Pytanie czytelnika: wschód i zachód Słońca widoczny nad Morzem Bałtyckim z jednej lokalizacji w ciągu jednego dnia?

W maju w korespondencji od czytelników pojawiło się ciekawe z pewnych względów tytułowe pytanie, które na pozór powinno dawać (i jak się okazuje często daje!) szybką i jasną odpowiedź przeczącą - bo niby jak u licha coś takiego miałoby być w ogóle możliwe? Choć uproszczoną odpowiedź do autora problemu przesłałem już kilka tygodni temu, poruszone zagadnienie postanowiłem opisać teraz jeszcze szerzej w ramach całego tekstu na blogu, albowiem stanowi ono bardzo interesujące zadanie obserwacyjne, do wykonania którego chciałbym dziś zachęcić zwłaszcza tych z Was, którzy mieszkają nad Morzem Bałtyckim.

Dla uproszczenia tekstu, który i tak do krótkich nie będzie należeć, nie będę pisać o Zatoce Gdańskiej, którą wielu potocznie nazywa już Bałtykiem, ponieważ jej linia brzegowa jest bardziej skomplikowana, w jej obszarze mamy mnóstwo przeszkód typu mola, falochrony, czy nawet sam Półwysep Helski widziany od południowo-zachodniej strony, tylko o otwartym basenie naszego morza. Przed nami przesilenie letnie i wykonanie zadania będzie najprostsze, a jednocześnie najciekawsze w całym roku, dlatego mieszkańców Polski północnej, a zwłaszcza nadmorskich miejscowości zachęcam do wykonania takiejże obserwacji. Jeśli zaś nie mieszkacie nad samym Bałtykiem, ale planujecie na przykład w tym miejscu letni urlop wypoczynkowy, to także namawiam do wykorzystania oczu, aparatów i zagłębienia się w dzisiaj poruszany temat. A zatem od początku.

Pytanie od czytelnika sprowadzało się do wątpliwości, czy w naszych polskich warunkach istnieje możliwość zaobserwowania wschodu i zachodu Słońca w ciągu jednego dnia, przez osobę będącą cały czas w tej samej lokalizacji, w taki sposób, aby tarcza słoneczna wyłaniała się znad tafli Morza Bałtykckiego i również "w morzu" zachodziła.

Kto miałby teraz ochotę odpowiedzieć przecząco jak to wyobraźnia na pierwszą myśl chciałaby może doradzić, tego gorąco namawiam do wykonania obserwacji o jakiej w tym tekście wspomnę lub chociaż do zrozumienia poniższych okoliczności, bo jest to zdecydowanie jeden z ciekawszych choć bardzo niedocenianych fenomenów jakie w Polsce jak najbardziej możemy doświadczyć. A doświadczenie to będzie tym bardziej namacalne, im bliżej przesilenia letniego zostanie obserwacja przeprowadzona.

Aby zrozumieć dlaczego taka obserwacja jest możliwa, warto rozpocząć omówienie zagadnienia od podstawowej kwestii jaką w tym wypadku będzie deklinacja Słońca i to co się wiąże z jej zmianami w ciągu roku (pisać będę w odniesieniu do naszej północnej półkuli) - przyswojenie tego i innych podstawowych pojęć znacząco ułatwi dalsze drążenie tematu, więc jedziemy na spokojnie od zera. Deklinacja to nic innego jak kąt pomiędzy prostą poprowadzoną od obserwatora ku danemu obiektowi astronomicznemu a płaszczyzną równika niebieskiego. Równik niebieski z kolei jest okręgiem wielkim w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu sfery niebieskiej, którego płaszczyzna pokrywa się z płaszczyzną równika ziemskiego - może to na pozór brzmieć strasznie, ale to nic trudnego do zrozumienia - tym nie mniej tłumacząc z polskiego na nasz, to po prostu rzut płaszczyzny równika ziemskiego na sferę niebieską. Można w razie potrzeby wesprzeć się choćby tym schematem.

