Высота солнца над горизонтом: изменение и измерение. Восход солнца в декабре
Жизнь на нашей планете зависит от количества солнечного света и тепла. Страшно представить даже на миг, что было бы, если бы на небе не было такой звезды, как Солнце. Каждая травинка, каждый листочек, каждый цветочек нуждается в тепле и свете, как люди в воздухе.
Угол падения лучей солнца равен высоте солнца над горизонтом
Количество солнечного света и тепла, которое поступает на земную поверхность, прямо пропорционально углу падения лучей. Солнечные лучи могут падать на Землю под углом от 0 до 90 градусов. Угол попадания лучей на землю разный, потому что наша планета имеет форму шара. Чем он больше, тем светлее и теплее.
Таким образом, если луч идёт под углом 0 градусов, он только скользит вдоль поверхности земли, не нагревая её. Такой угол падения бывает на Северном и Южном полюсах, за полярным кругом. Под прямым углом солнечные лучи падают на экватор и на поверхность между Южным и Северным Тропиком.
Если угол попадания солнечных лучей на землю прямой, это говорит о том, что солнце в зените.
Таким образом, угол падения лучей на поверхность земли и высота солнца над горизонтом равны между собой. Зависят они от географической широты. Чем ближе к нулевой широте, тем угол падения лучей ближе к 90 градусам, тем выше находится солнце над горизонтом, тем теплее и светлее.
Как солнце изменяет свою высоту над горизонтом
Высота солнца над горизонтом не является постоянной величиной. Напротив, она всегда изменяется. Причина этого кроется в непрерывном движении планеты Земля вокруг звезды Солнце, а также вращении планеты Земля вокруг собственной оси. В результате день сменяет ночь, а времена года друг друга.
Территория между тропиками получает больше всех тепла и света, здесь день и ночь практически равны друг другу по продолжительности, а солнце находится в зените 2 раза в год.
Поверхность за полярным кругом получает всех меньше тепла и света, здесь существуют такие понятия, как полярные день и ночь, которые длятся около полугода.
Дни осеннего и весеннего равноденствия
Выделены 4 основные астрологические даты, которые определяет высота солнца над горизонтом. 23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия. Это означает, что высота солнца над горизонтом в сентябре и марте в эти дни 90 градусов.
Южное и Северное полушария освещаются солнцем одинаково, а долгота ночи равна долготе дня. Когда в Северном полушарии наступает астрологическая осень, то в Южном, наоборот, весна. То же самое можно сказать о зиме и лете. Если в Южном полушарии зима, то в Северном – лето.
Дни летнего и зимнего солнцестояния
22 июня и 22 декабря – дни летнего и зимнего солнцестояния. 22 декабря наблюдается самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии, а зимнее солнце находится на самой низкой высоте над горизонтом за весь год.
Выше широты 66,5 градуса солнце находится под горизонтом и не восходит. Это явление, когда зимнее солнце не восходит на горизонт, называется полярной ночью. Самая короткая ночь бывает на широте 67 градусов и длится всего 2 суток, а самая длинная бывает на полюсах и длится 6 месяцев!
Декабрь является из всего года тем месяцем, когда в Северном полушарии самые длинные ночи. Люди в Центральной России просыпаются на работу в темноте и возвращаются тоже в темное время суток. Это тяжелый месяц для многих, так как нехватка солнечного света сказывается на физическом и моральном состоянии людей. По этой причине может даже развиться депрессия.
В Москве в 2016 г. восход солнца в декабре 1 числа будет в 08.33. При этом долгота дня составит 7 часов 29 минут. Заход солнца за горизонт будет очень рано, в 16.03. Ночь составит 16 часов 31 минуту. Таким образом, получается, что долгота ночи в 2 раза больше, чем долгота дня!
В этом году день зимнего солнцестояния – 21 декабря. Самый короткий день будет длиться ровно 7 часов. Затем 2 дня продержится такая же ситуация. И уже с 24 декабря день пойдёт на прибыль медленно, но верно.
