Hvar á jörðinni er hægt að sjá miðnætursól?

Miðnætursól (e. midnight sun) er þegar sólin er á lofti á miðnætti samkvæmt sólartíma, það er að segja þegar hún er lægst. Með öðrum orðum sest sólin þá ekki í að minnsta kosti sólarhring. Þetta getur gerst bæði mjög norðarlega og mjög sunnarlega á jörðinni, þegar sumar er á viðkomandi stað. Umræða um þetta og skilgreining á því er venjulega miðuð við að athugandi sé við sjávarmál. – Andstæðan við miðnætursól er heimskautanótt (e. polar night) sem verður þegar sólin kemur ekki upp í heilan sólarhring eða meira.

Orsök miðnætursólar og annarra fyrirbæra sem tengjast árstíðaskiptum er möndulhalli jarðar (e. axial tilt og fleiri orð). Ef möndullinn væri hornréttur á brautarsléttu (e. orbital plane) jarðar væru dagur og nótt jafnlöng allt árið og hæð hádegissólar mundi ekki heldur breytast. Á pólunum yrði sólin þá alltaf við sjónbaug. Sjá nánar um þetta á Wikipediu undir axial tilt. Þar er meðal annars sagt frá því hvernig möndulhallinn breytist hægt og hægt með tímanum.

Á norðurhveli jarðar er dagurinn lengstur á sumrin á sumarsólstöðum (summer solstice) sem eru á ákveðnum tíma á hverju ári, á bilinu 20.-22. júní. Dagurinn er hins vegar stystur á vetrarsólstöðum (winter solstice) sem eru 20.-23. desember, rúmlega hálfu ári síðar. Á suðurhveli jarðar eru vetrarsólstöður á sama tíma og sumarsólstöður hjá okkur, og öfugt. Orðið sólstöður vísar til þess að hádegissólin hækkar eða lækkar þá óverulega frá einum degi til annars; hæð hennar tekur útgildi (extremum) eins og það er kallað á máli stærðfræðinnar. Orðið sólhvörf hefur sömu merkingu og sólstöður og vísar til þess að þá hverfur hádegissólin aftur, það er að segja að hún snýr við (hættir að hækka frá degi til dags og fer að lækka í staðinn, eða öfugt). Um sólhvörf má einnig lesa nánar á Wikipediu og er þar meðal annars tafla um tímasetningu sólhvarfa og jafndægra á árunum 2004-2017.

Miðnætursólin sést í Norður-Noregi.

Því norðar sem farið er því lengri er dagurinn á sumrin þar til sólstöðudagurinn verður 24 stundir við heimskautsbaug (sjá nánar hér á eftir) og getur því ekki orðið lengri. Einnig lengist hið nóttlausa tímabil miðnætursólarinnar ef við höldum áfram til norðurs frá heimskautsbaug. Á sama hátt verða dagarnir styttri á veturna þegar norðar dregur þar til sólstöðunóttin verður 24 stundir við heimskautsbaug. Samfelld heimskautanótt lengist síðan norður af honum og stendur í rauninni hálft árið á Norðurpólnum þó að svartamyrkur sé þar aðeins hluta af þeim tíma.

Tveir ímyndaðir heimskautsbaugar (polar circles) liggja um jörðina. Annar þeirra er suðurheimskautsbaugur sem liggur á 66° 33' 39'' °S (66 gráður, 33 mínútur og 39 sekúndur suður af miðbaug) og hinn er norðurheimskautsbaugur sem er jafnlangt norður af miðbaug. Þessir baugar teljast til breiddarbauga (circles of latitude) og má lesa nánar um þá og fleiri slíka á Wikipediu. Lega heimskautsbauganna ákvarðast af fyrrnefndum halla jarðmöndulsins og breytist því hægt og hægt með tímanum eins og möndulhallinn. Þessir baugar eru merktir inn á flestöll heimskort. Ísland er núna næstum allt sunnan við nyrðri heimskautsbaug nema hvað hann liggur þvert yfir Grímsey. Þessir baugar marka ákveðin skil. Ef maður er staddur nær pólunum en heimskautsbaugarnir þá sést sólin allan sólarhringinn á sumarsólstöðum en hins vegar kemur hún ekki upp á vetrarsólstöðum. Norðan nyrðri heimskautsbaugs verður sem sagt miðnætursól að minnsta kosti einu sinni á ári; sólin sest þá ekki í að minnsta kosti einn sólarhring. Einnig verður þar heimskautanótt að minnsta kosti einu sinni á ári; sólin kemur þá ekki upp í að minnsta kosti einn sólarhring.