W związku z ruchem obiegowym Ziemi wokół Słońca oraz nachyleniem osi naszej planety do płaszczyzny tego ruchu, doświadczamy czterech różnych pór roku. Owoców tego jest wiele, ale ten jeden, który nas interesować powinien w tym wypadku to zmieniająca się na przestrzeni roku wspomniana deklinacja Słońca, a w konsekwencji elewacja czyli wysokość obiektu nad horyzontem. Deklinacja zmienia się ku północy i południu względem równika niebieskiego (0 stopni), a skrajnymi punktami tych wahań są przesilenia - letnie, gdy staje się ona maksymalnie dodatnia, tj. Słońce osiąga deklinację maksymalnie północną względem równika niebieskiego; i zimowe, gdy staje się ona maksymalnie ujemna, a Słońce osiąga najniższą z możliwych deklinację południową. Deklinacje dodatnie (północne) z naszej perspektywy odczuwamy od równonocy wiosennej (0 stopni, Słońce wędruje wzdłuż równika niebieskiego) do przesilenia letniego (+23° 27' - Słońce wędruje wzdłuż Zwrotnika Raka) i odwrotnie, deklinacje ujemne (południowe) od równonocy jesiennej (0 stopni, Słońce wędruje ponownie wzdłuż równika niebieskiego) do przesilenia zimowego (-23° 27', Słońce wędruje wzdłuż Zwrotnika Koziorożca).

Nie musimy jechać na biegun północny, by doświadczyć efektów znacznej deklinacji północnej. Nawet z naszego kraju łatwo dostrzec odmienną ścieżkę Słońca po sferze niebieskiej gdy dni są najkrótsze i przeciwnie, gdy umiarkowane ciemności zapadają na bardzo krótko i ze Słońcem prawie się nie rozstajemy. W okolicach przesilenia zimowego, gdy deklinacja Słońca jest zbliżona do minimalnej, tor jaki nakreśla nasza Dzienna Gwiazda od wschodu od zachodu obserwujemy jako typowy łuk. Sytuacja wyraźnie zmienia się w okolicach przesilenia letniego - wówczas trasę, którą pokonuje Słońce od wschodu do zachodu powinniśmy określić już nie jako zwykły łuk, ale wręcz... niemal pełne koło! Niemal - bo jednak pewien jego wycinek wciąż trafia pod horyzont, gdy zapadają krótkie białe noce, ale tak czy inaczej mamy wtedy do czynienia z niemal pełnym okręgiem. Sam zaś typowy pełny okrąg tej trasy widzielibyśmy na biegunie i szerokościach okołobiegunowych, kiedy to trwa wówczas dzień polarny, a Słońce nie zachodząc wędruje równolegle do horyzontu. W Polsce dnia polarnego nie doświadczamy, ale znowu nie przebywamy aż tak daleko od bieguna by nie zauważyć, że przy wyraźnie północnej deklinacji Słońca ścieżka jaką ono pokonuje w ciągu dnia jest już bardzo dużą częścią okręgu. Zobrazowałem to na poniższej symulacji będącej rzutem na całe niebo z zenitem w centrum i schemacie pomocniczym (bez uwzględnionej perspektywy).

Jeżeli zaś ze statycznej symulacji nr 1 trudno wyobrazić sobie wspomniane zależności, warto też rzucić okiem na naniesioną do niej animację ruchu Słońca od wschodu do zachodu, od zachodu do wschodu (a więc drogę pokonywaną po zmroku, pod horyzontem) i całodobową - kolejno symulacje nr 3 - nr 4 - nr 5 (kliknięcie w miniaturki otwiera animację w nowej karcie przeglądarki, z uwagi na łączną wagę plików około 26 MB).

Piszę o tym, ponieważ zmienność deklinacji (i w konsekwencji elewacji nad horyzontem) skutkuje kolejną okolicznością, jaką w tym wypadku musimy się zająć, a jest nią zmienność azymutów, w których następują wschody i zachody Słońca. W celu uproszczenia tytułowego zadania skupię się tu na okresie od równonocy wiosennej do jesiennej ze szczególną uwagą na pośredni okres przesilenia letniego. Otóż dodatnia deklinacja względem równika niebieskiego skutkować będzie punktami wschodu i zachodu Słońca wysuniętymi ku azymutowi północnemu. (dla dalszych rozważań przyjmujemy standardowo: 0 stopni - azymut północy, 90 stopni azymut wschodu, 180 stopni azymut południa, 270 stopni azymut zachodu). Mało bowiem kto wie, że wschód i zachód Słońca wcale nie wyznaczają zawsze azymutu wschodniego i zachodniego, jak na chłopski rozum można by to przyjmować. Dzieje się tak tylko w okolicach dwóch momentów w roku - równonocy wiosennej i jesiennej, gdy rzeczywiście tarcza słoneczna wyłania się idealnie zza wschodniego horyzontu i chowa się idealnie za horyzont zachodni. W innych jednak okresach roku, zwłaszcza w okolicach przesileń sytuacja zmienia się diametralnie (czego jednym z efektów jest wspomniana wcześniej odmienna ścieżka jaką Słońce rysuje podczas dziennej wędrówki nad horyzontem). Zaś w aktualnym okresie, gdy deklinacja staje się maksymalnie dodatnia w związku z nadchodzącym latem astronomicznym, punkty wschodu i zachodu Słońca na horyzoncie stają się maksymalnie zbliżone do azymutu północy. W dzień przesilenia letniego azymuty wschodu i zachodu Słońca z największą łatwością zawierają się bliżej północy aniżeli azymuty rzeczywistego wschodu (90 st.) i zachodu (270 st.).

