Päev pole 24 tundi

Meie aja määramise süsteem põhineb eeldusel, et iga päev on täpselt 24 tundi pikk - üsna täpselt, ilma eranditeta. See kontseptsioon on täielikult juurdunud meie kultuuri, mis on tänapäevase tehnoloogiaühiskonna põhiprintsiip. Samal ajal õpetatakse meile koolis, et päev vastab Maa ühele täielikule pöörlemisele tema teljel. Kahjuks ei kattu need kaks mõistet päris täpselt - ja mittevastavus on rohkem kui vaid mõni millisekund. Tegelikult ulatub ebakõla mitu minutit iga päev. Kuna meie traditsiooniline päeva mõiste on tegelikult määratletud päikesevalguse ja pimeduse tsükliga - ja mitte ühe Maa pöörlemisega -, pole reaalse päeva pikkus ühtlane, kuid varieerub aasta jooksul mõnevõrra. Teeseldame vaid, et kõik päevad on ühepikkused - keskmistades aasta kõigi päevade pikkused ja määratledes selle keskmise täpselt 24-tunnise “tavalise päeva” järgi.

See pole halb asi. Tegelikult on olnud üsna kasulik meie ajasüsteemi sel viisil määratleda. Kuid kui olete aru saanud, miks see süsteem päris reaalse maailmaga ei sobi, võite hakata mõistma mitmeid huvitavaid nähtusi. Näiteks võite arvata, et nii varaseim päikeseloojang kui ka viimane päikesetõus toimuvad mõlemad aasta lühimal päeval, mis on talve esimene päev. Kuid see pole üldse nii.

Kui meie päeva määratlus tugineks tõeliselt Maa ühele täielikule pöörlemisele selle teljel - 360-kraadisele pöörlemisele -, siis oleks päev 23 tundi, 56 minutit ja 4 sekundit. See on ligi 4 minutit lühem kui meie 24-tunnine tavapäev. Meie „päeva” kontseptsioon on aga juba pikka aega põhinenud päikesevalguse looduslikul tsüklil - päevavalguse perioodil, millele järgneb päevavalguseta periood. Ligi 4 minuti pikkune erinevus on tingitud sellest, et Maa peab ühe koidiku ja järgmise vahel pöörlema ​​rohkem kui 360 kraadi. Nagu teate, kogeb Maa kahte samaaegset liikumist - see mitte ainult ei pöörle oma teljel, vaid liigub ka ümber Päikese orbiidil. Ühe päeva jooksul rändab Maa umbes 1/365 ringist ümber päikese (kuna ümberringi kulub umbes 365 päeva, nii määratleme aasta). See igapäevane kulgemine Maa orbiidil on peaaegu täpselt kraad (defineeritud kui 1/360 ringist). Seetõttu peab Maa iga päev taas päikesega rivistamiseks lisa kraadi juurde keerutama. Tulemuseks on see, et üks täielik päikesevalguse ja pimeduse tsükkel - üks päev - tähistab pöörlemist umbes 361 kraadi, mitte aga 360 kraadi. Kuigi aasta koosneb 365-st ja veerandpäevast, keerutab Maa tegelikult aasta jooksul 366 ja veerand korda. Päikesetõusu ja loojangute seisukohast on päikese ümber tehtud teekond igal aastal kummutanud ühe täieliku keerutuse.

Tähepäev

Teine viis selle idee väljendamiseks on see, et päeva pikkus sõltub meie tugiraamistikust. Nii traditsioonilistel kui ka loogilistel põhjustel kasutame päeva määratlemisel referentsina tavaliselt päikest. Kuid kui peaksime päeva määratlema kui Maa täielikku spinni selle teljel, siis saame kasutada tähiseks tähti. Tähtede paiknemist taevas jälgides saame kindlaks teha, millal Maa on täpselt ühe pöörde lõpule viinud. Sel viisil määratletud päevaks kutsume tähtpäeva või külgpäeva. (Neil kahel mõistel on definitsioonid pisut erinevad, kuid tulemused on peaaegu identsed.)

