Waarom 18 september de kortste (zonne)dag van het jaar is

Op 18 september beleven we de kortste dag van het jaar. Met "dag" in de betekenis van etmaal, de periode tussen twee momenten wanneer de zon het hoogst aan de hemel staat. Die "zonnedag" is het kortst op 18 september, met een verschil van 22 seconden. Hoe komt dat? En welke rol speelt de zon nog in onze tijdsmeting?

Het zal de meesten onder ons verwonderen, maar op 18 september beleven we de kortste dag van het jaar. Daarmee bedoelen we niet "de dag" als tegenstelling van "de nacht", de tijd tussen zonsopkomst en zonsondergang. Die kortste "dag" valt op 21 december. Hier gaat het over "de dag" in de betekenis van etmaal: de periode die loopt van middag tot middag of van middernacht tot middernacht. Een tijdspanne van in principe 24 uur. Die kan het gemakkelijkst gemeten worden door twee opeenvolgende momenten te nemen wanneer de zon het hoogst aan de hemel staat, of – wat hetzelfde is - de schaduw het kortst is. Die periode noemt men de ware zonnedag.

Welnu, zo’n ware zonnedag varieert lichtjes en is dus niet precies gelijk aan de 24 uur die onze klokken aangeven. Rond 18 september is die duur het kortst: amper 23 uur 59 minuten, 38 seconden. Een afwijking die elk jaar ongeveer rond dezelfde datum terugkeert. Anderzijds zijn er ook momenten op het jaar dat de dag wat langer duurt dan 24 uur.

Onze vaste periode van 24 uur is dus een soort gemiddelde. Men spreekt van de middelbare zonnedag.

Vier minuten

Vanwaar die afwijkingen?  Met de draaiing van de aarde rond haar as heeft dit niets te maken. Die rotatie varieert maar heel licht (enkele milliseconden per jaar). Bovendien is de tijd die we gebruiken niet gebaseerd op de werkelijke rotatie van de aardbol: de aarde draait eenmaal rond haar as in 23 uur 56 minuten. Onze dag duurt 4 minuten langer. We meten nu eenmaal de tijd aan de positie van de zon, omdat we het ritme van dag en nacht volgen.

Het probleem is dat de zon beweegt. Eigenlijk is het de aarde die rond de zon draait, maar dat doet er nu niet toe: het lijkt alsof de zon in één jaar een volledige kring aan de hemel maakt ten opzichte van de sterren (normaal zijn er geen sterren te zien als de zon op is, maar ’s nachts zien we het verschil omdat er met de seizoenen andere sterrenbeelden aan de hemel staan).

Als de aarde na 23 uur en 56 minuten één keer rond haar as is gedraaid, is de zon wat verschoven. Het duurt 4 minuten extra alvorens de aarde dezelfde stand heeft bereikt ten opzichte van de zon.

We meten onze tijd ten opzichte van de zon, maar omdat de aarde rond de zon beweegt, staat de zon niet meer op dezelfde plaats aan de hemel als de aarde 360° rond haar as heeft gedraaid. Pas vier minuten later zien we de zon in dezelfde positie.
WikiMedia Commons

22 seconden trager

We moeten dus beseffen dat we onze tijd meten aan de hand van een object dat zich (schijnbaar) aan de hemel verplaatst. Die verplaatsing zelf is ook niet helemaal gelijk: ze is nu eens wat sneller, dan weer wat trager. Dat zorgt ervoor dat een ware zonnedag niet precies 24 uur hoeft te duren.

Er zijn twee oorzaken voor die afwijking. De eerste is dat de aarde niet met een constante snelheid rond de zon draait. De baan van de aarde is geen volmaakte cirkel, maar een ellips. Als ze iets dichter bij de zon staat, gaat ze ook iets sneller bewegen, en omgekeerd. Het gevolg is een kleine variatie in de snelheid waarmee de zon zich aan de hemel lijkt te verplaatsen. In januari staat de zon het dichtst bij ons en is de snelheid het hoogst. Als dit effect alleen zou spelen, zou de dag dan 10 seconden langer duren. Omgekeerd is die in juni 10 seconden korter.

Maar zelfs bij een volkomen constante beweging zou de lengte van een zonnedag variëren. Daarvoor moeten we in drie dimensies kijken. De zon verplaatst zich (schijnbaar) aan de hemel in één jaar, maar zal in de loop van het jaar nu eens hoger, dan weer lager boven de horizont staan. Dat verschil veroorzaakt de seizoenen en komt omdat de aardas een helling vertoont tegenover het vlak waarin de aarde rond de zon draait.

