Взимку земля ближче до сонця. Чому взимку холодно, а влітку тепло
Повинно бути, вчені мужі XVII століття були сильно здивовані і випробували чимало невдоволення, ознайомившись з книгою Йоганна Кеплера «Нова астрономія». Ще б пак, адже німецький математик закликав ні багато ні мало відмовитися від кругових орбіт, по яких рухаються планети, і замінити їх еліпсами! Астрономи ще не осмислили до кінця революційні ідеї Коперника, який розмістив в центр світу Сонце і довівши, таким чином, Землю до статусу рядової планети, як було завдано другий удар по двотисячолітньої системі світу Птолемея.
Еліпси! Це майже святотатсво! Коло - досконала фігура, і як же ще рухатися тіл в небесному світі, як не по кругових орбітах! Але теорія Кеплера пояснювала рух планет краще, ніж будь-яка з теорій, що використала кругові орбіти. На її основі можна було робити більш точні прогнози, в якій точці неба виявиться та чи інша планета через рік, десять, сто років. Теорія працювала!
Земля, як і інші планети, теж рухається навколо Сонця не по круговій, а по еліптичній, витягнутій орбіті. Це означає, що одну частину свого шляху наша планета наближається до Сонця, А іншу частину - видаляється. Точка, коли Земля розташовується ближче всього до зірки, називається перигелієм , А найбільш віддалена від Сонця точка орбіти називається афелием . Як наслідок, розміри Сонця на нашому небі повинні змінюватися.
Різниця в розмірах Сонця, коли Земля знаходиться в перигелії і в афелії. фото: Raffaele Esposito
Раз Земля рухається по еліпсу, її рух нерівномірно. Через те що сила тяжіння зменшується зі збільшенням відстані між тяжіють тілами, поблизу Офелія Земля повинна рухатися повільніше, Ніж в перигелії. Зрозуміло, це знаходить відображення в русі Сонця по небу світило рухається на тлі зірок то швидше, то повільніше (мається на увазі не щоденне рух Сонця зі сходу на захід, а друге, річне рух на тлі сузір'їв!). Повинні мати різну тривалість і пори року, адже той сезон, в який Земля знаходиться ближче до Сонця, наша планета «проскакує» швидше, ніж інші.
Та все це - очевидні слідства трьох законів Кеплера, але в звичайному житті вони проходять зазвичай поза нашою увагою. І це не дивно - земна орбіта майже коло, витягнутість її невелика. Чи не проводячи спеціальних спостережень, помітити ефекти від руху Землі по еліпсу практично неможливо.
Це довге передмову було зроблено для того, щоб сказати про головне: сьогодні, 4 січня 2015 року, Земля знаходиться в перигелії до Сонцю - в найближчій до зірки точці своєї орбіти. Точна датаподії - 4 січня в 6:36 за всесвітнім часом, або о 09:36 за московським.
Саме сьогодні Сонце ближче до Землі, ніж в будь-який інший день року, а значить, саме сьогодні Земля отримає від Сонця найбільшу кількість світла і тепла в 2015 році!
Коли Земля найближче до Сонця, в північній півкулі панує зима. Цей чудовий знімок сонячного гало зроблено 2 січня 2015 року на Алясці. © Tracey Mendenhall Porreca
Дивно? Зовсім немає! Згадаймо, що пори року змінюються не тому, що Земля знаходиться ближче, то далі від Сонця, а тому, що вісь обертання нашої планети нахилена до площини земної орбіти. В результаті Сонце півроку висвітлює в основному північну півкулю Землі, а іншу половину року - південне. Тому в південній півкулі Землі зараз панує справжнісінька літо!
Втім, як ми вже писали в минулому році, півроку - це груба прикидка. Подивимося уважніше.
Кордонами астрономічних сезонів служать моменти рівнодення і сонцестояння. (Це не довільно вибрані дати, а особливі точки на орбіті Землі, які відзначають ключові «етапи» процесу освітлення Землі Сонцем /) Наприклад, астрономічне літо триває від моменту літнього сонцестояння, яке в різні рокинастає 20, 21 або 22 червня, до осіннього рівнодення, що настає 22 або 23 вересня. Таким чином, тривалість літа дорівнює 93,6 дня. Осінь триває від осіннього рівнодення до моменту зимового сонцестояння, Що настає 21 або 22 грудня. Порахуємо кількість днів на календарі між цими датами і переконаємося, що осінь на цілих 4 дні коротше! - її тривалість дорівнює 89,8 днів! Ще коротше зима - тільки 89 днів. Нарешті, тривалість весни становить 92,8 днів. Ось наочний доказ того, що Земля рухається по еліпсу і взимку знаходиться ближче до Сонця, ніж влітку!
