أكتشف بنفسك : الصفحة الرئيسية > تبادُل > علم الفلك والفضاء > سؤال/ جواب
اختلاف مدة النهار
١٢/٠١/٢٠٠٣
تاريخ
 
Philip Lafeuil
سؤال من
 

عندما ندرس تقويم ١٩٩٦ الذي يذكر ساعات شروق وغروب الشمس يمكننا ملاحظة أن الشمس لا تشرق مبكراً سوى من بداية يناير ولا تغرب في وقت متأخر إلا من منتصف ديسمبر. إذاً يطول اليوم بواسطة ساعات ما بعد الظهيرة ثم – بعد ذلك بثلاثة أسابيع – بواسطة ساعات ما قبل الظهيرة وذلك على الرغم من ساعات الانقلاب الذي يفترض به التسبب في طول النهار، التي طالما اعتقدت أنها مقسمة بين ساعات النهار وساعات فترة ما بعد الظهيرة! لماذا لا يتم تقسيم ساعات النهار بالتساوي بين ساعات ما بعد وما قبل الظهيرة؟ ومن ناحية أخرى إذا كان الشتاء في نصف الكرة الشمالي أقل من الصيف فهل الصيف في نصف الكرة الجنوبي أقل من الشتاء؟

 

 
 
٢٩/٠١/٢٠٠٣
تاريخ
 
إجابة من
 

هناك خطأ صغير في السؤال إن ساعة شروق الشمس تبدأ في الانخفاض ابتداءاً من ٢ يناير وليس بعد ذلك بثلاثة أسابيع تلك الظاهرة مرتبطة باستخدام الشمس كمقياس متوسط للوقت. ومقياس الوقت الذي تستخدمه هو الزمن الكوني المتأخر بساعة أو ساعتين على حسب الفصل (الشتاء / الصيف)، إن الزمن الكوني هو الزمن المتوسط للشمس عند خط جرينتش + ١٢ ساعة ثم نضيف ١٢ ساعة لحدوث تغير في اليوم في منتصف الليل (وليس وقت الظهيرة). إن الشمس المتوسطة هي شئ تخيلي يحدث بتنقل الشمس الحقيقية (الظاهرة) في المدار (الخريطة المدارية للأرض) وبحركة ليست موحدة وشبه مدارية. والفرق بين الشمس المتوسطة والحقيقية يسمى معادلة الوقت وهذه المعادلة تتراوح ما بين –١٦ و+١٤ دقيقة. أحياناً ما تكون الشمس المتوسطة متأخرة أو مبكرة عن الشمس الحقيقية. زمن الشمس المتوسطة = زمن الشمس الحقيقية + معادلة الزمن. أما زمن الشمس الحقيقي فيتم معرفته عن طريق الساعة الشمسية، وكذلك تمر الشمس الحقيقية بخط الظهيرة كل الأيام الساعة الثانية عشر ظهراً. الحقيقة نحن نلاحظ بوضوح الشمس الحقيقية، في الزمن الشمسي الحقيقي. هناك شبه تماثل فيما بين شروق وغروب الشمس بالنسبة للمرور بخط الظهيرة. وعلى العكس من ذلك فإن لحظة المرور إلى خط الظهيرة عندما نمثلها بمتوسط الوقت فإنها تساوي الساعة ١٢+ معادلة الوقت، مما يؤدي إلى عدم تماثل الشروق والغروب. أما التقويمات الفلكية الشمسية في باريس لشهر ديسمبر ويناير فتوضح أن معادلة الوقت متزايدة، إذاً فساعة المرور بخط الظهيرة تتقارب من الظهيرة المتوسطة (١٢ بالتوقيت العالميUTC ) ثم تتعداها (١٦ يناير) وفى نفس الوقت تقل مدة النهار (حتى ٢١ ديسمبر) ثم تبدأ في التزايد.
مما يعنى عنصرين، تظل الشمس تشرق في الوقت المتوسط الذي يتأخر شيئاً فشيئاً حتى بعد الانقلاب (حتى ٢ يناير)، وفى بداية شهر ديسمبر، تبدأ ساعة غروب الشمس في التناقص حتى ٣١ ديسمبر ثم تبدأ في التزايد. وساعة شروق الشمس تساوي لحظة المرور بخط الظهيرة بطرح نصف مدة النهار وساعة غروب الشمس هي ساعة المرور بخط الظهيرة زائد نصف مدة النهار. ابتداء من ١٣ ديسمبر تزيد لحظة المرور بخط الظهيرة كلما نقصت نصف مدة النهار إذاً فالشمس تغرب في وقت متأخر أكثر في متوسط الوقت. وحتى ٢ يناير تزيد لحظة المرور بخط الظهيرة كلما زادت مدة نصف النهار، فإن الشمس ستشرق متأخرةً عن متوسط الوقت. وهذه الظاهرة تختفي عندما نعبر عن لحظات شروق وغروب الشمس في الوقت الشمسي الحقيقي. ودائماً ما تمر الشمس بخط الظهيرة في تمام الساعة الثانية عشر (نصف النهار الحقيقي) وهناك تماثل بين الشروق والغروب. وينتج عدم التماثل من الحركة الظاهرية للشمس لمدة يوم. وتبدأ مدة النهار في الزيادة ابتداءاً من ٢٢ ديسمبر. إن مدة الشتاء في نصف الكرة الشمالي تساوي مدة الصيف في نصف الكرة الجنوبي ومدة الصيف في نصف الكرة الشمالي تساوي مدة الشتاء في نصف الكرة الجنوبي مما يعنى أنه أقصر من الشتاء في نصف الكرة الشمالي.

