Cât durează o zi pe Pământ ?

O introducere în lumea astronomiei exacte.

Ziua şi noaptea există pe Pământ încă de la începuturile acestuia şi a marcat decisiv dezvoltarea vieţii pe planeta noastră. Această alternanţă a perioadelor de lumină şi întuneric a condus la apariţia unei unităţi naturale de măsurare a timpului, ziua.

Cu toţii ştim că o zi durează 24 de ore, timp în care planeta noastră execută o rotaţie completă în jurul propriei axe. Oare, chiar aşa să fie ? Aş zice aproape da, deoarece definiţia de mai sus este incompletă. Ce lipseşte ? – Punctul de reper.

Atunci când vorbim despre mişcări trebuie să ne raportăm la un sistem de referinţă faţă de care vom putea măsura deplasarea sau schimbarea poziţiei în spaţiu a respectivului corp.

În cazul rotaţiei Pământului, acest punct de reper exterior poate fi Soarele sau o stea îndepărtată ori un punct imaginar ce poate fi calculat. Iată cum putem avea din start mai multe tipuri de … zile, după cum vom vedea.

Până atunci să ne familiarizăm cu câteva noţiuni introductive de astronomie – termeni ce vor fi folosiţi în mod curent, pentru a înţelege mai bine explicaţiile.

Culminaţia (superioară) a unui astru este atunci când acesta se găseşte în planul meridian al locului respectiv, adică într-un plan ce conţine punctele cardinale Nord şi Sud, dar şi punctul aflat fix deasupra capului (Zenitul).

Ecuatorul ceresc, este un cerc mare pe bolta cerească, al cărui plan intersectează perpendicular axa de rotaţie a Terrei. Ecuatorul ceresc se obţine extrapolând în spaţiu pe sfera cerească ecuatorul de pe Pământ.

Ecliptica este un cerc mare pe bolta cerească ce desemnează drumul aparent al Soarelui pe bolta cerească în decurs de un an. Planul ecliptic  este înclinat cu 23 de grade şi 26,35 minute de arc (23,4 grade) faţă de ecuatorul ceresc. Planul eclipticii poate fi privit şi ca planul orbital al Terrei în jurul Soarelui.

Intersecţia ecuatorului ceresc cu ecliptica generează două puncte, punctul vernal şi punctul autumnal, ce corespund echinocţiilor (de primăvară, respectiv toamnă). Aceste puncte glisează uşor în sens retrograd (în sensul acelor de ceasornic) pe ecliptică, fenomen ce poartă denumirea de precesia echinocţiilor, cu o rată de aproximativ 50 de secunde de arc pe an.

De aceea în atlase, se specifică epoca (anul) calculelor, după cum punctul vernal este originea multor sistemelor de coordonate. Cauza acestei retrogradări se regăseşte în conul de precesie generat de axa de rotaţie a Pământului în spaţiu datorită influenţei gravitaţionale a Lunii. Punctul vernal (şi implicit polul nord ceresc) descrie o revoluţie completă în aproximativ 25 800 ~ 26 000 de ani, perioadă denumită an platonic.

Revenind la tema articolui, trebuie să observăm cum Terra orbitează  în jurul Soarelui executând o mişcare de revoluţie într-un an, pe o orbită eliptică (atenţie, nu pe un cerc) cu axa de rotaţie înclinată, ce complică totul într-un mod nebănuit.

Tipuri de zile

1. Ziua solară adevărată (este dată de culminaţia Soarelui adevărat în meridian) Ziua solară adevărată poate avea variaţii în trecerea consecutivă a soarelui adevărat în meridian, între – 20și + 30 de secunde față de cele 24 de ore obișnuite. Soarele adevărat, este Soarele real ce se deplasează aparent pe ecliptică.

Durata unei zile solare adevărate se schimbă lent în timp, pe parcursul sutelor de ani, în funcție de variația orbitei terestre dar și de înclinarea axei de rotație.

2. Ziua solară mijlocie (este dată de culminația inferioară a unui Soare imaginar, denumit Soare mijlociu, fiind un fel de medie ponderată a zilelor solare adevărate).

Soarele mijlociu este un soare fictiv, ce se deplasează pe ecuatorul ceresc, cu o viteză constantă în așa fel încât coincide de două ori pe an (la echinocții) cu un alt Soare imaginar aflat însă pe ecliptică, ce la rândul său se deplasează cu o viteză constantă, trecând prin perigeu și apogeu, odată cu Soarele cel adevărat.

