W samo południe, na zegarku 12:00, a Słońce wcale nie jest na południu. Jak to możliwe?

Na początku uzasadnijmy sobie możliwość obserwacji Słońca w południe w innym niż południowy kierunku, która wynika z kulistości Ziemi i nachylenia jej osi obrotu względem płaszczyzny, w której obiegane jest Słońce.

W samo południe Słońce widać mniej więcej w kierunku? No właśnie, w jakim

Otóż o ile w Polsce Słońce faktycznie nawet latem widać w godzinach południowych w kierunku „ciepłych krajów”, czyli na południe, to im bardziej na południu się znajdziemy, tym wyżej nad horyzontem będzie ono w ciągu dnia górować.

Na zwrotniku Raka, który przebiega przez Meksyk, północną Afrykę i Indie, a także południowe Chiny, w dniu przesilenia letniego Słońce pojawi się dokładnie nad naszymi głowami. Z kolei na zwrotniku Koziorożca, przebiegającym przez Amerykę Południową, Południową Afrykę i Australię, taka sytuacja wystąpi w dniu przesilenia zimowego.

Górowanie to chwila, w której ciało niebieskie znajduje się najwyżej nad horyzontem danego dnia. Dla Słońca ten moment utożsamiamy, niestety niesłusznie, z zegarkowym południem

Na południe od zwrotnika Koziorożca Słońce jest zawsze widoczne po stronie północnej. Z kolei na równiku przez połowę roku jest widoczne w kierunku południowym, a przez drugą połowę w kierunku północnym. Tam też Słońce wschodzi i zachodzi dokładnie w pionowym kierunku przez cały rok. Dlatego zachody w okolicach równika są dużo szybsze niż w Polsce, a różnica pomiędzy najdłuższym a najkrótszym dniem w roku niewielka.

Strefa międzyzwrotnikowa, zaznaczona na czerwono, gdzie Słońce raz góruje od strony północnej, raz od strony południowej nieba (fot:Genetics4Good CC BY-SA 3.0)

W przypadku obszarów daleko za kołami podbiegunowymi, gdy Słońce całymi dniami wisi nad horyzontem, tylko pozornie nie zmienia ono wysokości. W praktyce każdego dnia "w południe" góruje na nieco innej wysokości.

Wracając jednak do tej godziny 12:00, która wybija na naszym zegarku. Uwzględniając powyższe wytłumaczenie, w samo południe Słońce powinno teoretycznie być albo dokładnie w kierunku południowym, albo północnym, ewentualnie dokładnie nad naszymi głowami. Tak jednak jest tylko w niektórych dniach roku, bądź niektórych miejscach.

Co właściwie pokazuje nasz zegarek, czyli czas urzędowy i strefy czasowe

Wyjaśnienie pierwszej części tej zagadki leży w słowie zegarek. No właśnie, cóż on mierzy. Ten, z którego korzystamy dziś to najczęściej zegarek w smartfonie czy smartwatchu, który synchronizowany jest z bardzo dokładnymi zegarami atomowymi. Niestety muszę was rozczarować, zegarek mierzy czas urzędowy, czyli taki, który administracyjnie jest narzucony w danym regionie.

Czas urzędowy podlega podziałowi na strefy czasowe, których zasięg jest zwykle tak dobrany, by nie utrudniać funkcjonowania człowieka, jak i gospodarki. Dlatego Europa w większości jest objęta jedną strefą czasową, ale na przykład w USA mamy już kilka takich stref

W prawie całej Europie mamy czas środkowoeuropejski (CSE). Czyli jeśli u nas jest godzina 12:00, to 12:00 jest też w Hiszpanii kontynentalnej. A przecież Słońce tam o tej samej porze nie może być w tej samej pozycji na niebie. No tak się po prostu nie da. Czas słoneczny, czyli wynikający z ruchu obrotowego Ziemi, jest inny na każdym południku. Teoretycznie po każdej stronie biurka przy, którym siedzicie, czas będzie inny.

