Zonnewijzers: tijd, positie en vormen

Al in vroeger tijden is door mensen bedacht dat de stand van de zon aangeeft ‘hoe laat het is’. Natuurlijk denken we nu bij ‘hoe laat’ aan een uur, een tijdstip in onze tijdmeting. Maar dat wij de dag in 24 uren indelen, en daarbinnen weer 60 minuten hebben is niet noodzakelijk ook van toepassing op een zonnewijzer. Bij een zonnewijzer is altijd sprake van een schaduw, veroorzaakt door zonnelicht. De positie van deze schaduw maakt duidelijk welk moment van de dag het is. Alleen met (dag)licht (maar natuurlijk vooral zon!) is een zonnewijzer dus bruikbaar.

Stenen zonnewijzer gevonden in Sluis, circa 1700 (Zeeuws Museum, collectie Zeeuws Genootschap, foto Ivo Wennekes). Deze stenen zonnewijzer is een meervoudige zonnewijzer. Hij is gevonden in Sluis in een hoop stenen aan de rand van een weiland, naast de weg van Sluis naar Oostburg. Mogelijk is de zonnewijzer afkomstig uit een klooster. Hij is bijzonder vanwege zijn formaat: de steen is nog geen 20 centimeter breed. Het is een zandstenen regelmatig 26-vlak, een zogenaamde rombische cuboöctaeder. Hij heeft 18 vierkanten en 8 gelijkzijdige driehoeken als zijvlakken.

Plaatsbepaling

Voor het bepalen van een plaats op aarde gebruiken we geografische coördinaten. Deze coördinaten geven aan waar je je bevindt ten opzichte van vastgestelde meetpunten. Deze meetpunten zijn denkbeeldige lijnen die over de aardbol lopen. De lijnen die van noord naar zuid lopen heten lengtecirkels of meridianen. Sinds 1884 geldt internationaal de meridiaan die door Greenwich in het Verenigd Koninkrijk loopt als de zogenaamde nulmeridiaan. Zowel aan de oost- als aan de westzijde van deze meridiaan zijn nog eens 180 van deze denkbeeldige meridianen. Ten oosten van de nulmeridiaan wordt gesproken over oosterlengte (OL), ten westen ervan over westerlengte (WL). Opgeteld zijn het er 360, evenveel als er graden zijn in een cirkel of ronde bol, namelijk 360 graden.

De aarde schematisch, met daarop (nul)meridiaan en parallel. (afbeelding zweefvliegopleiding.nl)

Parallellen

De lijnen die van oost naar west lopen zijn breedtecirkels of parallellen. Tussen Noordpool en Zuidpool zijn er in totaal 180 van deze parallellen, 90 aan de noordzijde en 90 aan de zuidzijde van de evenaar. De evenaar is de nulparallel, die de aardbol precies in twee halve bollen opdeelt. Aan de noordzijde van de evenaar, op het noordelijk halfrond, spreken we over noorderbreedte (NB). Ten zuiden van de evenaar, op het zuidelijk halfrond, heet het zuiderbreedte (ZB).

Nulmeridiaan

Tot 1884 hadden allerlei landen en steden hun ‘eigen nulmeridiaan’, ofwel een uitgangspunt voor het bepalen van de eigen (lokale) tijd. Zo vind je, vaak in kerkgebouwen, nog aanduidingen van deze oude meridianen. Dit maakt het nogal ingewikkeld als je op reis bent. Op verschillende plekken op je reis wordt dus, vaak op diverse wijzen, bepaald wat de tijd is.

Lengte- en breedtegraden

Dat we spreken over graden heeft alles te maken met de plaatsbepaling: een lengtegraad is de waarde van de hoek tussen de nulmeridiaan van Greenwich en de meridiaan op het meetpunt. De breedtegraad op zijn beurt wordt bepaald door de hoek die de verbindingslijn tussen het meetpunt en het middelpunt van de aarde met het vlak van de evenaar maakt. De breedtegraad varieert van 0° tot 90° op het noordelijk en van 0° tot 90° op het zuidelijk halfrond. Een graad (°) wordt standaard onderverdeeld in 60 minuten (‘). Een minuut wordt weer onderverdeeld in 60 seconden (“).

Schematische voorstelling van de aarde met daarin de elementen die van belang zijn voor de bepaling van de geografische coördinaten (bron: Webles © Bart Van Bossuyt 2008 /begeleidzelfstandigleren.com)

Ligging ten opzichte van

Een precieze en eenduidige aanduiding van de ligging van een plaats op aarde is zo mogelijk met het meten van de ligging ten opzichte van de
– nulmeridiaan ofwel bepaling van de lengtegraad (oosterlengte of westerlengte),
en de ligging ten opzichte van de
– evenaar of nulparallel ofwel bepaling van noorderbreedte of zuiderbreedte.
Bij Middelburg staat als geografische locatie: 51° 30′ NB, 3° 37′ OL, wat dus wil zeggen dat het 51 graden (en 30 minuten) ten noorden van de evenaar ligt, en drie graden (en 37 minuten) ten oosten van de nulmeridiaan.

Tijdbepaling

Voor de bepaling van de tijd zijn de lengtegraden van belang. Afhankelijk van de lengtegraad staan namelijk zon en sterren op een ander moment op hun hoogste punt aan de hemel. Het verschil in zonnetijd tussen twee plaatsen op aarde kan zo worden berekend. Er zijn 360 lengtegraden; een dag duurt 24 uur of 1440 minuten, dus één graad verschil is 1440 minuten gedeeld door 360 graden = 4 minuten.