De (schijnbare) beweging van de zon aan de hemel volgens de seizoenen.
WikiMedia Commons

Door die helling verloopt de schijnbare beweging van de zon aan de hemel soms schuin ten opzichte van de draaiing van de aarde. Die schuine beweging is maximaal rond het begin van lente en herfst, dus in maart en september. Omdat we de ware zonnetijd altijd meten in het vlak waarin de aarde draait (zonnewijzers staan meestal ook zo opgesteld) zal de zon zich ten opzichte van dat vlak minder snel bewegen in maart en september.

Bij het begin van zomer en winter (de "zonnewenden") is die helling nul en de verplaatsing maximaal. Het gevolg is dat de zon in maart en september achterloopt en in juni en december voorloopt. Het verschil kan tot 20 seconden per dag oplopen, als alleen dit effect zou tellen. Maar we moeten dit combineren met de eerder vermelde versnelling en vertraging als gevolg van de aardbaan.

Combineren we beide effecten, dan krijgen we de echte afwijkingen. De zonnedag is daardoor zowat 22 seconden trager op 18 september. Die achterstand wordt daarna snel ingelopen. Eind oktober is het verschil 0 en daarna wordt de zonnedag langer, tot liefst 30 seconden in december. Enzovoort.

Zonnewijzers

Op zich is dit verschijnsel weinig indrukwekkend. Het gaat immers maar om maximaal een 20-tal seconden per dag. Voor het dagelijkse leven heeft dat geen invloed. Maar let wel: die verschillen stapelen zich snel op. Een dagelijkse achterstand van 10 seconden of meer betekent na een paar weken al een verschil van meerdere minuten. En dat merk je als je de tijd met een zonnewijzer meet.

Het is al lang bekend dat zonnewijzers een deel van het jaar voor- en dan weer achterlopen op de uniform lopende tijd die onze klokken aanwijzen. Dat verschil, bekend als de tijdsvereffening, kan uitlopen tot meer dan een kwartier. Rond 3 november bereikt de ware zonnetijd een maximale voorsprong op onze klokken: 16 minuten 33 seconden. Tegen 11 februari lopen de zonnewijzers maximaal achter: 14 minuten 6 seconden. Wie een zonnewijzer raadpleegt om te weten wanneer hij de tram kan nemen, moet dus opletten!

Het verloop van de tijdsvereffening gedurende een jaar, aangegeven met een blauwe lijn. De groene stippellijn toont de bijdrage van de snelheidsverandering van de aarde in haar baan. De rode stippellijn de bijdrage door de helling van de aardas.
WikiMedia Commons

Zonnetijd versus uniforme tijd

Eeuwenlang hielden de mensen zich aan de ware zonnetijd, de tijd die zonnewijzers aangeven. Toen de eerste goed lopende uurwerken ontstonden, probeerde men die aanvankelijk op de ware zonnetijd af te stemmen. Klokken op kerken en andere openbare gebouwen werden voortdurend vooruit- en achteruitgezet om de zon te volgen. Sterrenkundigen publiceerden tabellen die het verschil voor elke dag aangaven. Er werden zelfs ingewikkelde uurwerken bedacht om de ware zonnetijd automatisch weer te geven.

Pas in de eerste helft van de 19e eeuw liet men de ware zonnetijd vallen en schakelde men over op een uniform lopende tijd. Twee grote technologische vernieuwingen lagen aan de basis daarvan. Enerzijds de spoorwegen: die hadden behoefte aan een betrouwbare dienstregeling, die op de minuut nauwkeurig was. Anderzijds de elektrische telegraaf: die maakte het mogelijk om tijdsseinen door te sturen, zodat de klokken zich konden aanpassen aan een verafgelegen klok die de standaardtijd aangaf. Daardoor ontstond de gewoonte om in het hele land dezelfde tijd te gebruiken, en niet meer de lokale tijd die de zon aangaf.

De zon speelt dus geen rechtstreekse rol meer voor onze tijdmeting. We houden ons nog wel aan de middelbare zonnedag van 24 uren, omdat we nu eenmaal willen dat onze tijd min of meer de zon volgt. Min of meer, maar intussen valt de middag op onze klokken zelfs niet meer bij benadering op het moment dat de schaduwen het kortst zijn. België en de meeste West-Europese landen gebruiken sinds de oorlog de Midden-Europese tijd, die bij ons ongeveer een uur voorloopt op de zon. Met de zomertijd komt daar nog een uur bij. Vergeleken daarmee zijn deze afwijkingen van de ware zonnetijd maar een detail.

Meest gelezen