De astronomiska faktorerna, så kallade banelement, hur jorden rör sig runt sin axel och runt solen kan fastläggas mycket exakt. Jordaxelns lutning ger oss årstider och midnattssol norr om Polcirkeln. Det sker hela tiden förändringar av banelementen och av exempelvis jordens rotationshastighet.
För vardagliga tillämpningar är dessa förändringar små och oftast helt försumbara under en människas livstid. Däremot över årtusenden spelar de en betydelsefull roll för exempelvis klimatet. Och i ett längre tidsperspektiv tillkommer även effekten av kontinentalförskjutningar.
I och med den ökade användningen av GPS har dessa små förändringar dock fått ökad betydelse även för gemene man.
Skillnader i beräkningar
Solens uppgång påverkas emellertid av fler faktorer än de astronomiska. Bland annat måste man definiera vad som är soluppgång respektive nedgång. När solen passerar horisonten kan man tycka. Nu upptar solen en inte försumbar vinkel (ca 0.5°) på himlen. Därför tar det en stund för solskivan att passera horisonten.
På låga breddgrader, exempelvis Kanarieöarna, går det snabbare eftersom solen där nästan går vinkelrätt upp (ned). Även skymningen (gryningen) blir kort och mörkret sänker sig snabbt. På höga breddgrader som i Norrbotten eller i Antarktis uppvisar solen en flack bana relativt horisonten. Uppgången (nedgången) och skymningen (gryningen) blir därför utdragen speciellt nära Polcirkeln under sommar och vinter.
Den skenbara solbanan är minst flack vid vår och höstdagjämningen. Av detta följer att man måste bestämma en punkt på solskivan vars passage av horisonten skall gälla för beräkning av uppgång respektive nedgång.
Astronomiska beräkningar av solens position avser vanligen solens mittpunkt, men de brukar korrigeras så att det är solens övre rand som avses för solens upp- och nedgång.
Detta är en anledning till att det ibland förekommer skiljaktiga tider för solens upp- och nedgång, som presenteras i exempelvis massmedia. Skillnaden kan förefalla underlig men denna text visar att solens upp- och nedgång är beroende av hur man definierar ett antal faktorer. Därför erhålls inte alltid ett entydigt värde såvida man inte använder exakt samma definition och beräkningssätt.
Den huvudsakliga skillnaden mellan den soluppgång som har funnits mellan SMHI och den som angavs i 'Den Svenska Almanackan' är att SMHIs beräkningar avser solens övre rand medan 'Den Svenska Almanackan' räknade efter solens mittpunkt. Detta gällde fram till och med år 2013. Från och med almanackan för 2014 använder även 'Den Svenska Almanackan' solens övre rand.
Även beräkningar av dagens längd påverkas av om solens mittpunkt eller dess övre rand är utgångspunkt för beräkningen. Om den övre randen används erhålls en något längre dag och en kortare natt än om mittpunkten används.
Horisonten
Nästa fråga är: Vad är horisonten? Den verkliga horisonten varierar stort och beror på var observatören befinner sig. I en stad utgörs den oftast av byggnader, som kan vara så höga att solen aldrig når över. Utanför staden kan horisonten vara en skogsrand, ett blånande fjäll eller kanske en vacker havsutsikt.
Generella beräkningar av solens upp- och nedgång förutsätter en fri horisont och ett horisontellt plan genom observatören som står på jordytan. Betydelsen av det senare förstås av de som provat att navigera med sextant. Med detta instrument mäts solens (eller stjärnors) höjd över den så kallade sjöhorisonten, som är en mycket god approximation av en fri horisont.
För att få en noggrann solhöjd med sextant krävs korrektioner för den höjd över havsytan varifrån observationen gjorts. Detta eftersom jorden ändligt stor och dessutom klotformad. Därav följer att den observerade horisonten befinner sig under en tänkt horisontell synlinje om observatören befinner sig över havsytan, till exempel uppe på ett fartygsdäck.
