Pomiar wysokości Słońca w trakcie zajęć w terenie

Obserwując niebo w ciągu dnia, możesz zauważyć, że Słońce zmienia swoje położenie nad horyzontemhoryzonthoryzontem w różnych porach dnia i roku. Zmieniają się również miejsca wschodu i zachodu Słońca w poszczególnych porach roku. Obserwacje za pomocą samego wzroku nie pozwolą ci jednak dokładnie ustalić, jaka jest wysokość Słońca nad horyzontem. Na szczęście istnieją bardzo proste przyrządy, dzięki którym można to określić. Jak zmierzyć wysokość Słońca nad horyzontem w terenie – tego dowiesz się z materiału.

Pozorny ruch Słońca

Jak dowiesz się na następnych lekcjach, ruch ciał niebieskich po niebie jest złudzeniem, wynikającym z ruchu obrotowego Ziemi. Dotyczy to także Słońca, którego pozorną wędrówkę możesz codziennie obserwować. Wschód Słońca to moment, kiedy Słońce pojawia się nad horyzontem. Promienie słoneczne padają wtedy na powierzchnię Ziemi pod bardzo małym kątem, a cienie rzucane przez różne obiekty, np. drzewa i domy, są bardzo długie. W ciągu dnia Słońce wędruje po niebie coraz wyżej, a długość cieni obiektów systematycznie się zmniejsza. Około godziny 12.00 Słońce znajduje się najwyżej nad horyzontem, czyli góruje. Obiekty usytuowane na powierzchni Ziemi rzucają wtedy najkrótszy cień. Jest to moment nazywany południem słonecznym. Od tej chwili Słońce wędruje po niebie, znajdując się coraz niżej nad horyzontem, a kąt padania promieni słonecznych maleje aż do zachodu, kiedy Słońce chowa się za linią horyzontu. Wtedy obszar, na którym się znajdujesz, wchodzi w strefę nocy.

RegZ4TGGf9sNR

Ilustracja prezentuje dwa drzewa iglaste, które są zobrazowane jako przyprostokątna trójkąta, który tworzy drzewo, cień i kąt padania promieni słonecznych, który symbolizuje linia wychodząca od słońca. Na pierwszym obrazku kąt pomiędzy cieniem a linią promieni słonecznych wynosi 60º a na drugim 40º.

Gdyby codziennie przez cały rok obserwować wschody i zachody Słońca, to można by zauważyć, że zmienia się wysokość górowania Słońca nad horyzontem, a więc także kąt padania jego promieni na powierzchnię Ziemi mierzony w południe słoneczne. Dodatkowo Słońce wschodzi i zachodzi w różnych miejscach na horyzoncie. Zimą wysokość górowania Słońca jest mniejsza, a miejsca jego wschodu i zachodu znajdują się na horyzoncie bliżej siebie. Latem zaś wysokość górowania Słońca jest największa w roku, natomiast miejsca wschodu i zachodu Słońca na horyzoncie są bardziej oddalone od siebie niż zimą.

R1FYuFeFm2CU0

Ilustracja przedstawia wyrysowane na linii horyzontu trzy półkola symbolizujące wędrówkę słońca w ciągu dnia zimą, latem oraz wiosną i jesienią. Miejsce wschodu słońca jest po lewej stronie, południe w centralnej części półkola a zachód po prawej. Lato prezentowane jest przez największe półkole, wiosna i jesień przez środkowe, a zima przez ostatnie - najmniejsze. W tle jest zdjęcie oceanu i przepełnionego kłębiastymi chmurami nieba.

Gnomon

Do pomiaru wysokości Słońca służy gnomon. Umożliwia on obserwacje ruchu Słońca po niebie i zmiany jego wysokości nad horyzontem. To najstarszy i najprostszy przyrząd astronomiczny, który był wykorzystywany już w starożytności. Najstarszy odnaleziony dotychczas gnomon pochodzi z 2 300 r. p.n.e. i został odkryty na terenie Chin. Gnomony wykorzystywane były także w Starożytnym Egipcie ok. XV w. p.n.e., w Mezopotamii, a także w Europie w V w. p.n.e. Grecy, którzy nadali mu nazwę, zaczęli korzystać z gnomonu ok. 600 r. p.n.e. Przyrząd ten stał się także elementem zegara słonecznego. Okazałe gnomony budowano na miejskich placach różnych stolic świata, np. Paryża (Place de la Concorde), Rzymu czy Londynu.

