Soluppgång och refraktion

Tiden för solens uppgång och nedgång påverkas av ljusets brytning i atmosfären, vilket kallas refraktion. Denna inverkan är nog större än vad många tror.

Om vi definierar solens uppgång som den tidpunkt då solens skenbara övre rand passerar en tänkt ideal horisont så beror denna tidpunkt av hur solljuset bryts i atmosfären vilket kallas för refraktion (på samma sätt för dess nedgång).

I praktiken beräknas solens upp- och nedgång med hjälp av astronomiskt baserade ekvationer. Och där ingår hur ljuset bryts av atmosfären. Eftersom dessa beräkningar, för tex almanackor, kan göras åratal i förväg så vet vi inte hur atmosfären kommer att bryta ljuset den aktuella dagen. Därför används en "medelrefraktion" i ekvationerna.

Atmosfären bryter solljuset för alla solhöjder inte bara vid dess upp och nedgång. Effekten blir att solen skenbart står lite högre på himlen än vad den skulle göra utan atmosfär. Detta gör att dagen är längre än natten summerat över ett år. 

För beräkning av solens upp och nedgång används i många fall 34' (bågminuter), som ett värde på refraktionen vid horisonten. Detta motsvarar cirka 0,5667°.

De astronomiska ekvationerna beräknar solens läge relativt jorden för deras respektive mittpunkter. Så i det enklaste fallet beräknas tex soluppgången som den tidpunkt då solens mittpunkt passerar en ideal horisont. Men vi vill ju se soluppgången eller dess nedgång som den tid då solens övre rand passerar den ideala horisonten. En öppen sjöhorisont är nästan en ideal horisont. 

För praktiska beräkningar approximeras ofta avståndet mellan solens mittpunkt och dess övre rand till 16' (bågminuter) vilket motsvarar cirka 0,2667°. Det varierar givetvis något i och med att avståndet mellan solen och jorden varierar över året. Solens skenbara diameter på himlen varierar mellan 31′27″ och 32′32″ (bågminuter och bågsekunder) 0,524° och 0,542°. 

Men denna lilla variation på någon hundradelsgrad understiger den variation som refraktionen vanligen har, med ungefär en faktor tio.   

I figuren ovan visas med grön linje hur mycket tidigare solens övre rand passerar en ideal horisont i jämförelse med hänsyn till medelrefraktion och avståndet mellan solen mittpunkt och dess övre rand för ett år med 365 dagar. De tre olika linjerna avser tre breddgrader (latituder) i Sverige 55°, 60° och 65°. 

Det framgår att tidigareläggandet av soluppgången är större på sommaren och på vintern. I södra halvan av Sverige ungefär en tio minuter medan effekten snabbt ökar ju längre norrut vi kommer. 

Refraktionen beror alltså på att jordatmosfären böjer solljuset. Hur mycket beror av atmosfärens temperaturfördelning och på lufttrycket. Den så kallade medelrefraktionen kan beräknas utifrån optiska samband och standardvärden på hur temperatur och tryck varierar i höjdled. Kännedom om detta var viktigt i äldre tider då man navigerade med hjälp av solen och stjärnorna.

Observationer av refraktionen

För några år sedan publicerades en artikel som gick igenom observationer av solens upp och nedgång i Edmonton i Kanada, Sampson et al. (2003). Givetvis är resultatet beroende av den plats där undersökningen gjordes men det framkom en del intressanta fakta som sannolikt även gäller för andra platser.

Den observerade medelrefraktionen 0,579° låg nära den som antagits ovan,  0,5667°. Det högsta värdet landade på hela 2,081° och det lägsta på 0,442°; alltså en betydande spridning. Det gick också att se att låga lufttemperaturer och högre lufttryck i genomsnitt gav större refraktion. 

Novaya Zemlya effekten

I polartrakterna kan temperaturerna vara så extrema att refraktionen blir mycket kraftig. Polarfararen Barents var i januari 1597 fast med sitt skepp i närheten av den numera ryska ögruppen Novaya Zemlya. På den breddgraden skulle solen inte komma över horisonten ännu på några veckor, men i slutet av januari kunde besättningen se solen trots att den egentligen var nästan fem grader under horisonten.

Många var skeptiska till dessa observationer men några hundra år senare kom det allt fler observationer och en fysikalisk förklaring, se till exempel van der Werf et al. (2003). Fenomenet med en extrem refraktion som gör att solen syns i polartrakterna när den inte borde ses kallas Novaya Zemlya effekten.