יום אינו 24 שעות

מערכת הסיפורים שלנו מבוססת על ההנחה שכל יום הוא בדיוק 24 שעות - די מדויק, ללא יוצא מן הכלל. מושג זה טבוע במלואו בתרבות שלנו, עיקרון ליבה של החברה הטכנולוגית המודרנית שלנו. במקביל, מלמדים אותנו בבית הספר שיום מתאים לסיבוב שלם אחד של כדור הארץ על צירו. לרוע המזל, שני המושגים הללו לא ממש מתאימים - והאי-התאמה היא יותר מסתם כמה אלפיות השנייה. למעשה, חוסר ההתאמה מסתכם בכמה דקות בכל יום. יתר על כן, מכיוון שהמושג המסורתי שלנו "יום" מוגדר למעשה על ידי מחזור אור השמש והחושך - ולא על ידי סיבוב אחד של כדור הארץ - אורך היום האמיתי אינו עקבי, אך משתנה מעט במהלך השנה. אנו רק מעמידים פנים כי כל הימים הם באותו אורך - על ידי ממוצע אורך כל הימים בשנה, ואז הגדרת ממוצע זה כ"יום סטנדרטי "של 24 שעות בדיוק.

זה לא דבר רע. למעשה, היה זה מועיל מאוד להגדיר את מערכת הזמן שלנו בצורה זו. אבל ברגע שאתה מבין מדוע מערכת זו לא ממש תואמת את העולם האמיתי, אז אתה יכול להתחיל להבין כמה תופעות מעניינות. לדוגמה, היית חושב שהשקיעה המוקדמת ביותר והזריחה האחרונה תתרחש שניהם ביום הקצר ביותר בשנה, שהוא היום הראשון של החורף. אבל זה לא המקרה בכלל.

אם ההגדרה שלנו ליום הייתה באמת מבוססת על סיבוב שלם אחד של כדור הארץ על צירו - סיבוב של 360 מעלות - אז יום היה 23 שעות, 56 דקות ו -4 שניות. זה קצר יותר מ- 4 דקות מהיום הרגיל שלנו 24 שעות ביממה. עם זאת, המושג שלנו "יום" התבסס זה מכבר על המחזור הטבעי של אור השמש - תקופת אור יום ואחריה תקופה ללא אור יום. חוסר ההתאמה של כמעט ארבע דקות נובע מכך שכדור הארץ צריך להסתובב יותר מ- 360 מעלות בין שחר אחד למשנהו. כידוע, כדור הארץ חווה שתי תנועות סימולטניות - הוא לא רק מסתובב על צירו, אלא הוא גם נע במסלול סביב השמש. בפרק זמן של יום אחד, כדור הארץ עובר בערך 1/365 מהדרך סביב השמש (מכיוון שלוקח לערך 365 יום להסתובב, וככה אנו מגדירים שנה). ההתקדמות היומית הזו במסלול כדור הארץ היא כמעט בדיוק תואר (מוגדר 1/360 של מעגל). לכן כדור הארץ צריך להסתובב תואר נוסף בכדי להתיישר עם השמש שוב בכל יום. התוצאה היא שמחזור שלם אחד של אור שמש וחושך - יום אחד - מייצג סיבוב של 361 מעלות ולא 360 מעלות. למרות ששנה מורכבת מ- 365 ורבע יום, כדור הארץ למעשה מסתחרר 366 ורבע פעמים במהלך השנה. מבחינת זריחות ושקיעות, מסתובב סיבוב אחד שלם מדי שנה על ידי המסע סביב השמש.

יום מהממים

דרך נוספת לבטא רעיון זה היא שאורך היום תלוי במסגרת ההתייחסות שלנו. מסיבות הן מסורתיות והגיוניות, אנו משתמשים בדרך כלל בשמש כהפניה שלנו בעת הגדרת יום. אבל אם נרצה להגדיר יום כסיבוב שלם אחד של כדור הארץ על צירו, נוכל להשתמש בכוכבים כהפניה שלנו. על ידי התבוננות במיקומם של הכוכבים בשמיים, אנו יכולים לקבוע מתי כדור הארץ השלים סיבוב אחד בדיוק. אנו מכנים יום המוגדר באופן זה יום מהמם או יום זעקתי. (לשני המונחים יש הגדרות שונות במקצת, אך תוצאות כמעט זהות.)