Att den verkliga horisonten befinner sig under observatören får ökad betydelse ju högre upp observatören är. Därav följer att solen går upp tidigare sedd från en luftballong eller ett flygplan än för en observatör som befinner sig på jordytan.
Refraktion medför osäkerhet
Efter dessa astronomiska och geometriska utvecklingar, som går att bestämma med god noggrannhet, är det dags för att se till det meteorologiska inflytandet. Vi betraktar solen genom atmosfären, som faktiskt ändrar riktningen på solens strålar, så kallad refraktion, brytning.
När solen står nära horisonten uppgår refraktionen till omkring 0,5°, vilket den minnesgode kommer ihåg motsvarar solens skenbara diameter. Refraktionen gör att solen skenbart lyfts upp och detta tas hänsyn till i beräkningen av solens upp- och nedgång. En kuriositet i sammanhanget är att när solen på morgonen till synes släpper horisonten befinner sig den fortfarande rent geometriskt strax under horisonten.
Atmosfärens refraktion varierar från dag till dag. Normal sett är variationen liten, men den kan i extremfall ge stora avvikelser från de beräkningar som görs av solens upp- och nedgång.
Soluppgång och refraktion
Hur stor refraktionen är beror på fördelningen av temperaturen (skiktningen) och lufttrycket i atmosfären. Beräkningar utförs därför för genomsnittliga värden, vilket ger oss den så kallade normal- eller medelrefraktionen. Främst under vintern kan temperaturskiktningen vara extremt avvikande. Det finns tillfällen då solen har synts norr om Polcirkeln då det borde råda polarnatt och solen alltså inte borde synas överhuvudtaget.
På höga breddgrader där solens skenbara bana är flack relativt horisonten tar solen lång tid på sig att passera horisonten. Därmed kan även små avvikelser från den normala i brytningen medföra stora skillnader i reell och beräknad soluppgång eller nedgång.
Sammanfattningsvis kan man säga att man inte skall förvänta sig att solen exakt (inom en minut) kommer att gå upp eller ned efter de tider vi människor har räknat fram. Speciellt på höga breddgrader.
Midnattssol och polarnatt
På höga breddgrader (Arktis och Antarktis) kommer solen någon del av året att befinna sig över eller under horisonten under hela dygn. Dessa dygn förekommer alltså ingen upp- eller nedgång av solen.
Fenomenet kallas midnattssol respektive polarnatt. I det första fallet är solen över horisonten hela dygnet. Den går alltså inte ner. I det andra fallet (polarnatt) går solen aldrig upp under dygnet. Något förenklat kan man säga att norr om den norra polcirkeln ca 66,5°N respektive söder om den södra polcirkeln kommer detta att inträffa. Vid norra polcirkeln inträffar detta under ett dygn per år, vid sommarsolståndet respektive vintersolståndet.
Sommarsolstånd och vintersolstånd
Ju längre norrut man förflyttar sig desto längre blir den period som omfattas av midnattssol respektive polarnatt. Exempelvis för Kiruna råder enligt 'Den Svenska Almanackan' midnattssol från den 29 maj till och med den 14 juli (2013). Solen är alltså uppe 47 dygn i sträck på Kirunas breddgrad. Polarnatten däremot varar bara i 27 dygn.
I Kiruna vid vintersolståndet, omkring den 22 december, når solen inte upp över horisonten. Däremot råder skymning ett antal timmar. Det är följaktligen inte helt nattsvart. Hur mörkt det är under skymning/gryning påverkas naturligtvis av väderförhållandena och även av förekomsten av snötäcke, samt om månen är uppe och vilken fas den har.
En kuriositet är att vid nordpolen går solen upp strax före vårdagjämningen för att därefter vara uppe tills straxt efter höstdagjämningen. På nordpolen liksom på sydpolen är det således under ett års tid bara en lång dag och en lång natt.
