Денят не е 24 часа

Системата ни за време за разказване се основава на предпоставката, че всеки ден е дълъг точно 24 часа - съвсем точно, без изключения. Тази концепция е изцяло вкоренена в нашата култура, основен принцип на съвременното ни технологично общество. В същото време в училището ни учат, че един ден съответства на едно пълно завъртане на Земята по нейната ос. За съжаление, тези две концепции не съвпадат напълно - и несъответствието е повече от няколко милисекунди. Всъщност несъответствието възлиза на няколко минути всеки ден. Освен това, тъй като нашата традиционна концепция за „ден“ всъщност се определя от цикъла на слънчевата светлина и тъмнината - а не от едно въртене на Земята - продължителността на реалния ден не е последователна, но варира донякъде през годината. Преструваме се само, че всички дни са еднакви - като осредняваме продължителността на всички дни в годината и след това определяме тази средна стойност като „стандартен ден“ от точно 24 часа.

Това не е лошо нещо. Всъщност беше много полезно да определим нашата система от време по този начин. Но след като разберете защо тази система не съвпада напълно с реалния свят, тогава можете да започнете да осмисляте няколко интересни явления. Например, бихте си помислили, че най-ранният залез и последният изгрев ще настъпят в най-краткия ден от годината, който е първият ден на зимата. Но това изобщо не е така.

Ако нашето определение за ден наистина се основаваше на едно цяло завъртане на Земята по оста - 360 градусово завъртане - тогава на ден щеше да бъде 23 часа, 56 минути и 4 секунди. Това е близо 4 минути по-кратко от нашия 24-часов стандартен ден. Въпреки това, нашата концепция за „ден“ отдавна се основава на естествения цикъл на слънчевата светлина - период на дневна светлина, последван от период без дневна светлина. Несъответствието от близо 4 минути е, защото Земята трябва да се върти на повече от 360 градуса между една зора и следваща. Както знаете, Земята изпитва два едновременни движения - тя не само се върти по оста си, но и пътува по орбита около слънцето. За период от един ден Земята изминава около 1/365 от пътя около Слънцето (защото отнема около 365 дни, за да извървим целия път наоколо, което определяме годината). Този ежедневен напредък в земната орбита е почти точно степен (дефиниран като 1/360 от кръг). Следователно Земята трябва да върти допълнителна степен, за да се приравнява със слънцето всеки ден. Резултатът е, че един пълен цикъл на слънчева светлина и тъмнина - един ден - представлява въртене от около 361 градуса, а не от 360 градуса. Въпреки че една година се състои от 365 и четвърт дни, всъщност Земята върти 366 и четвърт пъти през годината. От гледна точка на изгревите и залезите едно цяло завъртане се отрича всяка година от пътуването около слънцето.

Звезден ден

Друг начин за изразяване на тази идея е, че продължителността на ден зависи от нашата референтна рамка. По причини, които са както традиционни, така и логични, ние обикновено използваме слънцето като наш ориентир при определяне на ден. Но ако бихме искали да определим един ден като едно пълно завъртане на Земята по оста си, тогава можем да използваме звездите като наш ориентир. Наблюдавайки местоположението на звездите в небето, можем да определим кога Земята е извършила точно едно въртене. Ден, определен по този начин, наричаме звезден ден или страничен ден. (Двата термина имат малко различни дефиниции, но почти идентични резултати.)

В звезден ден всяка дадена звезда изгрява приблизително по едно и също време всеки ден. По-точно, всяка дадена звезда достига най-високата си точка на небето по едно и също време всеки звезден ден. Това е така, защото в началото и в края на едно пълно завъртане на Земята всяка дадена точка на Земята сега е изправена в същата посока в космоса. (С други думи, всяка точка на Земята сега е изправена в същата посока спрямо другите звезди в нашата галактика.) Но тъй като звездният ден е с около 4 минути по-кратък от традиционния слънчев ден, това означава, че всяка дадена звезда се издига около 4 минути по-рано всеки ден. Например, ако се радвате да забележите съзвездието Орион през есента и зимата, тогава ще забележите, че тя се издига малко по-рано всяка вечер. Ако излизате точно в 23:00 всяка вечер, за да отбележите позицията на Орион, ще видите, че всяка вечер съзвездието е малко по-високо на източното небе, отколкото беше предишната нощ.

