Z siekierą na Słońce, czyli obserwacje z Olsztyna

Obserwatorium Mikołaja Kopernika

Ruch wirowy Ziemi, pociąga za sobą pozorną wędrówkę Słońca. Nieruchomy obserwator zdaję się znajdować w środku okręgu po którym porusza się Słońce. Z ruchu po okręgu wynika, że promienie Słońca padające w ciągu dnia na ten sam, związany z Ziemią punkt tworzą powierzchnię stożka. Stożka tego nie zobaczymy, ale śledzenie biegu promieni Słońca jest łatwe za pomocą pręta sztywno zamocowanego w ziemi, czyli gnomonu. Przedłużenie promienia Słońca padającego na koniec gnomonu trafia na koniec jego cienia. W miarę wędrówki Słońca, koniec cienia zakreśla na płaskiej powierzchni jedną z tzw. krzywych stożkowych (okrąg, elipsa, parabola albo hiperbola). Bieguny Ziemi to jedyne miejsca, gdzie cień może zakreślić okrąg, a na umiarkowanych szerokościach geograficznych np. w Polsce, cień padający na poziomą, płaską powierzchnie wyznacza hiperbole.

Jednocześnie ruch wirowy Ziemi odbywa się wokół osi, która jest nachylona do płaszczyzny orbity Ziemi, czyli naszej drogi wokół Słońca. Z tego powodu wędrówka Słońca po niebie wygląda inaczej w zależności od pory roku. Zmieniają się też hiperbole opisujące wędrówkę cienia, chociaż co roku zasadniczo wyglądają one tak samo. Dzięki temu za pomocą zegarów słonecznych możemy wyznaczać nie tylko godzinę, ale nawet datę.

Szczególnym przypadkiem jest dzień równonocy wiosennej lub jesiennej, gdy hiperbolę można przybliżyć linią prostą. Wiosną i latem ramiona hiperboli skierowane w kierunku gnomonu, a jesienią i zimą w przeciwną. Charaktetystyczny zestaw krzywych kreślonych przez cień w ciągu całego roku nosi nazwę pelekinon, nadaną przez Greków, ponieważ przypomina siekierę o dwóch ostrzach.

Równonoc wiosenna (jesienna) to moment kiedy Słońce przechodzi na północną (południową) półkulę nieba. Pólkule nieba są zwiazane ściśle z położeniem biegunów nieba. Obecnie w pobliżu północnego bieguna nieba jest Gwiazda Polarna, ale z powodu precesji osi Ziemi bieguny zmieniają swoje miejsce wśród gwiazd.

Wraz ze zmianą położenia biegunów i co za tym idzie półkul nieba moment równonocy przypadał coraz wcześniej i dlatego konieczna była reforma kalendarza.

Szczególnie ważne było to dla Kościoła, bo kalendarz liturgiczny, daty świąt ruchomych, liczone były w oparciu o moment równonocy. Wtedy po raz pierwszy wkracza na scenę dziejów młody kanonik warmiński Mikołaj Kopernik. Zajmował się szczegółowo zjawiskiem precesji i jako pierwszy z nowożytnych uczonych powiązał go z ruchem wirowym Ziemi. Jednocześnie zaufał dokładności pomiarów starożytnych Greków i przypuszczał, że tempo precesji zmienia się w czasie i to w taki sposób, że sam spróbował te zmiany zaobserwować.

W 1516 roku sobór laterański przerwał pracę nad reformowaniem kalendarza. W związku z tym kapituła warmińska powierzyła Kopernikowi nowe obowiazki. 8 listopada 1516 roku Kopernik przybywa na zamek w Olsztynie, aby pełnić obowiązki administratora dóbr kapituły. 

Jednak nie rezygnuje z aktywności astronomicznej, czego dowodem jest jedyny zachowany instrument obserwacyjny Kopernika, czyli tablica do obserwacji słonecznych.

Powstała prawdopodobnie w 1517 roku znajduje się tuż pod stropem, na jednej ze ścian zamkowego krużganka, niedaleko jego północnego narożnika. Ponieważ promienie Słońca tam nie docierają, Kopernik zdecydował się na zupełnie nowatorskie, nie notowane w ówcześnie dostępnej literaturze rozwiązanie, polegające na użyciu płaskiej powierzchni odbijającej światło w kierunku tablicy. Mogła to być powierzchnia rtęci, albo naczynie z czerwonym winem umieszczony w parapecie okna, po słonecznej stronie korytarza. Metoda refleksyjna zaadaptowana w zamku pozwoliła na obserwacje wędrówki słonecznej plamki, dokładnie na tej samej zasadzie co wędrówki końca cienia gnomonu, przy czym dzienny tor plamki był obrócony w poziomie o 180 stopni.

Tablica Kopernika przedstawia zestaw prawie równoległych linii, z których jedna wyróżniona oznacza miejsce wędrówki plamki światła podczas dnia równonocy wiosennej. Pozostałe linie oznaczają położenie Słońca względem początku lub końca znaku zodiaku Barana, Wodnika i Ryb. Linie na tablicy zostały nakreślone najprawdopodobniej empirycznie dla dni wokół równonocy wiosennej. Był to więc pewnego rodzaju wzorzec, względem którego w kolejnych latach Kopernik mógł porównywać położenia plamek i rejestrować ewentualne odstępstwa od przewidywań.

Metoda empiryczna wydaje się jedyną słuszną z powodu skomplikowanego ustawienia tablicy względem południka i lusterka względem tablicy, wymuszonymi architekturą zamku. Kopernik musiał również wziąć pod uwagę obecność wieży zamkowej, której cień padając na lusterko uniemożliwiał nieprzerwane obserwację Słońca w ciągu dnia.

Nieznane są wyniki obserwacji Kopernika, ale biorąc pod uwagę dokładność tablicy, dzisiaj możemy być pewni, że Kopernik nie miał szans obserwować za jej pomocą znanych współcześnie nieregularności w ruchu obrotowym Ziemi. Dopiero w XVII wieku prace teoretyczne Izaaka Newtona i nowe metody obserwacji oparte o lunety, pozwoliły wykonać kolejny znaczący krok w tej dziedzinie.