ביום מהמם, כל כוכב נתון עולה בערך באותה שעה בכל יום. ליתר דיוק, כל כוכב נתון מגיע לנקודה הגבוהה ביותר בשמיים באותה שעה בכל יום מהממים. הסיבה לכך היא שבתחילת ובסופו של סיבוב שלם אחד של כדור הארץ, כל נקודה נתונה בכדור הארץ פונה כעת לאותו כיוון בחלל. (במילים אחרות, כל נקודה בכדור הארץ פונה כעת לאותו כיוון בהתייחס לכוכבים האחרים בגלקסיה שלנו.) אך מכיוון שיום כוכב קצר יותר מכ -4 דקות מיום סולארי מסורתי, פירוש הדבר שכל כוכב נתון עולה כ -4 דקות קודם כל יום. לדוגמה, אם אתה נהנה להבחין בקבוצת הכוכבים אוריון בסתיו ובחורף, תבחין שהוא עולה מעט מוקדם יותר בכל לילה. אם תצאו בלילה בדיוק בשעה 23:00 בלילה כדי לשים לב למיקומו של אוריון, תראו שבכל לילה הקונסטלציה מעט גבוהה יותר בשמיים המזרחיים ממה שהייתה בלילה הקודם.

בשונה מיום שמש, שאורכו האמיתי משתנה לאורך השנה, אורכו של יום מהמם הוא קבוע למדי - תמיד 23 שעות, 56 דקות ו -4 שניות. עם זאת, אם אתה רוצה לדייק את אלפית השנייה (1/1000 משנייה), אתה צריך לקחת בחשבון כמה סוגים של "נדנדות" המשפיעות על כיוון ציר כדור הארץ. (הגדול מבין הנדנדות הללו הוא מחזור בן 26,000 שנה שנקרא ככניסה צירית.) צריך לקחת בחשבון גם את ההאטה ההדרגתית של סיבוב כדור הארץ. (סיבוב שלם אחד אורך בערך 1.7 אלפיות השנייה ממה שהיה לפני מאה שנה.)

יום סולארי

בניגוד ליום מהמם, יום שמש - מחזור שלם אחד של אור שמש וחושך - משתנה הרבה יותר באורכו. עם זאת, כמות השונות תלויה בחלקה כשאתה מחשיב את היום להתחיל. לדוגמה, אתה יכול לשקול "יום חדש" כמתחיל עם עלות השחר, כאשר השמש זורחת, או שאתה יכול לראות את היום כסיום כשהשמש שוקעת - ובמקרה זה המחרת מתחיל עם השקיעה. (מספר דתות בולטות עדיין משתמשות במערכת האחרונה.) ברירה שלישית היא לומר שהיום החדש מתחיל באמצע הלילה המדויק - באמצע הדרך בין השקיעה לזריחה. (ניתן לקרוא לרגע זה "חצות אמת".) באחת ממערכות אלה אורך היום משתנה לאורך השנה, אך האורך הממוצע הוא 24 שעות. עם זאת, מערכת חצות מציגה שונות פחותה משמעותית באורך היום מאשר מערכות השחר או החשכה.

במערכת השעה הרגילה הנוכחית שלנו, יום חדש אכן מתחיל בחצות הלילה - אלא שהוא לא נכון בחצות הלילה. בכל מיקום נתון, בכל יום נתון, יכול להיות הבדל משמעותי בין חצות אמת לחצות לפי זמן רגיל. בארצות הברית ההבדל יכול להיות גדול כמו שעה - ובחודשי שעון הקיץ, ההבדל יכול אפילו להגיע לשעתיים. במערב סין הרחוקה, ההבדל בין זמן רגיל לזמן אמיתי הוא שלוש שעות, כתוצאה ממילוי המדינה כולה באזור זמן אחד.

למרות שאתה יכול לשקול את אורך יום השמש האמיתי ככמות הזמן החל מחצות לילה אחת אמיתית ועד חצות הלילה האמיתית הבאה, אלטרנטיבה סבירה היא להתייחס אליו כאל משך הזמן מהצהריים אמיתי אחד עד הצהריים האמיתי הבא. בכל מיקום נתון, הצהריים האמיתיים מתרחשים בדיוק באמצע הדרך בין הזריחה לשקיעה (בהנחה אופק שטוח יחסית, ללא הרים). זה גם הרגע בו השמש מגיעה לנקודה הגבוהה ביותר בשמיים לאותו יום. באזורים הממוזגים הצפוניים בעולם, השמש צפונה דרומה בצהריים אמיתי. באזורים הממוזגים הדרומיים בעולם, השמש צפונה צפונה בשעות הצהריים האמיתיות. באזורים הטרופיים - כלומר, כל מקום בעולם שמדרום לטרופיק הסרטן וצפונה לטרופי גדי - השמש תהיה צפונה או דרומה בצהריים אמיתיים, תלוי באיזה יום בשנה היא הוא. יתר על כן, פעמיים בשנה באזורים הטרופיים השמש עומדת מעל התקרה בצהריים אמיתיים. התאריכים המדויקים של תופעה זו משתנים בהתאם לרוחב הרוח של המיקום.

