Kaksi erilaista keskipäivää
On olemassa kahdenlaisia keskipäiviä, ja ne ovat lähes aina eri mieltä. Toinen on kellon keskipäivä — hetki, jolloin puhelimesi näyttää 12:00. Toinen on aurinkokeskipäivä — se hetki, jolloin Aurinko saavuttaa päivän korkeimman kohtansa taivaalla ylittäessään kuvitteellisen linjan, joka kulkee suoraan yläpuolelta tarkalleen pohjoisesta etelään. Tämä linja on paikallinen meridiaanisi, ja hetki, jolloin Aurinko ylittää sen, on rehellinen, tähtitieteellinen päivän keskikohta.
Jos työnnät tikun maahan ja tarkkailet sen varjoa, aurinkokeskipäivä on se hetki, jolloin varjo on lyhyimmillään ja osoittaa suoraan pohjois-etelä-linjaa pitkin. Tee tämä minä tahansa päivänä, ja huomaat varjon saavuttavan miniminsä johonkin epätasaiseen aikaan, kuten 12:37 tai 1:14 — harvoin, jos koskaan, tarkalleen 12:00. Mistä tämä epäsuhta johtuu? Kolme erillistä vaikutusta kasautuu päällekkäin, ja kun ne ymmärtää, kellon outo aritmetiikka alkaa käydä täysin järkeen.
Mitä aurinkokeskipäivä todella on
Aurinkokeskipäivä määritellään puhtaasti geometrian avulla. Maan pyöriessä Aurinko näyttää liikkuvan taivaalla idästä länteen. Täsmälleen yhden hetken joka päivä se on tarkalleen etelässä (pohjoisella pallonpuoliskolla) maksimikorkeudellaan. Tämä on aurinkokeskipäiväsi, ja se on täysin paikallinen — se riippuu pituusasteestasi asteen murto-osan tarkkuudella.
Aurinko itse sijaitsee noin yhden astronomisen yksikön päässä — noin 150 miljoonaa kilometriä (Astronominen yksikkö mihin kilometri) — ja sen valo saavuttaa meidät noin kahdeksassa minuutissa. Joten "korkein kohta", jonka havaitset, on todellisuudessa siellä, missä Aurinko oli kahdeksan minuuttia sitten. Kokonaisen päivän mittakaavassa tämä viive on kuitenkin vakio, joka kumoutuu huomaamatta, joten se ei koskaan siirrä aurinkokeskipäivääsi suhteessa eiliseen. Se, mikä sitä siirtää päivästä toiseen ja paikasta toiseen, ovat alla olevat kolme vaikutusta.
Syy yksi: Aikavyöhykkeet ovat leveitä kaistoja
Maa kiertää 360 astetta 24 tunnissa, mikä tarkoittaa, että Aurinko ylittää yhden pituusasteen neljässä minuutissa. Todellinen aurinkoaika on siis erilainen jokaisella planeetan meridiaanilla. Jos jokainen kaupunki pitäisi omaa aurinkokelloaan — kuten kirjaimellisesti tehtiin ennen rautateitä — keskipäivä yhdessä kaupungissa eroaisi keskipäivästä naapurikaupungissa.
Tämä kaaos on juuri syy, miksi keksimme aikavyöhykkeet: leveät kaistat, kukin nimellisesti 15 pituusastetta leveitä, jotka kaikki sopivat käyttävänsä yhtä "vakioaikaa", joka on ankkuroitu yhteen keskimeridiaaniin. Vain ne paikat, jotka sijaitsevat tällä keskimeridiaanilla, saavat aurinkokeskipäivän lähellä 12:00. Kaikki muut ovat siirtyneet etäisyytensä verran. Asu vyöhykkeesi itäreunalla, ja Aurinko kiitää edellä — aurinkokeskipäivä saapuu ennen kuin kello lyö kahtatoista. Asu länsireunalla, ja Aurinko myöhästyy, joten aurinkokeskipäivä osuu hyvin 12:00 jälkeen. Vyöhyke voi olla tunnin levyinen aurinkoajan kannalta, joten tämä yksinään voi siirtää todellista keskipäivää 30 minuuttia kumpaankin suuntaan.
