في نشاط ما هو طول اليوم، ركزنا على كيف يختلف طول ساعات النهار بالنسبة لأماكن مختلفة على الأرض. بحثنا كذلك في كيفية تباين أوقات الشروق والغروب طوال السنة.

لنلق نظرة على أوقات الشروق والغروب لأقصر يوم في السنة في نصف الكرة الشمالي 21 ديسمبر. على خط عرض 40 درجة شمال خط الاستواء (بالقرب من البحر المتوسط، وسط الولايات المتحدة، أو البحر الأصفر مثلا)، يكون وقت الشروق 7:40 صباحا تقريبا، ووقت الغروب 16:55. وهذا يوفر إجمالي زمن نهاري 9 ساعات و15 دقيقة لخط العرض هذا.

ربما تعتقد أن هذا اليوم القصير سببه وقت الشروق المتأخر ووقت الغروب المبكر. إلا أن هذا ليس صحيحا! إن اليوم ذي الشروق الأكثر تأخرا، تقريبا 7:43 صباحا، هو 4 يناير، ويحدث أبكر غروب في 7 ديسمبر في الساعة 16:52 تقريبا. كيف يمكن أن يكون هذا؟

هنالك أمران يسببان هذا الموقف. أحدهما هو ميلان محور دوران الأرض والآخر هو حقيقة أن مدار الأرض حول الشمس ليس دائريا تماما. بل هو بيضاوي بعض الشيء. يسبب هذان الأمران تحولا في المسار الظاهري للشمس طوال العام. ويخلق هذا التحول الموقف المدهش المذكور أعلاه.

ان استطعت تحديد موقع الشمس في السماء كل يوم في نفس الوقت، ماذا ستكون النتيجة؟ قد تعتقد أن الشمس ستظهر في نفس المكان في السماء في نفس الوقت كل يوم. يكون هذا صحيح إن لم يكن لدى الأرض ميلان وإذا كان مدارها دائرة كاملة. وكما نعلم، هذه ليست الحالة. لنلق نظرة على ميلان المحور وشكل المدار بتفصيل أكبر.

يتغير ميلان الأرض حسب ارتفاع الشمس في السماء طوال العام، عند النظر من مكان محدد على سطح الأرض. وعند النظر إلى الشمس من موقع في نصف الكرة الشمالي، كما في المخطط هنا، تكون الشمس في وضعها الأدنى في السماء عند الظهيرة في ديسمبر وفي وضعها الأعلى في السماء عند الظهيرة في يونيو. بالنسبة لنصف الكرة الجنوبي، العكس هو الصحيح. أما المواقع عند 20 درجة كخط عرض شمال أو جنوب خط الاستواء، تبدو الحركة العمودية خلال السنة واضحة.
إن ميلان الأرض له تأثير أيضا على الوضع الأفقي للشمس خلال السنة عند النظر في نفس الوقت كل يوم. أولا، لنلق نظرة على مسار الشمس عبر السماء في يوم معتاد. يوضح المخطط هنا هذه الحركة عند النظر من موقع في نصف الكرة الشمالي. يحدث دوران الأرض هذه الحركة الجلية. وفي وضع الظهيرة، تكون الشمس عند أعلى نقطة في السماء في أي يوم.
يسبب ميلان الأرض وصول الشمس إلى وضع الظهيرة (أعني أعلى نقطة في السماء في أي يوم) قبل أو بعد الساعة 12:00 ظهرا بالتوقيت المحلي في جميع أيام السنة إلا بضعة أيام. على سبيل المثال، تصل الشمس إلى وضع الظهيرة في السماء قبل بضعة دقائق من وقت الظهيرة المحلي.
يسبب ميلان الأرض وصول الشمس إلى وضع الظهيرة (أعني أعلى نقطة في السماء في أي يوم) قبل أو بعد الساعة 12:00 ظهرا بالتوقيت المحلي في جميع أيام السنة إلا بضعة أيام. على سبيل المثال، تصل الشمس إلى وضع الظهيرة في السماء قبل بضعة دقائق من وقت الظهيرة المحلي. في هذا المخطط والمخطط أسفله، تم تضخيم المسافات الأفقية بحيث تتمكن من رؤية الآثار الموضحة بوضوح. وفي السماء الحقيقية، فإن المسافات الأفقية ليست بهذه الضخامة، إلا أنها سهلة الملاحظة. هل يمكنك تتبع المسار العام للشمس في هذا المخطط خلال سنة معينة؟ كيف تصف شكلها؟
إن مدار الأرض دائري تقريبا، إلا أنه بيضاوي بشكل كافي بحيث يتسبب بتغيير السرعة المدارية للأرض طوال العام. وتؤثر هذه السرعة المتغيرة على موقع الشمس في السماء. تكون الأرض أقرب ما يكون من الشمس في يناير. وخلال الفترة من أكتوبر إلى فبراير، تكون السرعة المدارية للأرض أكبر بكثير من أي وقت في السنة.
تعمل السرعة المتزايدة على جعل الشمس تصل على وضع الظهيرة في الشمس بشكل مبكر في يناير وبشكل متأخر في نوفمبر أكثر من الزمن الذي يحدثه ميلان الأرض لوحده. وفي النصف الآخر من السنة، حيث تكون السرعة المدارية للأرض أبطأ، يمكن ملاحظة تأثيرات مماثلة كذلك. يظهر هذا المخطط وضع الشمس بألوان فاتحة بسبب الميلان لوحده. أما المواقع الموضحة بألوان غامقة فتأخذ بعين الاعتبار تأثيرات كل من الميلان والسرعة المتغيرة نظرا لشكل المدار.

هنالك طريقة أسهل لفهم تأثير الميلان والمدار البيضاوي بعض الشيء عند النظر إليه بيانيا. في سياق السنة، يتبع الموقع الظاهري للشمس - عند النظر من نفس الموقع في نفس الوقت كل يوم- مسارا في السماء يشبه الرقم ثمانية. يسمى هذا المسار غير المرئي أنالما analemma . إن سبب ارتفاع أنالما هو ميلان الأرض، وسبب عرضه هو ميلان الأرض والطبيعة البيضاوية لمدارها.

يمكنك رؤية أنالما في هذه الصورة الشهيرة التي التقطها أنتوني أيومامتيس، وهو فلكي هاوي في أثينا، اليونان. خلال مضي السنة، التقط صورة فوتوغرافية للشمس مرة كل أسبوع تقريبا من نفس المكان بالضبط وفي نفس الوقت من اليوم (في هذه الحالة، 12:18)، حيث ثبتت كاميراته في نفس الوضع. ولو أنه التقط الصور في وقت أبكر خلال اليوم، يكون أنالما مائلا نحو اليسار.

في أعلى الصفحة، تبدو مواقع الشمس في السماء في يناير ويوليو، بينما تظهر المواقع في ديسمبر ويناير في الأسفل.

دمجها معا

تنتج التأثيرات المتحدة للميلان وشكل المدار أنالما، الذي يساعدنا بدوره على فهم لماذا يكون الغروب الأبكر في أوائل ديسمبر والشروق الأكثر تأخرا في أوائل يناير. يميل الصباح الباكر لأنالما نصف الكرة الشمالي لليسار (الناشئ عن مراقبة موقع الشمس في نفس الوقت في كل صباح باكر)، بينما يميل أنالما فترة ما بعد الظهيرة لليمين. يحتوي موقع الشبكة هذا بواسطة جون هولتز على مخططات مفصلة للشروق المتأخر/الغروب المبكر. وتقع هذه المخططات بالقر من نهاية صفحة الشبكة، لذا سيتعين عليك التصفح للأسفل لرؤيتها.

هل أنت مهتم في معرفة شكل أنالما حيث تعيش؟ ليس هذا بالأمر الصعب. فعوضا عن الكاميرا، يمكنك استخدام الضوء المعكوس أو الظلال العادية. وطالما أن هذا مشروع لكامل السنة، قد تجد أن العمل داخليا أسهل، حسب مناخك. فإذا كنت تعيش حيث يتساقط الكثير من الثلج أو المطر خلال السنة، قد ترغب باختيار العمل في الخارج. نقترح أن تقرأ التعليمات لكلا المشروعين ثم تقرر أي الطرق ستناسبك أكثر في مناخك ووضعك الخاص.

راجع تعليمات Iالمشروع الداخلي و المشروع الخارجي ثم ابدأ في تخطيط أنالما المحلي خاصتك.

…...المزيد من مشاريع مختبر العلوم عن...…
الهواء والفضاء
علم الأرض
الكهرباء والمغناطيسية
خصائص السوائل

…...جرب بعض التجارب التفاعلية في...
المختبر الافتراضي

…...أو اختبر مهاراتك في...…
اللغز الرياضي لهذا الشهر
التحدي الهندسي