וריאציות ביום סולארי

אם מסלול כדור הארץ סביב השמש היה מעגלי לחלוטין, אז אורכו של יום שמש אמיתי - הזמן מהצהריים האחד ועד הבא - היה די עקבי לאורך השנה. עם זאת, מסלול כדור הארץ הוא למעשה אליפסה, אם כי קרובה למדי למעגל. כתוצאה מכך המרחק בין כדור הארץ לשמש משתנה במהלך השנה בכ -3% (בערך 3 מיליון מיילים). המהירות בה כדור הארץ מסתובב סביב השמש משתנה גם היא בכ -3% במהלך השנה, והיא המהירה ביותר כאשר כדור הארץ קרוב ביותר לשמש. המרחק המשתנה והמהירות המשתנה משפיעים שניהם על אורכו של יום שמש אמיתי - מכיוון ששניהם משפיעים על כמה מעלות על כדור הארץ להסתובב בין שני מקרים רצופים של צהריים אמיתי בכל מקום נתון. אורכו של יום שמש אמיתי בסוף דצמבר הוא כ 24 שעות פלוס 30 שניות. אורכו של יום סולארי אמיתי באמצע ספטמבר הוא בערך 24 שעות מינוס 21 שניות. כך אורכו של יום סולארי משתנה כמעט בדקה במהלך השנה.

למרות שההשפעה הזו קטנה יחסית כשמביאים בחשבון רק יום בודד, זה די בולט כאשר הצטבר במשך מספר חודשים. דמיין שיש לך שני שעונים. השעון הראשון, שהוא פשוט שעון שמש מדויק מאוד, מראה זמן מקומי אמיתי, כולל צהריים אמיתי. השעון השני הוא חשמלי, אך במקום להיות מוגדר לשעה סטנדרטית לפי אזור הזמן המקומי, הוא מוגדר לשעה ממוצעת מקומית. במילים אחרות, השעון החשמלי מניח שכל הימים הם בדיוק 24 שעות (המילה "ממוצע" פירושה ממוצע), אך הזמן הממוצע של הצהריים צריך להתאים לצהריים האמיתי המקומי, כפי שמצביע על שמש השמש. ארבע פעמים בשנה, שני השעונים יסכימו מתי השעה 12 בצהריים. אבל בתחילת פברואר, השעון החשמלי מצביע על הצהריים 14 דקות שלמות לפני שקיעת השמש. בתחילת נובמבר, השעון החשמלי מצביע על הצהריים 16 דקות מאוחר יותר מכפי שמש השמש קורה. זה הבדל די קשה!

אי התאמה זו היא הסיבה שהשקיעה המוקדמת ביותר והזריחה האחרונה של השנה אינם מתרחשים ביום הקצר ביותר בשנה - סופת השמש החורפית - המתרחשת ב- 21 בדצמבר או בסמוך לחצי הכדור הצפוני. (בחצי הכדור הדרומי, 21 בדצמבר הוא היום הארוך ביותר בשנה, ולכן היום הראשון של הקיץ.) אם באמת השתמשנו בזמן שמש אמיתי (בניגוד לשעה ממוצעת מקומית או לשעה רגילה), אז זריחת השמש האחרונה השקיעה המוקדמת ביותר של השנה אכן תתרחש בשמש החורף, ביום הראשון של החורף.

אזורי זמן

השימוש בזמן שמש אמיתי ננטש כאשר שעונים מכניים אפשרו לנו - או אולי אילצו אותנו - לאמץ אורך סטנדרטי של 24 שעות ביממה, ללא קשר למיקומה של השמש בפועל. כך זמן השמש הוחלף בשעה ממוצעת מקומית - לפני כמה מאות שנים. אך כמובן שאנו לא משתמשים יותר בזמן ממוצע מקומי. אם היינו עושים זאת, בכל פעם שנסעת כמה מיילים מזרחה או מערבה, היית צריך להתאים את השעון שלך. מאז שנות השמונים של המאה העשרים, הסתמכנו במקום על זמן רגיל, על סמך אזורי זמן. הרעיון הוא לחלק את העולם ל -24 פסים או אזורים צפון-דרום. בתוך כל אזור, כולם משתמשים באותו זמן. כשאתה עובר מאזור למשנהו, אתה בדרך כלל מכוון את השעונים שלך לפי שעה בדיוק. לכל אזור זמן רוחב ממוצע של 15 מעלות אורך (על ידי חלוקת 360 מעלות ל 24 חלקים שווים). זה מתורגם לרוחב של כ- 1000 מיילים בקו המשווה, אך אזורי הזמן הולכים ומתכווצים ככל שמתקרבים לקטבים של כדור הארץ.