 
 
اختلاف مدة النهار

 
 
٢٩/٠١/٢٠٠٣
تاريخ
 
إجابة من
 

من أول وهلة يتضح أن رأيكم صحيح: يجب أن تقل الأيام بطريقة متماثلة بالنسبة للانقلاب الشتوي ثم تزيد بطريقة متماثلة حتى الصيف. غير أنه يوجد انقطاع في تغير مدة اليوم الشمسي الحقيقي، الذي يمكن تعريفه بالوقت الذي يفصل بين مرورين متعاقبين للشمس في الجنوب. وفى المتوسط تكون هذه هي مدة ٢٤ ساعة لكن في الواقع فهي تتغير بمقدار عدة دقائق بالزيادة أو بالنقص خلال العام بسبب تأثيرين مرتبطين من ناحية بشكل المدار الأرضي البيضاوي  الفلكي وغير الدائري، ومن ناحية أخرى بالتأثير الهندسي للمسقط الذي يرجع إلى ميول محور الأرض بالنسبة للمستوى الفلكي (الذي يكون بدوره مسئولاً عن الفصول)، وفيما يلي نورد شرحاً أكثر تفصيلاً لذلك التأثير. بطريقة أبسط هذا التغير في فترة النهار يؤدي إلى – زيادة على الطول أو القصر – "تأرجح" خط الظهيرة الشمس من ناحية ومن ناحية أخرى من خط الظهيرة الرسمي الذي يتم تعريفه بواسطة اليوم الثابت ومدته ٢٤ ساعة حيث تتأخر الشمس أو تتقدم بالنسبة لذلك الخط. وبتطابق مدة النهار وذلك التأرجح، نستنتج أن اليوم يمكن أن يقصر أو يطول بطريقة  غير متماثلة سواء بطريقة زائدة في الصباح أو المساء. في الواقع تكون مدة الشتاء أقل بقليل من الصيف في نصف الكرة الشمالي لأنه يأتي عندما تكون الأرض في الجزء الأقرب للشمس في مدارها ويتم تخطيه أسرع. والانقلابات تحدث في نفس الوقت في نصفي الكرة لأنه يتم تعريفها بأن يكون محور الأرض متعامداً على اتجاه الأرض – الشمس أو في مستوى الأرض– الشمس وعلى المتوسط في المستوى الفلكي. أما الصيف في نصف الكرة الجنوبي في ذات الوقت مع الشتاء في نصف الكرة الشمالي والعكس بالعكس، ويمتد في الحقيقة لفترة أقصر من الشتاء. و تفسير تغير مدة اليوم الشمسي الحقيقي. في الواقع، إن الشمس ليست مرجعاً جيداً بالنسبة لدوران الأرض لأن وضعها الظاهر في السماء يعتمد على دوران الأرض وعلى وضعها على المدار. إذا قمنا بتحديد وضع نجم بعيد في السمـاء (ويفترض عملياً أنه لا يتحرك)، فإننا نقيس مدة الوقت الثابتة بين الممرين في الجنوب مثلاً وتلك المدة هي تقريباً ٢٣ ساعة و٥٦ دقيقة وتسمى اليوم الفلكي: ويعنى الدوران "الحقيقي" للأرض بالنسبة للكون وهو ما يسميه الفيزيائيون "المرجعية الجليلية" للحصول على اليوم الشمسي يجب الأخذ في الاعتبار أنه خلال اليوم الفلكي (أي دوران الأرض حول نفسها بالنسبة للنجوم البعيدة)، تتحرك الأرض بعض الشئ حول مدارها. بواسطة تأثير المسقط، تحركت الشمس قليلاً بالنسبة للنجوم على المدار، نحو الشرق. لذا تستغرق الشمس وقتاً أكثر للوصول إلى وضع ثابت مقدماً -على سبيل المثال- نحو الجنوب. وهذا الوقت الإضافي يصل إلى ٤ دقائق كل يوم وينتج عنه يوم شمسي من ٢٤ ساعة وهذا الوقت الإضافي ليس ثابتاً بشكل مستمر خلال العام. والسبب الأول هو تأثير الإسقاط: لقد انتقلت الشمس على طول المدار الذي يمثل دائرة كبيرة مائلة بالنسبة لخط الاستواء. ويجب أن يتم "إسقاط" الإضافة على خط الاستواء للحصول على الإضافة التي يجب أن تقطعها الشمس في اتجاه الشرق أما الغرب فهو "الرجوع إلى خط الاستواء" وهذا الإسقاط لا يكون بالنسبة لنفس الزاوية بل طبقاً لوضع الشمس وبالتالي للفصل الذي يتم القياس خلاله، والنتيجة تعتمد على تلك اللحظة من العام. أما السبب الثاني فيرجع إلى الشكل البيضاوي لمدار الأرض. تسير الأرض في مدار بيضاوي وسرعتها ليست ثابتة. ونحو شهر ديسمبر ويناير، تقطع مسافة أكبر خلال اليوم الفلكي وتستغرق الشمس وقتاً أكثر قليلاً للرجوع إلى الجنوب مما يؤدي إلى طول مدة اليوم الشمسي. وعلى العكس من ذلك في شهر يونيو يتأخر خط الظهيرة قليلاً كل يوم. ومجموع هذين السببين يؤدي إلى تكوين معادلة الوقت، وهي التعديل الذي يحدث بين الظهيرة الشمسية الحقيقة والظهيرة المتوسطة (الرسمية) مثلاً عند قراءة الساعة الشمسية.

