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
Где находится Солнце в полдень и как использовать эту информацию для ориентирования на местности?
Принято считать, что в полдень, определяемый по часам, Солнце всегда находится строго на юге, а если быть точным, то в южном направлении. Именно это утверждение легло в основу метода ориентирования по Солнцу и часам.
В северном полушарии, действительно, в истинный полдень Солнце находится на юге.
Однако это предположение неверно. И сегодня мы попытаемся разобраться в этом достаточно непростом вопросе, ориентируясь на научные данные и логику.
Что влияет на местоположение Солнца на небосводе
На то, где в полдень на небесной сфере будет находиться Солнце, влияет ряд факторов. Разберем некоторые из них.
Долгота местности
Истинный (астрономический), или как его еще называют, солнечный полдень зачастую не совпадает с полднем по официальному времени. Чтобы это стало понятно, для начала разберемся с определениями.
Время 12:00, определенное по точно выставленным часам, называется полднем по официальному времени. А вот истинным полднем называется момент времени, когда солнце проходит через наивысшую точку траектории своего движения, наблюдаемого с поверхности земного шара, то есть через зенит.
Стоит также отметить, что именно в момент истинного полдня Солнце для наблюдателя, находящегося в средних широтах северного полушария, находится строго на юге. Почему именно в средних широтах, расскажем чуть позже.
Если смотреть на нашу планету сверху вниз, находясь на северном полюсе, то движение ее вокруг собственной оси будет совершаться против часовой стрелки. Зная, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, нетрудно догадаться, что Солнце в первую очередь будет освещать Землю с районов, расположенных восточнее. Отсюда следует два простых вывода:
Вывод №1. Для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, Солнце восходит на востоке, а садится на западе, независимо от полушария (северного или южного).
Вывод №2. Для двух наблюдателей, расположенных на разных географических долготах, Солнце окажется в зените в разное время: вначале солнечный полдень настанет у того, кто находится восточнее, а затем — у «западного».
Нужно понимать, что для удобства пользования время в пределах одного часового пояса усредняют, иначе в двух городах одной страны время на часах отличалось бы, что непрактично. Следовательно, несмотря на отличие в долготе, время в двух разных городах может быть одинаковое.
Из вышесказанного следует, что для двух наблюдателей, расположенных на разных географических долготах, но в одном часовом поясе, истинный полдень может наступать в разное время. Опережение или отставание истинного полдня от полдня, определяемого по часам, благодаря этому нюансу может колебаться в пределах четверти часа, а иногда и больше, ведь часовые пояса не всегда точно совпадают с долготой и выстраиваются согласно политической карты мира.
Часовые пояса на карте мира
А поскольку солнечный полдень не всегда совпадает с 12 часами дня (далее — 12:00), то и говорить о том, что Солнце всегда к этому времени находится строго на юге, тоже не приходится.
Видно, насколько разнится положение Солнца на небе в одно и то же время в разных городах в пределах одного часового пояса.
А теперь вернемся к вопросу о средней широте и посмотрим, каким образом она влияет на положение Солнца на небосводе.
Широта местности
Как и было сказано ранее, в средних широтах в истинный полдень Солнце всегда проходит через южное направление. Но давайте посмотрим, поменяется ли картина, если наблюдающий Солнце человек окажется севернее или южнее указанных широт. Для этого рассмотрим несколько ключевых вариантов.
Вариант №1 — средние широты южного полушария. Здесь во время истинного полдня Солнце окажется строго на севере.
О том, что Солнце в полдень бывает не только на юге, но и на севере, к сожалению, написано далеко не во всех учебниках по туризму. А ведь, благодаря различным авиакомпаниям, современные туристы могут путешествовать не только по своим родным просторам, но и запросто оказаться в противоположной точке земного шара, где правила ориентирования, описываемые в литературе, не будут работать подобающим образом.
В одно и то же время Солнце будет находиться на разной высоте на одинаковых широтах в разных полушариях.
Вариант №2 — верхняя граница тропической зоны северного полушария. На этих территориях в течение всего года кроме дня летнего солнцестояния в истинный полдень Солнце будет находиться на юге, а в описанный день — строго над головой. Как понимаете, найти юг, а соответственно и другие стороны света по Солнцу в последнем случае не удастся, если конечно рассматривать только способ ориентирования по Солнцу в полдень.
Вариант №3 — нижняя граница тропической зоны южного полушария. Здесь на протяжении всего года, кроме дня зимнего солнцестояния, Солнце в истинный полдень будет находиться на севере, как и в средних широтах этого полушария. Однако в указанный декабрьский день оно окажется в зените строго над головой, что не позволит быстро сориентироваться по нему.
Вариант №4 — линия экватора. В этой зоне возможны три варианта, которые будут сменять друг друга в течение года. От момента осеннего равноденствия до весеннего равноденствия Солнце в истинный полдень будет находиться на юге, в период от весеннего до осеннего равноденствия — на севере. А в сами дни равноденствия окажется строго над головой, вызвав сложности в ориентировании.