Teraz przed kolejnym etapem podsumujmy dotychczasowe wnioski: mamy okolice przesilenia letniego, mamy więc Słońce, które wyłania się w punkcie horyzontu maksymalnie wysuniętym ku północy, na północnym wschodzie. Wznosi się ono najwyżej w ciągu roku za sprawą maksymalnej deklinacji, osiąga najwyższą elewację nad horyzontem (zależną od szerokości geograficznej) i zachodzi nie na prawdziwym zachodzie, ale w maksymalnie wysuniętym ku północy punkcie horyzontu, a więc na północnym zachodzie.

Jesteśmy na plaży - przykładowo dla potrzeb tego tekstu w Jastrzębiej Górze, wyobrażamy sobie, że jest przesilenie letnie i znajdujemy się na poziomie morza. Z tej lokalizacji Morze Bałtyckie bez trudu wypełnia nam połowę z całego horyzontu (nawet nieco więcej, ale dla ułatwienia przyjmijmy, że połowę tj. rozpościera się od azymutu zachodu [270 st.] przez północ do azymutu wschodu [90 st.]). Teraz warto sobie wyobrazić co się będzie działo w kontekście tytułowego pytania, czytając powoli kolejne zdania krok po kroku. Jak komu łatwiej może nawet wstać i machać rękoma ku poniższym azymutom:

1) obserwator stojący na plaży patrzy wprost ku północy - i tym samym widzi Bałtyk,

2) odwracając głowę w prawo o 90 stopni, by spojrzeć idealnie na wschód - też widzi Bałtyk,

3) teraz robi krok wstecz i powraca do punktu północy,

4) po czym odwraca głowę w lewo o 90 stopni, by spojrzeć idealnie na zachód - i nadal widzi Bałtyk.

Teraz mając na uwadze poprzednie podpunkty: skoro Słońce w czas przesilenia letniego będzie wschodzić w azymucie około 45 stopni - maksymalnie wysuniętym w lewo od wschodu w połowie drogi do północy = wyłoni się znad tafli Morza Bałtyckiego. Jednocześnie tego samego dnia, zajdzie w azymucie około 315 stopni - maksymalnie wysuniętym na prawo od zachodu w połowie drogi do północy = również skryje się w Bałtyku. No i mamy rozwiązanie problemu.

Krótko pisząc, aby możliwe było ujrzenie wschodu i zachodu Słońca "w morzu" w takiej lokalizacji tej samej doby i przy obserwacji na poziomie morza, azymut wschodu i zachodu Słońca obserwowany danej doby musi się zawierać w odległości mniejszej względem północy, niż azymuty rzeczywistego wschodu i zachodu na horyzoncie (oczywiście tylko przy wcześniejszym założeniu, że Bałtyk wypełnia nam te 180 stopni pola widzenia na horyzoncie od zachodu przez północ do wschodu). Graficzne zobrazowanie takiej sytuacji na poniższym przykładzie 1A i 1B.

Jeśli jednak taką obserwację w tych samych warunkach będziemy chcieli przeprowadzić na przykład miesiąc po równonocy jesiennej, czy tuż po rozpoczęciu nowego roku, czeka nas nie tyle trudność w wypełnieniu tytułowego zadania, ale wręcz niemożliwość. Słońce osiągające w podanych przykładowo terminach deklinacje ujemne, na południe od równika niebieskiego, będzie wschodziło i zachodziło w punktach wschodu wysuniętych ku południu, zatem azymuty rzeczywistego wschodu i zachodu będą położone bliżej północy = punkty wschodu i zachodu Słońca obserwowane w takich dniach nie będą się zawierały w odległości mniejszej względem północy niż prawdziwy wschód i zachód. Graficzne zobrazowanie takiej sytuacji na poniższym przykładzie 2A i 2B.

