شروق الشمس

تحدث مرحلة شروق الشمس المعروفة بالشروق الكاذب قبل أن تصل الشمس فعلياً إلى الأفق، وذلك لأن الغلاف الجوي للأرض يكسر صورة الشمس. عند الأفق، يبلغ متوسط ​​مقدار الانكسار 34 دقيقة قوسية ، مع العلم أن هذا المقدار يختلف باختلاف الظروف الجوية. ^{[ 1 ]}

كذلك، وعلى عكس معظم القياسات الشمسية الأخرى، يحدث شروق الشمس عندما يبدو أن الطرف العلوي للشمس ، وليس مركزها، يعبر الأفق. ويبلغ نصف قطر الشمس الظاهري عند الأفق 16 دقيقة قوسية. ^{[ 1 ]}

تتحد هاتان الزاويتان لتحديد شروق الشمس عندما يكون مركز الشمس على بعد 50 دقيقة قوسية تحت الأفق، أو 90.83 درجة من سمت الرأس . ^{[ 1 ]}

يختلف توقيت شروق الشمس على مدار العام، ويتأثر أيضًا بخطوط الطول والعرض ، والارتفاع ، والمنطقة الزمنية للمشاهد . وتنتج هذه التغيرات عن ميل محور الأرض، ودورانها اليومي، وحركة الكوكب في مداره الإهليلجي السنوي حول الشمس ، ودوران الأرض والقمر حول بعضهما البعض . ويمكن استخدام منحنى الشروق (الأنيليما) للتنبؤ التقريبي بوقت شروق الشمس.

في أواخر الشتاء والربيع، يشرق الشمس في المناطق المعتدلة مبكراً كل يوم، ليصل إلى أبكر وقت له قبل الانقلاب الصيفي بقليل ، مع العلم أن التاريخ الدقيق يختلف باختلاف خط العرض. بعد ذلك، يتأخر وقت شروق الشمس يومياً، ليصل إلى أبطأ وقت له بعد الانقلاب الشتوي بقليل ، ويختلف هذا التأخر أيضاً باختلاف خط العرض. ويعود هذا الفرق بين تاريخ الانقلاب وأبكر أو أبطأ وقت لشروق الشمس إلى انحراف مدار الأرض وميل محورها، ويُعرف هذا الفرق بمنحنى الأناليما، الذي يُمكن استخدامه للتنبؤ بالتواريخ.

يمكن أن تؤدي الاختلافات في انكسار الضوء في الغلاف الجوي إلى تغيير وقت شروق الشمس عن طريق تغيير موقعها الظاهري. بالقرب من القطبين، يكون التغير في وقت النهار شديدًا، حيث تعبر الشمس الأفق بزاوية منخفضة جدًا، وبالتالي ترتفع ببطء أكبر. ^{[ 1 ]}

يؤدي أخذ الانكسار الجوي في الحسبان والقياس من الحافة الأمامية إلى زيادة طفيفة في متوسط ​​مدة النهار مقارنةً بالليل . ومع ذلك، فإن معادلة شروق الشمس ، المستخدمة لحساب وقت الشروق والغروب، تعتمد على مركز الشمس الفيزيائي في الحساب، متجاهلةً الانكسار الجوي والزاوية غير الصفرية التي يشكلها قرص الشمس.

بإهمال تأثيرات الانكسار وحجم الشمس غير الصفري، عند حدوث شروق الشمس، يكون موقعها دائمًا في الربع الشمالي الشرقي من الاعتدال الربيعي في المناطق المعتدلة من الاعتدال الربيعي في مارس إلى الاعتدال الربيعي في سبتمبر ، وفي الربع الجنوبي الشرقي من الاعتدال الربيعي في سبتمبر إلى الاعتدال الربيعي في مارس. ^{[ 6 ]} يحدث شروق الشمس تقريبًا في اتجاه الشرق تمامًا في الاعتدالين الربيعي في مارس والاعتدال الربيعي في سبتمبر لجميع المشاهدين على الأرض. ^{[ 7 ]} تُعدّ الحسابات الدقيقة لسمت شروق الشمس في التواريخ الأخرى معقدة، ولكن يمكن تقديرها بدقة معقولة باستخدام منحنى الشروق .

تم حساب الشكل الموجود على اليمين باستخدام روتين الهندسة الشمسية في المرجع ^{[ 8 ]} على النحو التالي:

1. لحساب ميل الشمس عند خط عرض وتاريخ محددين، استخدم${\displaystyle 0^{\circ }}$خط الطول ووقت الظهيرة الشمسية كمدخلات للروتين؛
2. احسب زاوية ساعة شروق الشمس باستخدام معادلة شروق الشمس ؛
3. احسب وقت شروق الشمس، وهو وقت الظهيرة الشمسية مطروحًا منه زاوية ساعة شروق الشمس بالدرجات مقسومًا على 15؛
4. استخدم وقت شروق الشمس كمدخل لروتين الهندسة الشمسية للحصول على زاوية السمت الشمسي عند شروق الشمس.

