Ако последователно всеки ден в един и същи час, в продължение на цяла година, правите снимка от една и съща позиция небето със Слънцето, ще откриете две важни неща:

1. Слънцето ще се върне в изходната си точка накрая, тъй както Земята се връща в същата отпреди година точка на орбитата си.
2. Формата, която описва Слънцето на небосвода, ще изглежда като осморка като единият цикъл е по-голям от другия - фигура, известна като аналема.

Първата точка се обяснява лесно с това, че Земята завършва за една годиНа обиколката си около Слънцето.

Но движението на Слънцето в такава особена форма на аналема се дължи на комбинация от няколко причини, които обяснява астрофизикът Итън Сийгъл (Ethan Siegel) във Forbes.

_{Земята е на орбита около Слънцето, като нейната ос на въртене е наклонена. Всички планети в нашата слънчева система имат сезони, определени от или техния наклон на оста на въртене, елиптичността на орбитите им, или комбинация от двете. Wikimedia commons user Tauʻolunga}

Първият основен принос на видимото движение на Слънцето е фактът, че Земята обикаля около Слънцето, а оста й на въртене е наклонена. Наклонът на оста на Земята от около 23,5° гарантира, че наблюдателите от различни места ще виждат Слънцето да достига по-високи или по-ниски позиции над хоризонта през цялата година. Когато вашето полукълбо е наклонено към Слънцето, максималната позиция на Слънцето ще се издигне по-близо до зенита, а когато вашето полукълбо е на противоположна позиция, максималната позиция на Слънцето ще бъде по-далеч от зенита.

Когато нашето полукълбо е наклонено към Слънцето, пътят на нашата звезда през небето изглежда по-дълъг, издига се по-високо и ни дава повече часове дневна светлина от средното. Наклонът на оста е причината за сезоните на Земята и обяснява защо има такава разлика в дължината и характера на един ден на лятното слънцестоене спрямо зимното слънцестоене.

^{Видимият път на Слънцето през небето по време на слънцестоенето е значително по-различен в близост до екватора, на 20 градуса ширина (вляво), в сравнение с далечния от екватора, на 70 градуса ширина (вдясно). От последното място Слънцето никога не се вижда по време на зимното слънцестоене, тъй като наклонът на оста е по-голям от разликата в географската ширината, мерена от полюса. Wikimedia Commons Tauʻolunga}

Като цяло, навсякъде по Земята, Слънцето изглежда, че се издига в източната част на небето, издига високо над главите ни в екваториална посока, а след това слиза и залязва на Запад. Ако живеете:

 - южно от 23,5° южна ширина, слънчевото слънцестоене през юни маркира най-късата и най-ниската траектория на Слънцето през небето, а декемврийското слънцестоене е най-дългата и най-високата траектория.

 - северно от 23,5° северна географска ширина, декемврийското слънцестоене бележи най-късата и най-ниската траектория на Слънцето през небето, а юнското слънцестоенето маркира най-дългата и най-висока траектория.

 - между двата тропика (между 23,5° S и 23,5° N), Слънцето ще премине директно над главите ни два дена, равноотдалечени от едно слънцестоене.

От всяко място ще видите това, ако проследите позицията на Слънцето през цялата година - например чрез стенопеичен фотоапарат.

^{Наблюдаваната траектория, по която Слънцето преминава през небето, може да бъде проследена, от слънцестоене до слънцестоене, като се използва стенопеичен фотоапарат. Най-ниската следа е зимното слънцестоене, а най-високата пътека отговаря на лятното слънцестоене. Regina Valkenborgh / www.reginavalkenborgh.com}

Но Слънцето не изглежда, че се издига и спуска в небето в симетрична форма. Времената на залеза и изгрева се различават през цялата година. Слънцето достига най-високата си точка по най-различно време с промяната на сезоните и не задължително по обяд всеки ден.