Ecuaţia timpului

Efectul indus de către zecile de secunde date de trecerea consecutivă a soarelui adevărat în meridian este cumulativ, astfel încât între ziua solară adevărată și ziua solară mijlocie, apar decalaje ce pot  ajunge la valori cuprinse între – 14 și +16 minute. Această diferenţă poartă denumirea de Ecuaţia Timpului. Ea ne arată corecţia ce trebuie efectuată asupra ceasurilor solare, dar şi componentele estice sau vestice ale analemei.

Analema reprezintă o figură geometrică asemănătoare cifrei 8, şi se obţine fotografiind Soarele la aceeaşi oră timp de un an. O ultimă remarcă, ecuaţia timpului ar fi zero doar de pe o planetă cu axa de rotaţie perpediculară pe planul său orbital (înclinare zero), având orbita un cerc (excentricitate zero).

3. Ziua siderală (este dată de către culminaţia unei stele sau a punctului vernal). Ziua siderală durează 23 h 56 min 4.1 s.

Deoarece Terra evoluează şi în jurul Soarelui, în timp ce se roteşte în jurul propriei axe, această mişcare de revoluţie contribuie la scurtarea zilei siderale, deoarce pământul “vine în întâmpinarea” stelelor aflate în faţa direcţiei de deplasare pe orbită, ce răsar cu aprox. 4 minute mai devreme, de la o zi la alta, mişcare corespunzătoare unei deplasări de 1 grad pe orbită.

Timpul sideral local este important în astronomie deoarece el ne arată ce aştrii culminează în meridian, după ordinea ascensiilor drepte corespunzătoare. Vezi și Ziua Justapunerii !

Pentru cei mai riguroşi, dacă vom lua în calcul şi efectul infinitezimal diurn al precesiei echinocţiilor, ziua astfel definită devine cu 8 milisecunde mai mare, şi poartă denumirea de ziuă stelară, un fel de zi siderală adevărată ; de obicei se ignoră acest decalaj.

3. Ziua calendaristică (civilă)

Întrebare: „Cât durează o zi calendaristică pe Pământ considerând un observator aflat în spaţiul cosmic în afara Pământului ?”

Ziua si anul durează, 24 de ore, respectiv ~ 365 de zile, pentru un anumit loc geografic..  însă, cum sunt mai multe locuri geografice răspândite pe longitudine de la 0 la 180 grade Est şi 180 grade Vest, rezultă că fiecare meridian ( sau fus orar ) trebuie să execute o rotație completă, inclusiv meridianul corespunzător ultimului fus orar – ce începe ziua respectivă !

Asta face ca o zi calendaristică să dureaze 50 de ore, iar acest lucru se întâmplă deoarece Pământul este împărțit în fuse orare ce sunt delimitate (resetate) de linia internațională de schimbare a datei, ce la rândul ei, se rotește odată cu Terra.

De exemplu, Duminică 2 februarie, începe (pe glob) Luni 1 feb ora 12 UT, si se termină pe 3 feb ora 12 UT ; Aceasta pentru că toate meridianele trebuie să parcurgă cele 24 de ore (să se rotească 360 degrade), inclusiv ultimul meridian. UT este timpul universal, ora meridianului zero (aflat la Greenwich în Anglia). Corecţia pentru România este de + 2h faţă de UT sau +3h (convenţia orei de vară).

Deoarece insulele Kiritimati (Republica kiribati) au corectia fusului de +14 ore (UT+14), rezultă cele 50 de ore (si nu 48 cum ar fi natural) în care, o anumită zi din calendar se poate observa undeva pe glob.

Totodată, cele +14 ore, fac ca, următoarea zi, să înceapă la ora 10 UT.

O ultimă remarcă, România a aderat la convenţia fuselor orare în anul 1894.

Tot din acest motiv, lucru și mai curios, între orele 10 si 12 UT, pe întreg globul, se pot observa 3 zile calendaristice distincte, de exemplu Joi la 10:20 UTC, este Miercuri ora 23:20 in America Samoa și Vineri ora 00:20 în Kiritimati. Chiar dacă aceste teritorii nu sunt foarte locuite, curiozitatea rămâne.

Ne-am putea întreba … dacă o zi calendaristica durează 50 de ore, câte “zile din acestea” are un an?  Tot 365 de zile calendaristice (pe tot Pământul), deoarece zilele sunt consecutive în calendar.