De positie van de aarde ten opzichte van de zon is samen met de locatie van een plaats op aarde bepalend voor het vaststellen van de tijd op die plek. Omdat de aarde om haar as draait, verandert de schaduw van een voorwerp steeds van richting. Elke zonnewijzer heeft een schaduwgever of (pool)stijl. Dit is als het ware de aanwijzer, die een aflezing op een schaalverdeling mogelijk maakt.

Plaats en hoek ten opzichte van evenaar

De schaduwgever is bij de meest voorkomende zonnewijzers een (pool)stijl. Opdat deze het hele jaar de tijd juist aanduidt, moet de stijl evenwijdig aan de aardas staan. De stijl wijst dan naar het noorden (op het zuidelijk halfrond naar het zuiden), naar de (noord)pool. Om de ‘juiste schaduw te werpen’ moet de schaduwgever in Nederland dus anders staan dan in Zuid-Frankrijk. Bij ons in Zuid-Nederland moet deze onder een hoek van 51,5 graden met het horizontale vlak naar het noorden, naar de (noord)pool wijzen. Deze 51° 30′ NB is immers de geografische positie (hoek van meetpunt ter hoogte van Middelburg) ten opzichte van de evenaar. Een schaduwgever onder deze hoek staat zo evenwijdig aan de aardas. Als de zon op zijn hoogste punt in het zuiden staat, en dus recht boven de plaatselijke lengtegraad, wijst de schaduw precies naar het noorden. Het is dan 12 uur plaatselijke zonnetijd. Met dit uitgangspunt is het mogelijk een verdeling te maken en uurlijnen aan te brengen waarop de schaduw het uur aanduidt.

De aarde bij aanvang van de vier (astronomische) seizoenen, gezien vanuit het noorden. (Wikimedia Commons, Tauʻolunga)

Zonnetijd – horloge

Gedurende lange tijd keken mensen op de zonnewijzers om de tijd te bepalen. Ook werd de zo gemeten tijd nog tot in de 19de eeuw gebruikt om daar de klokken op gelijk te zetten. Het heeft echter geen zin om nu de op deze wijze gemeten zonnetijd te vergelijken met de tijd op uw computergestuurde horloge. Het veranderen van de positie van de aarde ten opzichte van de zon levert namelijk enkele afwijkingen voor het meten van de tijd. Zo is de baan van de aarde om de zon enigszins elliptisch (= ovaal) van vorm. Ook de helling van de aarde tegenover de zon wijzigt naarmate de positie van de aarde wijzigt in haar tocht om de zon. Niet alleen onze seizoenen winter, lente, zomer en herfst komen hieruit voort (zie afbeelding hierboven). Het beïnvloedt ook de lengte van de (zonne)dag. Geen dag is dus hetzelfde. Uw horloge loopt in principe altijd met hetzelfde ritme, met gelijke ‘meeteenheden’ en hetzelfde tempo, dag in dag uit.

Tijdsvereffening

De afwijkingen die ontstaan kan men (gedeeltelijk) corrigeren door een zogenaamde tijdvereffeningstabel te raadplegen. De getallen hiervan geven het aantal minuten aan dat u in de desbetreffende maand erbij moet optellen of aftrekken voor de exacte tijd.

Grafiek met verloop van de tijdsvereffening over de periode van een jaar. (Wikimedia Commons, Willy Leenders)

Vlakke en sferische zonnewijzer

Een zonnewijzer kan rond (= sferisch) zijn of een plat vlak beslaan. Diverse vormen zijn echter denkbaar. Wanneer het vlak met daarop de uurlijnen loodrecht staat op de stijl noemt men dit een vlakke equatoriale zonnewijzer. Het vlak loopt immers evenwijdig met het vlak van de evenaar of equator. Om echter ook in de herfst en winter de tijd te kunnen aflezen is deze niet geschikt; de positie van de zon maakt dat er geen bruikbare schaduwlijn is.

Armillosfeer – armillarsfeer

Een armillosfeer is wat anders dan een armillarsfeer: dit laatste is een astronomisch apparaat, een open hemelglobe met in het midden als een klein bolletje de aarde. De ringen stellen hemelequator, de ecliptica, de keerkringen, de poolcirkels en een apart horizonvlak voor. Dit instrument is speciaal ontworpen om de ware beweging van de aarde om de zon weer te geven.

Verticaal

De 12-uurlijn staat steeds verticaal op een verticale zonnewijzer. Is de zonnewijzer precies naar het zuiden gericht dan is het uurlijnenpatroon links en rechts van de 12-uurlijn symmetrisch. De meeste muren zijn echter niet precies naar het zuiden gericht. Daarom hebben verticale zonnewijzers meestal een asymmetrisch uurlijnenpatroon.

De verticale (vlakke) zonnewijzer, nu hangend aan de gevel van het stadhuis in Middelburg, met een verticale 12-uurlijn, maar links en rechts asymetrisch uurlijnenpatroon. De foto is in 1994 genomen toen de zonnewijzer nog aan de gevel hing van de streekschool aan de Zuidsingel. (Zeeuws Archief, Historisch-Topografische Atlas Middelburg, foto J. van der Vossen)

Analemmatisch

Bijzonder is de zogenaamde analemmatische zonnewijzer, ook wel eens azimutzonnewijzer genoemd. De uurpunten staan hier in het platte vlak in een ellipsvorm om een centraal gelegen rechthoekige kalender. De vorm van de ellipsvorm is afhankelijk van de breedtegraad waarop je je bevindt. Staand op de juiste datum in de kalender wijst je eigen schaduw het uur aan.

De poolstijl in de vorm van een pijl van deze ronde zonnewijzer moet evenwijdig lopen aan de aardas, met de pijl naar het noorden, om de juiste tijd aan te kunnen geven. (ZB, Beeldbank Zeeland, foto C. Kotvis, 1970)