Oświetlenie Ziemi w ciągu roku

Gdyby oś ziemska była skierowana prostopadle do płaszczyzny ekliptyki, wówczas wysokość Słońca nad horyzontem w południe byłaby na całej kuli ziemskiej, przez cały rok taka sama. Oś ziemska jest jednak pochylona pod kątem 66°33’ do płaszczyzny orbity i skierowana w stronę Gwiazdy Polarnej. W rezultacie ruch Ziemi po orbicie powoduje nieustanne zmiany wysokości Słońca nad horyzontem. Następstwem pochylenia osi ziemskiej do płaszczyzny ekliptyki są także zmiany miejsc wschodu i zachodu Słońca.

Na przykład w Krakowie w czerwcu Słońce wschodzi na północnym wschodzie, a zachodzi na północnym zachodzie. W grudniu natomiast wschodzi ono na południowym wschodzie a zachodzi na południowym zachodzie. Tylko w dniach 21 marca i 23 września Słońce zarówno w Krakowie jak i na całej Ziemi (z wyjątkiem biegunów) wschodzi dokładnie na wschodzie i zachodzi dokładnie na zachodzie. Ze zjawiskiem wchodu mamy do czynienia wtedy, kiedy Słońce, lub inne ciało niebieskie wynurza się  spod horyzontu. Po wschodzie Słońce zwiększa swoją obserwowaną wysokość nad horyzontem aż do pewnej maksymalnej wartości, którą osiąga w momencie górowania.

Po górowaniu wysokość ciała niebieskiego maleje i w chwili, gdy osiąga ona wartość zerową dochodzi do zjawiska zachodu. Po zachodzie ciało niebieskie nadal zmniejsza swoją wysokość aż do pewnej wartości minimalnej, którą osiąga w momencie dołowania. Po dołowaniu wysokość ciała niebieskiego w dalszym ciągu zaczyna wzrastać i gdy wzrośnie do wartości zerowej mamy do czynienia z kolejnym wschodem. Dla obserwatora na biegunie zjawisko wschodów i zachodów w tym sensie nie występuje. Obserwator znajdujący się na równiku widzi że praktycznie wszystkie ciała niebieskie wschodzą i zachodzą.

Dla pośrednich szerokości geograficznych ciała niebieskie można podzielić na takie, które nigdy nie wschodzą, nigdy nie zachodzą, oraz takie, które wchodzą i zachodzą. Zmierzch rozpoczyna się w momencie zachodu Słońca i trwa do czasu, gdy wysokość Słońca przyjmie określoną, umowną wartość. Jest ot więc okres po zachodzie Słońca, w którym Ziemia oświetlona jest światłem słonecznym rozproszonym w atmosferze. O zmierzchu astronomicznym można mówić gdy Słońce znajduje się 18° poniżej horyzontu. Świt astronomiczny rozpoczyna się także gdy wysokość Słońca wynosi 18° pod horyzontem i kończy o wschodzie Słońca.

W ciągu roku zmieniają się nie tylko miejsca wschodu i zachodu Słońca. Zmienia się także droga jego widomej wędrówki nad horyzontem. W czasie wiosny i lata droga ta jest znacznie dłuższa, niż podczas jesieni i zimy. Dwa razy w ciągu roku 21 marca i 23 września  mamy do czynienia z równonocą. Jest to czas obejmujący jedną dobę ziemską, w którym centrum tarczy słonecznej obecne jest tyle samo czasu pod i nad horyzontem Noc i dzień trwają wtedy na całej kuli ziemskiej tak samo dług o czyli po 12 godzin. Promienie słoneczne padają na równik pod kątem 90º. Na równiku znajduje się więc punkt podsłoneczny.