Tähepäeval tõuseb iga täht iga päev umbes samal kellaajal. Täpsemalt, iga täht jõuab taevalaotuse kõrgeimasse punkti igal tähtpäeval samal ajal. Selle põhjuseks on asjaolu, et Maa ühe täieliku pöörde alguses ja lõpus on kõik Maa punktid nüüd kosmoses samas suunas. (Teisisõnu, iga maakera punkt on nüüd meie galaktika teiste tähtede suhtes sama suunaga.) Kuid kuna tähtpäev on umbes 4 minutit lühem kui traditsiooniline päikesepäev, tähendab see, et mõni täht tõuseb umbes 4 minutit varem iga päev. Näiteks kui teile meeldib sügisel ja talvel Orioni tähtkuju määrimine, siis märkate, et see tõuseb igal õhtul pisut varem. Kui lähete igal õhtul täpselt kell 23:00 välja Orioni positsiooni märkima, näete, et igal õhtul on tähtkuju idataevas pisut kõrgem kui see oli eelmisel õhtul.

Erinevalt päikesepäevast, mille tegelik pikkus varieerub aastaringselt, on tähtpäeva pikkus üsna konstantne - alati 23 tundi, 56 minutit ja 4 sekundit. Kui soovite aga täpsustada millisekundi täpsusega (1/1000 sekundist), peate arvestama mitut tüüpi võnkumistega, mis mõjutavad Maa telje suunda. (Suurim neist võnkumistest on 26 000-aastane tsükkel, mida nimetatakse aksiaalseks pretsessiooniks.) Peate arvestama ka Maa spin väga aeglase aeglustumisega. (Üks täielik pöörlemine võtab umbes 1,7 millisekundi kauem kui sajand tagasi.)

Päikesepäev

Vastupidiselt tähtpäevale on päikesepäeva - ühe täieliku päikesevalguse ja pimeduse tsükli - pikkus palju varieeruvam. Kuid varieeruvuse suurus sõltub osaliselt sellest, kui arvestate päeva algusega. Näiteks võite kaaluda uue päeva algust koidikul, kui päike tõuseb, või võite päeva lõppeda, kui päike loojub - sel juhul algab järgmine päev päikeseloojangul. (Seda süsteemi kasutavad endiselt mitmed tuntud religioonid.) Kolmas valik on öelda, et uus päev algab täpselt öö keskel - päikeseloojangu ja päikesetõusu vahel. (Seda hetke võib nimetada „tõeliseks keskööks”.) Kõigis neis süsteemides varieerub päeva pikkus aastaringselt, kuid keskmine pikkus on 24 tundi. Kesköösüsteem näitab päeva pikkuse varieeruvust tunduvalt vähem kui koidiku- või hämarussüsteem.

Meie praeguses tavaaja süsteemis algab uus päev tõepoolest südaööl - välja arvatud see, et see pole tõeline südaöö. Mis tahes asukohas ja igal päeval võib tavalise kesköö ja kesköö vahel olla oluline erinevus. USA-s võib erinevus olla sama suur kui tund - ja suveaja kokkuhoiukuude kuu jooksul võib erinevus ulatuda isegi kahe tunnini. Kaug-Lääne-Hiinas on standard- ja tegeliku aja erinevus kolm tundi, mis on tingitud kogu riigi ühte ajavööndisse mahutamisest.

Ehkki võite pidada tõelise päikesepäeva pikkuseks aega, mis kulub ühest tõesest südaööst kuni järgmise tõelise keskööni, on mõistlik alternatiiv pidada seda ajavahemikuks ühest tõelisest keskpäevast kuni järgmise tõelise keskpäevani. Mis tahes asukohas toimub tõeline keskpäev täpselt päikesetõusu ja loojangu vahel (eeldusel, et horisontaal on suhteliselt tasane, ilma mägedeta). See on ka hetk, mil päike jõuab selleks päevaks taeva kõrgeimasse punkti. Maailma parasvöötme põhjaosades loojub päike lõuna paiku keskpäeval. Maailma parasvöötme lõunapoolsetes piirkondades loojub päike põhja pool tõsi keskpäeval. Troopikas - see tähendab suvalises paigas maailmas, mis asub vähktõve troopikast lõunas ja Kaljukitse troopikast põhja pool - päike tuleb kas põhja poole või lõunasse tõepärasel keskpäeval, sõltuvalt sellest, millisel aastapäeval ta on on. Lisaks on päike kaks korda aastas troopikas tõepäraselt otse kohal. Selle nähtuse täpsed kuupäevad varieeruvad vastavalt asukoha laiuskraadile.

