Czas słoneczny – teoria i zadania

Czas słoneczny to ta część astronomii, która zwykle spędza sen z powiek wielu uczniom. Oprócz zrozumienia teorii warto poświęcić też chwilę na rozwiązanie zadań i w razie problemów prześledzenie toku rozumowania.

Zenit, południk niebieski i miejscowy

Na całym obszarze położonym na tym samym południku w jednej chwili odnotowuje się południe słoneczne. Słońce góruje jednocześnie na całym południku, ale na różnej wysokości w stosunku do horyzontu. Zawsze jest to jednak najwyższa pozycja Słońca w danym miejscu w ciągu doby. Oczywiście tam, gdzie panuje akurat noc polarna, Słońce nawet w południe jest niewidoczne, gdyż także w momencie górowania znajduje się poniżej linii horyzontu. Gdyby obserwator znajdujący się w dowolnym punkcie kuli ziemskiej zaznaczył na sferze niebieskiej miejsce górowania Słońca i połączył je łukiem po najkrótszej linii z punktem na horyzoncie określającym kierunek południowy (S), a w przeciwną stronę przedłużył do zenitu i dalej do punktu na horyzoncie określającego północ (N), to w ten sposób powstałaby linia zwana południkiem niebieskim. Rzut południka niebieskiego na powierzchnię Ziemi odpowiada południkowi miejscowemu.

Dlaczego południe jest w południe?

Uznano, że górowanie Słońca na dowolnym południku jest środkiem doby, która zaczęła się w tym miejscu 12 godzin wcześniej, czyli o północy. Górowanie Słońca jest podstawą określania czasu słonecznego. Przyjęto, że w południe jest godzina 12.00, a cała doba dzieli się na 24 godziny. Dla Ziemi długości geograficzne opisujemy od 0° do 180° długości wschodniej i od 0° do 180° długości zachodniej, co razem daje 360°. Przy takich założeniach łatwo obliczyć (dzieląc 360° na 24 godziny), że każde 15° długości geograficznej odpowiada różnicy czasu wynoszącej godzinę, a 1° długości geograficznej odpowiada różnicy czasu wynoszącej 4 minuty. Dla przykładu, jeśli założymy, że na południku 0° jest południe, czyli godzina 12.00 czasu miejscowego słonecznego, to na południku 15°W będzie o godzinę wcześniej, czyli 11.00, a na południku 15°E będzie o godzinę później, czyli 13.00 czasu słonecznego.

Zapamiętaj!
15° – 1 godzina
1° – 4 minuty

Rysunek przedstawia oświetlenie globu ziemskiego w dniu równonocy, gdy południe słoneczne ma miejsce na południku zerowym. W tym samym momencie na południku 15°E jest godzina 13.00 czasu słonecznego, a na południku 15°W – 11.00 czasu słonecznego. Jednocześnie na południku 90°E jest godzina 18.00 czasu słonecznego, Słońce chowa się pod horyzontem i rozpoczyna się noc. Na południku 90°W Słońce wychodzi ponad horyzont, jest godz. 6.00 czasu słonecznego i zaczyna się dzień

Ciekawostki

Aby nie zmieniać daty w środku dnia, umówiono się, że doba zaczyna się o północy, czyli dokładnie 12 godzin wcześniej niż faktyczny początek doby słonecznej, i trwa do następnej północy.

Większość krajów świata stosuje podział doby na 24 godziny opisywane od 0 do 24. Sporo państw (zwłaszcza anglojęzycznych) stosuje jednak podział doby na dwie części po 12 godzin, dodając określenia, które należy tłumaczyć: przed południem (AM, A.M., am albo a.m.; z łaciny ante meridiem) i po południu (PM, P.M., pm lub p.m.; z łaciny post meridiem). Co ciekawe, w Polsce oficjalnie obowiązuje podział 24‑godzinny, ale w języku potocznym stosuje się obydwa systemy.

Zadania

Ważne!
Jeżeli obliczamy różnicę czasu słonecznego miejsc leżących na tej samej półkuli, to od większej długości geograficznej odejmujemy mniejszą. Różnicę długości geograficznej przeliczamy na różnicę czasu słonecznego. Gdy miejsca leżą jednak na dwóch półkulach, to sumujemy różnice długości każdego z tych południków i leżącego między nimi południka 0° albo 180°. To obliczenie jest bardziej skomplikowane.

Zadanie 1

Dokonaj obliczeń i określ czas słoneczny we wskazanych miejscach w momencie, gdy Słońce góruje na południku 0°. Jaki jest wtedy czas słoneczny na południkach 30°E i 45°W?

Zadanie 2

Dokonaj obliczeń i określ czas słoneczny we wskazanych miejscach w momencie, gdy Słońce góruje na południku 0°. Jaki jest wtedy czas słoneczny na południkach 20°E i 177°W?

Zadanie 3

Dokonaj obliczeń i określ czas słoneczny na południku 20°W, gdy Słońce góruje na południku 20°E.

Zadanie 4

Dokonaj obliczeń i określ czas słoneczny na południku 160°E, gdy Słońce góruje na południku 170°W.

