O fotografie a Soarelui făcută în fiecare zi la aceeași oră va produce modelul vizual văzut aici,… cunoscut sub numele de analemă. Forma ciupită, în formă de 8, se datorează factorilor variabili ai orbitei Pământului în spațiu.
César Cantú / AstroColors
În orice moment al zilei, ai putea, teoretic, să pregătești un aparat foto pentru a face o fotografie a peisajului care să cuprindă poziția aparentă a Soarelui pe cer. Dacă v-ați întoarce a doua zi exact la aceeași oră, 24 de ore mai târziu, ați descoperi că Soarele și-a schimbat poziția foarte puțin. Dacă ați face acest lucru în fiecare zi, timp de un an întreg, ați descoperi două lucruri importante:
- Soarele s-ar fi întors în cele din urmă la punctul său de plecare, la fel cum Pământul s-a întors în același punct al orbitei sale din anul precedent.
- Forma pe care ați trasat-o ar arăta ca o figură 8 cu o buclă mai mare decât cealaltă: o formă cunoscută sub numele de analemă.
Faptul că Pământul orbitează Soarele o dată pe an explică prima parte. Dar mișcarea Soarelui în forma sa specială de analemă se datorează unei combinații de motive profunde. Să aflăm de ce.
Pământul pe orbită în jurul Soarelui, cu axa sa de rotație reprezentată. Toate lumile din sistemul nostru solar… au anotimpuri determinate fie de înclinarea lor axială, fie de elipticitatea orbitelor lor, fie de o combinație a celor două.
Wikimedia commons user Tauʻolunga
Primul contribuitor major la mișcarea aparentă a Soarelui este faptul că Pământul orbitează în jurul Soarelui în timp ce este înclinat pe axa sa. Înclinarea axială a Pământului de aproximativ 23,5° asigură faptul că observatorii din diferite locații vor vedea Soarele atingând poziții mai înalte sau mai joase deasupra orizontului pe tot parcursul anului. Atunci când emisfera dvs. este înclinată spre Soare, poziția maximă a Soarelui se va ridica mai aproape de zenit, în timp ce atunci când emisfera dvs. este înclinată, poziția maximă a Soarelui se va depărta mai mult de acesta.
Când jumătatea dvs. de lume este înclinată spre steaua noastră mamă, traiectoria Soarelui pe cer apare mai lungă, se ridică mai sus și ne oferă mai multe ore de lumină naturală decât media. Înclinarea axială este cauza anotimpurilor pe Pământ și explică de ce există o astfel de diferență în lungimea și caracterul unei zile la solstițiul de vară față de solstițiul de iarnă.
Calea aparentă a Soarelui pe cer la solstițiu este foarte diferită în apropierea ecuatorului, la 20… grade latitudine (stânga), față de departe de ecuator, la 70 de grade latitudine (dreapta). Din această din urmă locație, Soarele nu este niciodată vizibil în timpul solstițiului de iarnă, deoarece înclinarea axială este mai mare decât diferența de latitudine față de pol.
Wikimedia Commons user Tauʻolunga
În general, pe tot Pământul, Soarele pare să răsară în porțiunea estică a cerului, să se ridice sus pe cer spre direcția ecuatorială, apoi să coboare și să apună în vest. Dacă locuiți:
- la sud de 23,5° latitudine sudică, solstițiul din iunie marchează cea mai scurtă și mai joasă traiectorie a Soarelui pe cer, în timp ce solstițiul din decembrie marchează cea mai lungă și mai înaltă traiectorie.
- la nord de 23,5° latitudine nordică, solstițiul din decembrie marchează cea mai scurtă și mai joasă traiectorie a Soarelui pe cer, iar solstițiul din iunie marchează cea mai lungă și mai înaltă traiectorie.
- între cele două tropice (între 23.5° S și 23,5° N), Soarele va trece direct pe deasupra capului în două zile echidistante de un solstițiu.
Din orice locație, dacă ar fi să urmăriți poziția Soarelui pe tot parcursul anului – cum ar fi printr-o cameră cu orificiu de acvariu – asta este ceea ce ați vedea.
Calea observată pe care Soarele o parcurge pe cer poate fi urmărită, de la solstițiu la solstițiu,… folosind o cameră cu orificiu de stenopatie. Această traiectorie cea mai joasă este solstițiul de iarnă, unde Soarele inversează cursul, de la coborârea mai jos la ridicarea mai sus în raport cu orizontul, în timp ce traiectoria cea mai înaltă corespunde solstițiului de vară.