Decalajul fuselor orare induce şi o vizibilitate mărită a anului, ce se observă pe Pământ începând din ultima zi, 31 decembrie a anului anterior ora 10 UT ( ora 12 ora româniei ) și până în prima zi, 1 ianuarie a anului următor ora 12 UT ( ora 14 ora româniei ). În era internetului şi a televiziunii, vedem şi noi de ani buni, transmisia acestui tip de evenimente.

Variaţia seculară a zilelor

Considerăm durata unei zile de 24 de ore, sau mai precis 86 400,002 secunde. Cele două milisecunde au apărut datorită încetinirii naturale a vitezei de rotație a Pământului. Estimările arată cum în urmă cu 600 de milioane de ani, ziua dura 22 de ore.

Ziua solară mijlocie crește extrem de încet datorită influențelor mareelor produse de Lună. O parte din momentul cinetic al pământului se transferă Lunii ce se îndepărtează extrem de lent de Pământ, încetinându-i rotația cu 1,7 milisecunde pe secol. Mecanismul efectului poate fi înţeles dacă ne vom gândi la rotaţia unei balerine pe gheaţă ce încetineşte întinzându-şi măinile în exterior.

Alte variaţii tot de ordinul milisecundelor au loc din cauza faptului că planeta noastră nu este un corp sferic perfect, ci un geoid, conţinând o distribuţie ne-uniformă a maselor în interior, la care putem adăuga influenţa atmosferei şi a oceanelor de la suprafaţă. Toate aceste variabile extrem de subtile, sunt în atenţia unui serviciu special de măsurători denumit IERS – International Earth Rotation and Reference Systems Service.

Secunde de corecţie

( denumite în limba engleză Leap second) – Sunt introduse de către IERS, pentru a uniformiza timpul atomic internaţional TAI cu timpul universal coordonat UTC.

Scări de timp

 Timpul Universal

UT0 – timpul universal determinat prin observaţii astronomice considerând locul observatorului într-un sistem de referinţă terestru fără a lua în consideraţie polodia (mişcări infinitezimale ale axei pământului). Nu mai este folosit.

UT1– principala formă de timp universal, este acelaşi pentru toate locurile de pe pământ, într-un sistem internaţional de referinţă ceresc – International Celestial Reference Frame 2 (ICRF2) creeat în anul 2009 şi  bazat pe poziţia a 295 radiosurse îndepărtate (quasari) având o precizie în ordinul a 50 microsecunde de arc ( 0,00005 secunde de arc !). Precizia determinării UT1 din observaţii este de 4 milisecunde.

UT2 –  este o versiune netezită a UT1, care elimină variațiile sezoniere periodice. Este în mare parte de interes istoric și rareori folosit.

UT1R – este o versiune a standardului UT1 conţinând corecţii ce iau în considerație mareele lunare şi include 62 de termeni ce au perioade cuprinse între 5.6 zile şi 18.6 ani

GMT – Greenwich Mean Time (GMT) este timpul solar mijlociu de la Observatorul Astronomic Regal de la Greenwich. Acesta a devenit UTC, prin redenumire, singura diferenţă formală fiind că UTC nu reprezintă un fus orar, şi nu se supune convenţiei orei de vară.

UTC – Timpul Universal Coordonat – este o scară de timp atomic ce aproximează UT1, fiind ţinut artificial la o distanţă de maxim 0,9 secunde faţă de timpul atomic internaţional TAI, de către serviciul IERS, prin introducerea unei secunde de corecţie (Leap second) din când în când, în funcţie de iregularităţile ce apar în rotaţia pământului.

UTC = TAI + secunda de corecţie,  UT1 − UTC = X unde  −0.9 s < X < +0.9 s

Perioada de iluminare naturală

 ziua percepută în luxi.

Soarele nu este un punct (ci un disc cu diametrul aparent de 0,5 grade) iar Terra are … atmosferă. Aceste mici detalii fac ca perioada de iluminare diurnă să fie mai mare, deoarece vom adăuga zilei matematice și perioada de crepuscul civil ce durează aproximativ 30 ~ 40 de minute pentru latitudinile României. Este intervalul de timp în care datorită refracției cerul se luminează ușor, și corespunde unei altitudini a Soarelui deasupra orizontului cuprinsă între -0,5 grade și -6 grade.

Dacă ar fi să ținem cont de crepusculul civil, ziua și noaptea ar fi egale cam cu o lună înainte de echinocțiul de primăvară și cu o lună după echinocțiul de toamnă.

Imperfecţiunea se ascunde în detalii, iar în astronomie această evidenţă poate aduce dureri de cap, având totuşi un antidot, cunoaşterea prin teorie şi observaţie aplicată, folosind metoda științifică.