В среднем в сутки будет прибавляться по одной минуте светлого времени. В конце месяца восход солнца в декабре будет ровно в 9 часов, что на 27 минут позже, чем 1-го декабря
22 июня – день летнего солнцестояния. Всё происходит с точностью до наоборот. За весь год именно в эту дату самый длинный день по продолжительности и самая короткая ночь. Это касаемо Северного полушария.
В Южном всё наоборот. С этим днём связаны интересные природные явления. За Полярным кругом наступает полярный день, солнце не заходит за горизонт на Северном полюсе 6 месяцев. В Санкт-Петербурге в июне начинаются загадочные белые ночи. Длятся они примерно с середины июня в течение двух-трёх недель.
Все эти 4 астрологические даты могут меняться на 1-2 дня, так как солнечный год не всегда совпадает с календарным годом. Также смещения происходят в високосные года.
Высота солнца над горизонтом и климатические условия
Солнце является одним из самых важных климатообразующих факторов. В зависимости от того, как изменялась высота солнца над горизонтом над конкретным участком земной поверхности, меняются климатические условия и времена года.
Например, на Крайнем Севере лучи солнца падают под очень маленьким углом и только лишь скользят вдоль поверхности земли, совсем не нагревая её. Под условием этого фактора климат здесь крайне суровый, присутствует вечная мерзлота, холодные зимы с леденящими ветрами и снегами.
Чем больше высота солнца над горизонтом, тем теплее климат. Например, на экваторе он необычайно жаркий, тропический. Сезонные колебания также в районе экватора практически не чувствуются, в этих районах вечное лето.
Измерение высоты солнца над горизонтом
Как говорится, всё гениальное – просто. Так и здесь. Прибор для измерения высоты солнца над горизонтом элементарно прост. Он представляет собой горизонтальную поверхность с шестом посередине длиной 1 метр. В солнечный день в полдень шест отбрасывает самую короткую тень. С помощью этой кратчайшей тени и проводятся расчёт и измерения. Нужно замерить угол между концом тени и отрезком, соединяющим конец шеста с концом тени. Эта величина угла и будет являться углом нахождения солнца над горизонтом. Этот прибор называется гномоном.
Гномон – это древний астрологический инструмент. Существуют и другие приборы для измерения высоты солнца над горизонтом, такие как секстант, квадрант, астролябия.
Источник
Для чего необходимо знать высоту солнца над горизонтом
Изучение планеты и звезд – это одно из самых интересных и увлекательных занятий современных ученых. Еще с древних времен, мореплаватели и исследователи изучали звездные карты и зависимость планеты от их расположения. Это помогало им ориентироваться в пространстве и находить дорогу домой.
В разное время года высота Солнца над горизонтом разная
Высота Солнца над горизонтом планеты – это непостоянная величина, с помощью которой, можно определить количество радиации от солнечных лучей. Это зависит от градуса угла от луча до поверхности. Чем больше это значение, тем теплее на Земле, а чем меньше угол между планетой и звездой – тем холоднее на поверхности. С помощью данных о высоте Солнца над горизонтом можно определить точное время и координаты местности.
Высота земного светила варьируется на протяжении всего дня. Угол наклона может быть от 0 до 90 градусов. Благодаря этим изменениям можно наблюдать различные фазы восходящего Солнца, заката и зенита. Если рассматривать Солнце и Землю в масштабе вселенной, то именно от расположения и удаленности источника света зависят климатические условия в каждом регионе, а также длительность светового дня.
Способы определения высоты солнца над горизонтом
Измерить высоту Солнца над горизонтом можно с помощью различных инструментов. Еще в самом начале пути изучения астрологии и тайн Вселенной, было изобретено такое устройство, как гномон. Это один из самых древних способов измерить необходимую высоту.
В современном мире зачастую применяются различные технологии. Можно анализировать данные со спутников, или пользоваться компьютерами для расчета и вычисления данных. А можно воспользоваться такими инструментами, как секстант, астролябия или квадрант.
Источник
Простейшее устройство для измерения высоты солнца
Всем привет. Время от времени люди спрашивают, как можно убедиться в тех или иных постулатах базовой астрономии. Например, вы им говорите «угловой размер диска солнца и угловая скорость его перемещения по небу неизменна в течение дня», они вас спрашивают «а как это можно узреть?», а вы им берёте и рассказываете об элементарной конструкции, доступной в изготовлении практически любому заинтересовавшемуся.