Variatsioonid päikesepäeval

Kui Maa ümber tiirlev orbiit oleks ideaalselt ringikujuline, oleks tõelise päikesepäeva pikkus - aeg ühest tõelist keskpäevast järgmise aastani - üsna ühtlane kogu aasta vältel. Maa orbiit on aga tegelikult ellips, ehkki üsna ringikujuline. Järelikult on Maa ja Päikese vaheline kaugus aasta jooksul erinev umbes 3% (umbes 3 miljonit miili). Maa liikumise kiirus päikese ümber varieerub ka aasta jooksul umbes 3% ja on kiireim, kui Maa on päikesele kõige lähemal. Muutuvad vahemaad ja muutuv kiirus mõjutavad mõlemad tõelise päikesepäeva pikkust - kuna mõlemad mõjutavad seda, mitu kraadi peab Maa pöörlema ​​kahe järjestikuse tõelise keskpäeva vahel ühes asukohas. Detsembri lõpus toimuva tõelise päikesepäeva pikkus on umbes 24 tundi pluss 30 sekundit. Tõelise päikesepäeva pikkus septembri keskel on umbes 24 tundi miinus 21 sekundit. Seega varieerub päikesepäeva pikkus aasta jooksul ligi minuti jooksul.

Kuigi see mõju on suhteliselt väike, kui arvestada ainult ühte päeva, on see mitme kuu jooksul kogunedes üsna märgatav. Kujutage ette, et teil on kaks kella. Esimene kell, mis on lihtsalt väga täpne päikesekell, näitab tõelist kohalikku aega, sealhulgas tõelist keskpäeva. Teine kell on elektriline, kuid selle asemel, et seada vastavalt kohalikule ajavööndile tavapärasele ajale, seatakse see kohalikule ajale. Teisisõnu, elektrikell eeldab, et kõik päevad on täpselt 24 tundi (sõna "keskmine" tähendab keskmist), kuid keskpäeva keskmine aeg peaks vastama kohaliku tõelise keskpäeva ajale, nagu näitab päikesekell. Neli korda aastas lepivad kaks kella kokku, millal on keskpäev. Kuid veebruari alguses näitab elektrikell keskpäeva täis 14 minutit enne päikesekella saabumist. Novembri alguses näitab elektrikell keskpäeva 16 minutit hiljem kui päikesekell. See on üsna terav erinevus!

See ebakõla on põhjus, miks kõige varasem päikeseloojang ja viimane päikesetõus ei toimu aasta lühimal päeval - talvisel pööripäeval -, mis toimub 21. detsembril või selle lähedal põhjapoolkeral. (Lõunapoolkeral on 21. detsember aasta pikim päev ja seega suve esimene päev.) Kui me tegelikult kasutasime tõelist päikeseaega (erinevalt kohaliku keskmise ajaga või normaalajaga), siis on viimane päikesetõus ja aasta varaseim päikeseloojang saabub tõepoolest talvisel pööripäeval, talve esimesel päeval.

Ajatsoonid

Tõelise päikeseaja kasutamisest loobuti, kui mehaanilised kellad võimaldasid meil - või ehk sundisid meid - vastu võtma standardpikkust 24 tundi päevas, olenemata päikese tegelikust asukohast. Seega asendas päikese aeg kohaliku keskmise ajaga - mitu sajandit tagasi. Kuid muidugi ei kasuta me enam ka kohalikku keskmist aega. Kui me seda teeksime, peaksite iga kord, kui sõidate mõni miil ida või lääne poole, oma kella kohandama. Alates 1880. aastatest oleme tuginenud tavalisele ajale, tuginedes ajavöönditele. Idee on jagada maailm 24 põhja-lõuna ribaks või tsooniks. Igas tsoonis kasutavad kõik sama aega. Ühest tsoonist teise liikudes kohandate oma kellasid tavaliselt ühe tunni võrra. Igal ajavööndil on keskmine laius 15 pikkuskraadi (jagades 360 kraadi 24 võrdseks tükiks). See tähendab ekvaatoril umbes 1000 miili laiust, kuid Maa tornidele lähenedes ajavööndid muutuvad järk-järgult kitsamaks.

