Från yngre stenåldern till nutid, mängden solljus vi ser på en dag har haft en djupgående inverkan på den mänskliga kulturen. Vi närmar oss med stormsteg vintersolståndet för norra halvklotet, som äger rum den 21 december. Detta är den längsta natten på året – en gång firades som "Yule" av det hedniska folket i Nordeuropa innan det blev jul.

Stonehenge och den närliggande neolitiska platsen Durrington Walls (cirka 2, 500 f.Kr.) byggdes var och en för att vara orienterad för att möta midvintersolnedgången respektive soluppgången. Detta fokus på vintersolståndet var en viktig tid präglad av fester och möjligen djuroffer.

årtusenden senare, romarna firade Saturnalia (fram till 300-talet e.Kr.) - en högtid under veckan av vintersolståndet tillägnad guden Saturnus, som involverar spel och munterhet. Den sista dagen av Saturnalia kallades "dies natalis solis invicti" (den obesegrade solens födelsedag) av romarna, som firade det genom att ge gåvor till varandra den 25 december. Den hedniska anglosaxiska händelsen känd som Yule var i full gång under vintersolståndet några århundraden efter det, så småningom utvecklas till den festival vi nu känner som jul.

Lutande planet

Men vad orsakar vintersolståndet? Vår planet har en axiell lutning (på 23,4°) i förhållande till dess omloppsplan runt solen, vilket resulterar i årstiderna. vinter- och sommarsolståndet, och vår- och höstdagjämningarna, är de extrema punkterna i var och en av dessa årstider (se bild). På vintern, jordens lutning bort från solen gör att solljuset sprids ut över en större yta än på sommaren. Det gör också att solen går upp senare och går ner tidigare, ger oss färre timmar av solljus och kallare temperaturer.

När det händer, riktningen för jordens lutning ändras över tiden. Dessa variationer har varit kända sedan de gamla grekernas tid. Hipparchus, en av grundarna av modern astronomisk teknik, skrev en av de första omfattande stjärnkatalogerna 129 f.Kr. Efter att ha sammanställt sin katalog, han märkte att stjärnornas position hade ändrats från de i mycket tidigare uppteckningar, som den babyloniska.

Intressant, stjärnorna verkade ha flyttat sin position lika mycket, och han insåg att nordens läge på himlen måste ha flyttats under de mellanliggande århundradena. För närvarande, vårt himmelska norr är markerat av positionen för stjärnan Polaris. Men så var det inte alltid.

Rotationen av ett snurrande föremål, som jorden, kan påverkas av yttre krafter. Med tanke på att jorden redan snurrar, någon kraft som appliceras på den, såsom gravitation från månen eller andra kroppar i solsystemet, kommer att ändra denna rotation (känd som vridmoment). Resultatet på jorden kallas för dagjämningarnas precession – ett fenomen som påverkar våra observationer av stjärnorna. Ett synligt exempel på detta i mindre skala visas flera gånger under filmen Inception, där precessionen av en snurra användes för att avgöra om huvudpersonen var i verkligheten, eller fortfarande drömmer.

För jorden, denna precession spårar ut en cirkel på himlen en gång var 26, 000 år (se bild nedan). I 3, 000 f.Kr., det himmelska norr var stjärnan Alpha Draconis (Thuban), i stjärnbilden Draco. Med tanke på att vi kan förutsäga denna rörelse, vi vet att 13, 000 år från nu kommer vår nordstjärna att vara Vega, i stjärnbilden Lyrae.

Detta påverkar också början av årstiderna under längden av ett år som en del av denna 26, 000 års cykel, och har därför viktiga konsekvenser för alla som försöker tillskriva någon kulturell betydelse till en viss punkt under en given säsong. Tiden det tar för jorden att kretsa runt solen är ungefär 365,25 dagar, vilket innebär att vi har en extra dag vart fjärde år. Som jämförelse, Precessionen av dagjämningarna resulterar i cirka 20 minuters skillnad mellan jordens omloppsperiod mätt mot de fasta bakgrundsstjärnorna (ett sideriskt år), och den tid det tar för solen att dyka upp för att återgå till samma position på himlen varje år (ett solår).

Som en historisk sida, det var diskrepansen mellan solårets längd och längden på ett år som definierats av den julianska kalendern som föranledde konverteringen till den för närvarande använda gregorianska kalendern. Dagjämningarnas precession var känd och hade orsakat en diskrepans på några dagar, vilket fick rådet i Nikea att ändra vårt kalendersystem.

Under den julianska kalendern, ursprungligen etablerad av romarna 46 f.Kr. Nyårsdagen i England brukade vara den 25 mars, och detta användes också för att definiera beskattningsårets början. Antagandet av den gregorianska kalendern 1752 flyttade fram datumet för skatteåret med 11 dagar, men sätt nyår till den 1 januari. för att undvika 11 dagars förlorade skatteintäkter, dåtidens regering satte vårt skatteår att börja den 6 april där det finns kvar än i dag.

Så, med tanke på att det finns 1, 440 minuter på en dag, och en skillnad på 20 minuter mellan sideriska och solår, sedan under en period av 72 år skulle datumen för dagjämningarna (och solstånden) flyttas bakåt i kalendern med en hel dag, om de inte korrigerades för (vilket de är). Det betyder att en romare som använder vintersolståndet som referenspunkt för tidpunkten för julen skulle ha firat jul i slutet av vår november. Ännu längre bak, byggarna av Stonehenge skulle ha upplevt vintersolståndet i vår september.

Jul på Mars

Vintersolståndet har helt klart varit viktigt historiskt, men hur är det med framtiden? Kanske om några hundra år, människors nybyggare kommer att fira jul på Mars. Planeten Mars har också en axiell lutning (25,2°), och därav årstider som vi gör. Mars upplever också en precession av dagjämningarna, men precessionsperioden är mindre stabil än jordens. En fullständig marsprecession är ungefär 167, 000 år.

Det norra halvklotet vintersolståndet på Mars har bara passerat, inträffar den 16 oktober. Eftersom ett sideriskt år på Mars är 687 jorddagar, nästa vintersolstånd på norra halvklotet på mars kommer inte att inträffa förrän den 2 september, 2020.

Detta betyder att alla framtida Mars-kolonister som vill återskapa vintersolståndets "festligheter" vid Durrington Walls för tusentals år sedan eller, kanske, bara julfirande, skulle behöva vänja sig vid att fira under olika marssäsonger nästan varje år.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.