En dag er ikke 24 timer

Vores system med fortællingstid er baseret på den forudsætning, at hver dag er nøjagtigt 24 timer lang - helt præcist uden undtagelser. Dette koncept er fuldt indarbejdet i vores kultur, et kerneprincip i vores moderne teknologiske samfund. Samtidig læres vi i skolen, at en dag svarer til en fuldstændig rotation af Jorden på dens akse. Desværre stemmer disse to koncepter ikke helt sammen - og uoverensstemmelsen er mere end blot et par millisekunder. Faktisk udgør misforholdet flere minutter hver dag. Eftersom vores traditionelle koncept om en "dag" faktisk er defineret af cyklussen af ​​sollys og mørke - og ikke af en rotation af Jorden - er længden af ​​en rigtig dag ikke ensartet, men varierer noget i løbet af året. Vi foregiver kun, at alle dage har samme længde - ved at beregne gennemsnittet af alle dage i året og derefter definere dette gennemsnit som en "standarddag" på nøjagtigt 24 timer.

Dette er ikke en dårlig ting. Faktisk har det været meget nyttigt at definere vores tidssystem på denne måde. Men når du først har forstået, hvorfor dette system ikke helt stemmer overens med den virkelige verden, kan du begynde at give mening om flere interessante fænomener. For eksempel skulle du tro, at den tidligste solnedgang og den seneste solopgang begge vil forekomme på den korteste dag i året, der er den første vinterdag. Men dette er overhovedet ikke tilfældet.

Hvis vores definition af en dag virkelig var baseret på en komplet rotation af Jorden på dens akse - en 360 graders drejning - ville en dag være 23 timer, 56 minutter og 4 sekunder. Dette er næsten 4 minutter kortere end vores 24-timers standarddag. Imidlertid har vores koncept om en "dag" længe været baseret på den naturlige cyklus af sollys - en periode med dagslys efterfulgt af en periode uden dagslys. Uoverensstemmelsen på næsten 4 minutter skyldes, at Jorden skal dreje mere end 360 grader mellem den ene daggry og den næste. Som du ved oplever Jorden to samtidige bevægelser - den drejer ikke kun på sin akse, men den bevæger sig også i kredsløb omkring solen. I en periode på en dag rejser Jorden ca. 1/365 af vejen rundt om solen (fordi det tager ca. 365 dage at gå hele vejen rundt, hvilket er, hvordan vi definerer et år). Denne daglige fremgang i Jordens bane er næsten nøjagtigt en grad (defineret som 1/360 af en cirkel). Derfor er Jorden nødt til at dreje en ekstra grad for at stille op med solen igen hver dag. Resultatet er, at en komplet cyklus af sollys og mørke - en dag - repræsenterer en rotation på ca. 361 grader, ikke 360 ​​grader. Selvom et år består af 365 og et kvarter dage, spinder jorden faktisk 366 og en kvart gange i løbet af et år. Ud fra solopgange og solnedgange synliggøres en komplet spin hvert år af rejsen rundt om solen.

En stjernedag

En anden måde at udtrykke denne idé på er, at længden af ​​en dag afhænger af vores referenceramme. Af grunde, der er både traditionelle og logiske, bruger vi normalt solen som vores reference, når vi definerer en dag. Men hvis vi ønsker at definere en dag som en komplet omdrejning af Jorden på dens akse, så kan vi bruge stjernerne som vores reference. Ved at observere placeringen af ​​stjernerne på himlen kan vi bestemme, hvornår Jorden har afsluttet nøjagtigt en rotation. Vi kalder en dag defineret på denne måde en stjernedag eller en siderisk dag. (De to udtryk har lidt forskellige definitioner, men næsten identiske resultater.)

I en stjernedag stiger enhver given stjerne til næsten det samme tidspunkt hver dag. Mere præcist når enhver given stjerne sit højeste punkt på himlen på samme tid hver stjernedag. Dette skyldes, at i begyndelsen og slutningen af ​​en fuldstændig rotation af Jorden står ethvert givet punkt på Jorden nu i samme retning i rummet. (Med andre ord, ethvert punkt på Jorden står nu over for den samme retning med henvisning til de andre stjerner i vores galakse.) Men fordi en stjernedag er cirka 4 minutter kortere end en traditionel soldag, betyder det, at en given stjerne stiger omkring 4 minutter tidligere hver dag. For eksempel, hvis du kan lide at opdage stjernebilledet Orion i efteråret og vinteren, vil du bemærke, at den stiger lidt tidligere hver nat. Hvis du går ud nøjagtigt kl. 23:00 hver nat for at bemærke Orions position, vil du se, at stjernebilledet hver nat er lidt højere på den østlige himmel, end det var natten før.

