Caminho do sol - Sun path

Diferenças sazonais de declinação da Sun , vistas da cidade de latitude média do hemisfério norte de Nova York , Nova York
Carta polar do caminho do Sol para qualquer local na latitude de Rotterdam
Este solargraph exposto ao longo de um ano mostra os caminhos do movimento diurno do Sol , vistos de Budapeste em 2014

Caminho do Sol , às vezes também chamado de arco diurno , refere-se ao caminho diário e sazonal em forma de arco que o Sol parece seguir no céu enquanto a Terra gira e orbita o Sol. O caminho do Sol afeta a duração do dia experimentado e a quantidade de luz do dia recebida ao longo de uma determinada latitude durante uma determinada estação.

A posição relativa do Sol é um fator importante no ganho de calor dos edifícios e no desempenho dos sistemas de energia solar . O conhecimento preciso e específico da localização do caminho do sol e das condições climáticas é essencial para decisões econômicas sobre a área do coletor solar , orientação, paisagismo, sombreamento de verão e o uso econômico de rastreadores solares .

Efeito da inclinação axial da Terra

Os caminhos do sol em qualquer latitude e em qualquer época do ano podem ser determinados a partir da geometria básica . O eixo de rotação da Terra inclina cerca de 23,5 graus , em relação ao plano da órbita da Terra em torno do Sol . Como a Terra orbita o Sol, isso cria a diferença de declinação de 47 ° entre os caminhos do sol do solstício , bem como a diferença específica do hemisfério entre o verão e o inverno.

No hemisfério norte , o sol de inverno (novembro, dezembro, janeiro) nasce no sudeste, transita pelo meridiano celestial em um ângulo baixo no sul (mais de 43 ° acima do horizonte sul nos trópicos) e se põe no sudoeste. Fica no lado sul (equador) da casa o dia todo. Uma janela vertical voltada para o sul (lado do equador) é eficaz para capturar a energia térmica solar . Para efeito de comparação, o sol de inverno no hemisfério sul (maio, junho, julho) nasce no nordeste, atinge seu pico em um ângulo baixo no norte (mais da metade do horizonte nos trópicos) e se põe no noroeste . Lá, a janela voltada para o norte permitiria a entrada de muita energia solar térmica para a casa.

No hemisfério norte, no verão (maio, junho, julho), o Sol nasce no nordeste, atinge o pico ligeiramente ao sul do ponto superior (mais baixo no sul na latitude mais alta ) e, em seguida, se põe no noroeste, enquanto no hemisfério sul no verão (novembro, dezembro, janeiro), o Sol nasce no sudeste, atinge seu pico ligeiramente ao norte do ponto superior (mais baixo no norte em latitude mais alta) e, em seguida, se põe no sudoeste. Uma saliência simples do lado do equador dependente da latitude pode ser facilmente projetada para bloquear 100% do ganho solar direto de entrar nas janelas verticais voltadas para o equador nos dias mais quentes do ano. Cortinas externas de enrolar, mantas de janelas translúcidas ou opacas internas, cortinas, venezianas, treliças móveis, etc. podem ser usadas para controle de transferência de calor e sol de hora em hora, diário ou sazonal (sem qualquer ar condicionado elétrico ativo).

Em todo o mundo durante os equinócios (20/21 de março e 22/23 de setembro), exceto nos pólos, o sol nasce a leste e se põe a oeste. No hemisfério norte, o sol do equinócio atinge o pico na metade sul (cerca de metade do horizonte na latitude média) do céu, enquanto no hemisfério sul esse sol atinge o pico na metade norte do céu. Ao enfrentar o equador, o sol parece se mover da esquerda para a direita no hemisfério norte e da direita para a esquerda no hemisfério sul.

As diferenças de percurso solar específicas de latitude (e hemisfério) são críticas para um projeto de construção solar passivo eficaz . Eles são dados essenciais para um projeto sazonal ideal de janela e saliência. Os projetistas solares devem saber os ângulos precisos do caminho solar para cada local para o qual projetam e como eles se comparam aos requisitos de aquecimento e resfriamento sazonais baseados no local.

Nos EUA, os números precisos do caminho solar sazonal de altitude e azimute específicos da localização estão disponíveis na NOAA - o "lado do equador" de um edifício fica ao sul no hemisfério norte e ao norte no hemisfério sul , onde ocorre o pico do solstício de verão altitude solar ocorre em 21 de dezembro.