Igas ajavööndis põhineb standardaeg kohaliku keskmise aja järgi tsooni konkreetsel pikkuskraadil. Näiteks Põhja-Ameerika idaosa ajavööndis põhineb standardaeg 75 kraadi läänepikkusel - selle ajavööndi teoreetiline keskjoon. Kõigi samade ligikaudsete pikkuskraadidega linnade, näiteks Philadelphia puhul on kohaliku keskmise aja ja normaalaja vastavus peaaegu täiuslik. Ligikaudu 80 kraadi lääne pool asuva linna või linna, näiteks Charlestoni (Lõuna-Carolina) puhul on tavaline aeg ja kohalik keskmine aeg umbes 20 minutit erinev. Indianapolises, mis asub umbes 86 kraadi läänepikkust, on standardse aja ja kohaliku keskmise aja erinevus umbes 45 minutit. Suvel, kui kehtib suveaja säästmise aeg, lisandub keskjoonest lääne pool asuvasse kohta veel üks tund erinevust - ehkki keskjoonest ida pool asuvate asukohtade (näiteks Boston) kohta lahutatakse tund. Tulemuseks on see, et suvel erineb tavaaeg ja kohalik keskmine aeg Indianapolises peaaegu kahe tunni võrra.

Indianapolis asus keskmises ajavööndis koos kogu Indiana osariigiga. Kuid nüüd asub suurem osa osariigist ida ajavööndis. Kui Indianapolis kasutaks endiselt kesk aega, siis erineks tavaaeg ja kohalik keskmine aeg 45 minuti asemel vaid 15 minutit. Probleem on selles, et keskmiselt oleks päike juba kella 11.45ks taeva poole juba poolel teel. Novembri alguses oleks päikeseaja keskmise aja ja tegeliku päikeseaja erinevuse tõttu päike loodetud kell 11.30 taeva poole. Seetõttu toimuvad nii koidik kui päikeseloojang pool tundi varem kui arvatakse. Enamik inimesi eelistaks päikest loojuda poole taeva poole kell 12.30, mitte kell 11.30, nii et päikesetõus ja loojang on oodatust pisut hiljem. Sarnane probleem puudutab mis tahes muud kohta, mis asub vastava ajavööndi keskjoonest ida pool. Tulemuseks on see, et poliitikutel on pidevalt kiusatus ajavööndite piire lääne suunas nihutada. Enamik kohti USA-s (kuid kindlasti mitte kõiki) asuvad nüüd vastava ajavööndi keskjoonest läänes.

Analemma

Nagu peaaegu kõik teavad, tõuseb päike suvel taevas kõrgemale kui talvel. Kui eeldada, et elate põhjapoolkeral, toimub kõrgeim punkt iga päev tõelisel keskpäeval ja aasta kõrgeim punkt toimub suvisel pööripäeval (suve esimene päev), 21. juuni paiku. Kui paigaldasite kaamera platvorm suunatud lõuna poole ja te pildistasite taevast ja silmapiiri iga päev tõelisel keskpäeval, siis tõuseb päike igal fotol kõrgemale kuni 21. juunini, siis vajub iga päev madalamale kuni 21. detsembrini. Aga mis siis, kui pildistamise asemel foto tõepoolest keskpäeval, kas tegite foto keskpäeval vastavalt kellaajale (ignoreerides suveaega)? Fotode sirvimisel jätkub päike loojumist üles ja alla, aga ka punub veidi vasakule ja paremale, kuna tõelise päikese ja keskmise aja erinevus on kuni 16 minutit. Kui ühendada kõik pildid üheks fotoks, näeksite taevas joonist 8. Kui pildistate fotosid samal kellaajal, välja arvatud keskpäev, kaldub joonis-8 küljele:

Päikese Analemma, autor György Soponyai

Võib-olla olete näinud maakerale prinditud sama kujuga diagrammi, mida nimetatakse analemmaks. Tähendus on sisuliselt sama. Kui te peaksite täpse 24-tunniste intervallidega täismahus maakerale punkti tõmbama terve aasta vältel, märkides seda punkti maa peal, kus päike otse üle pea asub, siis annaksite maakerale sama joonise 8:

Aastaajad

Vastupidiselt sellele, mida põhjapoolkera inimesed võisid oodata, on Maa lähim lähenemine päikesele (nn perihelioon) jaanuari alguses. Maale langeva päikesevalguse intensiivsus on jaanuari alguses 7% suurem kui juuli alguses, kui Maa on päikesest kõige kaugemal. See põhjustab põhjapoolkera suve- ja talvetemperatuuri erinevuste vähest mõõdukust ning lõunapoolkera suve- ja talvetemperatuuri erinevuste mõningast suurenemist.

Muidugi on meie aastaaegade tsükkel tingitud Maa telje kaldest, mitte kaugusest Päikesest. Peamine päikesevalguse intensiivsust mõjutav tegur on lihtsalt see, kui kõrgel on päike horisondi kohal. Kui päike on taevas madalal, löövad kiired Maad kaldu nurga all, levitades energiat suurele alale, vähendades sellega intensiivsust. Seetõttu on päikesevalgus keskpäeval palju intensiivsem kui varahommikul või hilisel pärastlõunal. Samuti on päikesevalgus intensiivsem suvel, kui päike tõuseb taevas kõrgemale, kui talvel. Suvel on ka mitu tundi päevavalgust, mille tulemuseks on pikem päevane kütteperiood ja lühem öine jahutusperiood. Troopikas ei muutu keskpäeval päikese kõrgus aasta jooksul palju ega päevavalguse perioodi pikkus. Seetõttu ei ole troopikas aasta keskmistes temperatuurides suuri muutusi.

Asukohtades, mis asuvad ekvaatorist kaugel ja kus seetõttu eristatakse suve ja talve teravat eristamist, on efekt oluliselt suurem mandrikliimaga piirkondades, mitte merekliimas. Teisisõnu, kohtades, mis asuvad mitte ainult ekvaatorist kaugel, vaid ka kaugel mis tahes ookeanist, on suurim erinevus suvise ja talvise temperatuuri vahel. Aasia hiiglasel mandril asuv Siber on selliste äärmuste ehe näide - kuid hea näite on ka Põhja-Ameerika põhja tasandikud (näiteks Põhja-Dakota ja Lõuna-Saskatchewan).

Kokkuvõte

Lõpetuseks pöördugem tagasi oma algse küsimuse juurde: kui pikk on päev? Kui määratleme päeva tegeliku, igapäevase, vaadeldava füüsilise nähtuse põhjal, on meil kaks võimalikku vastust. Kui määratleme päeva Maa ühe telje täieliku keerdusena teljel - tähtpäev -, siis on päev umbes 4 minutit vähem kui 24 tundi. Kui määratleme päeva ajana, mis on ühe päeva keskpäeva ja järgmise päeva keskpäeva vahel - päikesepäev -, siis päeva pikkus varieerub aastaringselt, ulatudes 21 sekundist vähem kui 24 tunnist kuni 30 sekundini rohkem kui 24 tunnist. . Kuid kui võtta aasta päikesepäevade keskmine pikkus, siis on tulemuseks täpselt 24 tundi, nii jõudsime oma tavapäevani. Kuid igal aastal on ainult 4 korda, kui tavapäev ja tõeline päikesepäev on sama pikk. Lõpptulemus on see, et standardne 24-tunnine päev pole midagi looduses leiduvat, vaid inimese leiutis, mis vastab vaid umbkaudu reaalsetele päevadele - päikesepäevadele või tähepäevadele -, mida me tegelikult Maal kogeme.