Miksi päivä pitenee nyt enemmän illasta?

Vaikka talvipäivänseisaus oli tätä kirjoitettaessa jo viisi päivää sitten, niin moni on varmaan pannut merkille, että aamut ovat samanlaisia. Ainakin pimeyden suhteen. 

Talvipäivänseisaus oli vuonna 2014 joulukuun 21. päivänä kello 23.03 universaalia yleisaikaa (UTC). Maapallon akselin pohjoissuunnan ja Auringon välinen kulma oli silloin suurimmillaan. Siitä hetkestä alkaen päivä alkoi pidetä pohjoisella pallonpuoliskolla. Suomen aika on kaksi tuntia UTC-aikaa edellä, joten meillä tämä tapahtui joulukuun 22. päivänä klo 01.03.

Päivän piteneminen ei tapahdu kuitenkaan symmetrisesti, eli yhtä paljon aamusta ja illasta. Itse asiassa Aurinko nousee Helsingissä aina vain myöhemmin joulukuun 27. päivään asti, jonka jälkeen päivä alkaa pidentyä molemmista päistä. Toisaalta auringonlaskut alkoivat myöhentyä jo joulukuun 16. päivänä.

Tämä hieman hämmentävä ilmiö johtuu kahdesta syystä. Toinen on maapallon akselin kaltevuus ratatasoon nähden, eli sama mikä on myös vuodenaikojen vaihtelun taustalla. Toinen syy on maapallon Aurinkoa kiertävän radan elliptisyys eli soikeus. Näistä kahdesta jälkimmäisen vaikutus on planeettaliikkeeseen perehtymättömällekin kohtuullisen helposti ymmärrettävissä.

Radan elliptisyyden johdosta maapallon nopeus radallaan ei ole vakio, vaan vaihtelee hieman radan eri osissa. Nopeimmillaan Maa kiertää Aurinkoa pohjoisen pallonpuoliskon talvella ja hitaimmin kesällä. Talvella Maa on myös lähinnä Aurinkoa ja kesällä vastaavasti kauimpana. 

Ajanlaskun perustana olevan vuorokauden pituudeksi on sovittu se aika, joka maapallolta keskimäärin kestää pyörähtää akselinsa ympäri Aurinkoon nähden. Koska maapallo pyörii akselinsa ympäri hyvin tasaisesti, mutta nopeus kiertoradalla vaihtelee, niin kellosta katsottava tasaisesti etenevä aika on välillä edellä ja välillä jäljessä aurinkoaikaa. Suurimmillaan noin 15 minuuttia paikkakunnasta riippuen.

Jos maapallon rata olisi ympyrä ja akseli kohtisuorassa ratatasoa vastaan, niin Aurinko olisi kullakin paikkakunnalla samaan kellonaikaan samassa paikassa. Vaan kun ei ole, niin Auringon paikka taivaalla tekee vuoden aikana kuvion, jota kutsutaan analemmaksi. Siitä tehdyt kollaasivalokuvat on otettu yhtä suurin välein yleensä kello 12.

Aurinko kuvattuna vuoden ajan samana viikonpäivänä samaan kellonaikaan samasta paikasta kameraa liikuttamatta. Muodostuva käyrä on nimeltään analemma. Analemman kallistumisesta vasemmalle voi päätellä, että kuvat Auringosta on otettu aamupäivällä.  Maisema on otettu yhdestä otoksesta erikseen kuvaan.  

Analemma, josta näkyy kelloajan ja aurinkoajan eroavuudet eri vuoden päivinä. Analemma on vaihtelee sekä vuoden että paikkakunnan mukaan, mutta tästä näkee sen periaatteellisen vaikutuksen auringonnousuihin ja -laskuihin. Analemman epäsymmetrisyys johtuu siitä, että pohjoisen talvella Maa on lähempänä Aurinkoa kuin kesällä ja muutokset Maan ratanopeudessa vaihtuvat tavalla, jonka astronomi Johannes Kepler selvitti 1600-luvulla kolmannessa nimeään kantavassa laissa.

Auringonnousun tapahtuma-ajankohdan muutoksiin ei ole juurikaan merkitystä sillä, ovatko kelloaika ja aurinkoaika yhtenevät, vaan sillä, miten nopeasti niiden ero muuttuu. Kun esimerkiksi oheisen kuvion mukaan marraskuun alussa aurinkoajan ja kelloajan ero on pitkään noin 16 minuuttia, niin joulukuun lopussa aurinkoajan ja kelloajan ero lyhenee noin ½ minuuttia vuorokaudessa. Näin päivän piteneminen aamusta ja Auringon "myöhästyminen" kompensoivat toisensa, aluksi jopa siten, että Aurinko myöhästyy enemmän kuin päivä muuten pitenisi aamusta. 

Jos auringonnousut ovat myöhässä vuoden vaihtuessa, niin auringonlaskut ovat sitten vielä enemmän. Päivät alkavat pidetä pikku hiljaa kiihtyen, alussa noin 10 sekuntia vuorokaudessa. Suurimmillaan päivän piteneminen on kevätpäivän tasauksen aikaan maaliskuun lopussa, Helsingissä 5½ minuuttia vuorokaudessa, mistä tahti sitten juhannukseen mennessä hipuu.

Auringon nousu- ja laskuaikoja Helsingin horisontin mukaan. Kun Aurinko nousee 22.12.2014 klo 9:24,niin saman se tekee 01.01.2015. Aurinko nousee noin kahden viikon ajan käytännössä samaan kellonaikaan. 

ps. Kyseltiin myös maapallon akselin kaltevuuden merkitystä. Vanhan sanonnan mukaan jos et osaa selittää asiaa ymmärrettävästi isoäidillesi, niin et ymmärrä sitä itsekään kunnolla. Valitettavasti molemmat isoäitini ovat jo kuolleet ja äitikin on ollut pitkään jo sen verran höppänä, että asian empiirinen tutkiminen jää nyt väistämättä väliin. Varsinkaan kun se ole ihan yksinkertaista. Netissä on kuitenkin hyvät sivut, joilla asia on kerrottu niin selkeästi kuin mahdollista. Ainakin minä kuvittelin ymmärtäneeni, vaikka avuruusgeometrian hahmotuskykyni tunnetusti onkin aika heikko. Esimerkiksi Rubikin kuution ratkaiseminen on minulle ilman step-by-step ohjetta täydellinen mahdottomuus.

http://www.analemma.com/pages/framespage.html

Radan elliptisyyden ja akselin kaltevuuden vaikutukset analemmaan ja niiden yhteisvaikutus. Nämä kaksi tekijää ovat täysin toisistaan riippumattomia, mutta niillä on yhteisvaikutus, joka havaitaan mm. siinä, että aamujen valkeneminen ei "tahdo oikein lähteä käyntiin" talvipäivänseisauksen jälkeen. 

Analemma on hieman epäsymmetrinen. Se johtuu siitä, että seisaukset ja periheliumissa ja apheliumissa olevat hetket eivät ole samaan aikaan. Viimeksi talvipäivän seisaus ja Maan osuminen periheliumiin osuivat samaan hetkeen vuonna 1246. Silloin analemma oli näin kauniin symmetrinen, kun kaksi sinikäyrää summataan. Soikeuden vaikutuksen periodi on vuosi, akselin kaltevuuden ½ vuotta. Pystyakselin luvut ovat vain suhteellisia lukuja, vaaka-akseliin piin kuudesosia, eli noin kuukausi.