RKWPOds6mn7vZ

Fotografia przedstawia zakończenie dachu - okrągły, metalowy posąg z wychodzącym od niego szpikulcem.

RHRaD9SbQI182

Fotografia przedstawia plac w mieście. Po lewej stronie dwupoziomowa fontanna, po prawej wysoki obelisk. Wokół latarnie. W tle budynki.

Długość cienia rzucanego przez gnomon na poziomą płaszczyznę zmienia się w ciągu dnia. Najkrótszy cień jest w południe słoneczne. Można wtedy ustalić, jaka jest wysokość górowania Słońca nad horyzontem. Jeżeli będziesz obserwować zmiany długości cienia gnomonu w południe w poszczególnych porach roku, zauważysz, że Słońce góruje na różnej wysokości. Jednak zastosowanie tego przyrządu jest dużo szersze.

RRdJwDS6Z6VHn

Ilustracja przedstawia gnomon w postaci obeliska, który rzuca cztery cienie, dwa po prawej stronie i dwa po lewej skierowane na skos. Nad nim są trzy słońca, z lewej symbolizujące godzinę przed 12.00, powyżej, około 12.00 i po prawej po godzinie 12.00. Od słońca wychodzą promienie słoneczne w postaci przerywanych linii, które spotykają się u czubka obelisku. Od słońca po prawej i po lewej promienie są przedłużone i kończą się na cieniu. Oznaczono kierunki świata: zachód oznaczony literą W - po prawej stronie gnomonu, północ oznaczona literą N na wprost przed nim i wschód oznaczony literą E na lewo od gnomonu.

R13uWg4GF0jE0

Film nawiązujący do treści materiału

Film nawiązujący do treści materiału

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R13uWg4GF0jE0

Film nawiązujący do treści materiału

Wyznaczenie kierunków głównych

Kierunek, w którym pada najkrótszy cień, wyznacza dokładnie północ. W zależności od pory roku jego długość będzie się różnić, jednak zawsze będzie wskazywać on północ. W celu wyznaczenia kierunku północnego wybierz dwa punkty leżące na tym samym okręgu (okręgi narysowane wokół gnomonu podczas pomiaru długości cienia w ciągu dnia) – jeden zaznaczony przed południem, a drugi po południu (punkty wyznaczające koniec cienia gnomonu). Połącz zaznaczone punkty linią i wyznacz jej środek za pomocą linijki. Następnie połącz linią wyznaczony środek z podstawą gnomonu. Ta linia wyznacza kierunek północny, a jej przedłużenie po stronie przeciwnej do padającego cienia – kierunek południowy. Wiesz już, gdzie jest północ i południe, więc możesz wyznaczyć pozostałe główne kierunki świata (wschodni i zachodni) prostopadle do nich.

Wyznaczanie kierunku północnego z wykorzystaniem gnomonu – galeria

R18CN8PI1HgyA

Ilustracja przedstawia las. Na drodze położona jest kartka z wyrysowanymi trzema okręgami. Na środku ustawiony prosty patyk. Po lewej i prawej stronie jego cień. U dołu rysunku strzałka skierowana w dół z symbolem N (północ). U góry trzy słońca: z lewej przed 12:00 rzucające cień na prawo, na wprost godzina 12:00 i po prawej – na godzinie 12:00 rzucające cień na lewo.

RXagu4GYt9cSG

Etapy wyznaczania kierunku północnego za pomocą gnomonu. Na ilustracji znajdują się 4 okręgi w których umieszczono gnomon. Okręgi składają się z wielu kół o wspólnym środku i różnych promieniach. W środku okręgów przyrząd. Na pierwszym z nich, gnomon rzuca dwa cienie, które kończą się na tym samym okręgu. Na drugim końcówki cienia zostały połączone odcinkiem. Na trzecim wyznaczono środek odcinka, łączącego końce cienia. Na ostatnim poprowadzono zieloną linię od środka koła do środka odcinka. Zielona linia zakończona jest grotem. Nad nim zielona, duża litera N oznaczająca północ.

