmica única se deve ao movimento único do nosso planeta através do espaço!