Zonnewijzer op Campus Sterre

De analemmatische zonnewijzer op Campus Sterre bevindt zich op de meest zuidelijke en zonrijke plek van de campus: in het grasveld naast gebouw S9. De zonnewijzer is makkelijk bereikbaar door het looppad langs S8 en achter S9 te volgen, evenwijdig met de Krijgslaan.
Om de werking van de zonnewijzer te achterhalen, bekijken we eerst de schijnbare beweging van de Zon aan de hemel en hoe die zichtbaar kan gemaakt worden.

De equatoriale zonnewijzer

De Zon legt dagelijks een rondje rondom de hemelpool af als gevolg van de rotatie van de Aarde om haar as. Die dagelijkse beweging kan gevisualiseerd worden door een stijl, bijvoorbeeld een metalen staaf, naar de hemelpool te richten en diens schaduw op een schijf loodrecht op de staaf te vangen. Die schijf is dan evenwijdig met het evenaarsvlak. De schaduw van de stijl draait eenmaal per zonnedag helemaal rond (de Zon zit natuurlijk een deel van de dag onder de horizon). Dat is het principe van een equatoriale zonnewijzer (zie afbeelding).

De Zon staat van september tot maart ten zuiden van het evenaarsvlak en van maart tot september ten noorden van het evenaarsvlak. Hierdoor schijnt de Zon tijdens de zomer op de bovenkant van de schijf en tijdens de winter op zijn onderkant. Het punt op de stijl dat zijn schaduw net op de rand van de ronde schijf werpt, het zogenaamde “actieve punt”, beweegt doorheen het jaar dan ook op en neer langsheen de stijl. Elke dag heeft zijn eigen actieve punt op de stijl. Dat actieve punt is op de afbeelding als een gouden bolletje weergegeven. De grijze bol op de rand van de uurschijf is de schaduw van het actieve punt. De rode pijl geeft de schaduwlijn van het actieve punt naar dat schaduwpunt weer

De analemmatische zonnewijzer

Als je een equatoriale zonnewijzer loodrecht naar beneden projecteert op een horizontaal vlak, bijvoorbeeld op de grond, dan krijg je een analemmatische zonnewijzer. Omdat de cirkelvormige schijf van een equatoriale zonnewijzer in de noord-zuidrichting gekanteld staat, is zijn loodrechte projectie op de grond een in de noord-zuidrichting afgeplatte ellips. De zwarte ellips op de grond in bijgaande tekening is de loodrechte projectie van de uurschijf van de originele equatoriale zonnewijzer (hier doorzichtig afgebeeld) op de grond.

We plaatsen nu een rechtop staande stijl op het tafereel, zó dat die doorheen het actieve punt gaat. De positie langsheen de noord-zuidrichting van die verticale stijl hangt bijgevolg af van de datum. We projecteren het originele schaduwpunt loodrecht naar beneden, wat de grijze bol op de ellips op de grond oplevert. De originele grijze bol is de schaduw van het actieve punt op de originele stijl. De op de grond geprojecteerde grijze bol is duidelijk de schaduw van een punt op de nieuwe, verticale stijl. Met andere woorden: de grijze bol op de analemmatische zonnewijzer op de grond geeft even goed het uur weer als de originele grijze bol op de equatoriale zonnewijzer.
De uurpunten van een analemmatische zonnewijzer liggen bijgevolg op een langs de noord-zuidrichting afgeplatte ellips. Als we zo’n ellips met een lange as van 5 meter langsheen de oost-westrichting op de breedtegraad van Gent leggen dan heeft deze een korte as van 3.9 meter in de noord-zuidrichting.

De prijs die je voor het gemak van een verticale stijl betaalt, is dat zijn positie datumafhankelijk is en langsheen de noord-zuidlijn heen en weer schuift doorheen het jaar. De verticale stijl van een analemmatische zonnewijzer hoeft natuurlijk geen metalen staaf te zijn. Je kan zelf voor stijl spelen en een actief onderdeel van deze zonnewijzer vormen! Ga dus op de gepaste plaats op de middenlijn van de Campus Sterre zonnewijzer staan (de eerste dag van elke maand is aangeduid zodat je kan afschatten waar je ongeveer moet staan) en je schaduw wijst het uur aan. Deze zonnewijzer toont winteruur. Tel een uur op bij het afgelezen tijdstip als zomeruur in voege is.