Regina Valkenborgh / www.reginavalkenborgh.com
Dar Soarele nu pare să se ridice și să coboare pur și simplu pe cer într-o formă simetrică. Orele de apus și răsărit variază de-a lungul anului. Soarele atinge punctul său cel mai înalt la o varietate de momente pe măsură ce se schimbă anotimpurile, nu doar la prânz în fiecare zi.
Motivul pentru acest lucru se datorează în mare parte celui de-al doilea factor principal care contribuie la mișcarea aparentă a Soarelui de-a lungul anului: Orbita Pământului în jurul Soarelui este eliptică, nu circulară.
Orbitând într-o elipsă nu înseamnă doar că Pământul este mai aproape sau mai departe de Soare în anumite puncte ale orbitei sale. De asemenea – prin a doua lege a lui Kepler – înseamnă că atunci când Pământul este aproape de Soare (periheliu), el posedă o viteză orbitală mai mare, iar atunci când Pământul este departe de Soare (afeliu), el posedă o viteză orbitală mai mică.
Plantele se deplasează pe orbitele pe care o fac, în mod stabil, datorită conservării momentului… unghiular. Neavând cum să câștige sau să piardă moment unghiular, ele rămân pe orbitele lor eliptice arbitrar de departe în viitor. Pământul face cea mai apropiată apropiere de Soare la fiecare 3 ianuarie sau cam așa ceva, în timp ce cea mai îndepărtată apropiere are loc la începutul lunii iulie.
NASA / JPL
În sine, acest lucru nu ar face o mare diferență, dar acum trebuie să adăugăm un alt factor: Pământul nu se rotește o dată pe axa sa la fiecare 24 de ore. În schimb, Pământul face o rotație completă de 360° ins doar 23 ore și 56 de minute; o zi durează 24 de ore pentru că este nevoie de acele 4 minute în plus pentru a „recupera” distanța parcursă de Pământ pe orbita sa în jurul Soarelui.
În timpul unei zile medii, când Pământul se deplasează cu viteza sa medie în jurul Soarelui, 24 de ore este exact cât trebuie. Dar atunci când Pământul se mișcă mai încet (în apropierea afeliului), 24 de ore este prea mult timp pentru ca Soarele să se întoarcă în aceeași poziție și astfel Soarele pare să se deplaseze mai încet decât media. În mod similar, atunci când Pământul se mișcă mai repede (aproape de periheliu), 24 de ore nu este suficient de mult timp pentru ca Soarele să se întoarcă la locul de unde a pornit și, astfel, se deplasează mai repede decât media.
Efectul naturii eliptice a orbitei noastre (stânga) și al înclinării noastre axiale (mijloc) asupra poziției Soarelui… pe cer se combină pentru a crea forma de analemă (dreapta) pe care o observăm de pe planeta Pământ.
Imagine generată de Autodesk via UK
Dacă am avea de luptat doar cu înclinarea axială, iar orbita noastră ar fi un cerc perfect, traiectoria pe care Soarele o trasează pe cer ar fi o figură 8 cu adevărat perfectă: simetrică atât în jurul axei orizontale, cât și a celei verticale.
Dacă am trăi pe o planetă cu o orbită eliptică, traiectoria Soarelui pe cer ar fi pur și simplu o elipsă: unde excentricitatea ar fi singurul factor care ar contribui la modul în care se mișcă Soarele. Aceasta este ceea ce se întâmplă aproximativ pe Jupiter și Venus, unde înclinațiile axiale sunt neglijabile.
Dar aici, pe Pământ, avem atât o orbită eliptică, cât și o înclinație axială semnificativă, și astfel ambele efecte sunt semnificative. În special, atunci când le combinăm, putem vedea imediat de ce analema noastră arată ca un „8” care este ciupit pe o parte îngustă.
Cum Pământul se rotește pe axa sa și orbitează Soarele într-o elipsă, poziția aparentă a Soarelui… pare să se schimbe de la o zi la alta în această formă particulară: Analema Pământului.
Giuseppe Donatiello / flickr
Aici, pe Pământ, periheliul are loc pe 3 ianuarie: la doar 2 săptămâni după solstițiul din decembrie. Deoarece planeta noastră se mișcă cu cea mai mare viteză în apropierea solstițiului din decembrie, acest lucru face ca partea „inferioară” a analemei (din emisfera nordică) să fie mult mai mare decât partea „superioară”, care coincide cu afeliul de la începutul lunii iulie și cu solstițiul din iunie.
