Zegar słoneczny
III Liceum Ogólnokształcącego im. Mikołaja Kopernika w Olsztynie
Porównanie odczytu zegara słonecznego i osobistego zegarka może wywołać niepokój z powodu różnic we wskazaniach czasu. Zegar słoneczny pokazuje lokalny czas słoneczny, a nasze zegarki wskazują czas urzędowy. Nim poznamy przyczyny tej rozbieżności – w celu określenia czasu urzędowego zastosujemy poniższy algorytm.
Algorytm zamiany wskazań zegara (prawdziwego czasu słonecznego) na czas środkowoeuropejski (CSE)
1. Odczytaj wskazania zegara słonecznego (czas prawdziwy słoneczny Tpr).
2. Odejmij poprawkę czasu wynikającą z różnicy długości geograficznej między południkiem Olsztyna a południkiem 15°, względem którego określa się CSE, czyli Δt=20 minut.
3. Odczytaj z poniższego wykresu równanie czasu (R) na dany dzień i odejmij od poprzednich wartości. Uwzględnij znak odczytanej wartości.
Równanie czasu, Źródło: https://uczniowie.moa.edu.pl/
Tym sposobem zamieniliśmy czas prawdziwy na czas środkowoeuropejski posługując się poniższym równaniem:
CSE=Tpr-Δt -R
Należy również pamiętać o czasie letnim stosowanym sezonowo w Polsce, który wymaga dodatkowo dodania jednej godziny.
Budowa i działanie zegara
Tarcza zegara umieszczona jest w płaszczyźnie horyzontalnej, stąd jest to horyzontalny typ zegara słonecznego. Wskazówka zwana gnomonem jest ustawiona równolegle do osi obrotu Ziemi, czyli tworzy z tarczą kąt równy szerokości geograficznej Olsztyna (∅=53°47’).
Gnomon skierowany w północny biegun niebieski, położony w pobliżu Gwiazdy Polarnej, w czasie dziennej wędrówki Słońca nad horyzontem rzuca cień, który padając na układ zbiegających się u jego podstawy linii godzinowych wyznacza prawdziwy czas słoneczny. W momencie górowania Słońca, czyli w słoneczne południe, cień jest najkrótszy i wyznacza jednocześnie południk miejscowy.
Dodatkowo na tarczy w poprzek prostych linii godzinowych biegną krzywe linie dzienne po których w ciągu dnia wędruje koniec cienia wskazówki zegara. Ich przebieg pokazuje, jak zmienia się położenie Słońca na niebie w czasie jego rocznej wędrówki na tle znaków zodiaku. Tylko w dniach równonocy wiosennej i równonocy jesiennej końcówka cienia porusza się w ciągu dnia po linii prostej dokładnie z zachodu na wschód.
Poprawki wskazań zegara
Przy pomiarze czasu za pomocą zegara słonecznego nie można pominąć zagadnienia różnych rodzajów czasu. Ziemia obraca się w ciągu 24 godzin stąd różnica czasu lokalnego między miejscowościami położonymi na dwóch południkach różniących się o 15° wynosi 1 godzinę. Zatem każda miejscowość na Ziemi ma inny czas lokalny, stąd wskazania zegarów słonecznych są różne.
Z powodów praktycznych posługujemy się umownym czasem strefowym, który obowiązuje na terenie całych państw. W Polsce obowiązuje czas środkowoeuropejski, który odpowiada lokalnemu czasowi na długości geograficznej 15°E (południk ten przechodzi blisko naszej zachodniej granicy, m.in. przez Zgorzelec).
Pierwsza poprawka mająca stałą wartość odpowiada różnicy czasów lokalnych danego miejsca oraz południka, wyznaczającego strefę czasową. W Olsztynie, który leży na południku 20°E, prawdziwe południe przypada 20 minut wcześniej niż w Zgorzelcu, stąd o tyle prawdziwy czas wskazywany przez zegar słoneczny „spieszy” w stosunku do umownego czasu strefowego na naszych zegarkach naręcznych lub w smartfonach.
Druga poprawka, która nie ma stałej wartości, określona jest przez tzw. równanie czasu, wynikające z różnicy między czasem średnim słonecznym Tśr (ściśle jednostajnym) a czasem prawdziwym słonecznym Tpr (nieco nieregularnym):
R=Tpr-Tśr
Czas średni słoneczny jest odmierzany względem słońca średniego, które jest fikcyjnym punktem poruszającym się ze stałą prędkością po równiku niebieskim będącym linią przecięcia płaszczyzny równika ziemskiego ze sferą niebieską. Czas prawdziwy słoneczny odnosi się zaś do rzeczywistego środka tarczy słonecznej.
Różnica czasów wynika zatem z dwóch powodów. Po pierwsze orbitalny ruch roczny Ziemi po eliptycznej orbicie nie jest jednostajny. Jest on najszybszy, gdy Ziemia znajduje się najbliżej Słońca (peryhelium), a najwolniejszy, gdy jest najdalej (aphelium).
Po drugie orbita ziemska jest nachylona do płaszczyzny równika i tworzy z nim kąt około 23°26’. Wskutek czego ekliptyka, czyli roczna droga Słońca na tle znaków zodiaku, jest nachylona o ten sam kąt do równika niebieskiego. W efekcie jednakowym przesunięciom Słońca na ekliptyce nie odpowiadają identyczne skoki względem równika niebieskiego.
Zegary słoneczne, które odmierzają lokalny czas prawdziwy nie wskazują czasu jednostajnie upływającego. Wartość równania czasu zmienia się w ciągu roku wahając się od około +15 do około -15 minut (patrz wykres równania czasu). Stąd odjęcie równania czasu od niejednostajnie upływającego czasu prawdziwego słonecznego pozwala otrzymać czas średni słoneczny.