За разлика от слънчевия ден, чиято истинска дължина варира през цялата година, продължителността на звезден ден е доста постоянна - винаги 23 часа, 56 минути и 4 секунди. Ако обаче искате да бъдете прецизни към милисекундата (1/1000 от секундата), тогава трябва да вземете предвид няколко вида „колебания“, които влияят на посоката на оста на Земята. (Най-голямото от тези колебания е цикъл от 26 000 години, наречен аксиална прецесия.) Трябва да вземете предвид и много постепенното забавяне на въртенето на Земята. (Едно пълно завъртане отнема около 1,7 милисекунди по-дълго, отколкото преди век.)

Слънчев ден

За разлика от звезден ден, слънчевият ден - един пълен цикъл на слънчева светлина и тъмнина - е много по-променлив по дължина. Въпреки това, размерът на променливостта зависи отчасти от това, когато считате, че денят започва. Например, можете да считате „нов ден“ за начало, когато слънцето изгрява, или можете да считате деня за приключващ, когато слънцето залязва - в този случай следващият ден започва по залез. (Няколко видни религии все още използват последната система.) Трети избор е да се каже, че новият ден започва точно в средата на нощта - на половината път между залез и изгрев. (Този момент може да се нарече „истинска полунощ“.) Във всяка от тези системи продължителността на ден варира през цялата година, но средната продължителност е 24 часа. Среднощната система обаче показва значително по-малка променливост на продължителността на деня, отколкото в зората или при здрача.

В нашата сегашна система на стандартно време, нов ден наистина започва в полунощ - освен, че не е истински полунощ. Във всяко дадено място, във всеки даден ден, може да има значителна разлика между истинска полунощ и полунощ според стандартното време. В САЩ разликата може да бъде толкова голяма, колкото час - и през месеците на лятното часово време разликата може да достигне дори два часа. В далечния западен Китай разликата между стандартно време и истинско време е три часа, резултат от напълняването на цялата страна в единна часова зона.

Въпреки че можете да считате, че продължителността на истинския слънчев ден е количеството време от една истинска полунощ до следващата истинска полунощ, разумна алтернатива е да го считате за времето от един истински пладне до следващия истински пладне. На всяко дадено място истинският пладне се случва точно на половината път между изгрев и залез (ако приемем сравнително равен хоризонт, без планини). Това е и моментът, когато слънцето достигне най-високата си точка на небето за този ден. В северните умерени райони на света слънцето предстои на юг в истински обяд. В южните умерени райони на света слънцето предстои на север в истински обед. В тропиците - тоест на всяко място в света, което е на юг от Тропика на рака и северно от Тропика на Козирога - слънцето ще бъде или на север, или на юг в истинския пладне, в зависимост от това кой ден от годината го е е. Освен това, два пъти годишно в тропиците слънцето е директно отгоре в истинския обед. Точните дати на това явление варират в зависимост от географската ширина на местоположението.

Вариации в слънчев ден

Ако орбитата на Земята около Слънцето беше идеално кръгова, тогава продължителността на истински слънчев ден - времето от един истински пладне до следващия - щеше да бъде напълно последователна през цялата година. Земната орбита обаче всъщност е елипса, макар и доста близка до кръгова. Следователно разстоянието между Земята и Слънцето варира през годината с около 3% (приблизително 3 милиона мили). Скоростта, с която Земята обикаля около Слънцето, също варира с около 3% през годината и е най-бърза, когато Земята е най-близо до слънцето. Променящото се разстояние и променящата се скорост влияят на продължителността на истинския слънчев ден - защото и двамата влияят на колко градуса Земята трябва да се завърти между два последователни случая на истински пладне на дадено място. Продължителността на истински слънчев ден в края на декември е около 24 часа плюс 30 секунди. Продължителността на истински слънчев ден в средата на септември е около 24 часа минус 21 секунди. По този начин продължителността на слънчевия ден варира с близо минута през годината.

