لماذا يتغير طول النهار والظلال: الأرض والشمس والظلال

تنشأ ظاهرة الليل والنهار من دوران الأرض.

لا تدور الشمس حول الأرض كل يوم. تدور الأرض حول محورها، وتكمل دورة واحدة كل 24 ساعة تقريبًا. ويكون الجانب من الكوكب المواجه للشمس نهارًا، بينما يكون الجانب المقابل ليلًا.

والحد الفاصل بينهما هو خطّ الفصل. ومع دوران الأرض، تنتقل بلدتك نحو ذلك الخط، وتعبره، ثم تخرج من الجانب الآخر. ويُسمّى العبور إلى الضوء شروقًا، بينما يُسمّى العبور مجددًا إلى الظلام غروبًا.

تدور الأرض نحو الشرق، ولهذا تبدو الشمس وكأنها تشرق من الشرق وتغرب في الغرب.

لماذا لا تكون ساعات النهار دائمًا 12 ساعة؟

اليوم الكامل مدته 24 ساعة، لكن مقدار ضوء النهار فيه يتغير باختلاف المكان والتاريخ. تخيّل دبوسًا على الكرة الأرضية. بينما تدور الأرض، يرسم الدبوس دائرة على خط عرض ثابت. يقع جزء من هذه الدائرة في ضوء الشمس، ويقع جزء آخر في الظل. وكلما طال الجزء المضيء بالشمس، طال النهار.

ولأن محور الأرض مائل، فإن خط الفصل بين الليل والنهار لا يمتد بانتظام من قطب إلى قطب خلال معظم أيام السنة. بل يقطع دوائر خطوط العرض بشكل غير متساوٍ. بالقرب من خط الاستواء، تنقسم تلك الدوائر إلى نصفين تقريبًا طوال العام، لذلك يقترب ضوء النهار من 12 ساعة كل يوم. وكلما اقتربنا من القطبين، أصبح الانقسام أكثر تفاوتًا: أيام طويلة في أحد الفصول، وأيام قصيرة في الفصل الآخر، وقرب القطبين أنفسهما، فترات من الضوء أو الظلام المستمر.

لذلك يمكن للتاريخ نفسه أن يمنح مكانين يقعان على خطي عرض مختلفين مقدارين مختلفين جدًا من ضوء النهار.

الظلال وارتفاع الشمس.

الظل هو جزء من الأرض لا يصل إليه ضوء الشمس، لأن جسمًا ما يعترض طريقه. خذ عصًا رأسية على أرض مستوية: يحدد الشعاع الوحيد الذي يمر بمحاذاة طرفها العلوي موضع توقف الظل.

وهذا يجعل الهندسة بسيطة. يعتمد طول الظل فقط على ارتفاع العصا وارتفاع الشمس فوق الأفق:

shadow length = stick height ÷ tan(Sun elevation)

• الشمس عالية في السماء: يكون الظل قصيرًا.
• الشمس منخفضة قرب الأفق: يكون الظل طويلًا.
• الشمس عند 45°: يكون الظل بطول العصا نفسها.

تزيد العصا الأطول كل شيء بالتناسب، لكن النمط يبقى نفسه. ولهذا أيضًا يمتد ظلك طويلًا في الصباح والمساء، وينكمش قرب منتصف النهار.

مسار الشمس وساعة الظل.

في مكان وتاريخ محددين، تتبع الشمس قوسًا ثابتًا عبر السماء. تصعد خلال الصباح، وتصل إلى أعلى نقطة لها عند الظهر الشمسي، ثم تهبط خلال فترة بعد الظهر. ويتبعها الظل بدقة، مشيرًا بعيدًا عن الشمس ومتغيرًا في طوله مع ارتفاع الشمس وانخفاضها.

وهذه هي الفكرة وراء المزولة الشمسية أو ساعة الظل. حدّد موضع طرف الظل في أوقات مختلفة، ويمكنك معرفة الوقت من اتجاه الظل. هناك تفصيلان مهمان:

• يختلف القوس في كل فصل، لذلك يجب ضبط الساعة وفق التاريخ وخط العرض الصحيحين، و
• لا يتطابق الوقت الشمسي تمامًا مع الوقت الظاهر على هاتفك، لأن الساعات مضبوطة على منطقة كاملة.

حتى العصا البسيطة المغروسة في الأرض تخبرك بالكثير: فأقصر ظل في اليوم يحدد الظهر الشمسي، وخارج المناطق المدارية يشير إلى الشمال الحقيقي أو الجنوب الحقيقي، اعتمادًا على نصف الكرة الأرضية الذي توجد فيه.

المفاهيم الخاطئة الشائعة

• "يحل الظلام ليلًا لأن الشمس تتحرك خلف القمر." الليل ببساطة هو الجانب من الأرض المواجه بعيدًا عن الشمس.
• "تكون الشمس فوق الرأس مباشرة وقت الظهر في كل مكان." لا يمكن أن تكون الشمس فوق الرأس إلا في المناطق المدارية، وفقط في بعض الأيام.
• "تشير الظلال دائمًا إلى الشمال." إنها تشير بعيدًا عن الشمس، لذلك يتغير اتجاهها خلال اليوم.
• "تحدث الفصول لأن الأرض تكون أقرب إلى الشمس في الصيف." ميلان الأرض، لا المسافة، هو الذي يسبب الفصول، كما أن طول النهار جزء مهم من القصة.
• "يحتوي كل يوم على 12 ساعة من ضوء النهار بالضبط." هذا صحيح تقريبًا فقط بالقرب من خط الاستواء.

كيفية استكشاف ذلك في المختبر.

يتيح لك مختبر الشمس والأرض والقمر تدوير الكوكب وتحريك الدبوس، وسحب مصباح أو الشمس الحقيقية حول عصا. إليك مسارًا عبر العالم الأول المجاني:

1. ابدأ بـ أرض تدور، وشاهد خط الفصل بين الليل والنهار وهو يعبر الدبوس.
2. قارن الأماكن والتواريخ في كم يبلغ طول اليوم؟.
3. قِس الهندسة في ارتفاع الشمس وطول الظل.
4. اجمع كل ذلك في مسار الشمس وساعة الظل.

المحاكاة نموذج تعليمي مبسّط: فهي تتجاهل الغلاف الجوي والتلال والتذبذبات الطفيفة في حركة الأرض، لذا تبدو أوقات الشروق والغروب أكثر انتظامًا بقليل مما هي عليه في الواقع. أما الهندسة الأساسية فتطابق ما يمكنك التحقق منه بنفسك باستخدام عصا في يوم مشمس.