Втім, різниця у відстанях до Сонця влітку і взимку невелика - всього близько 5 мільйонів км. Сьогодні воно дорівнює 147 мільйонів 096 тисяч 204 кілометри. В афелії вона перевищить 152 мільйони кілометрів. Відстань варіюється в межах приблизно 3%. Настільки ж змінюється і розмір Сонця на нашому небі - абсолютно непомітно для неозброєного ока!
Ми всі чудово знаємо, що в різні пори року Сонце поводиться по-різному. Влітку воно сходить рано, йде високо по небу і заходить пізно. Взимку, навпаки, Сонце показується над горизонтом пізно і, зробивши низький і короткий шлях по небу, рано заходить. Влітку день довгий, ніч коротка; взимку день короткий, ніч довга. Навесні і восени день і ніч за тривалістю мало відрізняються один від одного. Чим все це пояснити? Адже ми знаємо, що зміна дня і ночі, тобто схід і захід Сонця, відбувається тому, що Земля обертається навколо своєї осі. Що ж вона не весь рік крутиться однаково? А може бути, тривалість дня і ночі залежить ще від якоїсь іншої причини?
Щоб з'ясувати це, розберемо докладніше, як поводиться Сонце в різні пори року і який існує зв'язок між поведінкою Сонця і змінами погоди.
І влітку і взимку Сонце сходить в східній частині горизонту, заходить в західній, а в полудень буває на півдні найвище над горизонтом. Але влітку Сонце сходить між сходом і північчю, тобто на північному сході, а заходить між заходом і північчю, тобто на північному заході. Завдяки цьому його видимий шлях по небу довгий, і має пройти багато часу, щоб Сонце могло дістатися до півдня; протягом цього часу Сонце встигне піднятися високо. Взимку Сонце сходить між сходом і півднем, тобто на південно-сході, а заходить між заходом і півднем, тобто на південно-заході. Шлях його по небу коротше, ніж влітку. До півдня Сонце доходить за порівняно недовгий час і не встигає піднятися на значну висоту (рис. 5).
Мал. 5. Відомий шлях Сонця над горизонтом в різні пори року
Візьмемо, для прикладу, Москву. Влітку в Москві, в кінці червня, Сонце буває над горизонтом приблизно 17 з половиною годин, а взимку, в кінці грудня, всього лише 6 з половиною. Опівдні, коли Сонце на півдні, влітку воно буває в 5 з гаком разів вище над горизонтом, ніж взимку.
Неважко зрозуміти, що саме завдяки такій різниці в поведінці Сонця взимку і влітку, взимку буває холодно, а влітку тепло. Адже влітку Сонце значно довше освітлює поверхню Землі, ніж взимку. А сонячні промені дають Землі не тільки світло, а й зігрівають її.
Але ще більше значення має різниця в висоті шляху Сонця над горизонтом. Коли Сонце стоїть на небі низько, його променям доводиться проходити через товстий шар повітряної оболонки, який не тільки послаблює світло Сонця, а й затримує теплоту його променів. Крім того, сонячні промені падають в цьому випадку на земну поверхнюне прямо, а навскіс, як би ковзаючи вздовж неї. В результаті всього цього при низькому положенні Сонця сонячні промені дуже мало зігрівають грунт.
Зовсім інше виходить, коли Сонце стоїть високо над горизонтом. Тоді сонячні промені проходять через порівняно тонкий шар повітря і падають на земну поверхню майже прямовисно. Завдяки цьому вони сильно зігрівають грунт.
Мал. 6. Шлях сонячних променів при низькому і при високому положеннях Сонця
Подивіться на рис. 6. У лівій частині малюнка показано, як падає на Землю пучок сонячних променів, коли Сонце знаходиться низько на небі. У правій частині малюнка показаний падаючий на Землю пучок променів від Сонця, коли воно стоїть високо в небі. Один і той же пучок променів в першому випадку (коли Сонце низько) висвітлює значно більшу площу на земній поверхні і проходить більш товстий шар повітря, ніж у другому випадку. Звідси зрозуміло, чому зимовий Сонце майже не гріє, а літній, навпаки, гріє дуже сильно.
Таким чином, ми бачимо, що зимові холоди пояснюються тим, що взимку Сонце буває недовго над горизонтом і його промені майже не зігрівають поверхню Землі. Влітку ж, навпаки, Сонце буває над горизонтом довго, і його промені сильно гріють Землю. Тому-то влітку і буває тепло.
Сезонна температура - температура влітку і взимку - залежить від кількості тепла, яке отримують різні регіони землі від Сонця. Щоб температура в якійсь місцевості була постійною, повинен бути баланс між кількістю тепла, яке вона отримує, і температурою, яке вона випромінює в космос. Якщо тепла отримують більше, ніж випромінюють, то ставати тепліше. Якщо навпаки - холодніше. Чому кількість енергії, яке отримує дана місцевість від Сонця, змінюється протягом року.
Дві теорії холодної зими і теплого літа
Для пояснення відмінностей температури в різні сезони року застосовують дві популярні теорії.
Одна з них бачить причиною того, що взимку холодно, а влітку тепло, відмінності у відстанях від Землі до Сонця при її русі по еліптичній орбіті. Земля знаходиться від Сонця на відстані (147,1 мільйон кілометрів при мінімальному видаленні - в перигелії і 152,1 мільйон кілометрів при максимальному видаленні - в афелії).
Інша теорія вважає причиною пір року на Землі те, що земна вісь має нахил по відношенню до площини орбіти.
Далі від Сонця - не холодніше
Якби перша теорія була повністю справедливою, то в обох півкулях землі - північному і південному - були б одні і ті ж часи року. Однак, в цілому цього не спостерігається.
Більш того, Земля досягає перигелію - мінімального віддалення від Сонця якраз, коли в північній півкулі зима - на початку січня, коли холодно, а максимального видалення - Офелія - влітку, в липні, коли тепло!
Причина зими і літа - нахил осі обертання Землі
Друга теорія бачить причину змін пір року - від зими до літа і назад - в тому, що вісь обертання Землі нахилена на 23,5 градусів по відношенню до екліптики - площини орбіти Землі навколо Сонця. Ця вісь завжди проходить через північний і південний небесні полюси Землі. Північний полюс спрямований приблизно на Полярну зірку.
Малюнок 1 - Північна півкуля Землі взимку
(Клікнути для збільшення - по всіх малюнках)
Малюнок 2 - Північна півкуля Землі влітку
Коли північну півкулю Землі нахилене в бік від Сонця, то промені Сонця вдаряють в північну півкулю як би «мимохідь». А в південній півкулі промені падають майже «в лоб». Тоді на північній півкулі наступає зима, а на південному - навпаки, літо.
Влітку і взимку - різні кути падіння
Коли північну півкулю Землі нахилене в бік до Сонця, то навпаки промені Сонця падають на північну півкулю «в лоб», а в південне - «побіжно». Тоді на північній півкулі настає літо, а на південному - навпаки, зима.
Влітку сонячні промені падають про земну поверхню майже перпендикулярно, концентруючи тим самим енергію. Ця концентрована енергія здатна нагрівати поверхню швидше, ніж в зимовий час, Коли сонячні промені падають на земну поверхню під більш ковзаючим кутом. Тому взимку холодніше, ніж влітку. Одна і та ж енергія потрапляє на різні площі земної поверхні: влітку менше, взимку більше (малюнки 3 і 4). Іншими словами: влітку щільність сонячної енергії, яка потрапляє на земну поверхню більше, ніж взимку.
Малюнок 3 - Мала щільність сонячної енергії взимку
Малюнок 4 - Велика щільність сонячної енергії влітку
Крім того, влітку Сонце знаходиться довше над горизонтом і тому має більше часу, щоб розігріти все навколо до більш високої температури, ніж взимку (малюнки 5 і 6).
Малюнок 5 - Сонячне світло для північної півкулівзимку
Малюнок 6 - Сонячне світло для північної півкулі влітку
Зима і літо на інших планетах
Осі обертання більшості інших планет сонячної системитакож нахилені по відношенню до їх орбітальним площинах. Тому вони теж мають сезонні змінисвоєї температури.
Меркурій, Юпітер і Венера мають дуже маленький нахил осі - не більш 3 градусів. Для цих планет в сезонних змінах температури значно більшу роль може грати - на відміну від Землі - зміна їх відстані до Сонця. Однак, тільки Меркурій має велике розходження між перигелієм і афелием - максимальним і мінімальним відстанню до Сонця. Надзвичайно «рідка» атмосфера Меркурія не дає можливості збереження на поверхні будь-якої сонячної енергії. Орбіти Юпітера і Венери є майже круговими, а їх атмосфери дуже щільними. Тому сезонні зміни їх температур майже дорівнюють нулю.
Зима і літо на Марсі
Марс, а також Сатурн і Нептун, мають нахили своїх осей обертання схожі на земні. Однак Сатурн і Нептун мають нульові зміни температури завдяки їх дуже щільним атмосферам, а також майже кругових орбітах.
Марс має вельми великі сезонні зміни температури так як у нього дуже «рідка» атмосфера, а орбіта сильно ексцентрична. Південна півкуля знаходиться найближче до Сонця протягом свого літа і найдалі - коли там зима. З тих же причин північну півкулю Марса має більш м'які сезонні зміни, ніж його південну півкулю. Оскільки планети рухаються по своїх орбітах найповільніше, коли вони найдалі від Сонця, то на південній півкулі короткі, гарячі літа і довгі, холодні зими.
