L’orologio solare, (impropriamente chiamata meridiana), rappresenta uno degli strumenti più antichi per fornire l’ora; tale strumento era già in uso presso i babilonesi, importato dai romani ed ampiamente diffuso in Europa fino al XVII secolo.

Il temine non va confuso con meridiana, la quale  si riferisce ai quadranti che indicano solo il mezzogiorno.

In generale, ci sono diversi tipi e forme di orologi solari; i più comuni sono quelli disegnati sulle pareti degli edifici, costituiti da una tavola piana (o un disegno) sulla quale cade l’ombra di uno stilo detto gnomone. L’ombra dello gnomone (la sua lunghezza o la punta della sua ombra) è utilizzata per indicare l’ora solare del luogo.

Gli gnomoni si distinguono in:

•  stilo polare: lo gnomone è parallelo all’asse terrestre e la direzione dell’ombra indica, sul quadrante delle ore, l’ora locale.
• stilo normale: lo gnomone è perpendicolare alla parete; in tal caso la punta dello gnomone indica l’ora solare del luogo.

Durante il dì, grazie al movimento apparente del Sole lungo l’eclittica, lo gnomone proietta la sua ombra su un piano come ad esempio è mostrato nell’animazione qui sotto; sul piano è presente una metrica che consente di conoscere l’ora solare, la data e altro.
Nella figura in particolare, lo gnomone è rappresentato su un piano orizzontale.

Esempio di linea d’ombra percorsa dal Sole per uno stilo verticale (in rosso) posto a circa 45° di latitudine. (Clicca per far partire l’animazione) – Fonte Open Source Phisics

Sul piano sono tracciate due famiglie di linee:

• Una serie di linee convergenti verso la base dello stilo chiamate linee orarie: nei quadranti verticali la linea verticale indica il mezzogiorno vero.
• Una serie di iperboli che tagliano le linee orarie: ciascuna rappresenta l’arco percorso dall’estremità dell’ombra dello stilo. Ogni linea rappresenta una data del calendario; quella centrale è retta e rappresenta il percorso dell’ombra del Sole nei giorni degli equinozi e si chiama linea equinoziale.

Le due linee estreme (quella superiore ed inferiore) di quest’ultima famiglia sono due iperboli e corrispondono una al solstizio d’estate (quella in basso) e l’altra al solstizio d’inverno (quella in alto). Si chiamano anche le linee solstiziali.

Due parametri fondamentali necessari alla costruzione di una meridiana sono: la latitudine del luogo in cui si trova e quanto è declinante il muro sul quale verrà infisso lo gnomone.

Quest’ultimo parametro rappresenta quanto è inclinato il muro rispetto alla direzione sud: in un quadrante verticale la cui parete volge perfettamente a sud la linea equinoziale sarà orizzontale, altrimenti sarà inclinata tanto più quanto maggiore è l’angolo che il piano fa con la direzione sud. C’è un modo molto semplice per capire in che direzione è declinante il muro, basta guardare la linea equinoziale: se è declinante verso est la linea equinoziale sarà inclinata dall’alto a sinistra verso il basso a destra, altrimenti sarà declinante verso ovest.

La meridiana indica sempre l’ora vera del luogo; per avere l’ora di tempo media (ovvero quella dell’orologio da polso) bisogna applicare l’equazione del tempo ed aggiustare l’ora in base alla DST (Daylight Saving Time) del luogo (se prevista).

L’equazione del tempo a volte è disegnata a lato delle linee orarie e possiede l’andamento seguente:

Equazione del tempo per il 2013

Altre volte è disegnata lungo le linee orarie; in tal caso si ottiene una particolare figura chiamata lemniscata (ovvero una equazione del tempo avvolta su se stessa intorno alla linea delle ore); la lemniscata  a cavallo della linea meridiana è il luogo dei punti dove si trova l’ombra dello gnomone del mezzogiorno medio locale.

Per passare al mezzogiorno legale, cioè al mezzogiorno medio del fuso (TMEC), bisogna aggiungere la correzione dovuta alla differenza di longitudine della località dal meridiano centrale del fuso.

Nei quadranti ad ore temporarie le linee orarie vanno tracciate diversamente, a seconda che si tratti di ore italiche o babilonesi.

A mezzogiorno vero, dal rapporto fra la distanza dell’estremità dell’ombra con la base dello stilo e all’altezza dello gnomone dà la massima altezza diurna del Sole (h) in quel luogo.

Vale infatti la seguente formula:

d = h + phi – 90°

dove con d si intende la declinazione del Sole e phi è la latitudine del luogo.