Tempo solare

Il tempo solare è un calcolo del passaggio del tempo basato sulla posizione del Sole nel cielo. L'unità fondamentale del tempo solare è il giorno. Due tipi di tempo solare sono il tempo solare apparente (tempo della meridiana) e il tempo solare medio (tempo dell'orologio).

introduzione

Un palo alto fissato verticalmente nel terreno getta un'ombra in qualsiasi giorno soleggiato. In un momento del giorno, l'ombra punterà esattamente a nord o a sud (o scomparirà quando e se il Sole si sposta direttamente in alto). Quell'istante è mezzogiorno apparente locale o 12:00 ora locale apparente. Circa 24 ore dopo l'ombra punterà di nuovo a nord / sud, il Sole sembra aver coperto un arco di 360 gradi attorno all'asse terrestre. Quando il Sole ha coperto esattamente 15 gradi (1/24 di un cerchio, entrambi gli angoli misurati su un piano perpendicolare all'asse terrestre), il tempo apparente locale è esattamente alle 13:00; dopo altri 15 gradi saranno esattamente le 14:00.

Il problema è che a settembre il Sole impiega meno tempo (misurato da un preciso orologio) per fare una rivoluzione apparente di quanto non faccia a dicembre; 24 "ore" di tempo solare possono essere 21 secondi in meno o 29 secondi in più di 24 ore di orologio. Come spiegato nell'articolo sull'equazione del tempo, ciò è dovuto all'eccentricità dell'orbita terrestre (ovvero l'orbita terrestre non è perfettamente circolare, il che significa che la distanza Terra-Sole varia durante l'anno) e il fatto che l'asse terrestre è non perpendicolare al piano della sua orbita (la cosiddetta obliquità dell'eclittica).

L'effetto di ciò è che un orologio che funziona a un ritmo costante - ad esempio completando lo stesso numero di oscillazioni del pendolo in ogni ora - non può seguire il Sole reale; segue invece un immaginario "Sole medio" che si muove lungo l'equatore celeste a un ritmo costante che corrisponde al tasso medio del Sole reale nel corso dell'anno. Questo è "tempo solare medio", che non è ancora perfettamente costante da un secolo all'altro, ma è abbastanza vicino per la maggior parte degli scopi. Attualmente un giorno solare medio è di circa 86.400,002 secondi SI.

I due tipi di tempo solare (tempo solare apparente e tempo solare medio) sono tra i tre tipi di calcolo del tempo impiegati dagli astronomi fino agli anni '50. (Il terzo tipo di calcolo del tempo tradizionale è il tempo siderale, che si basa sui movimenti apparenti di stelle diverse dal Sole.) Negli anni '50 era diventato chiaro che la velocità di rotazione della Terra non era costante, quindi gli astronomi svilupparono il tempo delle effemeridi, un scala temporale basata sulle posizioni dei corpi del sistema solare nelle loro orbite.

Tempo solare apparente

Il sole apparente è il vero sole visto da un osservatore sulla Terra. Il tempo solare apparente o il vero tempo solare si basa sul moto apparente del Sole reale. Si basa sull'apparente giorno solare , l'intervallo tra due successivi ritorni del Sole al meridiano locale. Il tempo solare può essere misurato grossolanamente da una meridiana. L'equivalente su altri pianeti è chiamato ora solare reale locale (LTST).

La durata di una giornata solare varia durante l'anno e l'effetto accumulato produce deviazioni stagionali fino a 16 minuti dalla media. L'effetto ha due cause principali. Innanzitutto, l'orbita terrestre è un'ellisse, non un cerchio, quindi la Terra si muove più velocemente quando è più vicina al Sole (perielio) e più lenta quando è più lontana dal Sole (afelio) (vedi le leggi di Keplero sul moto planetario). In secondo luogo, a causa dell'inclinazione assiale della Terra (nota come obliquità dell'eclittica ), il movimento annuale del Sole è lungo un grande cerchio (l'eclittica) inclinato all'equatore celeste della Terra. Quando il Sole attraversa l'equatore in entrambi gli equinozi, lo spostamento giornaliero del Sole (rispetto alle stelle di sfondo) è ad angolo rispetto all'equatore, quindi la proiezione di questo spostamento sull'equatore è inferiore alla sua media per l'anno; quando il Sole è più lontano dall'equatore in entrambi i solstizi, lo spostamento del Sole in posizione da un giorno all'altro è parallelo all'equatore, quindi la proiezione sull'equatore di questo spostamento è maggiore della media dell'anno (vedi anno tropicale ). A giugno e dicembre, quando il sole è più lontano dall'equatore celeste, un dato spostamento lungo l'eclittica corrisponde a un grande spostamento all'equatore. Quindi i giorni solari apparenti sono più brevi in ​​marzo e settembre rispetto a giugno o dicembre.