Sombra de uma vara vertical ao meio-dia solar

No equador, o sol estará bem alto e um bastão vertical não fará sombra ao meio - dia solar nos equinócios . Aproximadamente 23,5 graus ao norte do equador no Trópico de Câncer , uma vara vertical não lançará sombra em 21 de junho, o solstício de verão para o hemisfério norte . No resto do ano, a sombra do meio-dia apontará para o Pólo Norte. Aproximadamente 23,5 graus ao sul do equador no Trópico de Capricórnio , um bastão vertical não fará sombra em 21 de dezembro, o solstício de verão para o hemisfério sul , e no resto do ano sua sombra do meio-dia apontará para o pólo sul. Ao norte do Trópico de Câncer, a sombra do meio-dia sempre apontará para o norte e, inversamente, ao sul do Trópico de Capricórnio, a sombra do meio-dia sempre apontará para o sul.

As sombras do meio-dia solar de objetos nos pontos além e abaixo dos pontos subsolares apontarão para o norte verdadeiro e o sul verdadeiro, respectivamente, apenas quando a declinação solar tiver seu máximo positivo (δ☉ = + 23,44 °) ou máximo negativo (δ☉ = −23,44 °) valor. Por outro lado, nos equinócios, quando o sol não está declinando para o norte nem para o sul (δ☉ = 0 °) e as sombras do meio-dia no tempo solar apontam para NNW norte do equador e SSE ao sul do equador no equinócio vernal (e ponto NNE norte do equador e SSW ao sul do equador no equinócio de outono).

Duração da luz do dia

Dentro dos círculos polares (ao norte do Círculo Ártico e ao sul do Círculo Antártico ), cada ano terá pelo menos um dia em que o Sol permanecerá abaixo do horizonte por 24 horas (no solstício de inverno ), e pelo menos um dia quando o O sol permanece acima do horizonte por 24 horas (no solstício de verão ).

Nas latitudes médias , a duração do dia , assim como a altitude solar e o azimute , variam de um dia para o outro e de uma estação para outra. A diferença entre a duração de um longo dia de verão e de um curto dia de inverno aumenta à medida que nos afastamos do Equador .

Visualização

As fotos abaixo mostram as seguintes perspectivas da Terra, marcando as posições horárias do Sol em ambos os dias de solstício . Quando conectados, os sóis formam arcos de dois dias , os caminhos ao longo dos quais o Sol parece seguir na esfera celeste em seu movimento diurno . O arco mais longo é sempre o caminho do solstício de verão, enquanto o arco mais curto é o caminho do meio do inverno. Os dois arcos estão separados por 46,88 ° (2 × 23,44 °), indicando a diferença de declinação entre os sóis do solstício.

Além disso, alguns sóis "fantasmas" são visíveis abaixo do horizonte , até 18 ° abaixo, durante o qual ocorre o crepúsculo . As fotos podem ser usadas para os hemisférios norte e sul da Terra . Um observador teórico deve estar perto da árvore em uma pequena ilha no meio do mar. As setas verdes representam as direções cardeais .

  • No hemisfério norte, o norte fica à esquerda. O Sol nasce no leste (seta ao longe), culmina no sul (à direita) enquanto se move para a direita e se põe no oeste (seta próxima). Ambas as posições de ascensão e definição são deslocadas para o norte no verão e para o sul no meio do inverno.
  • No hemisfério sul, o sul fica à esquerda. O Sol nasce no leste (seta próxima), culmina no norte (para a direita) enquanto se move para a esquerda e se põe no oeste (seta para longe). Ambas as posições de ascensão e definição são deslocadas para o sul no verão e para o norte no meio do inverno.

Os seguintes casos são descritos:

  • Na linha abstrata do Equador (latitude 0 °), a altitude máxima do Sol é grande durante todo o ano, mas não forma um ângulo reto perfeito com o solo ao meio-dia todos os dias. Na verdade, isso acontece dois dias por ano, durante os equinócios. Os solstícios são as datas em que o Sol fica mais distante do zênite, mas de qualquer forma também nesses casos está alto no céu, atingindo uma altitude de 66,56 ° ao norte ou ao sul. Todos os dias do ano, solstícios incluídos, têm a mesma duração de 12 horas.
  • Os arcos do dia do solstício são vistos de uma latitude de 20 ° . O Sol culmina em 46,56 ° de altitude no inverno e 93,44 ° de altitude no verão. Nesse caso, um ângulo maior que 90 ° significa que a culminação ocorre a uma altitude de 86,56 ° na direção cardinal oposta. Por exemplo, no hemisfério sul, o Sol permanece no norte durante o inverno, mas pode alcançar o zênite ao sul no meio do verão. Os dias de verão são mais longos que os de inverno, mas a diferença não é mais do que aproximadamente duas horas e meia. A trajetória diária do Sol é íngreme no horizonte durante todo o ano, resultando em um crepúsculo de apenas cerca de uma hora e 20 minutos pela manhã e à noite.
  • Os arcos do dia do solstício são vistos da latitude 50 °. Durante o solstício de inverno, o Sol não sobe mais do que 16,56 ° acima do horizonte ao meio-dia, mas 63,44 ° no solstício de verão acima da mesma direção do horizonte. A diferença na duração do dia entre o verão e o inverno, daqui para o norte, começa a ser marcante - pouco mais de 8 horas no solstício de inverno, a mais de 16 horas no solstício de verão. Da mesma forma é a diferença na direção do nascer e do pôr do sol. Nesta latitude à meia-noite (cerca de 1h com hora legal de verão), o sol de verão está 16,56 ° abaixo do horizonte, o que significa que o crepúsculo astronômico continua a noite inteira. Esse fenômeno é conhecido como noites cinzentas , noites em que não escurece o suficiente para que os astrônomos façam suas observações do céu profundo . Acima de 60 ° de latitude, o Sol estaria ainda mais próximo do horizonte, a apenas 6,56 ° de distância dele. Então o crepúsculo civil continua quase toda a noite, apenas um pouco do crepúsculo náutico por volta da meia-noite local. Acima de 66,56 ° de latitude, não há nenhum pôr-do-sol, fenômeno conhecido como sol da meia-noite .
  • Os arcos do dia do solstício são vistos da latitude 70 °. Ao meio-dia local, o Sol de inverno culmina em -3,44 ° e o Sol de verão em 43,44 °. Dito de outra forma, durante o inverno o Sol não se levanta acima do horizonte, é a noite polar . No entanto, ainda haverá um forte crepúsculo. À meia-noite local, o Sol de verão culmina em 3,44 °. Dito de outra forma, ele não define; é o dia polar.
  • Os arcos do dia do solstício são vistos de qualquer um dos pólos (latitude 90 °). Na época dos solstícios de verão ou inverno, o Sol está 23,44 ° graus acima ou abaixo do horizonte, respectivamente, independentemente da hora do dia. Enquanto o Sol está alto (durante os meses de verão), ele circundará todo o céu (no sentido horário do Pólo Norte e anti-horário do Pólo Sul ), parecendo ficar no mesmo ângulo do horizonte, portanto, o conceito de dia ou a noite não tem sentido. O ângulo de elevação mudará gradualmente em um ciclo anual, com o Sol atingindo seu ponto mais alto no solstício de verão e nascendo ou se pondo no equinócio , com longos períodos de crepúsculo durando vários dias após o equinócio de outono e antes do equinócio de primavera.
Os arcos do dia de solstício são vistos nas latitudes selecionadas

Visualização para todos os dias de um ano inteiro durante o dia e a noite

Uma publicação de 2021 sobre geometria solar primeiro calcula o componente x, y e z do vetor solar, que é um vetor unitário com sua cauda fixada na localização do observador e sua cabeça apontando para o Sol, e então usa os componentes para calcular o ângulo do zênite solar e o ângulo do azimute solar . O vetor solar calculado em intervalos de 1 hora para um ano inteiro, tanto durante o dia quanto à noite, pode ser usado para visualizar o caminho do Sol de maneira eficaz.

Nas figuras a seguir, a origem do sistema de coordenadas é a localização do observador, x-positivo é o leste, y-positivo é o norte e z-positivo é para cima; no Pólo Norte, y-negativo é tangente ao meridiano principal; no Pólo Sul, y-positivo é tangente ao meridiano principal; z-positivo é diurno e z-negativo é noturno; o intervalo de tempo é de 1 hora.

Cada padrão "8" em todas as figuras é um analema correspondente a uma hora específica de cada dia do ano; todas as 24 horas em um dia específico do ano representam a trajetória do sol naquele dia.

Veja também

Referências

links externos