ทำไมความยาวกลางวันและเงาจึงเปลี่ยนไป: โลก ดวงอาทิตย์ และเงา

กลางวันและกลางคืนเกิดจากการหมุน

ดวงอาทิตย์ไม่ได้โคจรรอบโลกในแต่ละวัน โลกหมุนรอบแกนของตัวเอง โดยหมุนครบหนึ่งรอบในเวลาประมาณ 24 ชั่วโมง ด้านใดของโลกที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์จะเป็นเวลากลางวัน ส่วนด้านตรงข้ามจะเป็นเวลากลางคืน

ขอบเขตระหว่างสองด้านนี้เรียกว่า เส้นแบ่งกลางวันกลางคืน ขณะที่โลกหมุน เมืองของคุณจะถูกพาเข้าใกล้เส้นนี้ เคลื่อนผ่านเส้นนี้ และออกไปอีกด้านหนึ่ง การเคลื่อนเข้าสู่แสงคือพระอาทิตย์ขึ้น ส่วนการเคลื่อนกลับเข้าสู่ความมืดคือพระอาทิตย์ตก

โลกหมุนไปทางทิศตะวันออก จึงทำให้ดวงอาทิตย์ดูเหมือนขึ้นทางทิศตะวันออกและตกทางทิศตะวันตก

ทำไมแสงกลางวันจึงไม่ได้ยาว 12 ชั่วโมงเสมอไป

หนึ่งวันเต็มมี 24 ชั่วโมง แต่ปริมาณของแสงกลางวันในแต่ละวันจะเปลี่ยนไปตามสถานที่และวันที่ ลองจินตนาการว่ามีหมุดปักอยู่บนลูกโลก ขณะที่โลกหมุน หมุดนั้นจะลากเป็นวงกลมที่มีละติจูดคงที่ วงกลมบางส่วนอยู่ในแสงอาทิตย์ และบางส่วนอยู่ในเงา ยิ่งส่วนที่อยู่ในแสงอาทิตย์ยาวนานเท่าไร กลางวันก็ยิ่งยาวนานเท่านั้น

เนื่องจากแกนของโลกเอียง เส้นแบ่งกลางวันกลางคืนจึงไม่ได้พาดจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งอย่างเป็นระเบียบตลอดทั้งปี โดยส่วนใหญ่เส้นนี้จะแบ่งวงกลมละติจูดออกเป็นส่วนที่ไม่เท่ากัน ใกล้เส้นศูนย์สูตร วงกลมเหล่านี้จะถูกแบ่งเกือบครึ่งตลอดทั้งปี แสงกลางวันจึงใกล้เคียง 12 ชั่วโมงทุกวัน แต่บริเวณที่ใกล้ขั้วโลกมากขึ้น การแบ่งจะไม่เท่ากันมากขึ้นด้วย ทำให้มีวันยาวในฤดูหนึ่ง วันสั้นในอีกฤดูหนึ่ง และใกล้ขั้วโลกเองก็อาจมีช่วงที่มีแสงหรือความมืดต่อเนื่อง

ดังนั้น วันเดียวกันจึงอาจมีแสงกลางวันที่แตกต่างกันมากในสถานที่สองแห่งที่มีละติจูดต่างกัน

เงาและความสูงของดวงอาทิตย์

เงาคือพื้นที่บนพื้นดินที่แสงอาทิตย์ส่องไปไม่ถึง เพราะมีวัตถุขวางอยู่ ลองนึกถึงแท่งไม้แนวดิ่งบนพื้นราบ: ลำแสงเพียงเส้นเดียวที่เฉียดผ่านปลายด้านบนของแท่งไม้จะบอกตำแหน่งที่เงาสิ้นสุด

เรขาคณิตจึงเรียบง่าย ความยาวของเงาขึ้นอยู่กับความสูงของแท่งไม้และความสูงของดวงอาทิตย์เหนือขอบฟ้าเท่านั้น:

shadow length = stick height ÷ tan(Sun elevation)

• ดวงอาทิตย์อยู่สูงบนท้องฟ้า: เงาจะสั้น
• ดวงอาทิตย์อยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้า: เงาจะยาว
• ดวงอาทิตย์ทำมุม 45°: เงาจะยาวเท่ากับความสูงของแท่งไม้