Въпреки че този ефект е сравнително малък, когато вземете предвид само един ден, той е доста забележим, когато се натрупа за няколко месеца. Представете си, че имате два часовника. Първият часовник, който е просто много точен слънчев часовник, показва истинско местно време, включително истински обяд. Вторият часовник е електрически, но вместо да бъде настроен на стандартно време според местната часова зона, той е зададен на местно средно време. С други думи, електрическият часовник предполага, че всички дни са точно 24 часа (думата „средно“ означава средно), но че средното време на обед трябва да съвпада с местния истински пладне, както е посочено от слънчевия часовник. Четири пъти в годината двата часовника ще се съгласят кога е обяд. Но в началото на февруари електрическият часовник показва обяд на цели 14 минути преди слънчев часовник. В началото на ноември електрическият часовник показва обяд 16 минути по-късно от слънчевия часовник. Това е доста голяма разлика!

Това несъответствие е защо най-ранният залез и последният изгрев на годината не се случват в най-краткия ден от годината - зимното слънцестоене - което се случва на или близо 21 декември в северното полукълбо. (В южното полукълбо 21 декември е най-дългият ден в годината и следователно първият ден на лятото.) Ако всъщност използвахме истинско слънчево време (за разлика от средното местно време или стандартното време), тогава последният изгрев и най-ранният залез на годината наистина ще настъпи по време на зимното слънцестоене, в първия ден на зимата.

Времеви зони

Използването на истинско слънчево време беше изоставено, когато механичните часовници ни позволиха - или може би ни принудиха - да приемем стандартна продължителност от 24 часа на ден, независимо от действителното положение на слънцето. Така слънчевото време беше заменено с местно средно време - преди няколко века. Но разбира се, ние също не използваме местното средно време. Ако го направихме, тогава, когато пътувахте няколко мили на изток или на запад, ще трябва да настроите часовника си. Още от 1880-те години ние разчитаме на стандартното време, базирано на часовите зони. Идеята е да се раздели света на 24 ивици или зони север-юг. Във всяка зона всеки използва едно и също време. Докато преминавате от една зона в друга, обикновено настройвате часовниците си точно за един час. Всяка часова зона има средна ширина от 15 градуса дължина (чрез разделяне на 360 градуса на 24 равни парчета). Това означава ширина от около 1000 мили в екватора, но часовите зони стават прогресивно, когато се приближавате до полюсите на Земята.

Във всяка часова зона стандартното време се основава на средното местно време с определена дължина в зоната. Например в източната часова зона в Северна Америка стандартното време се основава на 75 градуса западна дължина - теоретичната централна линия за тази часова зона. За всеки град или град със същата приблизителна дължина, като Филаделфия, има почти перфектно съответствие между средното местно време и стандартното време. Но за град или град с дължина около 80 градуса на запад, като Чарлстън (Южна Каролина), стандартното време и средното местно време се различават с около 20 минути. В Индианаполис, разположен на около 86 градуса западна дължина, разликата между стандартно време и средно местно време е около 45 минути. През лятото, когато действа лятното часово време, към всяко място, което е западно от централната линия, се добавя още един час разлика - въпреки че час се изважда за места източно от централната линия (като Бостън). Резултатът е, че през лятото стандартното време и средното местно време се различават с близо два часа в Индианаполис.

Индианаполис беше в централната часова зона, заедно с целия щат Индиана. Но сега по-голямата част от щата е в източната часова зона. Ако Индианаполис все още използваше централно време, тогава стандартното време и средното местно време ще се различават само 15 минути, вместо 45 минути. Проблемът е, че средно слънцето вече ще е на половината от небето до 11:45 сутринта. В началото на ноември, поради разликата между средното време и действителното слънчево време, слънцето ще бъде на половината от небето в 11:30 сутринта. Следователно зората и залеза щяха да настъпят половин час по-рано от очакваното. Повечето хора биха предпочели слънцето да е по средата на небето в 12:30, а не в 11:30, така че изгревът и залезът да са малко по-късно от очакваното. Подобен проблем засяга всяко друго място, което се намира на изток от централната линия на съответната часова зона. Резултатът е, че политиците непрекъснато се изкушават да изместват границите на часовата зона на запад. Повечето места в САЩ (но със сигурност не всички) са разположени на запад от централната линия за съответната часова зона.