Или например рассказываете вы об изолиниях солнца (1, 2), а человек парирует «а врёшь ты всё, солнце вообще почти в зените, а не на 60 градусах выше горизонта», ну или помягче: «всё замечательно, но как, собственно, измерить эту высоту?»
Обычно для таких целей люди предлагают поставить палку (гномон), измерить длину тени от неё и простыми вычислениями определить искомый угол, и теоретически они правы, но в реальности все эти измерения нужно делать с хорошей точностью (вертикально выставить гномон, горизонтально сориентировать площадку, на которую падает тень), чтобы суммарная погрешность составила менее 1 градуса. Несколько лет назад я помогал сыну делать работу (для школьной презентации), в которой измерялась траектория солнечной тени от небольшого столбика в течение дня (с отрисовкой на листе А4), и далее эта траектория анализировалась на предмет того, чтобы узнать координаты места проведения эксперимента. Отклонение по широте (это как раз компонента, отвечающая за высоту солнца) тогда составило от 0.5 до 1 градуса. Для школьной работы это конечно сгодилось, да и я помню про полуградусный угловой диаметр солнца, но у меня в голове засело — «надо найти способ измерения высоты солнца попроще и поточнее».
Сегодня я как раз хочу рассказать о таком способе, который проверил за последние недели. Установка делается буквально из подручного материала — коробка из-под бытовой техники, спица, лист А4. Схема установки выглядит следующим образом:
Не пугайтесь большому количеству букв — их я проставил для удобства дальнейшего описания. Всё на самом деле очень просто — нужно измерить угол между отвесом и направлением солнечной тени от спицы.
1) берём коробку с прямыми углами (параллелепипед);
2) протыкаем её спицей EF в точке G и затем во второй (задней) грани коробки так, чтобы спица была приблизительно перпендикулярна передней грани ABCD (на этой стадии суб-градусные точности необязательны, поскольку вклад отклонений в дальнейшие измерения будет пренебрежим);
3) вблизи точки прокола G вешаем на спицу отвес GH (в моём случае это была подручная флешка на нитке);
4) помечаем точку К напротив нитки, на произвольном расстоянии от G (отрезок KG при этом становится вертикальным);
5) поворотом коробки по азимуту (вокруг вертикальной оси, см. точку М) добиваемся совмещения солнца с плоскостью ABCD (при этом тень от спицы GL — на грани исчезновения);
6) на произвольном расстоянии от G отмечаем точку L, лежащую на видимой солнечной тени спицы, и тут же помечаем точное время (узнать можно например через андроид-приложение ClockSync);
7) замеряем штангенциркулем (погрешность 0.1-0.2 мм) все три стороны треугольника KGL;
8) чтобы не мучиться с каждым опытом, обсчитывая его в калькуляторе, вбиваем все три стороны треугольника в эксель и вспоминаем теорему косинусов, из которой искомый угол KGL (зенитное расстояние солнца) составляет (если положить KG=a, GL=b, KL=c) величину φ = arccos[(a^2+b^2-c^2)/(2ab)].
Далее мы можем сравнивать вычисленное значение φ с тем, которое ожидалось в соответствии с расчётом (по изолиниям из Google Earth, из планетария типа Stellarium, я скажем пользуюсь своей Day-night). Можно также сделать поправку r на рефракцию (z — зенитный угол, то есть 90 градусов минус высота солнца над горизонтом):
В моём случае погрешность метода (с учётом того, что стороны треугольника KGL лежали в пределах от 100 до 150 мм) по пяти измерениям в разное время и разные сутки не превысила 0.2 градуса (последовательные значения -0.08; -0.01; +0.15; +0.18; +0.08), что я считаю хорошим показателем, особенно если опять вспомнить про угловой размер диска солнца.
Вот как выглядел один из «измерительных» листков:
Надо сказать, что он не так уж помят, как выглядит. ) Просто при освещении в створ все неровности утрируются.
