Talvipäivänseisaus

Joulukuun 21. päivänä on talvipäivänseisaus. Se tarkoittaa sitä, että Aurinko näennäisellä radallaan tähtitaivaalla saavuttaa eteläisimmän pisteen. Tänä vuonna tämän pisteen saavuttaminen tapahtuu kello 23.40 Suomen aikaa. Tästä eteläisestä sijainnista johtuu, että päivänä pituus, siis aika auringonnoususta auringonlaskuun on koko vuoden lyhin, Tampereella vain 5 tuntia 21 minuuttia. Auringonnousu tapahtuu kello 9.41 ja -lasku kello 15.03.

Lyhyt päivä saattaa johtaa ajatuksen siihen, että talvipäivänseisauksena auringonnousu on myöhäisin ja -lasku varhaisin ajankohta. Näin ei kuitenkaan ole, sillä myöhäisin auringonnousu tapahtuu vasta Tapaninpäivänä, siis joulukuun 26. päivänä, jolloin auringonnousu on kello 9.43. Vastaavasti varhaisin auringonlasku tapahtui joulukuun 17. päivänä kello 15.02. Syy tähän ilmiöön on se, että keskiaurinkoaika (siis kellon aika) poikkeaa paikallisesta aurinkoajasta, jota aurinkokello osoittaa. Ero ei suinkaan ole vakio, vaan se vaihtelee päivästä toiseen vuosirytmin mukaisesti. Paikallisen aurinkoajan vaihtelu on tietysti seurausta maapallon radan soikeudesta Auringon ympäri, talvella mennään nopeammin ja kesällä hitaammin. Aurinkokellon osoittama aika on tietysti seurausta tästä nopeuden vaihtelusta.

Ajantasaus vuoden kierrossa, jolla korjataan aurinkokellon osoittama aika kellonajaksi. Kuva © Kari A. Kuure.

Näyttääkö aurinkokello sitten koskaan samaa aikaa kuin kellomme (keskiaurinkoaika)? Kyllä vain, itse asiassa näin tapahtuu neljä kertaa vuodessa. Lähin tällainen hetki on joulukuun 25. päivänä, jolloin keksiaurinkoaika on sama kuin paikallinen aurinkoaika. Joulupäivänä kello 12.24 (Tampereella) Aurinko ylittää meridiaanin ja oikein suunnattu aurinkokellon pitäisi osoittaa samaa aikaa.

Tämä jälkeen seuraavan kerran molemmat kellot osoittavat samaa aikaa 16.4.2023. Koska silloin eletään kesäaikaa, Aurinko ylittää etelämeridiaanin kello 13.24. Seuraavan samanlaiseen ajanhetkeen ei enää olekaan pitkä aika, sillä kesäkuun 13. päinä ollaan samassa tilanteessa ja Aurinko on etelässä 13.24. Vuoden kierrossa ollaan vielä kerran sama-aikaisia, sillä syyskuun 1. päivänä kellot näyttävät samaa aikaa ja Aurinko on etelässä kello 13.24.

Jos ja kun kellot ovat vain jonain tiettyinä päivinä samassa ajassa, niin silloin on loogista, että ajat eroavat toisistaan vuoden muina päivinä. Aikaerossa on myös neljä käännepistettä, jonka jälkeen aikaero alkaa vähetä. Näitä käännepisteitä ovat: helmikuun 11. päivä, jolloin kelloaika on edellä 14m 13s, toukokuun 14. päivä, jolloin aurinkokello on edellä 3m 38s, heinäkuun 26. päivänä kellonaika on edellä 6m 33s ja marraskuun 3. päivänä, jolloin aurinkokello on 16m 29s edellä kellon aikaa.

Yllä kerrottu pitää paikkansa vain Tampereella ja lähiympäristössä. Muilla paikkakunnilla on tietysti oma aurinkoaikansa ja Auringon etelämeridiaanin ylitys tapahtuu itä-länsisuunnassa eri aikoina: lännessä myöhemmin ja idässä aikaisemmin. Sen sijaan ajantasaus (siis ilmoitetut aikaerot) eivät riipu havaintopaikkakunnista.

Analemma

Analemma Tampereen horisontin mukaan.
Tämä analemma on tehty tähtikarttaohjelmalla,
mutta sen voisi yhtä hyvin tehdä valokuvaamalla.
Kuva Kari A. Kuure.

Talvipäivänseisauksena (22.12.2014) on syytä miettiä hieman Auringon näennäistä liikettä taivaalla. Tähän aikaan vuodesta Aurinko näyttäytyy keskipäivälläkin hyvin lähellä horisonttia ja napapiirin pohjoispuolella se ei edes nouse horisontin yläpuolelle. 

Tästä eteenpäin Aurinko näyttäytyy keskipäivällä aina vain korkeammalla ja korkeammalla kunnes kesäpäivän seisauksen aikaan se saavuttaa näennäisen ratansa pohjoisimman pisteen ja on kaikkein korkeimmillaan etelähorisontista.

Jos tarkkailet Auringon asemaa horisontin suhteen talvipäivänseisauksesta eteenpäin, niin voit huomata, että jostakin syystä Aurinko ylittää etelämeridiaanin muutaman sekunnin myöhemmin perättäisinä päivinä käyttämäämme (keskiaurinko)aikaan (UTC+aikavyöhyke) nähden^[1]. Näin jatkuu aina helmikuun puoliväliin asti, jolloin ero on lähes 15 minuuttia talvipäivänseisauksen aikaan tapahtuneeseen meridiaanin ylityksen kellon aikaan nähden. Helmikuun puolivälin jälkeen aikaero vähenee ja viimein huhtikuun puolivälissä aikaeroa ei enää ole.