Причината за това до голяма степен се дължи на втория основен принос към видимото движение на Слънцето през цялата година - фактът, че орбитата на Земята около Слънцето е елиптична, а не кръгова.

Елиптичната орбита не означава просто, че Земята е по-близо или по-далеч от Слънцето в определени точки на орбитата си. Тя също така  - по втория закон на Кеплер  - означава, че когато Земята е близо до Слънцето (в перихелий), тя има по-висока орбитална скорост, а когато Земята е далеч от Слънцето (в афелий), се движи по-бавно по орбитата си.

_{Илюстрация на Втория закон на Кеплер. Arpad Horvath; Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported}

 ^{Земята прави най-близкия си подход към Слънцето на всеки 3-ти януари, докато е най-далеч в началото на юли. НАСА / JPL}

Само по себе си това няма да промени много, но сега трябва да добавим друг фактор - Земята не се върти около оста си точно за 24 часа. Вместо това Земята прави пълно завъртане на 360° само за 23 часа и 56 минути, а за едно денонощие  24 часа, защото са нужни още 4 минути, за да се "навакса"  разстоянието, което Земята е изминала по своята орбита около Слънцето.

Средното денонощие е точно 24 часа и тогава Земята се движи със средната си скорост около Слънцето. Но когато Земята се движи по-бавно (близо до афелия), 24 часа е твърде много, за да може Слънцето да се върне в същото положение, така че Слънцето изглежда се измества по-бавно от средното. По същия начин, когато Земята се движи по-бързо (близо до перихелия), 24 часа не е достатъчно дълго, за да може Слънцето да се върне там, където е започнало, и така се измества по-бързо от средното.

^{Ефектът на елиптичната природа на нашата орбита (ляво) и наклонът на оста (средата) върху позицията на Слънцето в небето се комбинират, за да се създаде аналемната форма (вдясно), която наблюдаваме от планетата Земя. Autodesk}

Ако трябваше да се справим само с наклона на оста и орбитата ни беше перфектен кръг, траекторията, по която Слънцето преминава в небето, ще бъде наистина перфектна осмица, симетрична както за хоризонталната, така и за вертикалната оси.

Ако живеехме на планета, която имаше елиптична орбита, пътят на Слънцето на небето щеше да бъде просто елипса, за чиято ексцентричност щеше да допринесе единствено движението около Слънцето. Това се случва приблизително на Юпитер и Венера, чиито наклони на осите са незначителни.

Но тук, на Земята, имаме и елиптична орбита и значителен наклон на оста, така че и двата ефекта имат видимо отражение. По-конкретно, когато ги комбинираме, веднага можем да видим защо нашата аналема изглежда като "8", която е сплескана.

^{Тъй като Земята се върти около оста си и обикаля около Слънцето в елипса, очевидното положение на Слънцето изглежда се променя от ден на ден в тази форма, наречена аналема на Земята. GIUSEPPE DONATIELLO / FLICKR}

Тук, на Земята перихелият настъпва на 3 януари - само 2 седмици след декемврийското слънцестоене. Тъй като нашата планета се движи с най-голяма скорост близо до декемврийското слънцестоене, това прави „долната” страна на аналемата (гледана от северното полукълбо) много по-голяма от „горната” страна, която съвпада с афелия в началото на юли и юнското слънцестоене.

Като цяло може да комбинираме тези ефекти, за да съставим уравнението, което ще покаже къде ще бъде разположено Слънцето във всеки един момент, гледано от всяко място на Земята. Това е уравнението на времето.

^{Уравнението на времето се определя както от формата на орбитата на планетата, така и от нейния аксиален наклон. През месеците, които са най-близки до юнското слънцестоене (когато Земята се приближава до афелия, най-отдалечената от Слънцето позиция), тя се движи най-бавно и затова този участък от аналемата изглежда по-малък, а по времето около декемврийското слънцестоене, когато Земята е близо до перихелия, участъкът от аналемата е удължен. WIKIMEDIA COMMONS USER ROB COOK}

Най-общо казано само наклонът на оста и елиптичността определят формата на пътя на Слънцето, гледано по едно и също време, всеки ден от Земята. Аналемата на Земята е фиксирана в тази конкретна форма.