Podczas tygodni najbliżej okalających przesilenie letnie taka obserwacja będzie najłatwiejsza do wykonania i jednocześnie będzie posiadała największe walory poznawcze, ponieważ pozwoli w największym jak to tylko możliwe stopniu doświadczyć jak długą - niemal okrężną ścieżkę, pokonuje Słońce podczas dziennej wędrówki nad horyzontem, ale oczywiście nie znaczy to, że w innych okresach roku nie da się tego fenomenu zaobserwować. Przyjmując, że jesteśmy dalej w Jastrzębiej Górze i mając w pamięci to o czym wspomniałem wcześniej - kiedy w ciągu roku i w jakim azymucie następują wschody i zachody Słońca, łatwo można zauważyć, że tego typu obserwacja możliwa będzie od równonocy wiosennej do równonocy jesiennej. W sytuacji gdy w naszym polu widzenia Bałtyk rozpościerałby się wzdłuż horyzontu od zachodu przez północ do wschodu, nawet przez pół roku dzień za dniem będziemy doświadczać tytułowego zjawiska - w równonoc wiosenną gdy deklinacja Słońca stanie się równa zeru, wzejdzie ono idealnie na wschodzie, a zajdzie bezpośrednio na zachodzie (wówczas ścieżka dzienna Słońca jaką ujrzymy od wschodu do zachodu stanowić będzie połowę okręgu). To już wystarczy by tarcza słoneczna wyłaniała się znad wód naszego morza i w nim się zanurzała przy zachodzie, ale jak wspomniałem dla jak najpełniejszego odczucia zmienności azymutu wschodu i zachodu będącej efektem zmienności deklinacji, warto taką obserwację przeprowadzić w samo przesilenie letnie lub jego bliskie okolice.

Nie tylko Słońce

Analogicznie możemy podejść do tematu  apropos widowiskowego zawsze nad horyzontem Księżyca w pełni (i tylko pełni w kontekście dalszych rozważań). Jak z pewnością wielu bardziej zaangażowanych w obserwacje astronomiczne czytelników zauważyło, a co być może jeszcze niektórym umknęło uwadze, Srebrny Glob przebywający w pełni podobnie jak Słońce pokonuje różnej długości trasę nad horyzontem w zależności od pory roku - tu powraca temat zmiennej deklinacji, która w przypadku naszego naturalnego satelity siłą rzeczy także zmienia się od maksymalnie północnej względem równika niebieskiego, po maksymalnie południową (różnica polega na nieco większym zakresie tych wahań i przedziale czasu w którym one następują - jako, że dodatkowo płaszczyzna orbity Księżyca nachylona jest do ekliptyki [płaszczyzny orbity Ziemi wokół Słońca] pod kątem nieco ponad 5 stopni deklinacja waha się od +28,5 stopni do -28,5 stopni, zaś przejścia na deklinacje dodatnie i ujemne występują co dwa tygodnie). Ujmując rzecz krótko i bardzo obrazowo przed dalszym drążeniem tematu - pełny Księżyc zamienia się ze Słońcem.

W okresach nieodległych od przesilenia letniego Księżyc w pełni zawsze będziemy widzieć w okolicach jego maksymalnej deklinacji południowej. Będzie on wschodził w punkcie maksymalnie wysuniętym ku południu, w azymucie około 135 stopni, tj. na południowym wschodzie. Górować będzie nisko i zachodzić bardzo szybko, już na południowym zachodzie, w azymucie około 225 stopni czyli punkcie zachodu maksymalnie wysuniętym ku południu. Takie okoliczności sprawią, że zarysuje on na niebie tylko niewielki łuk - identycznie jak Słońce w okolicach przesilenia zimowego.

Sytuacja zmienia się w okresie okalającym przesilenie zimowe - wówczas pełnia Księżyca pokrywać się będzie z osiąganiem maksymalnej deklinacji północnej. Jego tarcza wyłoni się zza horyzontu północno-wschodniego, górowanie nad lokalnym południkiem będzie przebiegało bardzo wysoko, przy maksymalnej możliwej elewacji na danej szerokości geograficznej, po czym zejście pod horyzont przypadnie w punkcie zachodu mocno lub maksymalnie wysuniętym ku północy, tj. na północnym zachodzie. Jego ścieżka podczas nocnej wędrówki na firmamencie przypominać będzie znaczną część koła, z jedynie niewielkim jego wycinkiem schowanym pod horyzont - zupełnie jak w przypadku Słońca podczas przesilenia letniego. Skoro pełny Księżyc może w okolicach przesilenia zimowego wschodzić i zachodzić w punktach wschodu i zachodu maksymalnie wysuniętych ku północy tak jak Dzienna Gwiazda na przesilenie letnie, to nie będzie niczym trudnym zaobserwowanie wyłaniania się widowiskowej, pełnej tarczy Srebrnego Globu znad tafli Bałtyku i jej pozornego skrycia się w głębinach naszego morza, przy spełnieniu wcześniej wspomnianych warunków. Zobrazowałem to na poniższym przykładzie 3A i 3B:

Z tego też względu nigdy nie doświadczamy sytuacji podczas długich zimowych nocy, kiedy to Księżyc w pełni wędruje nisko nad horyzontem będąc widocznym tylko około 8 godzin niczym Słońce w przesilenie zimowe. Rzadko sobie to amatorzy astronomii uświadamiają, ale właśnie te najpiękniejsze pod względem jasnych gwiazdozbiorów i najdłuższe noce w roku, zawsze są jednocześnie najsilniej i najdłużej zakłócane obecnością Księżyca w pełni, który nad horyzontem pokonuje wówczas ścieżkę Słońca z okresu zbliżonego do przesilenia letniego.

Z drugiej strony - mając na uwadze wspomnianą prostą okoliczność zamiany miejsc Słońca z Księżycem w pełni - nie będziemy mieli szansy przeprowadzenia takiej obserwacji wschodu i zachodu "w morzu" kiedy deklinacje Księżyca w pełni będą południowe - na przykład miesiąc po równonocy wiosennej czy nieopodal przesilenia letniego, gdy oświetlony w 100% Srebrny Glob wędruje zawsze nisko nad horyzontem - innymi słowy gdy wschodzi i zachodzi w punktach horyzontu wysuniętych ku południu, to jest nie zawierających się bliżej północy aniżeli azymuty rzeczywistego wschodu i zachodu. Zobrazowanie na poniższym przykładzie 4A i 4B:

Kończąc powoli, ufam, że zainteresowałem choć niektórych z Was tym tematem, być może nawet ktoś pokusi się o przeprowadzenie samemu takiej obserwacji, zwłaszcza, że nadchodzi najlepszy w roku czas na jej dokonanie - jeśli ktokolwiek poczułby się na siłach i ją udokumentował, zapraszam później do zamieszczenia zdjęć w komentarzach. Czytelnikowi Pawłowi dziękuję za ubiegło-miesięcznego maila, który jak się dziś okazuje posłużył do sklecenia wpisu z jednej z moich ulubionych gałęzi tego hobby jakim jest mechanika nieba, a dla Was stanowił, mam nadzieję, ciekawą lekturę, o ile jeszcze w tym miejscu nie zasnęliście.

Dla uproszczenia celem łatwiejszego zrozumienia tematu cały czas prowadziłem rozważania w oparciu o obserwację z jednej konkretnej lokalizacji, w tym wypadku Jastrzębiej Góry będącej idealną do takich rozważań jako, że stanowi ona najbardziej wysuniętą ku północy polską miejscowość, ale podobną obserwację zainteresowani będą mogli wykonać również z większości nadmorskiej linii brzegowej, pomijając jedynie te odcinki, które są zwrócone do Bałtyku ku północnemu zachodowi, np. ~Orzechowo-Dębina na wschód od Ustki, okolice miejscowości Dąbki czy ~Mielno-Darłowo, gdzie linia brzegowa biegnąca z południowego zachodu na północny wschód zadanie utrudnia lub wręcz uniemożliwia, pozwalając jedynie na obserwację zachodu Słońca "w morzu"; podobnie rzecz się ma z większością Zatoki Gdańskiej, gdzie oprócz korzystnych tu zachodnich obszarów Zalewu Wiślanego linia brzegowa przeważająco ukierunkowana jest bezpośrednio na północny wschód lub niemal idealnie wschód, bądź wprost na północny zachód, a dodatkowo w grę wchodzą tam lokalna topografia i wszelkie dodatkowe przeszkody na horyzoncie.

Wiele krajów czy konkretnych miast ma coś wyjątkowego do zaprezentowania pod kątem niby oczywistych, a czasem rzadko docenianych fenomenów astronomicznych z udziałem Słońca. Północ Norwegii ma białe noce - i to dosłownie, miejscowości okołobiegunowe zaprosić mogą na doświadczenie dnia polarnego. Na Manhattanie w Stanach Zjednoczonych analogicznie do Stonehenge mieszkańcy zapraszają na obserwacje Słońca w ramach Manhattanhenge. A my, Polacy? A my mamy możliwość ujrzenia wschodu i zachodu Słońca dosłownie w Morzu Bałtyckim, z jednej niezmienianej lokalizacji, i to w ciągu tego samego, jednego dnia. O! I nikt nam nie podskoczy!

Bądź na bieżąco ze zjawiskami astronomicznymi i zapleczem amatora astronomii - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku lub GooglePlus.