التوقيت الشمسي

التوقيت الشمسي هو حساب لمرور الوقت بناءً على موقع الشمس في السماء . الوحدة الأساسية للتوقيت الشمسي هي اليوم ، استنادًا إلى فترة الدوران الاقتراني . تقليديًا، توجد ثلاثة أنواع من حساب الوقت تعتمد على الرصد الفلكي: التوقيت الشمسي الظاهري والتوقيت الشمسي المتوسط ​​(المناقشان في هذه المقالة)، والتوقيت النجمي ، الذي يعتمد على الحركات الظاهرية للنجوم الأخرى غير الشمس. ^{[ 1 ]}

يُلقي عمود طويل مُثبّت عموديًا في الأرض بظلاله في أي يوم مشمس. في لحظة ما خلال النهار، يُشير الظل تمامًا إلى الشمال أو الجنوب (أو يختفي عندما تُصبح الشمس عمودية تمامًا). تُسمى هذه اللحظة بالظهيرة الظاهرية المحلية ، أو الساعة 12:00 بالتوقيت الظاهري المحلي. بعد حوالي 24 ساعة، يُشير الظل مرة أخرى إلى الشمال أو الجنوب، حيث تبدو الشمس وكأنها قطعت قوسًا كاملًا (360 درجة) حول محور الأرض. عندما تقطع الشمس 15 درجة بالضبط (1/24 من الدائرة، حيث تُقاس الزاويتان في مستوى عمودي على محور الأرض)، يكون التوقيت الظاهري المحلي 13:00 بالضبط؛ وبعد 15 درجة أخرى، يصبح 14:00 بالضبط.

تكمن المشكلة في أن الشمس في شهر سبتمبر تستغرق وقتًا أقل (كما يُقاس بساعة دقيقة) لإتمام دورة ظاهرية كاملة مقارنةً بشهر ديسمبر؛ إذ قد تكون 24 ساعة من التوقيت الشمسي أقصر بـ 21 ثانية أو أطول بـ 29 ثانية من 24 ساعة من التوقيت الأرضي. يُقاس هذا التغير بمعادلة الزمن ، ويعود إلى انحراف مدار الأرض (أي أن مدار الأرض ليس دائريًا تمامًا، مما يعني أن المسافة بين الأرض والشمس تتغير على مدار السنة)، وإلى أن محور الأرض ليس عموديًا على مستوى مدارها (ما يُعرف بميل دائرة البروج ).

نتيجةً لذلك، لا تستطيع الساعة التي تعمل بمعدل ثابت - كأن تُكمل نفس عدد تأرجحات البندول في كل ساعة - أن تتبع الشمس الحقيقية؛ بل تتبع " شمسًا متوسطة " وهمية تتحرك على طول خط الاستواء السماوي بمعدل ثابت يُطابق متوسط ​​معدل حركة الشمس الحقيقية على مدار العام. ^{[ 2 ]} هذا هو "التوقيت الشمسي المتوسط"، الذي لا يزال غير ثابت تمامًا من قرن لآخر، ولكنه قريب بما يكفي لمعظم الأغراض. اعتبارًا من عام 2008  يبلغ متوسط ​​اليوم الشمسي حوالي 86400.002 ثانية من النظام الدولي للوحدات ، أي حوالي 24.0000006 ساعة. ^{[ 3 ]}

الشمس الظاهرية هي الشمس الحقيقية كما يراها مراقب على الأرض. ^{[ 4 ]} يعتمد التوقيت الشمسي الظاهري أو التوقيت الشمسي الحقيقي ^{[ أ ]} على الحركة الظاهرية للشمس الفعلية . وهو يعتمد على اليوم الشمسي الظاهري ، أي الفترة الزمنية بين عودتين متتاليتين للشمس إلى خط الزوال المحلي . ^{[ 5 ] [ 6 ]} يمكن قياس التوقيت الشمسي الظاهري بشكل تقريبي باستخدام ساعة شمسية . ^{[ ب ]}

يختلف طول اليوم الشمسي على مدار العام، ويؤدي هذا التأثير التراكمي إلى انحرافات موسمية تصل إلى 16 دقيقة عن المتوسط. ولهذا التأثير سببان رئيسيان. أولاً، بسبب انحراف مدار الأرض ، تتحرك الأرض بسرعة أكبر عندما تكون في أقرب نقطة لها من الشمس ( الحضيض ) وبسرعة أبطأ عندما تكون في أبعد نقطة لها عنها ( الأوج ) (انظر قوانين كبلر لحركة الكواكب ). ثانياً، بسبب ميل محور الأرض (المعروف بميل دائرة البروج )، فإن حركة الشمس السنوية تكون على طول دائرة عظمى ( دائرة البروج ) مائلة بالنسبة لخط الاستواء السماوي للأرض . عندما تعبر الشمس خط الاستواء في الاعتدالين ، يكون انزياح الشمس اليومي (بالنسبة للنجوم الخلفية) بزاوية مع خط الاستواء، لذا فإن إسقاط هذا الانزياح على خط الاستواء يكون أقل من متوسطه السنوي . عندما تكون الشمس في أبعد نقطة لها عن خط الاستواء في كلتا الانقلابين الشمسيين ، يكون تغير موقعها من يوم لآخر موازياً لخط الاستواء، وبالتالي يكون إسقاط هذا التغير على خط الاستواء أكبر من المتوسط ​​السنوي (انظر السنة المدارية ). في شهري يونيو وديسمبر، عندما تكون الشمس في أبعد نقطة لها عن خط الاستواء السماوي، يقابل تغير معين على طول مسار الشمس تغير كبير عند خط الاستواء. لذلك، تكون الأيام الشمسية الظاهرية أقصر في مارس وسبتمبر منها في يونيو أو ديسمبر.

ستتغير هذه الأطوال قليلاً في غضون بضع سنوات، وبشكل كبير في غضون آلاف السنين.

التوقيت الشمسي المتوسط ​​هو زاوية الساعة لموقع الشمس المتوسط ، مضافًا إليها 12 ساعة. وينتج هذا الفرق البالغ 12 ساعة عن قرار بدء كل يوم عند منتصف الليل للأغراض المدنية، بينما تُقاس زاوية الساعة أو موقع الشمس المتوسط ​​من خط الزوال المحلي. ^{[ 10 ]} اعتبارًا من عام 2009يتحقق ذلك باستخدام المقياس الزمني UT1 ، المُنشأ رياضيًا من خلال رصد تداخلات خط الأساس الطويل جدًا للحركات اليومية لمصادر الراديو الموجودة في مجرات أخرى، بالإضافة إلى رصدات أخرى. ^{[ 11 ] : 68، 326 [ 12 ]} يختلف طول النهار خلال العام، لكن طول اليوم الشمسي المتوسط ​​ثابت تقريبًا، على عكس طول اليوم الشمسي الظاهري. ^{[ 13 ]} قد يكون اليوم الشمسي الظاهري أقصر بـ 20 ثانية أو أطول بـ 30 ثانية من اليوم الشمسي المتوسط. ^{[ 9 ] [ 14 ]} تتوالى الأيام الطويلة والقصيرة، لذا يتراكم الفرق حتى يتقدم الوقت المتوسط ​​على الوقت الظاهري بحوالي 14 دقيقة قرب 6 فبراير، ويتأخر عنه بحوالي 16 دقيقة قرب 3 نوفمبر. معادلة الزمن هي هذا الفرق، وهي دورية ولا تتراكم من سنة إلى أخرى.

يتبع التوقيت المتوسط ​​الشمس المتوسطة. ويصف جان ميوس الشمس المتوسطة على النحو التالي:

لنفترض وجود شمس وهمية أولى تتحرك على طول مسار الشمس الظاهري بسرعة ثابتة، وتتطابق مع الشمس الحقيقية عند نقطتي الحضيض والأوج (عندما تكون الأرض في الحضيض الشمسي والأوج، على التوالي). ثم لنفترض وجود شمس وهمية ثانية تتحرك على طول خط الاستواء السماوي بسرعة ثابتة، وتتطابق مع الشمس الوهمية الأولى عند الاعتدالين. هذه الشمس الوهمية الثانية هي الشمس المتوسطة . ^{[ 15 ]}

يزداد طول اليوم الشمسي المتوسط ​​ببطء بسبب تسارع المد والجزر للقمر بفعل الأرض وما يقابله من تباطؤ في دوران الأرض بفعل القمر.

لطالما كانت الشمس مرئية في السماء، ويُشكّل موقعها أساس التوقيت الشمسي الظاهري، وهو أسلوب قياس الوقت المُستخدم في العصور القديمة. ومن أقدم الطرق لقياس موقع الشمس: مسلة مصرية بُنيت حوالي عام 3500 قبل الميلاد، ^{[ 16 ]} ومِزْوَلَة في الصين يعود تاريخها إلى عام 2300 قبل الميلاد، ^{[ 17 ]} وساعة شمسية مصرية يعود تاريخها إلى عام 1500 قبل الميلاد . ^{[ 18 ]}

كان علماء الفلك البابليون على دراية بتفاوت ساعات النهار على مدار العام. ويُظهر لوحٌ يعود تاريخه إلى عام 649 قبل الميلاد أنهم استخدموا نسبة 2:1 بين أطول يوم وأقصر يوم، وقدّروا هذا التفاوت باستخدام دالة متعرجة خطية. ^{[ 19 ]} ولا يُعرف على وجه اليقين ما إذا كانوا على دراية بتفاوت طول اليوم الشمسي ومعادلة الزمن المقابلة له . وقد ميّز بطليموس بوضوح بين اليوم الشمسي المتوسط ​​واليوم الشمسي الظاهري في كتابه " المجسطي " (القرن الثاني قبل الميلاد)، كما دوّن معادلة الزمن في جداوله المفيدة . ^{[ 20 ]}

تضاءلت فائدة التوقيت الشمسي الظاهري مع ازدياد التجارة وتطور الساعات الميكانيكية. أُدخل التوقيت الشمسي المتوسط ​​في التقاويم في إنجلترا عام ١٨٣٤ وفي فرنسا عام ١٨٣٥. ولأن الشمس كانت صعبة الرصد المباشر بسبب ضخامة حجمها في السماء، فقد حُدد التوقيت الشمسي المتوسط ​​كنسبة ثابتة من الوقت المرصود بواسطة النجوم، والتي اعتمدت على رصد نقطي. وأصبح معيار محدد لقياس "التوقيت الشمسي المتوسط" بدءًا من منتصف الليل يُعرف بالتوقيت العالمي. ^{[ ١١ ] : ٩-١١}

من الناحية النظرية، يُعرَّف التوقيت العالمي بأنه دوران الأرض بالنسبة للشمس، وبالتالي فهو التوقيت الشمسي المتوسط. مع ذلك، يستخدم نظام UT1، وهو الإصدار الشائع الاستخدام منذ عام 1955، تعريفًا مختلفًا قليلًا للدوران، يُصحِّح حركة قطبي الأرض أثناء دورانها. ويُحدِّد الفرق بين هذا التوقيت الشمسي المتوسط ​​المصحَّح والتوقيت العالمي المنسق (UTC) ما إذا كانت هناك حاجة إلى ثانية كبيسة . (منذ عام 1972، يعمل مقياس التوقيت العالمي المنسق (UTC) بالثواني الدولية ، وكانت الثانية الدولية، عند اعتمادها، أقصر قليلًا من القيمة الحالية للثانية في التوقيت الشمسي المتوسط. ^{[ 21 ] [ 11 ] : 227-231} )

• التوقيت المحلي
• دائرة الزوال
• دوران الأرض
• اليوم السينودسي

• شروق الشمس وغروبها وأقصى ارتفاع للشمس، على مدار السنة، في أي مكان
• مقياس درجة الحرارة الشمسية في أستراريوم : الوقت الشمسي الظاهري في شاشة رقمية.