 
 
اختلاف مدة النهار

 
 
٢٩/٠١/٢٠٠٣
تاريخ
 
إجابة من
 

لفهم ما يحدث، سنتخيل أولاً موقفاً مثالياً للأرض، حيث أن مستوى الدوران دائماً ما يكون مائلاً بدرجة ٢٣° و٢٦' على المستوى الفلكي، مما يشكل مداراً دائرياً حقيقياً ذا زوايا ثابتة حول الشمس. وسيتم تعريف مدة اليوم الشمسي بالمدة التي تفصل بين مرورين متتاليين للشمس في سمت المكان، وتلك المدة مساوية تماماً لـ ٨٦٤٠٠ ثانية (٢٤ ساعة) في جميع أماكن الأرض. وهذه الـ ٢٤ ساعة هي مجموع وقتين مميزين، من ناحية الـ ٢٣ ساعة و٥٦ دقيقة من دوران الأرض حول محورها، ومن ناحية أخرى الـ ٤ دقائق التي تتناسب مع التقدم اليومي للأرض حول الشمس. في الحقيقة تدور الأرض حول الشمس في مدار بيضاوي طبقاً للقانون الثاني لكيبلر و الزوايا سرعتها تختلف طوال المدار وتكون أسرع عندما تكون الأرض قريبة للشمس (النقطة التي تكون فيها الأرض أبعد ما يكون عن الشمس) وتكون بطيئة في الموقف المعاكس (النقطة التي تكون فيها الأرض أقرب ما يكون للشمس). إذاً فهذا اليوم الشمسي هو الإجمالي الثابت (٢٣ ساعة و٥٦ دقيقة من الدوران الفلكي) وهو الرقم الذي يختلف على مدار العام مع تغيير المتوسط بـ ٤ دقائق فقط. إلا أن ساعتنا تمشى بسرعة ثابتة، تتناسب مع اليوم الشمسي المتوسط أي ٨٦٤٠٠ ثانية. ليس هناك سبب لتوافق ذروة الشمس الدائم مع خط الظهيرة في الساعة الثانية عشر، مما يؤدي إلى بعدها خلال مدة تتغير على مدار العام ومقدارها ١٦.٤ دقيقة في ٣ نوفمبر + ١٤.٣ دقيقة في ١٢ فبراير. وهذا التغير يحمل اسم معادلة الوقت مما يظهر على الساعة الشمسية بواسطة رسم على شكل ٨ خطوط حول خط الظهيرة، مما يتخطى ظل المزولة الشمسية خلال خط الظهيرة بينما يتخطى الخط المستقيم خط الظهيرة للشمس بالتوقيت المحلى. وحالياً – لكن ذلك لن يمتد سوى لبضعة آلاف من السنين فقط – بسبب مبادرة الاعتدالين فإن الانقلاب الشتوي يتناسب مع وقت معين من أوقات العام حيث يتغير مقدار التأخير بشكل أسرع بحوالى نصف دقيقة يومياً: لكن إذا كانت مدة النهار ثابتة بين ٥ ديسمبر و٥ يناير، فإن وقت شروق وغروب الشمس سيتقدم بمقدار ١٥ دقيقة. وإذا قمنا بمطابقة هذا "التأخير" على التغير الحقيقي لمدة النهار، التي تمر في الواقع بحدها الأدنى خلال يوم الانقلاب الشتوي سنجد التأثير الفعلي الذي تمت ملاحظته في ١٩٩٦ والذي يحدث كل عام. ومعادلة الوقت توضح أن ذلك التأخير أضعف بكثير حول الانقلاب الصيفي. إذا فذلك التأخير ليس ملحوظاً بطريقة عملية. أما بالنسبة لمقارنة مدة الشتاء ومدة الصيف، فيتم تحديدها بواسطة تواريخ الانقلابات والاعتدالات، فهي متشابهة بالنسبة للجميع مهما كان موقع نصف الكرة. واختفاء المدة بين الفصول أيضاً نتيجة من نتائج شكل مدار الأرض البيضاوي.