Data Durata in media ora solare 11 febbraio 24 ore 26 marzo 24 ore - 18,1 secondi 14 maggio 24 ore 19 giugno 24 ore + 13,1 secondi 25/26 luglio 24 ore 16 settembre 24 ore - 21,3 secondi 2/3 novembre 24 ore 22 dicembre 24 ore + 29,9 secondi

Queste lunghezze cambieranno leggermente in pochi anni e significativamente in migliaia di anni.

Tempo solare medio

Il tempo solare medio è l'angolo orario del Sole medio più 12 ore. Questo offset di 12 ore deriva dalla decisione di far iniziare ogni giorno a mezzanotte per scopi civili mentre l'angolo orario o il sole medio viene misurato dallo zenit (mezzogiorno). Attualmente (2009) questo viene realizzato con la scala temporale UT1, costruita matematicamente da osservazioni interferometriche di base molto lunghe dei moti diurni di sorgenti radio situate in altre galassie e altre osservazioni. La durata della luce del giorno varia durante l'anno, ma la durata di un giorno solare medio è quasi costante, a differenza di quella di un giorno solare apparente. Un giorno solare apparente può essere più breve di 20 secondi o più lungo di 30 secondi rispetto a un giorno solare medio. Giorni lunghi o brevi si verificano in successione, quindi la differenza si accumula fino a quando il tempo medio è in anticipo rispetto al tempo apparente di circa 14 minuti vicino al 6 febbraio e dietro il tempo apparente di circa 16 minuti vicino al 3 novembre. L'equazione del tempo è questa differenza, che è ciclico e non si accumula di anno in anno.

Il tempo medio segue il sole medio. Jean Meeus descrive il sole medio come segue:

Considera un primo Sole fittizio che viaggia lungo l' eclittica con una velocità costante e in coincidenza con il vero sole sul perigeo e sull'apogeo (quando la Terra è in perielio e afelio, rispettivamente). Quindi considera un secondo Sole fittizio che viaggia lungo l' equatore celeste a velocità costante e coincidente con il primo Sole fittizio agli equinozi. Questo secondo sole fittizio è il sole medio ... "

La lunghezza del giorno solare medio sta lentamente aumentando a causa dell'accelerazione delle maree della Luna da parte della Terra e del corrispondente rallentamento della rotazione terrestre da parte della Luna.

Storia

Sono stati usati molti metodi per simulare il tempo solare medio. I primi furono i clepsydra o gli orologi ad acqua, usati per quasi quattro millenni dalla metà del 2 ° millennio a.C. fino all'inizio del 2 ° millennio. Prima della metà del 1 ° millennio a.C., gli orologi ad acqua erano regolati solo per concordare con l'apparente giorno solare, quindi non erano migliori dell'ombra proiettata da uno gnomone (un palo verticale), tranne che potevano essere usati di notte.

Ma è noto da tempo che il Sole si sposta verso est rispetto alle stelle fisse lungo l'eclittica. Dalla metà del primo millennio a.C. la rotazione diurna delle stelle fisse è stata utilizzata per determinare il tempo solare medio, rispetto al quale sono stati confrontati gli orologi per determinare il loro tasso di errore. Gli astronomi babilonesi erano a conoscenza dell'equazione del tempo e correggevano per essa, nonché la diversa velocità di rotazione delle stelle, il tempo siderale, per ottenere un tempo solare medio molto più accurato dei loro orologi ad acqua. Questo tempo solare medio ideale è stato usato da allora per descrivere i movimenti dei pianeti, della Luna e del Sole.

Gli orologi meccanici non raggiunsero la precisione dell '"orologio a stella" terrestre fino all'inizio del XX secolo. Gli orologi atomici di oggi hanno un tasso molto più costante rispetto alla Terra, ma il suo orologio a stella è ancora usato per determinare il tempo solare medio. Da qualche tempo alla fine del 20 ° secolo, la rotazione della Terra è stata definita rispetto a un insieme di sorgenti radio extra-galattiche e quindi convertita in tempo solare medio con un rapporto adottato. La differenza tra questo tempo solare medio calcolato e il Tempo universale coordinato (UTC) determina se è necessario un secondo bisestile. (La scala dei tempi UTC ora gira su SI secondi e il secondo SI, quando adottato, era già un po 'più breve del valore corrente del secondo del tempo solare medio.)