Czas urzędowy dla danej strefy czasowej odpowiada czasowi słonecznemu dla południka, którego odległość kątowa od południka zerowego stanowi wielokrotność 15 stopni i numeru strefy

Strefy czasowe na świecie. Jak widać, nie ma tu reguły co do podziału. Główna część USA, choć ma podobną rozciągłość jak Chiny, są podzielone na strefy w przeciwieństwie do tego drugiego kraju

Czas CSE jest w praktyce czasem słonecznym, który obowiązuje na południku 15 stopni długości geograficznej wschodniej. Warszawa dla przykładu leży na południku 21 stopni (na wschód od tego południka), więc Słońce tutaj w zegarkowe południe powinno być już na zachodzie. Zwykle mniej więcej kilkanaście minut po 11:00 pojawia się najdalej na południu w danym dniu i najwyżej na niebie. Z kolei w Barcelonie, która leży blisko południka zerowego, gdy Słońce góruje na niebie zegarki wskazują już godzinę 13:00. W zegarkowe południe jest jeszcze po wschodniej stronie nieba.

To dlatego mówi się, że w Hiszpanii ludzie chodzą spać późno, bo po prostu dzień bywa tam dłuższy niż w środkowej Europie. To tylko kwestia przyjętej administracyjnie godziny. Cały świat podzielony jest na 24 strefy czasowe, ale ze względu na to, że nie każdy kraj ma kształt prostokąta jak stan Wyoming w USA, strefy czasowe nie zawsze współgrają z naszą intuicją.

Przykładowe położenie Słońca na niebie w różnych dniach roku o tej samej godzinie czasu urzędowego (z uwzględnieniem zmiany czasu na zimowy) na szerokości geograficznej Polski. Krzywa tworzona przez te pozycje nazywa się analemma. Na Ziemi ma ona kształt ósemki, na Marsie to z kolei kształt gruszki (fot: jailbird CC BY-SA 2.0 de)

O powyższym doskonale wiedzą amatorzy nocnych obserwacji. Godzina zegarkowa nie jest tak istotna jak czas gwiazdowy, wedle którego określane są pozycje gwiazd i innych obiektów na niebie.

Wykres analemma dla pozycji Słońca w samo południe, dla miejscowości na północnej półkuli Ziemi o szerokości geograficznej 51 stopni, czyli takich jak Wrocław, Lublin, ale z dobrym przybliżeniem także dla całej Polski. Mamy tu wysokość nad horyzontem i azymut (180 stopni to kierunek na południe)

Gdyby czas urzędowy był określany dla każdego południka, czyli czas słoneczny, ale średni

Dobrze, wiemy więc, że aby czas zegarkowy najbardziej odpowiadał czasowi słonecznemu, czyli związanemu z dziennym ruchem i położeniem Słońca na niebie, zegarek powinien na każdym południku na Ziemi pokazywać czas odpowiadający temu właśnie południkowi. Nie jest to technicznie możliwe i dlatego różnica w czasie słonecznym pomiędzy wschodnią a zachodnią granicą Polski to kilkadziesiąt minut.

Uzbrojeni w tę wiedzę wychodzimy na podwórko, wprowadzamy w zegarku korektę czasu związaną z naszą odległością od południka 15 stopni (szczęście mają mieszkańcy zachodniej Polski, bo to właśnie tam przebiega ten południk), kierujemy wzrok o 12 dokładnie na południe i... nic z tego. Szanse, że Słońce będzie widoczne dokładnie na południu w południe są mniej więcej 4 do 365. Zresztą nie powinno patrzeć się na samo Słońce, wystarczy zwykły kijek i pomiar kierunku rzucanego przez niego cienia. Gdy będzie skierowany dokładnie na północ, to znaczy, że Słońce jest dokładnie na południu.

Czas słoneczny średni, a czas słoneczny prawdziwy. Różnica jest istotna

Dlaczego szanse wynoszą 4 do 365, czyli mniej więcej jeden procent? Otóż zapomnieliśmy o tym, że Ziemia obiega Słońce po elipsie, a nie po kole. Tzn. doskonale to wiemy, ale trzeba to jeszcze uwzględnić w naszych obliczeniach. Ba, trzeba jeszcze dołączyć fakt, że oś obrotu Ziemi jest nachylona względem ekliptyki.

