Почему зимой холодно, а летом тепло?
«Почему летом жарко?» — этот детский вопрос очень актуален, учитывая время года. Зимой его заменит другой – «Почему зимой холодно?», сопровождаемый попыткой согреть через варежки замерзшие ладошки. В нашей новой рубрике «Почемучки» мы будем регулярно отвечать понятным и простым языком на самые интересные вопросы дошколят и школьников.
«Почему летом жарко, а зимой холодно?» — этот вопрос задают как дошколята, так и школьники. Казалось бы, ну в чем сложность: наклон оси, вращение земли, Солнце. Но когда пытаешься объяснить ребенку, начинаешь путаться сам.
Два ответа: отдаление и приближение Земли к Солнцу, а также угол наклона оси
Наша планета Земля движется вокруг Солнца, а сама земная ось расположена под углом к плоскости этого движения.
При движении вокруг Солнца половина Земли оказывается ближе к этой огромной горячей звезде — и тогда на этой половине поверхности наступает лето, в то время как на второй части — зима. Получается, что в процессе движения вокруг Солнца, которое занимает один год, разные части Земли по-очереди оказываются то ближе к звезде, то дальше.
Вокруг Солнца Земля вращается по эллиптической орбите, близкой к круговой, со скоростью около 107 000 км/час в направлении с запада на восток. Среднее расстояние к Солнцу 149 598 тыс. км
Изменяется и не только сторона, но и угол падения солнечных лучей на поверхность — потому и существуют «промежуточные» времена года — весна и осень, сменяющие зиму и лето.
В наше время ось планеты образует с орбитальной плоскостью угол 66,56°. Соответственно, плоскость экватора образует угол 23,44° с плоскостью эклиптики.
Если бы не этот наклон, то день и ночь в любом месте Земли были бы одинаковыми по продолжительности, а днем Солнце в течение всего года поднималось бы на одну высоту. Но, например, зимой, угол наклона удаляет поверхность, делая световой день короче. Из-за этого солнечным лучам просто не хватает времени, чтобы прогреть землю.
Источник
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
Почему летом жарко, а зимой холодно?
Тогда почему наступают зима, весна, лето, осень?
Дело в том, что ось вращения Земли наклонена к плоскости экватора, угол наклона составляет 23,5 градуса. Из-за того, что направление оси вращения всё время остаётся постоянным, Земля движется вокруг Солнца как бы «бочком», по-разному подставляя солнечным лучам свою поверхность на разных участках орбиты, то есть в разное время года. Поэтому мы видим, что летом в Северном полушарии Солнце поднимается над горизонтом гораздо выше, чем зимой. А от угла падения солнечных лучей зависит, насколько сильно они отражаются от земной поверхности и насколько сильно поглощаются. Чем больше солнечных лучей поглощает поверхность, тем сильнее она нагревается. Если угол падения невелик (зимой), то солнечные лучи гораздо сильнее отражаются, а поглощаются гораздо хуже. И значит, зимой холодно. В высоких арктических широтах Солнце поднимается над горизонтом всего на несколько градусов, его лучи скользят вдоль земной поверхности, почти не поглощаясь и не нагревая её. Затем Солнце и вовсе скрывается под горизонтом на долгих полгода — наступает арктическая ночь.
После 21—22 декабря начинается астрономическая зима, и продолжается она до тех пор, пока день опять не сравняется по продолжительности с ночью. 20 марта наступает день весеннего равноденствия, астрономическая зима заканчивается, и начинается весна. Солнце вновь пересекает плоскость земной орбиты и оказывается в Северной полусфере. С каждым днём оно будет подниматься всё выше, дни станут длиннее и теплее.
Заканчивается астрономическая весна в день летнего солнцестояния — 20—21 июня. Этот день самый длинный, а ночь самая короткая в году. После него начинается астрономическое лето, которое продолжается до 22—23 сентября, дня осеннего равноденствия.
Разумеется, в Южном полушарии всё наоборот: в сентябре там наступает астрономическое лето, а в марте — астрономическая зима. И лишь в дни равноденствий продолжительность дня и ночи одинакова на всей планете.