Получается, что в точках перехода тропических зон в умеренные Солнце стоит в зените, то есть точно над головой наблюдателя, всего один раз в год, а ближе к экватору это явление можно наблюдать за год дважды.
Не зная собственного положения на местности, практически невозможно сказать, находится Солнце точно в зените, или нет, без дополнительных построений.
Доводилось встречать мнение, что на экваторе солнце круглый год ежедневно в полдень находится в зените. Но, как мы теперь понимаем, это предположение ошибочно. В этом регионе оно в полдень около полгода находится на севере, а полгода на юге. И если даже считать зенитом не положение Солнца строго над головой, а наивысшую точку его траектории (что тоже верно), тогда вышеуказанное мнение не имеет особого смысла, поскольку Солнце в этом случае не только на экваторе, а и в любой другой точке планеты ежедневно целый год в полдень будет находиться в зените.
В некоторых тропических городах люди могут наблюдать интересную картину: в полдень вертикальные прямые предметы, например, столбы и заборы, перестают отбрасывать тень. Это связано с тем, что Солнце в этот момент находится строго над ними, а солнечные лучи и тени от предметов падают отвесно. В видео объяснено это явление:
Существует еще один вариант — высокие широты северного и южного полушарий. Здесь Солнце будет себя вести так же, как в средних широтах, однако в период полярной ночи наблюдать его над горизонтом, а значит и сориентироваться по нему, не получится.
Как видим, без понимания процессов, лежащих в основе этих различий, можно легко запутаться и допустить серьезные ошибки, вплоть до того, что спутать север с югом. А это для путешественника, оставшегося без современных средств навигации в дикой природе, иногда может быть равноценно смерти.
Перевод часов на летнее и зимнее время
Перевод часов на летнее время чаще всего выражается в переводе часов на час вперед. Предполагается, что такой перевод помогает экономить электроэнергию, расходуемую на освещение. Однако существует ряд исследований, показавших отсутствие экономической выгоды от подобных манипуляций. Но речь сейчас не об этом.
Если не учитывать перевод часов на зимнее и летнее время, то можно допустить большую ошибку при ориентировании по Солнцу и часам. В средних широтах такая ошибка может достигать 30 градусов, а в тропиках — в разы больше. Представьте, насколько можно уйти в сторону от пункта назначения, если отклонение на один градус дает отклонение от нужного направления приблизительно равное двадцати метрам на каждый километр пройденного пути.
В Великобритании в середине прошлого века из-за перевода на летнее время часы стали «опережать» Солнце аж на два часа. Это произошло по той причине, что в течение двух лет подряд часы, как и положено в весенний период, переводили на час вперед, при этом в первый год осенью не было проведено перевода на час назад. После «недочет» был урегулирован, а в истории это событие получило название «Британское двойное летнее время».
В некоторых странах отменили переход на летнее время и пользуются одним временем, в других же — этот перевод по-прежнему актуален. А есть целый ряд стран, которые так и не познали «радостей» игры со стрелками часов.
Например, на момент написания статьи (2017 год) в Украине полдень по зимнему времени был наиболее приближен к солнечному полдню, а в летнее время года Солнце оказывается вблизи своего зенита только, когда часы показывают 13:00. В России же отменили перевод времени и оставили идти часы по летнему времени, и теперь для россиян солнечный полдень наступает в 13:00, если не учитывать прочие нюансы, влияющие на расхождение истинного полдня и полдня, отмеченного по местному времени.
Движение Земли вокруг Солнца
Движение Земли вокруг Солнца происходит не по кругу, а по эллипсу, при этом Земля то приближается к Солнцу, то удаляется от него. В тот момент, когда в северном полушарии наступает лето, Земля находится на максимальном расстоянии от Солнца, а зимой приближается к нему.
Из-за этого солнечные сутки, то есть время между двумя солнечными полуднями, в течение года меняется. Вблизи Солнца солнечные сутки удлиняются, а вдали — сокращаются.
На этот эффект накладывается другой эффект, связанный с наклоном оси вращения Земного шара.
В результате получается интересная картина. Если человек, находясь в одной точке на земной поверхности (для примера возьмем средние широты северного полушария), ежедневно в течение года в 12:00 будет отмечать положение Солнца на небесной сфере, то у него вместо ожидаемой вертикальной линии (в летний период Солнце будет выше, зимой — ниже) получится вытянутая восьмерка. Это значит, что Солнце в полдень, определенный по часам, может находиться то слева, то справа от направления на юг. Величину этих отклонений в любой день года можно узнать по так называемому уравнению времени, которое для удобства сводят в таблицу или изображают в виде графика.
Если не учитывать этот эффект, то при ориентировании в высоких широтах можно получить ошибку около четырех градусов, а в тропических — все десять и более.