Huhtikuun puolivälin jälkeen Aurinko ylittää meridiaanin etuajassa parin kuukauden aikana. Aikaero on noin 4 minuuttia toukokuun puolivälissä, jonka jälkeen se jälleen pienenee. Kesäkuun puolivälissä se on jälleen nolla, mutta tästä eteenpäin Aurinko näyttäisi jälleen jätättävän: heinäkuun lopulla aikaero on noin 6 minuuttia. Elokuussa aikaero vähenee ja syyskuun alkupuolella se on jälleen nolla. Tästä eteenpäin aina seuraavaan talipäivänseisaukseen asti Aurinko ”edistää” ja aika ero on suurin marraskuun alkupuolella ollen lähes 17 minuuttia.

Jos merkitsit tekemäsi havainnot vaikkapa ruutupaperille tai valokuvasit Auringon aseman aina samaan kellon aikaan, voit muodostaa havainnoistasi mielenkiintoisen, hieman 8-numeroa muistuttavan kuvion. Tätä kuviota kutsutaan analemmaksi.

Analemma muodostuu kahden maapallon liiketekijän seurauksena. Ensimmäinen niistä on Auringon näennäiseen pohjois-eteläsuuntaiseen liikkeeseen vaikuttava maapalon pyörimisakselin suunta, joka pysyttelee tähtien suhteen muuttumattomana ja on noin 23,5° ratatason kohtisuoraan nähden kallellaan. Talvella pyörimisakseli on kallistunut mainitun 23,5° verran poispäin Auringosta ja kesällä se on saman verran kohti Aurinkoa. Tämä tekijä selittää Auringon korkeuden vaihtelun etelämeridiaania ylitettäessä.

Toinen tekijä ei olekaan aivan yhtä selkeä ja helposti ”keksittävissä” vaikka tämäkin on tunnettu jo ainakin 400 vuotta. Kyseessä on maapallon radan elliptisyys ja siihen liittyväratanopeuden muutos. Talvella perihelin aikaan (4.1.) Maapallo on radallaan kaikkein lähimpänä Aurinkoa ja samaan aikaan etenemisvauhti on suurin. Suuremmasta vauhdista johtuen maapallo etenee keskimääräistä pidemmän matkan avaruudessa. Maapallon pyörimisvauhti (kulmanopeus) ei kuitenkaan muutu, joten lopputuloksena on, että meridiaanin ylitys tapahtuu muutaman sekunnin myöhemmin kuin edellisenä päivänä; Aurinko näyttää ”jätättävän”.

Vastaavasti maapallon ollessa aphelin (6.7.) puoleisessa osassa rataa planeettamme eteneminen Auringon kiertoradalla tapahtuu keskimääräistä hitaammin ja Aurinko näyttää hieman ”edistävän”. Molempien tekijöiden yhdistyessä syntyy analemma.

Tätä kaaviota voi käyttää aurinkokellon ajantasaukseen, tekstissä 

on kerrottu kuinka se tapahtuu. Joissakin toisissa lähteissä

käyrä voi olla peilikuva ja silloin lähtökohtana on kellon

näyttämä aika ja laskutoimituksen tuloksena saadaan

aurinkoaika. Piirros Kari A. Kuure.

Vuotuinen ratanopeuden vaihtelu näkyy myös tavallisessa aurinkokellossa, jos joku sitä nykyisin vielä käyttäisi vuorokauden ajan määrittämiseen. Jotta kellosta saisi oikean ajan, Auringon näennäinen ”edistäminen” ja ”jätättäminen” pitää ottaa huomioon. Silloin puhutaan ajantasauksesta vaikka kyseessä on siis maapallonratanopeuden vaihtelu elliptisellä radallaan. 

Jos käytettävissäsi on päivittäinen taulukko ajantasaukselle, korjaus todellisen aurinkoajan muuttamiseksi keskiaurinkoajaksi on helppo tehdä. Ellei taulukkoa ole, niin silloin likimääräiseen korjauksen saa oheisesta kaaviosta: viivan (0 minuuttia) yläpuolinen arvo lisätään aurinkoaikaa näyttävän aurinkokellon ilmoittamaan aikaan. Vastaavasti alapuolinen arvo täytyy vähentää, jotta saataisiin keskiaurinkoaikaan perustuva käytetty kellon aika.

Huomautukset

[1] Keskiaurinkoaika on laskennallinen suure, joka perustuu pariin olettamukseen maapallon rataliikkeestä. Ensinnäkin vuosi on yhtä pitkä kuin todellinen vuosi, mutta maapallo rata olisi täysin ympyrä. Toinen olettamus on, että maapallon pyörimisakseli olisi täysin kohtisuorassa ratatasoon nähden. Tällöin Auringon näennäinen rata tähtitaivaalla olisi täysin ekvaattoritasossa.

Nykyisin ajanmittaus ja määritelmät perustuvat atomikellojen käyttöön, johtuen siitä, että maapallon pyöriminen tai edes liike radallaan Auringon ympäri ei ole riittävän tarkkaa, vaan niissä kummassakin tapahtuu tarkkuutta heikentäviä muutoksia ja heilahteluja; esimerkiksi maapallon pyöriminen itsensä ympäri hidastuu 1,7 ms vuorokaudessa jokaista sataa vuotta kohti.

Nykyisin käytössä oleva UTC eli koordinoitu yleisaika on atomikelloilla ylläpidetty järjestelmä, jonka lukemaa korjataan mm maapallon pyörimisen hidastumisen vuoksi. Näin keskiaurinkoaika ja UTC-aika pysyttelevät tietyllä tarkkuudella samoissa lukemissa.