Если бы экватор Земли точно совпадал с плоскостью орбиты, то есть наклона оси не было бы, Солнце во всех широтах (и в Северном полушарии, и в Южном) поднималось бы всегда на одинаковую высоту. На экваторе оно каждый день в полдень находилось бы точно в зените — там царило бы вечное лето, а на полюсах постоянно двигалось вдоль линии горизонта, не опускаясь и не поднимаясь, — там была бы вечная зима и вечные сумерки. В средних широтах тоже никакой смены времён года не происходило бы.
Кстати, тот факт, что орбита Земли не совсем круговая и разница в расстоянии до Солнца в афелии и перигелии составляет около 3%, всё-таки оказывает своё влияние: зимы в Южном полушарии чуть-чуть холоднее, чем в Северном, а летние месяцы чуть-чуть жарче.
А происходит ли смена времён года на других планетах Солнечной системы?
Самая близкая к Солнцу планета Меркурий — единственная в Солнечной системе, у которой плоскость экватора в точности совпадает с плоскостью эклиптики. Орбита Меркурия довольно вытянутая (эксцентриситет составляет 0,21). Именно поэтому смена времён года определяется расстоянием планеты до Солнца. «Летом» — в перигелии — температура на освещённой Солнцем поверхности Меркурия может достигать 400 градусов Цельсия, а «зимой» — в афелии — опускаться до 100 градусов.
Венера вращается вокруг оси так медленно, что сутки оказываются длиннее года: год продолжается 224,7 дня, а сутки примерно 243 дня, и вращение происходит против орбитального движения планеты. Ось вращения Венеры почти перпендикулярна плоскости эклиптики, поэтому смены времён года на ней практически нет. Да и какие уж там времена года, если средняя температура на поверхности больше 400 градусов Цельсия, а давление 90 атмосфер.
Орбита Марса близка к круговой, но всё же её вытянутость больше, чем у орбиты Земли (эксцентриситет равен 0,093). Расстояние от Марса до Солнца в перигелии 206,6 млн км, а в афелии 249,2 млн км. Разница примерно в 40 млн км. Но, как и на Земле, зима и лето на Марсе сменяются в основном из-за наклона оси вращения. Плоскость экватора Марса наклонена к плоскости его орбиты под углом 25,2 градуса (у Земли, напомним, 23,5). Потому и смена времён года происходит примерно так же, как на Земле, если, конечно, учесть, что год на Марсе продолжается 1,88 земного года. В экваториальной и средней полосе смена времён года проявляется в смене температур, а в приполярных областях зимой появляются белые полярные шапки. Но это не лёд, а по большей части замёрзшая от зимних холодов углекислота. Ведь атмосфера Марса в основном из углекислого газа и состоит.
Нужно отметить, что на Марсе гораздо больше, чем на Земле, сказывается разница в расстоянии до Солнца в перигелии и афелии. 40 млн км — это всё же не 3%, а в шесть раз больше. Поэтому в разных полушариях Марса зима и лето довольно сильно отличаются. В южном полушарии лето короче и теплее, чем в северном, потому что именно в это время планета проходит через перигелий. А зима в южном полушарии — длиннее и холоднее (из-за того, что Марс находится в афелии).
Эксцентриситет орбиты Юпитера тоже невелик, вдвое меньше, чем у Марса. Наклон экватора Юпитера к плоскости его орбиты составляет всего 3,1 градуса — это очень мало, и даже будь Юпитер обычной планетой с твёрдой поверхностью, говорить о смене времён года не имело бы смысла: на полюсах царила бы вечная зима, а на экваторе вечное лето с промежуточными значениями температуры на других широтах. Южное полушарие в этом смысле не отличалось бы от северного. Но Юпитер — газовый гигант, у него нет твёрдой поверхности, и «погода» на разных его широтах практически не зависит ни от расстояния до Солнца, ни от наклона оси вращения. «Погоду» на Юпитере определяют мощные турбулентные движения в водородно-гелиевой атмосфере и быстрое вращение (сутки на Юпитере продолжаются всего 10 часов).