Аналемата

Както почти всички знаят, слънцето изгрява по-високо през небето през лятото, отколкото през зимата. Ако приемем, че живеете в Северното полукълбо, най-високата точка всеки ден се случва в истинския обед, а най-високата точка за годината се случва на лятното слънцестоене (първия ден на лятото), около 21 юни. Ако монтирате камера на платформа, насочена към юг, и вие правехте снимка на небето и хоризонта всеки ден в истински обяд, тогава слънцето ще се изкачи по-високо във всяка снимка до 21 юни, след което ще потъне по-ниско всеки ден до 21 декември. Но какво ще стане, ако вместо да направите снимката в истинския обяд, направихте снимката на обяд според часовника (игнорирайки лятното часово време)? Докато прелиствате снимките, слънцето ще продължи да се издига нагоре и надолу, но също така ще изтръгне леко наляво и надясно, поради несъответствието между до 16 минути между истинското слънце и средното време. Ако комбинирате всички изображения в една снимка, тогава ще видите цифра-8 в небето. Ако снимате снимките в последователно време, различно от обяд, тогава цифрата-8 ще се наклони встрани:

Аналема на слънцето, от Дьорги Сопоняй

Може би сте виждали диаграма със същата форма - наречена аналема - отпечатана на земно кълбо. Значението е по същество същото. Ако бяхте нарисували точка на земното кълбо на точни интервали от 24 часа за цяла година, указвайки точката на земята, където слънцето е директно над главата, тогава бихте получили същата цифра-8 на земното кълбо:

Сезони на годината

Противно на това, което хората в Северното полукълбо биха могли да очакват, най-близкото приближаване на Земята до слънцето (наречено перихелион) е в началото на януари. Интензивността на слънчевата светлина, падаща върху Земята, е със 7% по-голяма в началото на януари, отколкото е в началото на юли, когато Земята е най-отдалечена от слънцето. Това причинява леко умеряване на разликите между летните и зимните температури в Северното полукълбо и предизвиква леко увеличение на разликите между летните и зимните температури в Южното полукълбо.

Разбира се, цикълът ни на сезоните се дължи на наклона на земната ос, а не на разстоянието от слънцето. Основният фактор, влияещ върху интензивността на слънчевата светлина, е просто колко високо е слънцето над хоризонта. Когато слънцето е ниско в небето, лъчите удрят Земята под наклонен ъгъл, разпространявайки енергията върху голяма площ, като по този начин намаляват интензивността. Следователно слънчевата светлина е много по-интензивна по обяд, отколкото в ранната сутрин или късния следобед. По същия начин слънчевата светлина е по-интензивна през лятото, когато слънцето изгрява по-високо в небето, отколкото през зимата. Има и повече часове дневна светлина през лятото, което води до по-дълъг дневен период на отопление и по-кратък нощен период на охлаждане. В тропиците височината на слънцето по обяд не се променя много през годината, нито дължината на дневния период. Следователно тропиците не изпитват голямо изменение в средните температури през годината.

В места, които са далеч от екватора и поради това изпитват рязко разграничение между лятото и зимата, ефектът се увеличава значително в места, които имат континентален климат, за разлика от морския климат. С други думи, места, които са не само далеч от екватора, но и далеч от всеки океан, ще изпитат най-голямата разлика между летните и зимните температури. Сибир, разположен в гигантския континент Азия, е основният пример за такива крайности - но северните равнини на Северна Америка (като Северна Дакота и Южна Саскачеван) също дават добър пример.

резюме

В заключение, нека се върнем към първоначалния ни въпрос: Колко е дълъг ден? Ако определим ден въз основа на действително, ежедневно, наблюдавано физическо явление, тогава имаме два възможни отговора. Ако определим един ден като едно цяло завъртане на Земята по оста си - звезден ден - тогава един ден е около 4 минути по-малко от 24 часа. Ако определим един ден като времето между истинския обяд един ден и истинския обяд на следващия ден - слънчев ден - тогава продължителността на ден варира през цялата година, варираща от 21 секунди по-малко от 24 часа до 30 секунди повече от 24 часа , Но ако вземем средната продължителност на всички слънчеви дни в една година, тогава резултатът е точно 24 часа, което е начинът, по който стигнахме до стандартния си ден. Все пак има само 4 пъти всяка година, когато стандартният ден и истинският слънчев ден имат една и съща дължина. Резултатът е, че стандартният денонощен ден не е нещо, открито в природата, а човешко изобретение, което само приблизително съответства на реалните дни - слънчеви дни или звездни дни - което всъщност преживяваме на Земята.