I modsætning til en soldag, hvis sande længde varierer gennem året, er længden af ​​en stjernedag ganske konstant - altid 23 timer, 56 minutter og 4 sekunder. Hvis du imidlertid ønsker at være præcis i forhold til millisekundet (1/1000 sekund), skal du overveje flere slags "wobbles", der påvirker retningen på Jordens akse. (Den største af disse wobbles er en 26.000-årig cyklus kaldet en aksial præcession.) Du skal også overveje den meget gradvise aftagelse af Jordens omdrejningstal. (En komplet rotation tager ca. 1,7 millisekunder længere end for et århundrede siden.)

En soldag

I modsætning til en stjernedag er en soldag - en komplet cyklus af sollys og mørke - langt mere variabel i længden. Mængden af ​​variation varierer dog delvis af, hvornår du overvejer dagen at begynde. For eksempel kan du betragte "en ny dag" som begyndelse ved daggry, når solen står op, eller du kan betragte dagen som slutning, når solen går ned - i hvilket tilfælde den næste dag begynder ved solnedgang. (Flere fremtrædende religioner bruger stadig det sidstnævnte system.) Et tredje valg er at sige, at den nye dag begynder nøjagtigt midt på natten - halvvejs mellem solnedgang og solopgang. (Dette øjeblik kan kaldes ”ægte midnat”.) I et af disse systemer varierer længden af ​​en dag hele året, men den gennemsnitlige længde er 24 timer. Midnattsystemet udviser imidlertid betydeligt mindre variation i daglængde end enten daggry eller skumringssystemer.

I vores nuværende system med standardtid begynder en ny dag ved midnat - bortset fra at det ikke er rigtigt midnat. På et givet sted, på en given dag, kan der være en betydelig forskel mellem ægte midnat og midnat i henhold til standardtid. I USA kan forskellen være så stor som en time - og i løbet af måneder med sommertid kan forskellen endda nå to timer. I det vestlige Kina er forskellen mellem standardtid og sand tid tre timer, et resultat af, at hele landet er fyldt i en enkelt tidszone.

Selvom du kan betragte længden af ​​en ægte soldag som den mængde tid fra en sand midnat til den næste rigtige midnat, er et rimeligt alternativ at betragte det som mængden af ​​tid fra en sand middag til den næste sande middag. På ethvert givet sted forekommer ægte middag nøjagtigt halvvejs mellem solopgang og solnedgang (forudsat en relativt flad horisont, uden bjerge). Det er også det øjeblik, hvor solen når sit højeste punkt på himlen for den dag. I de nordlige tempererede regioner i verden er solen ret syd ved ægte middag. I de sydlige tempererede regioner i verden er solen nordpå ved sandt middagstid. I troperne - det vil sige ethvert sted i verden, der er syd for kræftkropen og nord for Stenbukken Tropen - vil solen enten være mod nord eller ret syd ved ægte middag, afhængigt af hvilken dag i året det er er. Desuden er solen to gange om året i troperne direkte overhead ved ægte middag. De nøjagtige datoer for dette fænomen varierer afhængigt af placeringens breddegrad.

Variationer i en soldag

Hvis jordens bane omkring solen var perfekt cirkulær, ville længden af ​​en ægte soldag - tiden fra den ene sande middag til den næste - være ganske konsekvent hele året. Jordens bane er imidlertid faktisk en ellipse, selvom den er temmelig tæt på cirkulær. Følgelig varierer afstanden mellem Jorden og solen i løbet af året med ca. 3% (ca. 3 millioner miles). Hastigheden, hvormed Jorden bevæger sig rundt i solen, varierer også med ca. 3% i løbet af året og er den hurtigste, når Jorden er tættest på solen. Den skiftende afstand og den skiftende hastighed påvirker begge længden af ​​en ægte soldag - fordi de begge påvirker hvor mange grader Jorden skal dreje mellem to på hinanden følgende forekomster af ægte middagstid på et givet sted. Længden af ​​en ægte soldag i slutningen af ​​december er ca. 24 timer plus 30 sekunder. Længden af ​​en ægte soldag i midten af ​​september er ca. 24 timer minus 21 sekunder. Således varierer længden af ​​en soldag med næsten et minut i løbet af året.