בתוך כל אזור זמן, זמן רגיל מבוסס על הזמן הממוצע המקומי באורך מסוים בתוך האזור. לדוגמא, באזור הזמן המזרחי בצפון אמריקה, זמן סטנדרטי מבוסס על אורך 75 מעלות מערבית - קו המרכז התיאורטי לאזור זמן זה. עבור כל עיר או עיירה באותו קו אורך משוער, כמו פילדלפיה, יש התאמה כמעט מושלמת בין זמן ממוצע מקומי לזמן רגיל. אבל עבור עיר או עיירה שאורכה אורך של כ -80 מעלות מערבית, כמו צ'רלסטון (דרום קרוליינה), זמן הסטנדרט והשעה הממוצעת המקומית נבדלים בערך 20 דקות. באינדיאנפוליס, שנמצא בערך 86 מעלות אורך מערבית, ההבדל בין זמן רגיל לזמן ממוצע מקומי הוא כ 45 דקות. במהלך הקיץ, כאשר שעון הקיץ חלה בתוקף, מתווסף שעה נוספת של הפרש לכל מיקום שממערב לקו המרכזי - אם כי מופחתת שעה עבור מיקומים ממזרח לקו המרכזי (כמו בוסטון). התוצאה היא שבקיץ, זמן רגיל וזמן ממוצע מקומי נבדלים כמעט כשעתיים באינדיאנפוליס.

אינדיאנפוליס הייתה בעבר באזור הזמן המרכזי, יחד עם מדינת אינדיאנה כולה. אבל עכשיו רוב המדינה נמצאת באזור הזמן המזרחי. אם אינדיאנפוליס עדיין השתמשה בזמן המרכזי, אז זמן רגיל וזמן ממוצע מקומי היו שונים ברבע שעה בלבד, במקום 45 דקות. הבעיה היא שבממוצע, השמש כבר הייתה במחצית הדרך בשמיים בשעה 11:45. בתחילת נובמבר, בגלל ההבדל בין זמן ממוצע לזמן שמש בפועל, השמש תהיה באמצע הדרך בשמיים בשעה 11:30. לכן שחר ושקיעה יתקיימו שעתיים מוקדם מהצפוי. רוב האנשים יעדיפו לקבל את השמש באמצע הדרך בשמיים בשעה 12:30 בערב, ולא בשעה 11:30 בבוקר, כך שהזריחה והשקיעה מעט מאוחרים מהצפוי. סוגיה דומה משפיעה על כל מקום אחר שנמצא ממזרח לקו המרכזי של אזור הזמן המקביל. התוצאה היא שהפוליטיקאים מתפתים כל הזמן לשנות את גבולות אזור הזמן מערבה. רוב המקומות בארצות הברית (אך בהחלט לא כולם) ממוקמים כעת מערבית לקו המרכזי עבור אזור הזמן המקביל.

האנלמה

כידוע כמעט כולם, השמש עולה גבוה יותר בשמיים בקיץ מאשר בחורף. בהנחה שאתה גר בחצי הכדור הצפוני, נקודת השיא בכל יום מתרחשת בצהריים אמיתיים, והנקודה הגבוהה ביותר לשנה מתרחשת על היפוך הקיץ (היום הראשון של הקיץ), בסביבות 21 ביוני. אם הרכבת מצלמה על פלטפורמה המפנה לכיוון דרום וצילמתם את השמים והאופק כל יום בצהריים אמיתי, אז השמש הייתה מטפסת גבוה יותר בכל תמונה עד 21 ביוני, ואז שוקעת כל יום עד 21. דצמבר. אבל מה אם, במקום לקחת את הצילום בצהריים אמיתי, צילמת את הצילום בצהריים לפי השעון (תוך התעלמות משעון הקיץ)? כשאתה מדפדף בין הצילומים, השמש הייתה ממשיכה לעלות ולמטה, אך היא גם אורגת מעט שמאלה וימינה, בגלל חוסר ההתאמה של עד 16 דקות בין זמן שמש אמיתי לזמן הממוצע. אם אתה משלב את כל התמונות לתמונה בודדת, היית רואה תמונה 8 בשמיים. אם תצלם את התצלומים בזמן שעון קבוע שאינו בצהריים, הרי שהתמונה 8 תישען לצד:

אנלמה של השמש, מאת גיורגי סופוני

יתכן שראית תרשים עם אותה צורה - המכונה אנלמה - מודפסת על כדור הארץ. המשמעות היא למעשה זהה. אם היית מצייר נקודה על כדור הארץ בפרקי זמן של 24 שעות במדויק במשך שנה שלמה, המציין את הנקודה על פני האדמה בה השמש עומדת ישירות, היית מייצר את אותה דמות 8 על העולם:

עונות השנה

בניגוד למה שאנשים בחצי הכדור הצפוני עשויים לצפות, הגישה הקרובה ביותר של כדור הארץ לשמש (המכונה perihelion) היא בתחילת ינואר. עוצמת אור השמש הנופלת על כדור הארץ גדולה ב -7% בתחילת ינואר מאשר בהתחלה ביולי, כאשר כדור הארץ נמצא הכי רחוק מהשמש. זה גורם להתמתנות קלה בהבדלים בין טמפרטורות הקיץ לחורף בחצי הכדור הצפוני, והיא גורמת לעלייה קלה בהבדלים בין טמפרטורות הקיץ לחורף בחצי הכדור הדרומי.

כמובן שמעגל העונות שלנו נובע מהטיה של ציר כדור הארץ ולא מהמרחק מהשמש. הגורם העיקרי המשפיע על עוצמת אור השמש הוא פשוט כמה השמש גבוהה מעל האופק. כאשר השמש נמוכה בשמיים, הקרניים פוגעות בכדור הארץ בזווית אלכסונית, מפיצות את האנרגיה על שטח גדול ובכך מורידות את העוצמה. לכן אור השמש עז הרבה יותר בצהריים מאשר בשעות הבוקר המוקדמות או בשעות אחר הצהריים המאוחרות. באופן דומה, אור השמש עז יותר בקיץ, כאשר השמש עולה גבוה יותר בשמיים מאשר בחורף. יש גם יותר שעות אור יום בקיץ, התוצאה היא תקופת חימום יומית ארוכה יותר ותקופת קירור לילית קצרה יותר. באזורים הטרופיים גובה השמש בצהריים לא משתנה הרבה במהלך השנה, וגם לא אורכו של תקופת אור היום. לכן הטרופיים אינם חווים שונות רבה בטמפרטורות הממוצעות במהלך השנה.

במקומות שרחוקים מהקו המשווה, ולכן חווים אבחנה חדה בין קיץ לחורף, ההשפעה מוגברת מאוד במיקומים שיש להם אקלים יבשתי, לעומת אקלים ימי. במילים אחרות, מיקומים שנמצאים לא רק רחוקים מקו המשווה, אלא גם רחוקים מכל אוקיינוס ​​יחוו את ההבדל הגדול ביותר בין טמפרטורות הקיץ לחורף. סיביר, שנמצאת ביבשת הענקית של אסיה, היא הדוגמא העיקרית לקצוות כאלה - אך גם המישורים הצפוניים של צפון אמריקה (כמו דקוטה הצפונית ודרום ססקצ'ואן) מספקים דוגמא טובה לכך.

סיכום

לסיום, נחזור לשאלה המקורית שלנו: כמה זמן הוא יום? אם נגדיר יום המבוסס על תופעה גופנית ממשית, יומית, הניתנת לצפייה, יש לנו שתי תשובות אפשריות. אם נגדיר יום כסיבוב שלם אחד של כדור הארץ על צירו - יום מהממים - אז יום הוא כ -4 דקות פחות מ -24 שעות. אם נגדיר יום כזמן שבין הצהריים האמיתי ליום האחד לצהריים האמיתי למחרת - יום סולארי - אז אורך היום משתנה לאורך השנה, נע בין 21 שניות פחות מ -24 שעות עד 30 שניות יותר מ -24 שעות . אבל אם ניקח את האורך הממוצע של כל ימי השמש בשנה, התוצאה היא בדיוק 24 שעות, וכך הגענו ליום הסטנדרטי שלנו. עם זאת, יש רק 4 פעמים בכל שנה כאשר היום הרגיל והיום הסולארי האמיתי הם בעלי אותו אורך. התוצאה היא שהיום הרגיל של 24 שעות ביממה אינו משהו שנמצא בטבע, אלא המצאה אנושית שמתאימה בערך לימים האמיתיים - ימי שמש או ימים מהממים - שאנו חווים על פני כדור הארץ.