Syy kaksi: Kesäaika
Toinen vaikutus on täysin ihmisen keksintö. Suuren osan vuodesta monet alueet siirtävät kellojaan tunnilla eteenpäin kesäaikaa varten. Kun siirrät kelloa eteenpäin, et liikuta Aurinkoa — vaan nimeät päivän uudelleen. Aurinkokeskipäivä tapahtuu edelleen samalla tähtitieteellisellä hetkellä, mutta kello näyttää nyt noin tuntia myöhempää, kun se tapahtuu.
Seuraus: kesäaikana aurinkokeskipäivä osuu yleensä jonnekin kello 13:00 ja 13:30 välille iltapäivällä. Siksi kesäillat tuntuvat niin anteliaan pitkiltä — olet yksinkertaisesti siirtänyt tunnin päivänvaloa varhaisaamusta, jolloin useimmat nukkuvat, iltaan, jolloin he ovat hereillä.
Syy kolme: Ajan yhtälö
Kaksi ensimmäistä vaikutusta ovat kiinteitä siirtymiä — samat joka päivä vuodessa. Kolmas heilahtelee, ja se on kiehtovin. Vaikka seisoisit tarkalleen vyöhykkeesi keskimeridiaanilla ja jättäisit kesäajan kokonaan huomiotta, aurinkokeskipäivä silti ajautuisi, ollen jopa noin 16 minuuttia edellä kelloa marraskuun alussa ja noin 14 minuuttia jäljessä helmikuun puolivälissä. Tätä ajautumista kutsutaan ajan yhtälöksi, ja se johtuu siitä, että todellinen aurinkopäivä ei ole kiinteän pituinen. Kaksi asiaa vaikuttaa yhdessä:
-
Maan kiertorata on ellipsi. Planeettamme ei kiertää Aurinkoa vakionopeudella. Tammikuun tienoilla, kun Maa on lähimpänä Aurinkoa, se liikkuu nopeammin radallaan; heinäkuun tienoilla hitaammin. Koska aurinkopäivän pituus riippuu osittain siitä, kuinka pitkälle Maa on kiertynyt Auringon ympäri, tämä nopeutuminen ja hidastuminen venyttää ja puristaa päivää.
-
Maan akseli on kallistunut. 23,4 asteen kallistuskulma, joka antaa meille vuodenajat, tarkoittaa myös, että Auringon päivittäinen liike ei ole aina yhdensuuntainen päiväntasaajan kanssa. Päivänseisausten aikoina näennäinen Aurinko liikkuu tavalla, joka pidentää aurinkopäivää; päiväntasausten aikoina se lyhentää sitä.
Kun nämä kaksi sykliä lisätään yhteen, saadaan tasainen käyrä, joka ylittää nollan neljä kertaa vuodessa ja saavuttaa huippunsa lähellä noita 16 minuutin ääriarvoja. Kellomme käyvät keskimääräistä aurinkoaikaa — keskimääräistä päivää, täydellisen tasaisten tikitysten fiktiota — juuri siksi, ettei meidän tarvitse elää päivän kanssa, joka muuttaa pituuttaan jatkuvasti. Ajan yhtälö on kirjanpitomerkintä, joka sovittaa rehellisen Auringon yhteen kätevän keskiarvon kanssa.
Analemma: Ajautumisen piirtäminen
On kaunis tapa nähdä ajan yhtälö omin silmin. Kuvaa Aurinkoa samasta paikasta samaan kellonaikaan — esimerkiksi tarkalleen 12:00 — kerran viikossa vuoden ajan ja aseta kuvat päällekkäin. Aurinko ei pysy paikallaan. Se piirtää epäsymmetrisen kasi-kuvion taivaalle, jota kutsutaan analemmaksi. Sen korkea akseli tallentaa Auringon kohoamisen korkealle kesällä ja laskemisen matalalle talvella; sen leveys tallentaa ajan yhtälön, Auringon kulkemisen edellä tai jäljessä kelloa. Tuo hoikka sivuttaisvenymä kasi-kuviossa on ajan yhtälö tehtynä näkyväksi.
