Vuorokausi

Vuorokausi on ajanlaskun yksikkö, joka perustuu Maan pyörähdysaikaan akselinsa ympäri. Päivän ja yön vuorottelu tekee vuorokaudesta keskeisen tavan jaksottaa jokapäiväistä elämää. Vuorokausi jakautuu 24 tuntiin, niistä jokainen 60 minuuttiin ja kukin minuutti 60 sekuntiin. Vuorokauden lyhenne on suomen kielessä vrk. Kansainvälisesti käytetään tunnusta d (, ).
Ajan mittaaminen perustuu nykyisin SI-järjestelmän sekuntiin, jonka pituus on määritelty cesiumatomin lähettämän säteilyn jaksonajan mukaan ja on siten riippumaton Maan pyörimisen vaihteluista. Tarkkaan ottaen on siis erotettava kellosta katsottu vuorokausi ja Maan pyörimiseen perustuvat erilaiset tähtitieteelliset vuorokaudet. Yleiskielessä vuorokaudella tarkoitetaan tavallisesti joko kalenterivuorokautta, joka alkaa ja päättyy kello 0.00, tai yleensä 24 tunnin jaksoa.
Päivän ja yön vaihtelu.
Suurimmassa osassa maapalloa jokaiseen vuorokauteen sisältyy valoisa ja pimeä aika, päivä ja yö. Päiväntasaajalla ne ovat aina yhtä pitkät, mutta muualla niiden pituus vaihtelee eri vuodenaikoina. Napapiirien sisäpuolella on osan vuodesta valoisaa ympäri vuorokauden, osan taas pimeää ympäri vuorokauden. Aikajaksojen ilmaisuissa "päivällä" tarkoitetaan usein vuorokautta.
Kalenterivuorokausi ja mittayksikkö.
"Kalenterivuorokausi" alkaa ja päättyy keskiyöllä kello 0.00, samalla kun päivämäärä vaihtuu. UTC-ajan mukainen kalenterivuorokausi on normaalisti tasan 24 tuntia (86 400 sekuntia) pitkä, mutta voi karkaussekunnin vuoksi kestää 86 399 tai 86 401 sekuntia. Kesäaikaan siirryttäessä Suomen "paikallisen ajan" kalenterivuorokausi kestää 23 tuntia (82 800 sekuntia) ja normaaliaikaan siirryttäessä 25 tuntia (90 000 sekuntia).
"SI-järjestelmän vuorokausi" on ajan lisäyksikkö, joka on pituudeltaan tasan 24 tuntia eli 86 400 sekuntia. Se ei siis ole riippuvainen Maan pyörimisen vaihteluista, karkaussekunneista eikä kesäajasta.
Tähtitieteelliset vuorokaudet.
Tähtitieteessä määritellään erilaisia vuorokausia. Merkittävin ero on noin neljän minuutin ero tähtivuorokauden ja aurinkovuorokauden välillä.
Sideerinen eli tähtivuorokausi.
Maan pyörähdysaika inertiaalikoordinaatiston ja kaukaisten tähtien suhteen, , on noin 86 164,099 sekuntia (23 h 56 min 4,099 s).
"Sideerinen vuorokausi" eli "tähtivuorokausi", , määritellään kevättasauspisteen kahden peräkkäisen yläkulminaation väliseksi ajaksi. Maan akselin prekession vuoksi kevättasauspiste liikkuu hitaasti, joten sideerinen vuorokausi on noin 8 millisekuntia Maan pyörähdysaikaa lyhyempi eli 86 164,091 sekuntia (23 h 56 min 4,091 s). Ero on niin pieni, että käytännössä voidaan sanoa, että tähtivuorokauden kuluttua tähtitaivas on jälleen samassa asennossa havaitsijan suhteen.
Tähtivuorokauden mukaan määriteltyä aikaa sanotaan tähtiajaksi. Normaalin ajan tavoin myös tähtiaika ilmaistaan tähtitieteessä tunteina, minuutteina ja sekunteina, mutta nämä ovat hieman lyhempiä kuin tavanomaiset aikayksiköt.
Synodinen eli aurinkovuorokausi.
"Synodinen vuorokausi" eli "aurinkovuorokausi" on Maan pyörähdysaika Auringon suhteen. "Todellinen aurinkovuorokausi" () alkaa ja päättyy keskipäivällä, kun Aurinko on havaintopaikan meridiaanilla. Aurinkovuorokausi on hiukan tähtivuorokautta pitempi, koska tähtivuorokauden aikana Maa on edennyt radallaan melkein asteen, ja Maan on siten pyörähdettävä vielä hiukan lisää, jotta Aurinko näkyisi taas samassa suunnassa.