Selvom denne effekt er relativt lille, når du kun overvejer en enkelt dag, er den ganske mærkbar, når den ophobes over flere måneder. Forestil dig, at du har to ure. Det første ur, der simpelthen er en meget præcis solur, viser ægte lokal tid, inklusive ægte middag. Det andet ur er elektrisk, men i stedet for at blive indstillet til standardtid i henhold til den lokale tidszone, er det indstillet til lokal gennemsnitstid. Med andre ord antager det elektriske ur, at alle dage er nøjagtigt 24 timer (ordet "middelværdi" betyder gennemsnit), men at gennemsnitstiden for middagstid skal matche den lokale sande middag, som indikeret af soluret. Fire gange om året er de to ure enige om, hvornår det er middag. Men i begyndelsen af ​​februar indikerer det elektriske ur middag 14 dage før soluret gør det. I begyndelsen af ​​november angiver det elektriske ur middag 16 minutter senere, end soluret gør. Dette er en ret stor forskel!

Denne uoverensstemmelse er grunden til, at den tidligste solnedgang og årets seneste solopgang ikke forekommer på den korteste dag i året - vintersolverv - som forekommer den 21. december eller i nærheden af ​​den nordlige halvkugle. (På den sydlige halvkugle er 21. december den længste dag i året, og derfor den første sommerdag.) Hvis vi faktisk brugte ægte soltid (i modsætning til enten lokal gennemsnitstid eller standardtid), er den seneste solopgang og Årets tidligste solnedgang ville faktisk forekomme ved vintersolverv, den første vinterdag.

Tidszoner

Brugen af ​​ægte soltid blev opgivet, da mekaniske ure tillader os - eller måske tvang os - til at vedtage en standardlængde på 24 timer om dagen, uanset solens faktiske placering. Således blev soltiden erstattet af lokal gennemsnitstid - flere hundrede år siden. Men selvfølgelig bruger vi heller ikke lokal gennemsnitstid. Hvis vi gjorde det, ville du nødt til at justere dit ur, hver gang du rejste et par kilometer øst eller vest. Lige siden 1880'erne har vi i stedet været afhængige af standardtid baseret på tidszoner. Tanken er at opdele verden i 24 nord-syd striber eller zoner. Inden for hver zone bruger alle den samme tid. Når du går fra en zone til en anden, justerer du normalt dine ure med nøjagtigt en time. Hver tidszone har en gennemsnitlig bredde på 15 grader i længdegrad (ved at dele 360 ​​grader i 24 lige store stykker). Dette svarer til en bredde på ca. 1000 miles ved ækvator, men tidszonerne bliver gradvist smalere, når du nærmer dig jordens poler.

Inden for hver tidszone er standardtid baseret på den lokale gennemsnitstid på en bestemt længde i zonen. For eksempel er standardtiden i den østlige tidszone i Nordamerika baseret på 75 graders vestlig længde - den teoretiske midtlinje for denne tidszone. For enhver by eller by med den samme omtrentlige længde, som f.eks. Philadelphia, er der en næsten perfekt match mellem lokal gennemsnitstid og standardtid. Men for en by eller by med en længde på omkring 80 grader vest, såsom Charleston (South Carolina), varierer standardtid og lokal gennemsnitstid ca. 20 minutter. I Indianapolis, der ligger omkring 86 grader vest for længdegrad, er forskellen mellem standardtid og lokal gennemsnitstid cirka 45 minutter. I løbet af sommeren, når sommertid er i kraft, tilføjes en anden times forskel til ethvert sted, der er vest for centrumlinjen - selvom en time trækkes fra placeringer øst for centrumlinjen (f.eks. Boston). Resultatet er, at om sommeren varierer standardtid og lokal gennemsnitstid næsten to timer i Indianapolis.

Indianapolis var tidligere i den centrale tidszone sammen med hele staten Indiana. Men nu er det meste af staten i den østlige tidszone. Hvis Indianapolis stadig brugte Central Time, ville standardtid og lokal gennemsnitstid kun variere med 15 minutter i stedet for 45 minutter. Problemet er, at solen i gennemsnit allerede var halvvejs over himlen kl. 11:45. I begyndelsen af ​​november, på grund af forskellen mellem gennemsnitstid og faktisk soltid, ville solen være halvvejs over himlen kl. 11.30. Derfor ville daggry og solnedgang begge forekomme en halv time tidligere end forventet. De fleste mennesker foretrækker at have solen halvvejs over himlen kl. 12.30 snarere end kl. 11.30, så solopgang og solnedgang er lidt senere end forventet. Et lignende problem påvirker ethvert andet sted, der er beliggende øst for midtlinjen i den tilsvarende tidszone. Resultatet er, at politikere konstant bliver fristet til at flytte tidszonegrænser vestpå. Et flertal af steder i USA (men bestemt ikke alle) er nu placeret vest for midtlinjen for den tilsvarende tidszone.