Wyznaczenie południa lokalnego

Południe lokalne to godzina, o której Słońce góruje, czyli znajduje się w najwyżej nad horyzontem. Wtedy cień gnomonu jest najkrótszy. Południe lokalne nie musi wypaść dokładnie o godzinie 12.00 i na ogół tak się nie dzieje. Kiedy Ty obserwujesz południe lokalne, na wschód od Ciebie jest już po południu. Z kolei na zachód od Ciebie południa jeszcze nie było.

Żeby wyznaczyć moment górowania Słońca, musisz odnaleźć punkt, który znajduje się najbliżej środka okręgów. Jeśli długości cienia były zaznaczane z dużą częstotliwością, uzyskasz dokładne wskazanie. Odczytaj godzinę przy nim zanotowaną – będzie to godzina południa lokalnego. Przez ten punkt powinna przechodzić linia północ‑południe, bowiem w momencie górowania cień obiektów wskazuje kierunek północny.

R14LZTPQqdGsj

Ilustracja przedstawia okrąg, z przedłużonym promieniem - symbolizującym na przedłużeniu N (północ) - na środku okręgu gnomon. Od środka koła odchodzą dwie linie, kończące się na obrysie okręgu - po lewej A i po prawej B - przez ich zakończenie przechodzi lekko wybrzuszona linia z rozłożonymi na niej punktami, która wykracza poza obrys okręgu.

Wyznaczenie wysokości Słońca nad horyzontem

Już wiesz, że długość cienia, jaki rzuca gnomon, zmienia się w ciągu dnia. Największa jest o wschodzie Słońca, maleje z upływem czasu i najmniejszą wartość przyjmuje w południe, a następnie ponownie rośnie aż do zachodu Słońca. Dzieje się tak dlatego, że zmienia się kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi. Im wysokość Słońca nad horyzontem jest większa, tym kąt ten jest większy.

Mając określoną wysokość gnomonu (liczoną od powierzchni Ziemi lub podstawki, w którą jest wbity) oraz długość cienia rzucanego przez niego, możesz określić wysokość Słońca nad horyzontem, a następnie sprawdzić, w jaki sposób ta wysokość zmienia się w ciągu dnia. Możesz także porównać wysokość Słońca w południe w różnych porach roku. Jak widzisz na rysunku, gnomon, jego cień oraz droga promienia światła tworzą trójkąt.

RUEu2kRdVDRpK

Ilustracja przedstawia pięć okręgów o różnej wielkości, o wspólnym środku. Na środku okręgu obelisk, u góry obelisku znajduje się zachód a na dole wschód. Od zachodu na wschód poprowadzony jest niebieski półokrąg ze słońcem, od którego padające promienie słoneczne zostały zaprezentowane jako przerywana linia, która przechodzi przez czubek obelisku i kończy się na jego cieniu, który tworzy ( w pobliżu północy). Pomiędzy przerywaną linią a powierzchnią okręgów znajduje się kąt alfa. Od obelisku w górę pionowo, również poprowadzono przerywaną linię, którą u samej góry podpisano zenit.

Aby określić wysokość Słońca nad horyzontem, trzeba zmierzyć go kątomierzem. W tym celu narysuj na kartce dwie prostopadłe linie oznaczające gnomon i jego cień zmierzony podczas obserwacji. Oczywiście musisz to zrobić w skali, np. 1:40 (w tym przypadku gnomon o wysokości 1 m będzie miał długość 2,5 cm). Następnie połącz linią wierzchołek gnomonu z końcem cienia – uzyskasz kąt odpowiadający wysokości Słońca nad horyzontem. Dla każdej obserwacji musisz wykonać osobny rysunek. Zapisz na nim datę i godzinę obserwacji oraz wartość zmierzonego kąta padania promieni słonecznych. Pamiętaj, żeby wszystkie wyniki pomiarów wpisać do przygotowanej wcześniej tabeli.