Þessi lýsing á við aðalatriði máls eða það sem oft er kallað fyrsta nálgun (first approximation) í eðlisvísindum. Þegar betur er að gáð er lýsingin ónákvæm, einkum af tveimur ástæðum sem skipta miklu á svæðunum kringum heimskautsbaugana, þar á meðal hér á Íslandi:

Hér hefur verið miðað við miðju sólarinnar en sólarlag og sólaruppkoma er yfirleitt miðað við efri brún sólar, og hornið þarna á milli skiptir máli í þessu samhengi.
Svokallað ljósbrot í lofthjúpnum (e. atmospheric refraction) veldur talsverðri breytingu á sýndarstöðu sólar og annarra himinhnatta á himninum, einkum nálægt sjóndeildarhring eða sjónbaug.

Hornið sem sólin tekur yfir á himninum er 32 bogamínútur. Efri rönd sólar er því 16 mínútum hærri en miðjan. Ef sólmiðjan er við sjónbaug er sólin að setjast eða koma upp á stað sem er 16 breiddarmínútum sunnar; sólmiðjan er þar 16 mínútum undir sjónbaug. Þetta leiðir til þess að miðnætursól í þessum skilningi nær á sumarsólstöðum 16 breiddarmínútum eða um 30 km lengra til suðurs en ella væri. Með öðrum orðum er miðja sólar við sjónbaug á þessum tíma á heimskautsbaugnum en á 30 km belti suður af honum er eitthvað af efri hluti sólarinnar ofan sjónbaugs.

Á vetrarsólstöðum er miðja hádegissólarinnar við sjónbaug í suðri á heimskautsbaugnum en á 30 km belti norður af honum sést efri hluti sólarinnar samt sem áður þannig að þar kemur sólin upp og sest.

Í öðru lagi þarf hér sem fyrr segir að taka tillit til þess að ljósgeislar fara ekki eftir beinni línu gegnum lofthjúp jarðar, heldur beygja þeir lítillega vegna svonefnds ljósbrots í lofthjúpnum, hliðstætt því að ljósgeisli brotnar þegar hann kemur í vatn eða gler. Ljósbrotið er að vísu miklu minna í lofti en í vatni eða gleri, en þó mælanlegt. Mest er það þegar ljósið kemur nálægt láréttri stefnu inn í lofthjúpinn, með öðrum orðum í ljósi sem við sjáum rétt við sjónbaug. Þannig beygja ljósgeislar frá stjörnum eða sól við sjónbaug um það bil 34 bogamínútur niður á við á ferð sinni gegnum lofthjúpinn. Það þýðir að við sjáum þessi fyrirbæri af þessari ástæðu 34 mínútum fyrir ofan sjónbaug, en þau væru á honum ef lofthjúpurinn væri ekki fyrir hendi. – Hér er þó skylt að taka fram að þessi áhrif eru ekki fullkomlega föst og óbreytileg heldur eru þau háð aðstæðum í lofthjúpnum á hverjum tíma, til dæmis hita, þrýstingi, lagskiptingu, loftstraumum og öðru þess háttar. Talan 34 mínútur er því eins konar meðaltal.

Ljósbrotið við sjónbaug er mjög háð hæð ljósgjafans og minnkar verulega þegar hann hækkar til dæmis um eina gráðu. Þegar okkur sýnist sólin breyta lögun sinni við sólarlag og verða flatari þá stafar það einmitt af þessu: Neðri hluti sólarinnar lyftist þá meira en efri hlutinn. Og þegar okkur sýnist sólin „dansa“ eða hoppa óreglulega þá stafar það af óvenjulegum hitamun og hreyfingu í lofthjúpnum ásamt breytilegu ljósbroti, svipað og í hillingum.