Gwiazda Polarna

Punkt podsłoneczny jest to punkt na powierzchni Ziemi, nad którym w danym momencie słońce góruje w zenicie. Obserwując przestrzeń kosmiczną z obracającej się wokół osi Ziemi ulegamy złudzeniu, że wszystkie ciała niebieskie znajdują się w jednako­wej od nas odległości, tzw. sferę niebieską, oraz że wykonują obrót ze wschodu na zachód wokół wspólnej osi. Oś ta, nazywana jest osią niebieską ijest przedłużeniem osi ziemskiej na sferze niebieskiej. Punkty przecięcia osi niebieskiej ze sferą to bieguny niebieskie; są one jedynymi nieruchomymi punktami na sferze, tak jak bieguny ziemskie są jedynymi nieruchomymi punktami na Ziemi. Z kolei płaszczyzna południka ziemskiego wyznacza na sferze niebieskiej południk niebieski. Górowanie ciała niebieskiego jest to osiągnięcie przez nie największej możliwej wysokości nad horyzontem w swoim widomym ruchu w ciągu doby. Wysokość górowania Słońca jest równa kątowi prostemu pomniejszonemu o kąt różnicy szerokości geograficznej danego punktu i równoleżnika, na którym Słońce góruje zenicie.

W chwili górowania Słońca obserwujemy południe słoneczne. Wysokość danego ciała niebieskiego podczas górowania zależy bezpośrednio od szerokości geograficznej, oraz od deklinacji (współrzędnej położenia ciał w układach niebieskich). Na każdym równoleżniku obserwujemy inną wysokość Słońca. Na półkuli północnej dzień 21 marca jest początkiem kalendarzowej wiosny, na półkuli południowej w tym dniu rozpoczyna się kalendarzowa jesień. 23 września na odwrót, na półkuli północnej rozpoczyna się kalendarzowa jesień, natomiast na półkuli południowej obserwujemy początek kalendarzowej wiosny. W przeciągu trzech kolejnych miesięcy począwszy od równonocy punkt podsłoneczny przesuwa się na północ. W dni równonocy (21 marzec i 23 wrzesień) Słońce znajduje się w płaszczyźnie równika.

Oświetlenie Ziemi

Wysokości górowania Słońca          

Wobec znikomych rozmiarów Ziemi w Kosmosie i wobec ogromnych odległości gwiazd przyjmuje się, że promienie świetlne biegną w przestrzeni kosmicznej równolegle i równolegle padają na Ziemię. Można też przesunąć płaszczyznę horyzontu tak, aby przechodziła przez środek Ziemi i w nim umieścić obserwatora. A zatem obserwacje ciał na sferze niebieskiej, ich położenia względem równika i bieguna oraz płaszczyzny horyzontu, pozwalają nam na określenie szerokości geograficznej miejsca obserwacji. Jeżeli zmierzymy w tym dniu wysokość górowania Słońca na południowej stronie nieba, to należy wartość tę odjąć od 90° i powiększyć o kąt szerokości geograficznej zwrotnika Raka, tj. 23°27'.

Otrzymamy wtedy szerokość geograficzną miejsca obserwacji. Z kolei w dniu 22 XII, gdy Słońce znajduje się w płaszczyźnie zwrotnika Koziorożca (23°27'S) i tam wysokość jego górowania wynosi 90°, to na półkuli północnej od różnicy 90° - h należy odjąć wartość 23°27'. Stwierdzona zależność szerokości geograficznej i wysokości górowania Słońca pozwala również określić wysokość górowania Słońca w dowolnej szerokości geograficznej oraz zmiany tej wysokości w ciągu roku.

Jeżeli znamy wysokość Słońca mad horyzontem (h) to h= 90°-φ, gdzie φ oznacza szerokość geograficzną, która po przekształceniu wynosi φ = 90°-h, ponieważ w dniach 21 marca i 23 września wysokość Słońca w czasie górowania na równiku wynosi 90°. Dnia 22 czerwca szerokość geograficzną w której Słońce góruje ze znaną wysokością oblicza się ze wzoru: φ= 90°-h+ 23°27’, natomiast dnia 22 grudnia na półkuli północnej stosuje się wzór: φ= 90°-h- 23°27’. Wartość 23°27’ jest to szerokość geograficzna równoleżników, nad którymi w dniach 22 czerwca i 22 grudnia Słońce góruje w zenicie, czyli zwrotnika Raka i zwrotnika Koziorożca. Dla wyznaczenia szerokości geograficznej na półkuli południowej w tych dniach stosuje się następujące wzory: dla 22 czerwca: φ= 90°-h- 23°27, natomiast dla 22 grudnia: φ= 90°-h+ 23°27’.