 
 
اختلاف مدة النهار

 
 
٢٩/٠١/٢٠٠٣
تاريخ
 
إجابة من
 

إجابة السؤال الأول: إن الانقلاب الشتوي، ٢١ ديسمبر هو أقصر أيام العام، لكن الشمس في ذلك التاريخ لا تشرق في وقت متأخر ولا تغرب في وقت مبكر! ونظرا لتلك النتيجة  فالتقويم العام يجب أن نلاحظ في الواقع أن غروب الشمس المبكر يحدث في ١٣ ديسمبر، بينما الشروق المتأخر فيحدث في بداية يناير. ويمكن ملاحظة الظاهرة المماثلة ولكن بطريقة أقل تحديداً في الانقلاب الصيفي في ٢١ يونيو. هذا الاختلاف بين ساعات شروق وغروب الشمس ينتج عن إتباع الزمن الشمسي المتوسط منذ القرن التاسع عشر. إذا عشنا أيضاً في الساعة الشمسية، كما تتحدث عنها الساعة الشمسية، إذاً فيوم الانقلاب الشتوي سيكون يوم شروق الشمس في وقت متأخر وغروبها في وقت مبكر. لكن هذا الزمن الشمسي ليس موحداً ويستخدم علماء الفلك منذ زمن بعيد الزمن الشمسي المتوسط أي الزمن الشمسي الحقيقي الصحيح دون النظر إلى نقائصه التي نسميها "معادلة الوقت“. وتلك المعادلة مسئولة عن الاختلاف الذي تم استنتاجه:  الظهيرة في الساعة لا يتناسب مع خط الظهيرة الشمسي الحقيقي: ٦ ديسمبر مثلاً، يكون خط الظهيرة الحقيقي قبل  الظهيرة المتوسط بـ ٩ دقائق. في عيد الميلاد، ٢٥ ديسمبر، يتقابل خطا الظهيرة، ثم في ٧ يناير يمكننا ملاحظة خط الظهيرة الحقيقي بعد خط الظهيرة المتوسطة بـ ٦ دقائق. خلال هذه الفترة، تتقارب ساعات شروق وغروب الشمس، بشكل شبه متماثل بالنسبة لخط الظهيرة الحقيقي (علي العكس  بالنسبة لخط الظهيرة المتوسط)، ًتقل مدة النهار لتصل إلى ٨ ساعات و١٥ دقيقة في يوم الانقلاب الشتوي ثم تتباعد بعد ذلك. ومن ثم يسقط غروب الشمس المبكر عندما تكون المدة فيما بين خط الظهيرة المتوسط وساعة غروب الشمس أقل ما يمكن، أي نحو ١٣ ديسمبر في فرنسا. إجابة على السؤال الثاني: نعم! إن انقطاع الفصول يتم بواسطة الانقلابات والاعتدالات وهي أيام تمثل الأرض في مجملها. أما ميول محور دوران الأرض حول نفسها فيؤدي إلى تناسب الصيف الشمالي مع الشتاء الجنوبي: إذاً فالمدد متساوية.

 
 
أدوات
© اكتشف بنفسك ٢٠٢٤