Þegar sólin er í lægstu stöðu á miðnætti á sumarsólstöðum á nyrðri heimskautsbaugnum, þá lyftir ljósbrotið miðju hennar sem sagt um 34 mínútur að meðaltali. Við það bætist að efri brún sólar er 16 mínútum hærri en miðjan. Sólmiðjan þarf því að fara samtals 50 mínútum neðar til að sólin setjist alveg, og er sólarlag oft miðað við þá sólarhæð í stjörnufræði (sjá til dæmis Almanaksskýringar hjá Almanaki Háskóla Íslands og orðaskrá hjá The British Sundial Society). Ef við færum okkur í staðinn um 50 breiddarmínútur eða 93 km til suðurs, þá munum við sjá efri brún sólarinnar við sjónhring. Sunnan þess staðar hverfur sólin alveg á miðnætti og við segjum að hún hafi sest en norðan þess staðar sest hún ekki; þar er miðnætursól í þeim skilningi.

Enn ein ástæða er til þess að hægt er að sjá miðnætursól fyrir sunnan norðurheimskautsbaug, og tengist hún kúlulögun jarðar. Það sem sagt hefur hér á undan miðast allt við að athugandi sé við sjávarmál eins og getið var um í byrjun. Sjónbaugur og athugandi eru þá í sömu sléttu sem nefnist sjónbaugsslétta (horizontal plane) og skiptir himinkúlunni nákvæmlega til helminga. Ef auga athugandans er fyrir ofan sjávarmál en til dæmis sjór allt í kring, þá lækkar sjónbaugurinn niður fyrir lárétt. Þegar við sjáum þessa lækkun má segja að við höfum í raun og veru séð skýr merki um lögun jarðar.

Ef augu manns eru í 170 cm hæð yfir sjó þá getur hann séð miðnætursólina í um 4,7 km fjarlægð til suðurs frá þeim stað sem hann sæi hana ella. Það er líklega oft ómarktækt frávik vegna ýmissa annarra atriða sem valda óvissu og truflunum. Maður í 20 m hæð yfir sjávarmáli getur farið 16 km lengra til suðurs en maður á jafnsléttu og samt séð miðnætursólina. Hér fyrir neðan er tafla sem sýnir hversu hátt uppi menn þurfa að vera til að þeir sjái miðnætursólina, miðað við tiltekna vegalengd frá þeim stað þar sem hún mundi sjást við sjávarmál.

Tekið skal fram að þetta er ekki nákvæmt, heldur fer það meðal annars eftir tímaháðum aðstæðum í lofthjúpnum.

Fjarlægð frá stað þar sem sól sést við sjávarmál	Hæð yfir sjávarmáli
4 km	1 m
8 km	5 m
11 km	10 m
25 km	50 m
36 km	100 m
80 km	500 m
113 km	1.000 m
252 km	5.000 m
357 km	10.000 m

Engin mannabyggð nema rannsóknarstöðvar er fyrir sunnan suðurheimskautsbaug og því er ekki algengt að fólk verði vart við miðnætursól á suðurhveli jarðar. Fyrirbærið er betur þekkt á norðurhveli jarðar og sést vel í byggð norðan heimskautsbaugs í Rússlandi, Finnlandi, Svíþjóð, Noregi, Grænlandi, Kanada og í Alaska ásamt norðurhluta Grímseyjar.

Undanfarin ár hefur ferðamannaiðnaðurinn gert töluvert út á miðnætursólina. Ferðalöngum bjóðast sérstakar ferðir á staði þar sem þetta fyrirbæri sést. Markhópurinn er aðallega fólk sem býr miklu sunnar á jörðinni en Ísland og þekkir langa daga, bjartar nætur og skammdegi ekki jafnvel og við Íslendingar.

Frekara efni á Vísindavefnum:

Heimildir og mynd:

Hér er einnig svarað spurningunni: