Вращение Земли вокруг Солнца
Смена времён года происходит не потому, что Земля то приближается к Солнцу, то удаляется от него. Главные причины — годовое движение Земли по орбите и наклон её оси к плоскости орбиты: из-за этого в течение года меняются высота Солнца над горизонтом и продолжительность дня.
Движение Земли и наклон оси
Земля одновременно вращается вокруг собственной оси и движется вокруг Солнца. Вращение вокруг оси вызывает смену дня и ночи, а полный оборот вокруг Солнца составляет год. Орбита Земли близка к окружности, но строго говоря является эллипсом; подробнее её особенности рассматриваются на странице земная орбита.
Земная ось наклонена к перпендикуляру к плоскости орбиты примерно на \(23{,}5^\circ\). Поэтому при движении по орбите разные полушария поочерёдно оказываются наклонёнными к Солнцу. Наклон оси сохраняет почти постоянное направление в пространстве в течение года, хотя Земля меняет положение на орбите.
Смена времён года — закономерное изменение условий освещения и нагревания земной поверхности в течение года, вызванное наклоном земной оси и обращением Земли вокруг Солнца.
Если полушарие наклонено к Солнцу, в нём лето: солнечные лучи падают более отвесно, а день длится дольше. Если полушарие наклонено от Солнца, в нём зима: лучи падают косо, а день короче.
Почему меняются нагревание и высота Солнца
В течение года меняется положение Солнца относительно небесного экватора. Когда Солнце находится выше над горизонтом, его лучи падают на меньшую площадь поверхности и сильнее нагревают её. Когда Солнце низко, тот же поток энергии распределяется по большей площади, а лучи проходят более длинный путь в атмосфере.
В Северном полушарии около июня Солнце поднимается выше, световой день длиннее — наступает астрономическое лето. Около декабря Солнце ниже, день короче — астрономическая зима. В Южном полушарии сезоны противоположны: когда на севере лето, на юге зима.
В формуле (1) \(h_{\max}\) — высота Солнца над горизонтом в истинный полдень, \(\varphi\) — географическая широта места, \(\delta\) — склонение Солнца. Склонение изменяется от \(-23{,}5^\circ\) до \(+23{,}5^\circ\) в течение года.
Продолжительность дня \(D\) определяется не только датой, но и широтой. На экваторе день и ночь почти всегда близки к 12 часам. Чем дальше от экватора, тем сильнее сезонные различия: летом день длиннее, зимой короче.
Времена года связаны с освещением, а не просто с расстоянием до Солнца. Более того, в январе Земля находится немного ближе к Солнцу, чем в июле, но в Северном полушарии в январе зима.
Какое условие непосредственно объясняет лето в Северном полушарии?
Равноденствия и солнцестояния
В году выделяют четыре астрономически важные даты. В дни равноденствий примерно 20–21 марта и 22–23 сентября Солнце находится над экватором. День и ночь в среднем близки к 12 часам, а солнечные лучи падают отвесно на экватор. После мартовского равноденствия в Северном полушарии начинается астрономическая весна, после сентябрьского — осень.
В день летнего солнцестояния около 20–21 июня Северное полушарие максимально наклонено к Солнцу. Солнце в полдень находится в зените над Северным тропиком, а в Северном полушарии наблюдаются самый длинный день и самая короткая ночь. За Северным полярным кругом возможно полярное сияние? Нет: там в этот период бывает полярный день.
В день зимнего солнцестояния около 21–22 декабря Южное полушарие максимально наклонено к Солнцу. Солнце в зените над Южным тропиком, в Северном полушарии — самый короткий день и самая длинная ночь, а за Северным полярным кругом возможна полярная ночь.
| Дата или период | Северное полушарие | Положение Солнца в зените |
|---|---|---|
| 20–21 марта, равноденствие | Начало весны; день и ночь близки к 12 часам | Экватор |
| 20–21 июня, летнее солнцестояние | Самый длинный день; начало лета | Северный тропик |
| 22–23 сентября, равноденствие | Начало осени; день и ночь близки к 12 часам | Экватор |
| 21–22 декабря, зимнее солнцестояние | Самый короткий день; начало зимы | Южный тропик |
Полярный день — период, когда Солнце не заходит за горизонт более суток. Полярная ночь — период, когда Солнце не поднимается над горизонтом более суток. Эти явления наблюдаются в районах за полярными кругами и достигают наибольшей продолжительности у полюсов.
Продолжительность дня и широта
На одной и той же широте продолжительность дня меняется в течение года. В Северном полушарии от мартовского до сентябрьского равноденствия день в целом длиннее ночи, а от сентябрьского до мартовского равноденствия — короче. В Южном полушарии картина обратная.
На экваторе продолжительность дня почти постоянна. На средних широтах сезонные различия заметны. Вблизи полярных кругов летом возможен непрерывный день, зимой — непрерывная ночь. На полюсах день и ночь длятся примерно по полгода, хотя переходы между ними занимают некоторое время.
Точные моменты восхода и заката зависят также от рельефа, рефракции атмосферы и принятого определения восхода. Поэтому фактическая продолжительность светлого времени может немного отличаться от упрощённой схемы.
1. Нельзя объяснять смену времён года главным образом расстоянием до Солнца. 2. В день равноденствия в реальности не всегда ровно 12 часов светло: учитываются рефракция и размеры солнечного диска. 3. Лето в полушарии означает не только более длинный день, но и большую высоту Солнца. 4. Сезоны в Северном и Южном полушариях противоположны. 5. Самый длинный день не совпадает с самым жарким днём: поверхность и атмосфера прогреваются с запаздыванием.
Разбор экзаменационной задачи
Определим высоту Солнца в истинный полдень 21 июня в пункте с широтой \(56^\circ\) с. ш. В день летнего солнцестояния склонение Солнца приблизительно равно \(+23{,}5^\circ\).
Нужно найти \(h_{\max}\) и сделать вывод о продолжительности дня в пункте Северного полушария.
Если бы тот же пункт находился в декабре, склонение Солнца было бы примерно \(-23{,}5^\circ\). Солнце поднялось бы ниже, а продолжительность дня стала бы меньше 12 часов. Так в задачах связывают дату, широту, высоту Солнца и сезон.
Связь с другими явлениями
Смена освещённой и неосвещённой частей Земли связана с терминатором, а чередование дня и ночи — с вращением Земли вокруг оси. Время между двумя последовательными полуднями называют солнечными сутками; о них подробнее рассказывается на страницах день и ночь и сутки.
Начало астрономического сезона определяют по равноденствию или солнцестоянию, а календарное распределение дат учитывает продолжительность года. Из-за того что полный оборот Земли занимает примерно \(365{,}24\) суток, календарь периодически добавляет дополнительный день в високосный год.
Главное
- Смена времён года вызвана сочетанием годового движения Земли и наклона земной оси примерно на \(23{,}5^\circ\).
- Наклонённое к Солнцу полушарие получает более отвесные лучи и имеет более длинный день; там лето.
- Равноденствия связаны с близкой продолжительностью дня и ночи, солнцестояния — с крайними значениями продолжительности дня.
- Чем выше широта, тем сильнее сезонные изменения продолжительности дня; за полярными кругами возможны полярный день и полярная ночь.
- Расстояние до Солнца не является главной причиной смены времён года.