Todellisen aurinkovuorokauden pituus vaihtelee vuoden aikana noin minuutin verran, sillä Auringon näennäinen liike ei ole tasaista. Tähän on kaksi syytä: Maan ratanopeus vaihtelee vuoden mittaan johtuen radan elliptisyydestä, ja Aurinko ei liiku pitkin ekvaattoria vaan ekliptikaa. Pisimmillään aurinkovuorokausi on joulukuun lopulla (noin 4 min 27 s tähtivuorokautta pidempi) ja lyhimmillään syyskuun puolivälissä (noin 3 min 35 s tähtivuorokautta pidempi).
Tämän vuoksi määritellään kuviteltuun tasaisesti liikkuvaan aurinkoon perustuva keskiaurinkovuorokausi (), joka on noin 3 min 56 s pitempi kuin tähtivuorokausi eli noin 86 400 sekuntia.
Kalenterivuorokausi on lähes yhtä pitkä kuin keskiaurinkovuorokausi. Edes keskiaurinkovuorokauden pituus ei kuitenkaan pysy tarkkaan vakiona, minkä vuoksi sekunti on nykyisin määritelty Maan pyörimisliikkeestä riippumattomalla tavalla. Koordinoitu yleisaika (UTC) on sekunnin määritelmään perustuva yleinen aika-asteikko, johon nähden eri aikavyöhykkeiden ajat ovat täysiä tunteja edellä tai jäljessä. Koordinoitu yleisaika säädetään tarvittaessa karkaussekuntien avulla vastaamaan aina sekunnin tarkkuudella nollameridiaanin eli Greenwichin meridiaanin keskiaurinkoaikaa.
Vuorokauden piteneminen.
Maan pyörimisliike hidastuu vähitellen Kuun vetovoiman aiheuttaman vuorovesi-ilmiön vuoksi, joten niin tähti- kuin aurinkovuorokausi pitenevät jatkuvasti, noin 1–5 millisekuntia vuosisadassa. Tasaisen hidastumisen lisäksi pyörimisessä esiintyy millisekuntien suuruusluokkaa olevia epäsäännöllisyyksiä.
Epäsäännöllisyyttä aiheuttavat muun muassa Maan sisäosien liikkeet. Maan pyörähdysajassa havaitaan myös noin millisekunnin suuruinen vuotuinen vaihtelu, jonka arvellaan johtuvan tuulista ja vuorovesistä. 1970-luvun alussa keskiaurinkovuorokausi oli noin 24 tuntia ja 3 millisekuntia. Sen jälkeen Maan pyöriminen on taas nopeutunut ja vuonna 2008 keskiaurinkovuorokausi oli noin 24 tuntia ja 0,87 millisekuntia. Tähtitieteellisten havaintojen perusteella aurinkovuorokauden pituuden vaihteluita on laskettu taaksepäin 1600-luvulle saakka.
Vuorokauden pitenemisen vuoksi kelloihin joudutaan lisäämään karkaussekunti aina silloin tällöin.
Pitemmällä aikavälillä vuorokauden keskimääräiseksi pitenemisvauhdiksi on arvioitu historiallisten tähtitieteellisten havaintojen perusteella 2,4 ms vuosisadassa vuosina 700 eaa. – 1000 jaa., ja 1,4 ms vuosisadassa vuodesta 1000 nykyhetkeen.
Vielä pidemmän aikavälin muutoksia on tutkittu geologisesti. Aurinkovuorokauden pituuden on arvioitu olleen
Muut taivaankappaleet.
Vuorokaudeksi kutsutaan myös muiden taivaankappaleiden, kuten planeettojen pyörähdysaikoja. Planeetan "pyörähdysajalla" tarkoitetaan tällöin yleensä sideeristä pyörähdysaikaa ja planeetan "vuorokaudella" synodista pyörähdysaikaa Auringon suhteen. Maapallon pyörimiseen perustuvaa aikayksikköä voidaan tällöin selvyyden vuoksi kutsua "Maan vuorokaudeksi".
Aurinkokunnan planeettojen sideeriset pyörähdysajat vaihtelevat Jupiterin noin 0,41 vuorokaudesta Venuksen noin 243 vuorokauteen.
Etymologia.
Suomen sana "vuorokausi" on todennäköisesti muodostunut sellaisista työvuoroista, joiden pituus on ollut vuorokauden mittainen. Esimerkiksi kylän yhteinen mylly oli tietyn talon käytössä yhden vuorokauden. Työ tehtiin siis valmiiksi tarvittaessa yötä myöten, sillä seuraavaa päivää ei ollut lupa käyttää.