Odpowiedzi

Zadanie 1

Odpowiedź: 14.00 i 9.00

Wyjaśnienie:
Najpierw obliczamy różnicę długości geograficznej pomiędzy południkiem 0° a południkiem 30°E oraz pomiędzy południkiem 0° a południkiem 45°W. W pierwszym przypadku wynosi ona 30°, a w drugim 45°.

Następnie, wiedząc, że obrót o 1° trwa 4 minuty, zamieniamy obliczone powyżej miary kątowe na miary czasowe:

30° x 4 minuty = 120 minut, czyli 2 godziny;

45° x 4 minuty = 180 minut, czyli 3 godziny.

Południk 30°E leży na wschód od południka zerowego, zatem czas słoneczny jest tam późniejszy, to znaczy, że do 12.00 należy dodać 2 godziny. W ten sposób otrzymamy czas słoneczny, jaki jest na 30°E, czyli godzinę 14.00.

Południk 45°W leży na zachód od południka zerowego, więc czas słoneczny jest tam wcześniejszy, to znaczy, że od 12.00 należy odjąć 3 godziny. W ten sposób otrzymamy czas słoneczny, jaki jest na 45°W, czyli godzinę 9.00.

Zadanie 2

Odpowiedź: 13.20 i 0.12

Wyjaśnienie:
Najpierw obliczamy różnicę długości geograficznej pomiędzy południkiem 0° a południkiem 20°E oraz pomiędzy południkiem 0° a południkiem 177°W. W pierwszym przypadku wynosi ona 20°, a w drugim 177°.

Następnie, wiedząc, że obrót o 1° trwa 4 minuty, zamieniamy obliczone powyżej miary kątowe na miary czasowe:

20° x 4 minuty = 80 minut, czyli 1 godzina i 20 minut;

177° x 4 minuty = 708 minut, czyli 11 godzin i 48 minut.

Południk 20°E leży na wschód od południka zerowego, więc czas słoneczny jest tam późniejszy. Oznacza to, że do 12.00 należy dodać godzinę i 20 minut. W ten sposób otrzymamy czas słoneczny, jaki jest na 20°E, czyli godzinę 13.20.

Południk 177°W leży na zachód od południka zerowego, więc czas słoneczny jest tam wcześniejszy. Oznacza to, że od 12.00 należy odjąć 11 godzin i 48 minut. W ten sposób otrzymamy czas słoneczny, jaki jest na 177°W, czyli godzinę 0.12.

Zadanie 3

Odpowiedź: 9.20

Wyjaśnienie:
Najpierw obliczamy różnicę długości geograficznej pomiędzy południkiem 20°E a południkiem 20°W. Żeby tę różnicę obliczyć, musimy do 20° długości geograficznej wschodniej dodać 20° długości geograficznej zachodniej. Otrzymujemy 40°.

Następnie, wiedząc, że obrót o 1° trwa 4 minuty, zamieniamy obliczoną powyżej miarę kątową na miarę czasową:
40° x 4 minuty = 160 minut, czyli 2 godziny i 40 minut.

Południk 20°W leży na zachód od południka 20°E, więc czas słoneczny jest tam wcześniejszy, to znaczy, że od 12.00 należy odjąć 2 godziny i 40 minut. W ten sposób otrzymamy czas słoneczny, jaki jest na południku 20°W, czyli godzinę 9.20.

Zadanie 4

Odpowiedź: 10.00 następnego dnia

Wyjaśnienie:
Najpierw obliczamy różnicę długości geograficznej pomiędzy południkiem 170°W a południkiem 160°E. Możemy to zrobić na dwa sposoby.

Pierwszy sposób:

Podobnie jak w poprzednim ćwiczeniu do 170° długości geograficznej zachodniej dodajemy 160° długości geograficznej. Otrzymujemy 330°.

Następnie, wiedząc, że obrót o 1° trwa 4 minuty, zamieniamy obliczoną powyżej miarę kątową na miarę czasową:
330° x 4 minuty = 1320 minut, czyli 22 godziny.

Południk 170°W leży na zachód od południka 160°E, jeśli na glob ziemski patrzymy od strony południka zerowego. Oznacza to, że czas słoneczny na południku 160°E jest późniejszy, czyli do 12.00 należy dodać 22 godziny. W ten sposób otrzymamy czas słoneczny, jaki jest na 160°E – godzinę 10.00 dnia następnego.

Drugi sposób:

Sumujemy różnice długości pomiędzy interesującymi nas południkami a południkiem 180°,
czyli (180° – 170°) + (180° – 160°) = 10° + 20° = 30°.

Otrzymany wynik zamieniamy na miarę czasową:
30° x 4 minuty = 120 minut, czyli 2 godziny.

Teraz od godziny 12.00 możemy odjąć 2 godziny, gdyż południk 160°E znajduje się na zachód od 170°W, patrząc na kulę ziemską od strony południka 180°.

Otrzymujemy również godzinę 10.00, ale w związku z tym, że obliczając tę różnicę, jakby przekroczyliśmy południk 180°, czyli tzw. linię zmiany daty (omówienie w dalszej części lekcji), musimy pamiętać, że będzie to godzina 10.00 dnia następnego.

Zobacz także:

Następstwa ruchu obrotowego
Czas słoneczny – teoria i zadania
Czas strefowy, uniwersalny, czas urzędowy i międzynarodowa linia zmiany daty – teoria i zadania
Strefy czasowe na świecie – mapa