Oświetlenie Ziemi w ciągu roku

21 marca

W tym dniu wysokość Słońca w czasie górowania na równiku wynosi 90°. Kula Ziemska oświetlona jest równomiernie, lecz wysokość Słońca nad horyzontem zależy od szerokości geograficznej: maleje ona wraz odległością od równika. Na biegunach wysokość Słońca nad horyzontem wynosi tego dnia 0°. Równomierne oświetlenie kuli ziemskiej powoduje, że dzień jest równy nocy, i trwa 12 godzin.  Dzień ten nazwano dniem równonocy wiosennej. Poczynając od 21 marca półkula północna jest coraz bardziej ogrzana i oświetlona a punkt podsłoneczny zaczyna przesuwać się w kierunku Zwrotnika Raka. Na biegunie północnym rozpoczyna się dzień polarny, a kończy noc polarna. Na półkuli południowej rozpoczyna się tego dnia astronomiczna jesień, a na biegunie południowym obserwuje się początek nocy polarnej wraz z końcem dnia polarnego.

22 czerwca

Promienie słoneczne tego dnia padają prostopadle na Zwrotnik Raka. W tym miejscu Słońce świeci w zenicie. Bardziej oświetlona jest półkula północna, na której rozpoczyna się kalendarzowe lato. Na półkuli północnej także odnotowuje się najdłuższy dzień w roku, oraz najkrótszą noc. Dzień ten nazywany jest przesileniem letnim. Długość trwania dnia rośnie wraz ze wzrostem szerokości geograficznych północnych. Na półkuli południowej obserwujemy początek kalendarzowej zimy. Promienie słoneczne w tym dniu oświetlają biegun północny, natomiast na półkuli południowej docierają tylko do koła podbiegunowego południowego. Od 22 czerwca punkt podsłoneczny zaczyn przesuwać się w kierunku równika. Za kołem podbiegunowym północnym Słońce znajduje się stale nad  horyzontem, więc trwa tam dzień polarny. Za południowym kołem podbiegunowym obserwuje noc polarną.

23 września

Tego dnia promienie słoneczne w momencie górowania padają pod kątem prostym na równik, podobnie jak 21 marca. Cała kula ziemska jest równomiernie oświetlona, dzień i noc trwają ponownie po 12 godzin. Dzień ten nazywany jest momentem równonocy jesiennej. Poczynając od dnia 23 września coraz bardziej ogrzana i oświetlona staje się półkula południowa. Na półkuli północnej rozpoczyna się kalendarzowa jesień, podczas gdy na półkuli południowej wiosna. Od 23 września punkt podsłoneczny zaczyna przesuwać się w kierunku Zwrotnika Koziorożca. Na biegunie północnym rozpoczyna się noc polarna, a na biegunie południowym obserwuje się początek dnia polarnego.

22 grudnia

Promienie słoneczne padającego dnia prostopadle na Zwrotnik Koziorożca, a więc Słońce świeci w zenicie nad tym równoleżnikiem. Bardziej oświetlona jest półkula południowa. Dzień ten nazywany jest przesileniem zimowym. Na półkuli północnej trwa wówczas najdłuższa noc i najkrótszy dzień w roku. Na półkuli północnej rozpoczyna się kalendarzowa zima, natomiast na półkuli południowej jest to pierwszy dzień kalendarzowego lata. Za północnym kołem podbiegunowym zaczyna się noc polarna. Od 22 grudnia punkt podsłoneczny zaczyna przesuwać się w kierunku równika. Poczynając od tego dnia zmniejsza się oświetlenie i ogrzanie półkuli południowej. Ziemia w swej wędrówce po orbicie zwracać się zaczyna ku Słońcu ponownie półkulą północną.