Как определить истинный полдень
Зная истинный полдень, можно определить стороны света, ведь именно в этот момент Солнце будет находиться строго в южном или северном направлении, в зависимости от земного полушария, а зная хотя бы одну сторону света — все остальные.
Определить истинный полдень можно разными способами. Далее приведу в пример некоторые простые варианты, не требующие сложных навыков и знаний.
Способ №1 — с помощью астрономических данных. Такие данные часто попадаются среди прогнозов погоды в разных печатных и Интернет-изданиях. Нужно поискать время восхода и захода Солнца в той местности, в которой предполагается определять истинный полдень, сложить это время и разделить его пополам. Полученное значение и будет временем истинного полдня.
Способ №2 — с помощью солнечных часов (гномона). Правильно сконструированные, размеченные и установленные солнечные часы достаточно точно показывают время солнечного полдня. На гномоне момент солнечного полдня совпадает с двенадцатью часами дня.
Способ №3 — с помощью навигатора. Навигатор, показывающий направление на географический север, может послужить для определения наступления истинного полдня. Для этого определяют момент, когда центр солнечного диска окажется строго над южным или северным направлением (в зависимости от земного полушария), определенным с помощью навигатора. Это и будет момент истинного полдня.
Магнитный компас для этого способа малопригоден, поскольку показывает направление на магнитные полюса, а не на географические, что может приводить к ощутимым погрешностям. О том, что такое истинный и магнитный полюс, и в чем их отличие, мы подробно рассказывали в отдельной статье.
Способ №4 — с помощью тени от шеста. На ровной горизонтальной площадке в землю строго вертикально втыкается ровный шест. В дообеденное время начинается измерение длины тени, которую отбрасывает на площадку шест. Тень в начале начнет уменьшаться, а затем увеличиваться. Момент перехода от укорачивания тени до ее удлинения и будет соответствовать солнечному полдню.
В этом варианте достаточно засечь время, в которое тень была наименьшей длины.
Данный способ является одним из способов ориентирования и часто рекомендуется в литературе для определения сторон света на местности в солнечную погоду. Его точность напрямик зависит от того, насколько ровная была выбрана площадка и сам шест, а также от того, насколько ровно был установлен этот шест. Также точность метода повышается при увеличении длины шеста (как правило, используют шест длиной 1—2 метра).
Способ №5 — с помощью биссектрисы. Измерения начинают проводить как можно раньше с утра, что делает их более точными. Для этого:
- На ровной площадке устанавливается шест аналогично предыдущему способу и отмечается конец его тени.
- Измеряется расстояние от места установки шеста до этой точки.
- Проводится окружность с радиусом, равным этому расстоянию и центром в точке установки шеста. Теперь остается ждать, когда тень от шеста снова пересечет эту окружность, но уже в другом месте (восточнее).
- Как только это произойдет, отмечается вторая точка.
- Первая и вторая точки соединяются отрезком — получается своего рода равнобедренный треугольник, у которого третьей вершиной является место установки шеста.
- От точки установки шеста проводится биссектриса, которая делит ранее прочерченный между двумя точками отрезок пополам.
- На следующий день, когда тень от шеста совпадет с биссектрисой, можно сказать, что наступил истинный полдень.
Этот способ, как и предыдущий, также является одним из методов ориентирования по солнцу.
Из всех этих вариантов только первый может работать при любых метеорологических условиях, в любое время суток и давать быстрый результат. Остальные же работают только в светлое время суток, зависимы от погоды и, как правило, более «медленные».
Теперь, опираясь на все вышесказанное и некоторые другие данные, сделаем общие выводы.
Выводы
Солнце всегда поднимается на востоке и заходит за горизонт на западе. Если ориентироваться на часы, показания которых мало отличаются от показаний астрономического времени, то в 6 часов утра Солнце будет находиться приблизительно на востоке, к 6 часам вечера переместится на запад, а в 12 часов, то есть в середине дня, окажется приблизительно на юге. При условии перевода часов нужно делать соответствующие поправки.
Если в северном полушарии стать спиной к солнцу, то есть лицом к собственной тени, то спереди будет север, за спиной окажется юг, слева — запад, справа — восток. Если все то же повторить в южном полушарии, то спереди окажется юг, позади — север, слева — восток, а справа — запад.
Для повышения точности ориентирования по Солнцу и часам все факторы, влияющие на отклонения в показаниях «наземных» часов от астрономических, нужно учитывать и делать соответствующую поправку в расчетах.
Ориентироваться по солнцу можно только в светлое время суток в ясную либо малооблачную погоду.
В целом методы ориентирования по солнцу и в частности определение истинного полдня позволяют определить стороны света, сориентировать карту и выдерживать нужное направление движения даже при отсутствии компаса, навигатора и видимых ориентиров. А это весьма полезный навык не только для туристов и охотников, но и для простых людей, хоть изредка выбирающихся на природу подальше от городского шума и суеты.
Источник