Ääritapaukset: Yksi kello mantereelle
Aikavyöhykkeet ovat yhtä paljon poliittisia kuin tähtitieteellisiä, eikä mikään osoita tätä dramaattisemmin kuin Kiina. Maantieteellisesti maa kattaa noin viisi aikavyöhykettä, mutta koko kansakunta toimii virallisesti yhdellä — Pekingin ajalla. Kaukaisen länsialueen Xinjiangin asukkaalle kello on asetettu tuhansien kilometrien päässä idässä olevalle meridiaanille. Seuraus on jyrkkä: kaukana lännessä aurinkokeskipäivä voi osua noin kello 15:00 iltapäivällä, eikä Aurinko välttämättä nouse ennen kuin virallinen kello on yli 9:00 aamulla. Espanja tarjoaa lievemmän version — maantieteellisesti linjassa Britannian kanssa, se käyttää Keski-Euroopan aikaa, joten aurinkokeskipäivä ajautuu säännöllisesti yli 13:30 jopa ennen kesäaikaa.
Kuinka löytää todellinen aurinkokeskipäiväsi
Et tarvitse erikoisvälineitä. Muutama luotettava menetelmä:
- Varjotikku. Työnnä suora pystysuora tanko tasaiseen maahan ja merkitse sen varjon kärki päivän aikana. Hetki, jolloin varjo on lyhyimmillään, on aurinkokeskipäivä, ja tuo lyhin varjo osoittaa tarkalleen pohjois-etelä-suuntaan.
- Matematiikka. Aloita 12:00, säädä pituusasteesi etäisyyden mukaan vyöhykkeesi keskimeridiaanista (neljä minuuttia astetta kohti), lisää tunti, jos kesäaika on voimassa, ja lopuksi sovella päivän ajan yhtälön arvoa.
- Laskin. Mikä tahansa auringonpaikan työkalu antaa tarkan minuutin koordinaateillesi yhdistäen kaikki kolme vaikutusta automaattisesti.
Aurinkokeskipäivän ymmärtäminen kehystää koko kellon uudelleen: 12:00 on sosiaalinen sopimus, ei tähtitieteellinen tosiasia. Utelias, kuinka pitkälle oma kaupunkisi ajautuu Auringosta? Tutustu kaupungit-viitteeseen ja vertaa, missä kello ja taivas hiljaa eroavat.
Usein kysytyt kysymykset
Onko aurinkokeskipäivä koskaan tarkalleen 12:00?
Vain harvoin, ja vain sattumalta. Se edellyttää, että olet aikavyöhykkeesi keskimeridiaanilla, kesäaika on pois päältä ja ajan yhtälö on nolla — yhdistelmä, joka toteutuu vain muutamana päivänä vuodessa kapealla paikkajoukolla.
Muuttuuko aurinkokeskipäivä päivästä toiseen?
Kyllä, hieman. Ajan yhtälön vuoksi aurinkokeskipäivän kellonaika siirtyy jopa noin puoli minuuttia päivässä, vaeltaen aikaisemmaksi ja myöhemmäksi vuoden aikana tasaisessa vuosisyklissä, jonka kokonaisvaihtelu on jopa noin 30 minuuttia.
Miksi aurinkokeskipäivä on myöhemmin kesällä?
Enimmäkseen kesäajan vuoksi. Kellojen siirtäminen tunnilla eteenpäin tarkoittaa, että Aurinko saavuttaa huippunsa, kun kello näyttää jo noin 13:00 eikä keskipäivää, mikä on myös syy siihen, miksi kesäillat pysyvät niin pitkään valoisina.
Mikä on ero aurinkoajan ja keskimääräisen ajan välillä?
Aurinkoaika (tai "näennäinen" aika) seuraa todellista Aurinkoa, jonka päivän pituus vaihtelee. Keskimääräinen aika käyttää idealisoitua, täysin tasaista päivää — keskiarvoa — joten kellomme tikittävät tasaisesti. Niiden välinen ero millä tahansa päivämäärällä on ajan yhtälö.
Vaikuttaako pituusasteeni aurinkokeskipäivään?
Ehdottomasti. Jokainen pituusaste poispäin vyöhykkeesi keskimeridiaanista siirtää aurinkokeskipäivää neljällä minuutilla — aikaisemmaksi, jos olet idässä, myöhemmäksi, jos olet lännessä. Tämä on suurin yksittäinen syy sille, miksi kaksi samalla vyöhykkeellä olevaa kaupunkia kokevat keskipäivän eri kellonaikoina.