Lengtegraad

Gent ligt 3.7 graden ten oosten van de nulmeridiaan wat onze zonnetijd een kwartiertje doet voorlopen op die van Greenwich. Op de lokale middag, als de Zon vanuit Gent gezien op haar hoogste punt is en zich perfect boven de noord-zuidlijn bevindt, is de lokale zonnetijd per definitie 12:00. In Greenwich is de lokale zonnetijd dan ongeveer 11:45. De tijdszone waarin Gent zich bevindt, loopt 1 uur voor op de zonnetijd van Greenwich waardoor het hier rond 12:45 lokale middag is. Vandaar dat de noord-zuidlijn op de centrale steen van de zonnewijzer richting kwart voor één in de namiddag wijst.

De tijdsvereffening

De dagelijkse schijnbare beweging van de Zon aan de hemel is een combinatie van twee bewegingen: enerzijds de rotatie van de Aarde omheen haar as en anderzijds de baanbeweging van de Aarde omheen de zon. Het is vooral die laatste die het moeilijk maakt om de Zon als klok te gebruiken, en wel om twee redenen:

1. De Aarde volgt een elliptische baan omheen de Zon en beweegt vlugger als ze dichter bij de Zon zit (begin januari) en trager als ze er verder van staat (begin juli).
2. Het baanvlak van de Aarde staat gekanteld ten opzichte van het evenaarsvlak. De projectie van de baansnelheid van de Aarde op het evenaarsvlak is daardoor variabel: ze is het grootst eind december en eind juni en het kleinst eind maart en eind september.

Door deze variabiliteit van de baanbeweging van de Aarde geprojecteerd op het evenaarsvlak, varieert de snelheid van de dagelijkse schijnbare beweging van de Zon aan de hemel en bijgevolg ook de lengte van een zonnedag. De Zon loopt hierdoor soms voor, soms achter op onze klokken die elke dag netjes 24 uur wegtikken. Het verschil tussen de tijd die door de Zon op een zonnewijzer wordt aangewezen en de tijd die door een klok wordt aangewezen, wordt de tijdsvereffening genoemd. Deze figuur toont de tijdsvereffening, als kloktijd min zonnetijd, in functie van de datum (de eerste dag van elke maand is aangeduid). De tijdsvereffening staat ook op de middensteen van de zonnewijzer op Campus Sterre afgebeeld. Aan de hand van de datumlijnen en de tijdsschaal op de steen kan je afschatten hoeveel minuten je moet optellen bij het afgelezen uur. Zo moet je in februari ongeveer een kwartier optellen bij het afgelezen uur. In mei moet je vijf minuten aftrekken terwijl je in augustus vijf minuten moet bijtellen. In november moet je dan weer meer dan een kwartier van het afgelezen uur aftrekken om de gemeten zonnetijd in kloktijd om te zetten.

De analemmatische zonnewijzer op Campus Sterre werd mogelijk gemaakt door de steun van de Faculteit Wetenschappen van UGent en haar decaan, Prof. Dr. Isabel Van Driessche.
Kristoffel Boudens zette het idee om in steen (arduin gerecupereerd bij de renovatie van de Boekentoren).
Prof. Dr. Annemieke Verbeken zocht mee naar een geschikte locatie op de campus.
Prof. Dr. Alain De Wulf, Lander Bral en Guy Wauters maten de correcte positie van de zonnewijzer op.
Dankzij Jan De Doncker, Michael Torrekens, Paul De Haen, Wouter Beernaert, en Madi Bojang van de UGent Dienst Gebouwen en Facilitair Beheer kwam de zonnewijzer er ook echt te liggen.

Prof. Dr. Sven De Rijcke
Vakgroep Fysica en Sterrenkunde