تقوم جزيئات الهواء والجسيمات المحمولة جواً بتشتيت ضوء الشمس الأبيض أثناء مروره عبر الغلاف الجوي للأرض. ويتم ذلك من خلال مزيج من تشتت رايلي وتشتت مي . ^{[ 9 ]}

عندما يخترق شعاع ضوء الشمس الأبيض الغلاف الجوي ليصل إلى الراصد، تتشتت بعض الألوان بفعل جزيئات الهواء والجسيمات العالقة فيه ، مما يغير اللون النهائي للشعاع الذي يراه الناظر. ولأن مكونات الطول الموجي الأقصر، كالأزرق والأخضر، تتشتت بقوة أكبر، فإن هذه الألوان تُزال من الشعاع بشكل تفضيلي. ^{[ 9 ]}

عند شروق الشمس وغروبها، عندما يطول مسار الضوء عبر الغلاف الجوي، تُزال المكونات الزرقاء والخضراء بشكل شبه كامل، تاركةً درجات اللون البرتقالي والأحمر ذات الأطوال الموجية الأطول التي تُرى في تلك الأوقات. ويمكن بعد ذلك تشتيت ضوء الشمس المحمر المتبقي بواسطة قطرات السحب وجزيئات أخرى كبيرة نسبيًا لإضاءة الأفق باللونين الأحمر والبرتقالي. ^{[ 10 ]} ويعود سبب إزالة الأطوال الموجية الأقصر للضوء إلى تشتت رايلي بواسطة جزيئات الهواء وجزيئات أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء المرئي (  قطرها أقل من 50 نانومترًا). ^{[ 11 ] [ 12 ]} أما التشتت بواسطة قطرات السحب وجزيئات أخرى بأقطار مماثلة أو أكبر من أطوال موجات ضوء الشمس (أكثر من 600  نانومتر) فيعود إلى تشتت مي، وهو لا يعتمد بشكل كبير على الطول الموجي. ويُعد تشتت مي مسؤولًا عن الضوء المتشتت بواسطة السحب، وكذلك عن هالة الضوء الأبيض التي تظهر نهارًا حول الشمس ( التشتت الأمامي للضوء الأبيض). ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

عادةً ما تكون ألوان الغروب أكثر إشراقًا من ألوان الشروق، لأن هواء المساء يحتوي على جزيئات أكثر من هواء الصباح. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 12 ] [ 15 ]} يميل الرماد الناتج عن الانفجارات البركانية ، والمحصور في طبقة التروبوسفير ، إلى تخفيف ألوان الغروب والشروق، بينما يمكن للمقذوفات البركانية التي ترتفع إلى طبقة الستراتوسفير (على شكل سحب رقيقة من قطرات حمض الكبريتيك الدقيقة ) أن تُنتج ألوانًا خلابة بعد الغروب تُعرف باسم التوهج اللاحق والتوهج قبل الشروق. وقد أنتجت العديد من الانفجارات البركانية، بما في ذلك ثوران بركان بيناتوبو عام 1991 وبركان كراكاتوا عام 1883 ، سحبًا عالية من حمض الكبريتيك في طبقة الستراتوسفير، مما أدى إلى ظهور توهجات رائعة بعد الغروب (وتوهجات قبل الشروق) في جميع أنحاء العالم. تعمل هذه السحب العالية على عكس ضوء الشمس المحمر بشدة والذي لا يزال يضرب طبقة الستراتوسفير بعد الغروب، وصولًا إلى سطح الأرض.

• يتسبب انكسار الضوء في الغلاف الجوي في رؤية الشمس بينما لا تزال تحت الأفق.
• ينكسر الضوء القادم من الحافة السفلية لقرص الشمس أكثر من الضوء القادم من الحافة العلوية. وهذا يقلل من الارتفاع الظاهري للشمس عندما تظهر فوق الأفق مباشرة. أما عرضها فلا يتأثر، لذا تبدو الشمس أعرض من ارتفاعها الحقيقي.
• تبدو الشمس أكبر عند شروقها مما تبدو عليه عندما تكون أعلى في السماء، بطريقة مشابهة لوهم القمر .
• تبدو الشمس وكأنها تشرق فوق الأفق وتدور حول الأرض، لكن في الحقيقة الأرض هي التي تدور، بينما تبقى الشمس ثابتة. وينتج هذا التأثير عن كون الراصد على الأرض موجوداً في إطار مرجعي دوّار .
• يحدث أحيانًا شروق شمس زائف ، مما يدل على نوع خاص جدًا من الهالات الشمسية التي تنتمي إلى عائلة الظواهر البصرية المعروفة باسم الهالات .
• أحيانًا، قبيل شروق الشمس أو بعد غروبها، يمكن رؤية وميض أخضر . هذه ظاهرة بصرية تظهر فيها بقعة خضراء فوق الشمس، عادةً لمدة لا تتجاوز ثانية أو ثانيتين. ^{[ 16 ]}