Времена года Урана
Времена года Урана - найцікавіші, тому що він обертається навколо Сонця, так би мовити, на боці - вісь Урана нахилена до площини орбіти на 98 градусів. Половина «уранского» року одне з його півкуль знаходиться весь час під сонячним світлом, а іншу півкулю - весь час в тіні. В іншу половину року ці півкулі міняються місцями. Щільна атмосфера Урана розподіляє сонячну енергію від однієї півкулі до іншого досить ефективно, так що сезонні зміни температури там майже не помітні.
Вічна зима на Плутоні
Ось Плутона також нахилена на великий кут - 122,5 градусів, його орбіта - сама еліптична з усіх планет. До того ж він має дуже слабку атмосферу. Плутон завжди так далеко від Сонця, що знаходиться в постійній «заморожування» - при температурі близько мінус 220 градусів. Ось уже де, дійсно холодно - і влітку, і взимку.
Сонце - це головне джерело тепла і єдина зірка нашої Сонячної системи, яка, подібно до магніту, притягує все планети, супутники, астероїди, комети і інших "мешканців" космосу.
Відстань від Сонця до Землі більш 149 мільйонів кілометрів. Саме цю віддаленість нашої планети від Сонця прийнято називати астрономічної одиницею.
Незважаючи на значне видалення, ця зірка має великий вплив на нашу планету. Залежно від положення Сонця на Землі день змінює ніч, літо приходить на зміну зимі, виникають магнітні бурі і утворюються найдивовижніші полярні сяйва. А найголовніше - без участі Сонця на Землі неможливий був би процес фотосинтезу - основного джерела кисню.
Положення Сонця в різні пори року
Наша планета рухається навколо небесного джерела світла і тепла по замкнутій орбіті. Цей шлях схематично можна уявити собі у вигляді витягнутого еліпса. Саме Сонце розташовується не в центрі еліпса, а трохи осторонь.
Земля то наближається, то віддаляється від Сонця, завершуючи повний оберт навколо Землі за 365 днів. Найближче до світила наша планета перебуває в січні. У цей час відстань скорочується до 147 млн.км. Точка земної орбіти, найближче розташована до Сонця, називається "перигелій".
Чим ближче розташовується Земля до Сонця, тим більше висвітлюється Південний полюс, а в країнах південної півкулі починається літо.
Ближче до липня наша планета максимально віддаляється від головної зірки Сонячної системи. У цей період віддаленість більше 152 млн.км. Найдальша від Сонця точка земної орбіти отримала назву "афелій". Чим далі земну кулю знаходиться від Сонця, тим більше світла і тепла отримують країни північної півкулі. Тоді тут настає літо, а, наприклад, в Австралії і Юній Америці панує зима.
Як Сонце освітлює Землю в різні пори року
Освітлення Землі Сонцем в різний часроку безпосередньо залежить від віддаленості нашої планети в даний проміжок часу і від того, яким "боком" повернута Земля в цей момент до Сонця.
Найважливіший фактор, що впливає на зміну пір року - земна вісь. Наша планета, обертаючись навколо Сонця, встигає в той же час повертатися навколо власної уявної осі. Ця вісь розташована під кутом в 23,5 градуса до небесного світила і завжди виявляється спрямованої на Полярну зірку. Повний оберт навколо земної осі займає 24 години. Осьове обертання забезпечує також зміну дня і ночі.
До речі, якби цього відхилення не було, то часи роки не змінювали одна проти одної, а залишалися незмінними. Тобто, десь панувало б постійне літо, в інших районах була постійна весна, третя частина землі вічно б поливалася осінніми дощами.
Під прямими променями Сонця завжди виявляється земної екватор. Сонячні промені, які падають прямовисно, приносять більше світла і тепла, вони не розсіюються в атмосфері. Тому жителі країн, розташованих на екваторі, ніколи не знають холоду.
полюса земної куліпоперемінно опиняються в променях Сонця. Тому на полюсах півроку триває день, а півроку - ніч. Коли освітленим виявляється Північний полюс, то в північній півкулі наступає весна, що змінює влітку.
У наступні півроку картина змінюється. До Сонця виявляється зверненим Південний полюс. Тепер в південній півкулі починається літо, а в країнах північної півкулі запановує зима.
Двічі на рік наша планета виявляється в такому положенні, коли сонячні промені однаково освітлюють її поверхню від Крайньої півночі до Південного полюса. Ці дні називаються днями рівнодення. Весняне відзначають 21 березня, осіннє -23 вересня.
Ще два дні в році отримали назви сонцестояння. В цей час Сонце виявляється або максимально високо над горизонтом, або максимально низько.
У північній півкулі 21 або 22 грудня настає ніч, що триває найдовше в році - це день зимового сонцестояння. А 20 або 21 червня, навпаки, день є найдовшим, а ніч найкоротшою - це день літнього сонцестояння. У південній півкулі все відбувається навпаки. Там в грудні довгі дні, А в червні - довгі ночі.