Итак, основная мысль, которой я хотел поделиться — я даже немного удивился, что таким простым способом можно добиться столь неплохой точности измерения высоты нашего светила (в два с лишним раза меньше его характерного углового размера).
К слову, с учётом скорости уменьшения высоты солнца в вечернее время в средних широтах (0.1-0.2 градуса в минуту) подобное измерение можно использовать и в обратную сторону — измерить время (если заранее сделать расчёт на этот день) с точностью 1-2 минуты.
Источник
Измерение высот Солнца и Луны
Точность измерения высоты Солнца и Луны зависит:
Чем отчетливее наблюдается линия видимого горизонта, тем точнее секстан находится в вертикале светила, то есть расположен перпендикулярно плоскости горизонта, чем точнее произведено совмещение дважды отраженного изображения светила с линией видимого горизонта и чем точнее снят отсчёт с лимба и отсчётного барабана, тем точнее измерена высота Солнца или Луны.
Перед измерением высоты светил необходимо выполнить три проверки секстана и определить поправку индекса. После чего приступают к измерению высот Солнца или Луны.
Для избежания путаницы и недоразумений необходимо отметить, что на практике штурмана говорят “взять Солнышко” или “взять Луну” или просто “взять высоту”, хотя некоторые также употребляют термин “измерить”, так что оба выражения верны и никакой принципиальной разницы между терминами “взять” и “измерить” нет.
Порядок измерения (взятия) высот Солнца и Луны:
1. На глаз определяют высоту светила и устанавливают алидаду на данный отсчёт. В результате этого дважды отраженное изображенное Солнце будет находиться у линии видимого горизонта.
2. Наводят секстан на линию видимого горизонта и вращением отсчётного барабана производят соприкосновение нижнего или верхнего края Солнца с линией видимого горизонта, но рекомендуется производить соприкосновение нижнего края Солнца или Луны с линией видимого горизонта, так как в этом случае изображение Солнца проектируется на фоне неба, а если будет соприкосновение верхнего края Светила с линией видимого горизонта, то оно будет проектироваться на фоне воды и его изображение будет более тусклы, а соприкосновение верхнего края светила с линией видимого горизонта менее четким. Для точного совмещения рекомендуется при взятии высоты производить покачивание секстана около вертикала светила (на рисунках он обозначен пунктирной линией, так как вертикал светила это не видимая, а воображаемая линия).
3. После точного соприкосновения замечаем момент по часам с точностью до 1 секунды и снять отсчёт с лимба число градусов, а с отсчётного барабана – минуты с точностью до 0,2′.
При измерении нижнего края Солнца При измерении верхнего края Солнца
При данном способе требуется два человека, один для измерения высот секстаном, а второй для записи моментов по часам.
Есть способ, когда наблюдения и записи производятся одним наблюдателем, то есть методом ожидания, для чего при взятии высоты Солнца до полудня изображение Солнца слегка притапливается в воду, а после полудня слегка приподнимают над линией видимого горизонта. Данный способ позволяет высвобождать левую руку для работы с секундомером, а правой рукой покачивая секстан ожидаем, когда нижний край изображения светила коснётся линии видимого горизонта.
При измерении высоты до полудня При измерении высоты после полудня
Как только нижний край светила коснётся линии видимого горизонта, включаем секундомер и снимаем отсчёт.
Для увеличения точности взятия высот светил рекомендуется брать серию из 5 – 9 высот, однако на практике достаточно 3-х высот, и при каждом взятии замечать момент по часам, а по окончании взятия высот рассчитать средний арифметический момент по часам и средний отсчёт секстана.
Пример: В быстрой последовательности взяли пять высот Солнца и замечали момент времени. Необходимо рассчитать среднее арифметическое значение высоты Солнца и соответствующий момент времени.
Отсчёт секстана нижнего края Солнца: Гринвичское время:
31° 57′,8 10 ч 40 м 46 с
32° 02′,2 10 ч 41 м 30 с
32° 05′,4 10 ч 41 м 58 с
32° 08′,2 10 ч 42 м 23 с
32° 11′,8 10 ч 43 м 04 с _____________ ________________
Источник