Analemmaet

Som næsten alle ved, stiger solen højere på himlen om sommeren end den gør om vinteren. Forudsat at du bor på den nordlige halvkugle, forekommer det højeste punkt hver dag ved ægte middag, og det højeste punkt for året forekommer på sommersolverv (den første sommerdag) omkring 21. juni. Hvis du monterede et kamera på en platform, der peger mod syd, og du tog et billede af himlen og horisonten hver dag ved ægte middag, så ville solen klatre højere på hvert foto indtil 21. juni og derefter synke lavere hver dag indtil 21. december. Men hvad nu, i stedet for at tage billedet ved sandt middagstid, tog du billedet ved middagstid i henhold til uret (ignorerer sommertid)? Når du bladrede gennem billederne, ville solen fortsætte med at gå op og ned, men den ville også væve lidt til venstre og højre på grund af uoverensstemmelsen på op til 16 minutter mellem ægte soltid og gennemsnitlig tid. Hvis du kombinerer alle billederne til et enkelt foto, vil du se en figur 8 på himlen. Hvis du optager fotografierne på et andet uret tid end kl. 12, vil figuren 8 læne sig til siden:

Solemmaets analyse, af György Soponyai

Du har måske set et diagram med denne samme form - kaldet et analemma - trykt på en klode. Betydningen er i det væsentlige den samme. Hvis du tegner en prik på kloden med nøjagtige 24-timers intervaller i et helt år, der angiver det punkt på jorden, hvor solen ligger direkte over hovedet, ville du fremstille samme figur 8 på kloden:

Årstiderne

I modsætning til hvad folk på den nordlige halvkugle kunne forvente, er Jordens nærmeste tilgang til solen (kaldet perihelion) i begyndelsen af ​​januar. Intensiteten af ​​sollys, der falder på Jorden, er 7% større i begyndelsen af ​​januar end det er i begyndelsen af ​​juli, når Jorden er længst væk fra solen. Dette medfører en mindre moderering i forskellene mellem sommer- og vintertemperaturer på den nordlige halvkugle, og det medfører en mindre stigning i forskellene mellem sommer- og vintertemperaturer på den sydlige halvkugle.

Vores sæsoncyklus skyldes naturligvis jordens akse, ikke afstanden fra solen. Den vigtigste faktor, der påvirker sollysets intensitet, er simpelthen hvor høj solen er over horisonten. Når solen er lav på himlen, rammer stråler jorden i skråt vinkel og spreder energien over et stort område og reducerer derved intensiteten. Derfor er sollys meget mere intens ved middagstid, end det er om morgenen eller sent på eftermiddagen. Ligeledes er sollys mere intens om sommeren, når solen stiger højere på himlen, end det er om vinteren. Der er også flere timer med dagslys om sommeren, hvilket resulterer i en længere daglig opvarmningsperiode og en kortere afkøling om natten. I troperne ændres solens højde ved middagstid ikke meget i løbet af året, og heller ikke længden på dagslysperioden. Derfor oplever troperne ikke meget variation i gennemsnitstemperaturer i løbet af året.

På steder, der er langt fra ækvator, og derfor oplever en skarp sondring mellem sommer og vinter, forstærkes effekten kraftigt på steder, der har et kontinentalt klima, i modsætning til et havklima. Med andre ord vil placeringer, der ikke kun er langt fra ækvator, men også langt fra ethvert hav, opleve den største forskel mellem sommer- og vintertemperaturer. Sibirien, der ligger på det gigantiske kontinent Asien, er det største eksempel på sådanne ekstremer - men de nordlige sletter i Nordamerika (såsom North Dakota og det sydlige Saskatchewan) er også et godt eksempel.

Resumé

For at afslutte, lad os vende tilbage til vores originale spørgsmål: Hvor lang tid er en dag? Hvis vi definerer en dag baseret på et faktisk, daglig, observerbart fysisk fænomen, har vi to mulige svar. Hvis vi definerer en dag som en komplet omdrejning af Jorden på dens akse - en stjernedag - er en dag ca. 4 minutter mindre end 24 timer. Hvis vi definerer en dag som tiden mellem ægte middag en dag og ægte middag den næste dag - en soldag - så varierer længden af ​​en dag hele året, der spænder fra 21 sekunder mindre end 24 timer til 30 sekunder mere end 24 timer . Men hvis vi tager den gennemsnitlige længde af alle solskinsdage i et år, er resultatet nøjagtigt 24 timer, hvilket er, hvordan vi ankom til vores standarddag. Der er dog kun 4 gange om året, når standarddagen og den sande soldag har samme længde. Resultatet er, at den almindelige døgnåbne dag ikke er noget, der findes i naturen, men en menneskelig opfindelse, der kun groft svarer til de virkelige dage - soldage eller stjernedage - som vi faktisk oplever på Jorden.