Но има още два фактора, които играят роля при определянето на точната ориентация на аналемата. Единият е нашето местоположение на Земята - наблюдателите от Северното полукълбо ще видят, че по-малката примка на аналемата е високо в небето, а по-голямата е по-ниско, докато наблюдателите от Южното полукълбо ще видят обратното.

^{Ако снимате Слънцето всеки ден по обяд, аналемата ви ще изглежда идеално вертикално (вляво). Преди обяд (горе вдясно) изглежда, че аналемата е завъртяна обратно часовниковата стрелка, а след обяд изглежда, че е завъртяна по часовниковата стрелка спрямо хоризонта. Тези образи са още едно доказателство за всички, които се съмняват, че Земята е кръгла. The Sydney Morning Herald}

Другият фактор е по кое време на деня правите снимките. Ако снимате:

1. по обяд, когато Слънцето е най-високо, аналемата ще изглежда напълно вертикална.
2. преди обяд, преди Слънцето да достигне най-високата си точка, аналемата ще изглежда завъртяна обратно на часовниковата стрелка спрямо позицията на обяд.
3. след обяд, след като Слънцето е достигнало своя връх, аналемата ще бъде завъртяна по посока на часовниковата стрелка спрямо позицията  на обяд.

За това изображение, съставено от 52 комбинирани снимки на Цезар Канту (César Cantú), направени в продължение на една година, може да се каже, че фотографът е снимал Слънцето в късния следобед от Мексико (Северното полукълбо).

^{В течение на 365-дневната година Слънцето сякаш се движи не само нагоре и надолу в небето, както е определено от нашия наклон на оста, но напред и назад, както е определено от нашата елиптична орбита около Слънцето. Когато двата ефекта се комбинират, се получава фигурата на осмица, известна като аналема. Снимките на Слънцето, показани тук, са избрани 52 снимки от наблюденията на César Cantú в Мексико в течение на една календарна година. César Cantú / AstroColors}

Лесно е да се види, че най-горната точка съответства на лятното слънцестоене, докато най-ниската точка съответства на зимното слънцестоене, но няма специална астрономическа значимост за "пресечната точка" в аналемата, както се вижда от Земята. Случващи се приблизително на 14 април и 30 август, тези дати се определят само от начина, по който нашите сезони, определени от аксиалния наклон, се подравняват с орбитата на нашата планета около Слънцето.

Ако нашият перихелий и афелий съвпадаха с равноденствията, а не със слънцестоенията, щяхме да имаме аналема с форма на сълза, а не осмица, както изглежда Слънцето от Марс!

_{Аналема на Марс. APoD - NASA}

Аналемата е красива, естествена форма, очертана от пътя на Слънцето, а получената цифра 8 е продиктувана от нашата орбита и наклонът на оста.

Насладете се на движението на Слънцето през нашето небе, тъй като уникалният му космически пируета се дължи на уникалното движение на нашата планета през пространството.

___

Авторът Итън Сийгъл (Ethan Siegel) е доктор по астрофизика, писател и научен комуникатор, който преподава физика и астрономия в различни колежи. Спечелил е много награди за писане в областта на науката от 2008 г. насам, а неговият блог, Starts With A Bang е получил наградата за най-добър научен блог от Института по физика.

Още по темата

21/08/2017

Земята

Последното пълно слънчево затъмнение ще се случи след 600 млн години (видео)

24/12/2017

Земята

Тази вечер в 24:00 часа уравнението на времето се нулира

04/08/2016

Космос

Как свършва живота на звездите? Всяка ли експлодира накрая? (видео)