Эта планета во многом похожа на Юпитер. Орбита Сатурна примерно так же вытянута, сутки примерно такие же (всего на полчаса больше, чем на Юпитере). Но наклон оси вращения по отношению к плоскости орбитального движения близок к земному — отличается всего на 3 градуса. Казалось бы, что и смена времён года на Сатурне должна быть похожа на земную (конечно, с учётом, что год на Сатурне в 29 раз длиннее земного), и она должна происходить не раз в три месяца, а раз в семь с четвертью земных лет. Но Сатурн, как и Юпитер, — газовый гигант. Да, Солнце дважды в течение сатурнианского года пересекает плоскость орбиты, и тогда, как и на Земле, случаются равноденствия и, как и на Земле, бывают самые длинные «дни» и самые длинные «ночи», вот только на климат и тем более на «погоду» всё это не оказывает практически никакого влияния. На Сатурне, как и на Юпитере, главное воздействие на атмосферные явления оказывают мощные атмосферные бури и вихри, и о смене времён года можно говорить только в астрономическом, но никак не в климатическом смысле.
Уран вращается вокруг Солнца «лёжа на боку» — ось вращения планеты отклоняется от плоскости эклиптики на 8 градусов. У планет Солнечной системы много странностей, хотя, казалось бы, они должны не очень отличаться друг от друга, поскольку произошли из одного протопланетного облака, которое, сгущаясь, вращалось вокруг Солнца в том же направлении, что и само светило. В процессе сжатия отдельные «куски» протопланетного облака сталкивались друг с другом, одни разваливались совсем, другие становились больше, у одних вращение вокруг оси ускорялось, у других замедлялось. И массы будущих планет оказались разными. Это понятно и естественно. Но почему, к примеру, плоскость экватора Урана наклонена к плоскости эклиптики под углом 98 градусов? Что произошло в те далёкие времена, когда планеты только формировались? У космогонистов есть ответ на этот вопрос (хотя вариаций в нём множество). Протопланетные сгущения и недавно образовавшиеся планеты часто (по астрономическим понятиям, конечно!) сталкивались, причём под разными углами и с разными скоростями. В результате одного из таких столкновений Земля обзавелась спутником — Луной. В результате другого — будущая планета Уран получила такой удар по касательной, что ось её вращения «опрокинулась», и планета «легла на бок».
Год на Уране в 84 раза длиннее земного. Попробуем представить, как там происходит смена времён года. Если вы находитесь на одном из его полюсов, то в разгар лета ось планеты направлена почти точно на Солнце, находящееся в зените. Но проходит несколько земных лет. Солнце по спирали, делая один оборот за урановые сутки (17,2 часа), постепенно опускается к горизонту и, наконец, в день, который жители Урана, если бы они существовали, назвали бы началом календарной зимы, заходит и появляется вновь только через половину уранового года. А в это время на противоположном полюсе планеты Солнце появляется из-под горизонта и по спирали поднимается к зениту, куда доберётся к середине лета.
Если бы вы оказались на экваторе Урана, то смена времён года происходила бы так. Солнце всходило бы и заходило каждый день, будто на Земле. Но в разгар урановой зимы оно будто бы катилось вдоль горизонта, на половину суток скрываясь неглубоко, всего градусов на восемь (если учесть рефракцию, достаточно сильную в плотной уранианской атмосфере, то и не скрываясь вовсе), а на вторую половину суток невысоко (градусов на восемь) поднимаясь в небо. В разгар лета Солнце будет подниматься почти к зениту. Однако намного теплее от этого не станет, да нам, впрочем, всё равно, ведь лето и зима на планете Уран интересуют нас только как астрономические явления, возникающие из-за его странного «лежачего» обращения вокруг Солнца.
Самая далёкая из планет Солнечной системы — Нептун — обращается вокруг Солнца за 165 лет. По вытянутости орбиты и наклону оси вращения Нептун мало отличается от других планет, и если бы по массе был похож на Землю, можно было бы говорить, что четыре времени года сменяют здесь друг друга через каждые 41 земной год. С астрономической точки зрения так оно и есть: на Нептуне происходят летние и зимние солнцестояния, дважды в год случаются равноденствия. Но, конечно, физические условия сказываются: Нептун — такой же газовый гигант, как Юпитер, Сатурн и Уран, а потому похож на них природными условиями.
Плутон — совсем другое дело! У него и наклон орбиты отличается от всех других планет (17 градусов), и вращается он в противоположную сторону. Но в число планет Солнечной системы он уже не входит. С 2006 года Плутон носит менее «почётное» звание «карликовой планеты», одного из многих таких объектов пояса Койпера.
Источник