Wysokość górowania Słońca nad horyzontem zmienia się także w poszczególnych porach roku. Najwyżej góruje ono na przełomie wiosny i lata (cień gnomonu jest wtedy najkrótszy), a najniżej na przełomie jesieni i zimy (cień gnomonu jest wtedy najdłuższy). Na przełomie lata i jesieni oraz zimy i wiosny wysokość górowania Słońca jest taka sama (cień gnomonu w obu tych okresach ma taką samą długość).

R1FVqEt436HE2

Ilustracja prezentuje cztery trójkąty prostokątne, dwa u góry i dwa na dole, w których pionowa przyprostokątna obrazuje gnomon, a pozioma cień, przeciwprostokątna to promienie jakie padają od słońca przedstawionego przy każdym obrazku. Przeciwprostokątna z poziomą linią tworzą wysokość górowania promieni słonecznych w Warszawie o różnych porach Roku. 1. Koniec lata, początek jesieni - kąt 38º, koniec jesieni, początek zimy - 14º30’, koniec zimy, początek wiosny - 38º, koniec wiosny, początek lata -61º30’.

Podsumowanie

• Pomiar wysokości Słońca w trakcie zajęć w terenie można wykonać za pomocą gnomonu – pręta, patyka lub słupka wbitego w podłoże pod kątem prostym.

• Pomiary prowadzone za pomocą gnomonu polegają na pomiarze długości rzucanego przez niego cienia.

• W czasie doby najdłuższy cień rzuca gnomon o wschodzie i zachodzie Słońca – kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi jest wtedy najmniejszy; najkrótszy cień występuje w chwili górowania Słońca – kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi jest wtedy największy.

• Wysokość górowania Słońca nad horyzontem zmienia się w zależności od pory roku: najmniejsza jest na przełomie jesieni i zimy, a największa na przełomie wiosny i lata.

Słownik

Ćwiczenia

2

Ćwiczenie 5

Rysunki przedstawiają górowanie Słońca w zimie i w lecie. Dopasuj porę roku do rysunku.

R1M2qoh2OrzXg

Ilustracja A

R16ZnTdF41kwh

Ilustracja B

RVFUGNpdQ4HC8

A Możliwe odpowiedzi: 1. lato, 2. zima B Możliwe odpowiedzi: 1. lato, 2. zima

A Możliwe odpowiedzi: 1. lato, 2. zima B Możliwe odpowiedzi: 1. lato, 2. zima

Ćwiczenie 5

Opisz różnicę w wysokości górowania Słońca zimą i latem.

R7kULyY53v1wz

Pokaż podpowiedź

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, jak zmienia się kąt padania promieni słonecznych na Ziemię w zależności od pory roku i jak wpływa to na wysokość górowania Słońca.

Pokaż odpowiedź

Pokaż odpowiedź

W zimie Słońce góruje niż na niebie, co oznacza, że jego kąt wzniesienia nad horyzontem jest mniejszy niż w lecie. Jest to spowodowane nachyleniem osi obrotu Ziemi i występowaniem w zimie krótszych dni i dłuższych nocy, co wpływa na to, jak promienie słoneczne padają na naszą planetę. W lecie Słońce góruje wyżej na niebie, co oznacza większy kąt wzniesienia nad horyzontem, co z kolei przekłada się na dłuższe dni i krótsze noce.

Notatnik

Bibliografia

Egert M., Gnomon – najprostszy przyrząd astronomiczny, czyli jak przy użyciu zwykłego patyka nauczyć się wielu rzeczy o otaczającym nas świecie, „Foton”, 2004, nr 85, s. 29‑37

http://www.foton.if.uj.edu.pl/documents/12579485/5766a0c1-dfc3-4f10-8294-3e4814b5b9b6 [dostęp 16.11.2023].

Obserwacje przy użyciu gnomonu: https://astronet.pl/autorskie/obserwacje-przy-uzyciu-gnomonu/ [dostęp 16.11.2023].