Równanie czasu, wykres wartości w ciągu roku. Gdy wartośc jest ujemna, nasze zegarki wyprzedzają czas prawdziwy słoneczny, gdy dodatnia jest wręcz przeciwnie. Gdyby z różnic w położeniu Słońca o tej samej godzinie zrobić wykres, dostalibyśmy coś podobnego (fot: Pedro Sánchez CC BY-SA 3.0)

Czas słoneczny, który odpowiada danemu równikowi, a który powiązaliśmy z czasem urzędowym i tym, że Ziemia w 24 godziny wykonuje jeden obrót, to w rzeczywistości czas słoneczny średni. Czyli taki, który by był czasem słonecznym prawdziwym przy kołowej orbicie.

Czas słoneczny prawdziwy można wyliczyć z czasu słonecznego średniego lub na odwrót, stosując tak zwane równanie czasu

Tę rozbieżność, czyli szybszy ruch Ziemi wokół Słońca polską zimą, wolniejszy latem, oraz wpływ zmiennego nachylenia ekliptyki do równika ziemskiego, koryguje się za pomocą tak zwanego równania czasu. Jego wykres jest taki jak na diagramie powyżej. Korekta czasu średniego słonecznego czasem jest dodatnia, czasem ujemna. Tylko 15 kwietnia, 13 czerwca, 1 września i 25 grudnia korekta wynosi zero.

Wykonujemy działania, obliczamy korektę czasu urzędowego do słonecznego średniego i słonecznego prawdziwego i wiemy kiedy naprawdę danego dnia Słońce będzie widoczne na niebie w kierunku południowym. Czy na pewno? Niekoniecznie, choć ten błąd można już sobie darować.

Pozostaje ostatnia rzecz, czyli właściwie określony kierunek na południe

Pozostaje jeszcze jeden ważny drobiazg, a przecież staramy się być maksymalnie dokładni. Nie chodzi tu nawet o pogodę, ale o to jak wyznaczymy kierunek na południe.

Obecnie kompas wskazuje kierunek północny znacznie dokładniej niż w XIX czy XX wieku. To konsekwencja migracji bieguna magnetycznego, który obecnie znajduje się blisko bieguna geograficznego

Jeśli zrobicie to za pomocą kompasu, to będzie to kierunek wynikający z położenia biegunów magnetycznych, a nam przecież chodzi o kierunek południowy wynikający z ruchu obrotowego Ziemi. Jak go wyznaczyć? Najlepiej nocą, gdy pomocna będzie nam gwiazda Polarna. To ona z bardzo niewielkim błędem daje nam tę szansę. Wskazuje kierunek północny, a południe jest dokładnie po przeciwnej stronie. Mieszkańcy południowej półkuli Ziemi nie mają tyle szczęścia, tam w pobliżu południowego bieguna niebieskiego nie ma szczególnie jasnej gwiazdy.

Zegary słoneczne, czyli te, które nigdy się nie śpieszyły, ani nie spóźniały

Naturalnym zegarem, który pokazuje czas prawdziwy słoneczny są zegary słoneczne. Znajdziemy je zarówno w zabytkowych miejscach, jak i w nowocześniejszej wersji w parkach. Jednak i taki zegar, choć pokazywał dość precyzyjnie czas prawdziwy słoneczny (błąd wynika z kłopotliwego odczytu dokładnej godziny), musiał być odpowiednio skonstruowany i dostosowany do miejsca, gdzie był stosowany. Stąd też różnie wyglądające zegary, które spotkamy w różnych miejscach świata. Niektóre miały całkiem skomplikowaną konstrukcję, tak jak zegar Orloj w Pradze (zdjęcie poniżej). Były też zegarki słoneczne przenośne.

Używano ich jeszcze długo po tym jak człowiek posiadł umiejętność konstruowania zegarków mechanicznych, a system pomiaru czasu zaczął uwzględniać strefy czasowe. Dopiero w XX wieku zegary słoneczne stały się jedynie konstrukcjami reprezentującymi dziedzictwo historyczne i kulturalne. A my? Cóż poczęlibyśmy bez umiejętności odmierzania czasu, tak jak ten, który poświęciliście na przeczytanie tego tekstu. I choć Słońce nie jest nam do jego rachuby już potrzebne, wciąż uwzględniamy jego położenie wprowadzając od czasu do czasu drobne korekty zwane sekundami przestępnymi. Korygują one między innymi nieregularność tempa obrotowego Ziemi.