Vårdagjämning och höstdagjämning
Höjden över havet
Om man inte befinner sig på en jämn yta exempelvis nära havsytan utan på ett högre berg i Sverige påverkas tiden för solens upp och nedgång något. Om berget skulle vara ca 1000 m över omgivningen så skulle solen gå upp cirka 6 minuter tidigare än sett från en jämn yta.
Motsvarande gäller för nedgången. Detta är en grov skattning men ger en uppfattning om betydelsen. Stora avvikelser från detta finns framförallt på höga breddgrader, exempelvis i nordligaste Sverige.
Längden på vinter- och sommarhalvåret
Ytterligare en kuriositet orsakas av att jordbanan inte är helt rund utan aningen elliptisk. Detta medför att jorden inte har konstant hastighet i sin bana utan rör sig snabbare när vi är som närmast solen. Detta inträffar för närvarande i början av januari.
Om man utgår från vårdagjämningen och räknar tiden fram till höstdagjämningen så erhålls knappt 186 1/2 dagar. Tiden från höstdagjämningen till följande vårdagjämning är lite drygt 178 1/2 dagar.
Denna skillnad gör att dagen på nordpolen är en vecka längre än dagen är på sydpolen. Detta gäller just nu. På mycket lång sikt, tusentals år, ändras jordbanan och förhållandet blir annorlunda.
Längre dag än natt på jorden
En kuriositet i sammanhanget är att om jorden saknade atmosfär och beräkningarna av solens upp och nedgång avser dess mittpunkt så skulle den genomsnittliga dagslängden (sett över ett år) överallt på jorden mellan polcirklarna bli 12 timmar.
Om man tar hänsyn till atmosfären, det vill säga inför refraktionen i beräkningarna, så ökar dagens längd. Ökningen blir större ju flackare solens skenbara bana är relativt horisonten ända tills man passerar någon av polcirklarna.
Detta medför att den genomsnittliga dagslängden över ett år är som längst vid polcirklarna. Eftersom sommarhalvåret är längre på norra halvklotet så är den genomsnittliga dagslängden längre vid norra polcirkeln än vid den södra.
Medelsoldygn och asymmetri
Något kortfattat. Jorden roterar runt sin egen axel åt samma håll som den rör sig runt solen. Denna rotation relativt mycket avlägsna objekt t.ex. stjärnorna (flera ljusårs avstånd) är mycket konstant (även om vi ibland får stoppa in en och annan skottsekund) och är 23 timmar, 56 minuter och 4,099 sekunder.
Ett medelsoldygn (rotation relativt solen i genomsnitt) är 24 timmar så det skiljer nästan 4 minuter. Att dagen, tiden mellan solens upp- och nedgång, har olika längd under året (sommar- vinter) beror ju på jordaxelns lutning och jordklotets variabla hastighet i sin bana runt solen.
Det vi kallar ett dygn är emellertid relaterat till solen. Exempelvis tiden från det att solen befinner sig i samma riktning för en speciell ort. Eftersom jordbanan runt solen är elliptisk så rör sig jorden med något olika hastighet under året. Detta medför att rotationen relativt solen, ett sant soldygn, till exempel tiden från att solen står i söder till nästa gång den gör det, blir något olika lång under året.
Ett dygn relativt solen kommer alltså att ha lite olika längd under året jämfört med det genomsnitt eller medelsoldygn (24 timmar) som våra klockor visar. Medelsoldygnet är valt på så sätt att dess längd är medelvärdet av de sanna soldygnen över ett år.
När jorden har roterat ett varv i förhållande till stjärnorna så har jorden samtidigt rört sig en bit i sin bana runt solen. Därför måste jorden rotera ytterligare ett stycke för att solen skall hamna i samma riktning som föregående dygn. Effekten av detta i kombination med att jordaxelns riktning ändras (relativt solens läge) gör att tiden för soluppgång och nedgång ändras olika snabbt.