În concluzie, putem combina aceste efecte pentru a face o ecuație pentru locul în care se va afla Soarele la un moment dat, văzut din orice loc de pe Pământ. Numim această cantitate derivată ecuația timpului.
Ecuația timpului este determinată atât de forma orbitei unei planete și de înclinarea sa axială, cât și… de modul în care acestea se aliniază. În lunile cele mai apropiate de solstițiul din iunie (când Pământul se apropie de afeliu, cea mai îndepărtată poziție față de Soare), el se deplasează cel mai încet, motiv pentru care această secțiune a analemei apare ciupită, în timp ce solstițiul din decembrie, care are loc în apropierea periheliului, este alungit.
Utilizator Wikimedia Commons Rob Cook
În concluzie, doar înclinarea axială și elipticitatea sunt cele care determină forma traiectoriei Soarelui, așa cum este văzut la aceeași oră, în fiecare zi, de pe Pământ. Analema Pământului este fixată în această formă particulară.
Dar mai sunt încă doi factori care intră în joc în determinarea orientării exacte a analemei. Unul este locația dvs. pe Pământ: observatorii din emisfera nordică vor vedea că bucla mică a analemei apare sus pe cer și bucla mare apare mai jos pe cer, în timp ce observatorii din emisfera sudică vor vedea invers.
Dacă fotografiați Soarele în fiecare zi la prânz, analema dvs. va apărea perfect verticală (stânga)…. Înainte de amiază (dreapta sus), analema pare să se rotească în sens invers acelor de ceasornic față de orizont, în timp ce după amiază, ea pare să se rotească în sensul acelor de ceasornic față de orizont. Aceste imagini sunt o dovadă în plus, pentru toți cei care se îndoiesc, că Pământul este rotund.
The Sydney Morning Herald
Și cealaltă este în ce moment al zilei faceți fotografiile. Dacă vă faceți fotografia zilnică:
- la prânz, când Soarele este la apogeu, analema va apărea perfect verticală.
- înainte de prânz, înainte ca Soarele să ajungă la apogeu, analema va părea rotită în sens invers acelor de ceasornic față de poziția de la prânz.
- după prânz, ulterior Soarelui ajungând la apogeu, analema va apărea rotită în sensul acelor de ceasornic față de poziția de la prânz.
Puteți spune, examinând cele 52 de imagini combinate ale lui César Cantú de pe tot parcursul anului cusute împreună, că el a fotografiat Soarele la sfârșitul după-amiezii de la latitudinea sa din Mexic.
În decursul unui an de 365 de zile, Soarele pare să se deplaseze nu numai în sus și în jos pe cer, așa cum este… determinat de înclinarea noastră axială, ci și în față și în spate, așa cum este determinat de orbita noastră eliptică în jurul Soarelui. Atunci când ambele efecte sunt combinate, cifra 8 ciupită care rezultă este cunoscută sub numele de analemă. Imaginile Soarelui prezentate aici sunt o selecție de 52 de fotografii din observațiile lui César Cantú în Mexic pe parcursul unui an calendaristic.
César Cantú / AstroColors
Este ușor de observat că punctul cel mai de sus corespunde solstițiului de vară, în timp ce punctul cel mai de jos corespunde solstițiului de iarnă, dar nu există o semnificație astronomică specială pentru „punctul de intersecție” din analema Soarelui, așa cum este văzut de pe Pământ. Având loc aproximativ pe 14 aprilie și 30 august, aceste date sunt determinate doar de modul în care anotimpurile noastre, determinate de înclinarea axială, se aliniază cu orbita planetei noastre în jurul Soarelui.
Dacă periheliul și afeliul nostru ar fi fost aliniate cu echinocțiile, mai degrabă decât cu solstițiile, am fi avut o analemă în formă de lacrimă, mai degrabă decât o cifră 8, care este modul în care Soarele apare de pe Marte! Analema este forma frumoasă și naturală trasată de Soare de-a lungul timpului, creând o figură în formă de 8, așa cum dictează atât orbita noastră, cât și înclinarea axială. Bucurați-vă de mișcarea Soarelui pe cerul nostru, deoarece pirueta sa cosmică unică se datorează mișcării unice a planetei noastre prin spațiu!
.