แท่งไม้ที่สูงขึ้นจะทำให้ทุกอย่างยาวขึ้นตามสัดส่วน แต่รูปแบบยังคงเหมือนเดิม นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเงาของเราเองจึงทอดยาวในตอนเช้าและตอนเย็น และหดสั้นลงในช่วงเที่ยงวัน

เส้นทางของดวงอาทิตย์และนาฬิกาเงา

สำหรับสถานที่และวันที่กำหนด ดวงอาทิตย์จะเคลื่อนตามแนวโค้งคงที่บนท้องฟ้า ดวงอาทิตย์จะค่อย ๆ สูงขึ้นในช่วงเช้า ไปถึงจุดสูงสุดที่ เที่ยงสุริยะ แล้วค่อย ๆ ลดต่ำลงในช่วงบ่าย เงาจะเคลื่อนตามดวงอาทิตย์อย่างแม่นยำ โดยชี้ออกจากดวงอาทิตย์และเปลี่ยนความยาวเมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นและตก

นี่คือแนวคิดเบื้องหลัง นาฬิกาแดด หรือเครื่องบอกเวลาจากเงา ทำเครื่องหมายตำแหน่งที่ปลายเงาตกในเวลาต่าง ๆ แล้วคุณก็สามารถอ่านเวลาได้จากทิศทางของเงา มีรายละเอียดสำคัญอยู่สองอย่าง:

• แนวโค้งจะแตกต่างกันไปในแต่ละฤดู ดังนั้นนาฬิกาจึงต้องตั้งให้เหมาะกับวันที่และละติจูด และ
• เวลาสุริยะกับเวลาบนโทรศัพท์ไม่ได้ตรงกันพอดี เพราะนาฬิกาถูกตั้งตามเวลาของทั้งภูมิภาค

แม้แต่ไม้ธรรมดาที่ปักลงในพื้นก็ช่วยบอกอะไรได้มากมาย เงาที่สั้นที่สุดของวันจะบอกเวลาเที่ยงสุริยะ และในพื้นที่นอกเขตร้อน เงาจะชี้ไปทางทิศเหนือจริงหรือทิศใต้จริง ขึ้นอยู่กับซีกโลกที่อยู่

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

• "กลางคืนมืดเพราะดวงอาทิตย์เคลื่อนไปอยู่หลังดวงจันทร์" กลางคืนเกิดขึ้นเมื่อด้านของโลกหันออกจากดวงอาทิตย์
• "ตอนเที่ยง ดวงอาทิตย์อยู่เหนือศีรษะทุกที่" มีเพียงพื้นที่ในเขตร้อนเท่านั้นที่ดวงอาทิตย์จะอยู่เหนือศีรษะได้ และก็เกิดขึ้นเฉพาะบางวัน
• "เงาชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ" เงาจะชี้ออกจากดวงอาทิตย์ ดังนั้นทิศทางของเงาจึงเปลี่ยนไปตลอดวัน
• "ฤดูต่าง ๆ เกิดขึ้นเพราะโลกอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นในฤดูร้อน" ความเอียงของโลก ไม่ใช่ระยะทาง เป็นสาเหตุของฤดูต่าง ๆ และความยาวของกลางวันก็มีส่วนสำคัญ
• "ทุกวันมีแสงสว่างนาน exactly 12 ชั่วโมง" มีเพียงบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรเท่านั้นที่เป็นเช่นนั้นโดยประมาณ

สำรวจเรื่องนี้ในห้องทดลองอย่างไร

The Sun, Earth & Moon lab lets you spin the planet, move the pin and drag a lamp or the real Sun around a stick. A path through the free first world:

1. Begin with A spinning Earth and watch the terminator sweep over the pin.
2. Compare places and dates in How long is a day?.
3. Measure the geometry in Sun height and shadow length.
4. Put it all together with The Sun's path and the shadow clock.

The simulation is a simplified teaching model: it ignores atmosphere, hills and the small wobbles in Earth's motion, so sunrise and sunset times come out slightly tidier than real life. The core geometry matches what you can check yourself with a stick on a sunny day.