Глубина солнца под горизонтом

Глубина солнца под горизонтом

Под сумерками понимают весь комплекс оптических явлений, совершающихся в атмосфере, когда Солнце находится вблизи горизонта, т. е. в период времени, разделяющий дневные условия освещения от ночи.

Основным фактором, определяющим ход этих явлений, служит рассеяние солнечного света в земной атмосфере и связанное с ним ослабление прямых лучей Солнца. Когда последнее склоняется к горизонту, то путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, и их яркость ослабевает, что ведет к уменьшению освещенности земной поверхности как прямым светом Солнца, так и светом, рассеянным атмосферой. В дневных условиях эта зависимость освещенности от высоты Солнца над горизонтом невелика. Но когда Солнце опускается до 5-10 o над горизонтом, процесс убывания освещенности резко ускоряется. Наступление ускоренного убывания освещенности и следует считать началом сумерек.

Одновременно начинает уменьшаться и относительная роль быстро ослабевающих прямых лучей Солнца в освещении земной поверхности. Источником освещения все в большей степени становится атмосфера, пронизываемая лучами заходящего Солнца. С момента захода Солнца она остается единственным источником света. Но постепенно тень Земли поднимается выше, захватывая все увеличивающуюся часть атмосферы. Ее нижние слои, утонувшие в земной тени, уже не вносят своего вклада в яркость неба и рассеянный свет поступает от все более и более высоких слоев, еще освещаемых прямыми солнечными лучами. А так как плотность воздуха, а с ней и коэффициент рассеяния быстро убывают с высотой, то солнечный свет рассеивается все слабее, яркость неба уменьшается, а вместе с тем падает и освещенность земной поверхности. При погружении Солнца примерно на 10-15 o под горизонт начинает сказываться уже собственное свечение высоких слоев атмосферы и свет звезд — освещенность постепенно приближается к ночной. Переход к ночи завершается обычно при глубине Солнца 17-19 o под горизонтом, но иногда, при повышенной замутненности атмосферы, затягивается до 22-23 o . При этом, как правило, обнаруживается слабый минимум освещенности и яркости неба при погружении Солнца под горизонт на 20-23 o . Таким образом, границы сумеречного периода сильно размыты и сдвигаются в зависимости от атмосферных условий. Длительность сумерек определяется быстротой, с которой Солнце опускается под горизонт, т. е. географической широтой и временем года. В течение сумерек освещенность земной поверхности изменяется почти в миллиард раз — от W = 10 5 лк днем до 10 -4 лк ночью.

На рисунке приведена осредненная зависимость освещенности Е горизонтальной площадки от зенитного расстояния Солнца t. Данные на рисунке относятся к безоблачному небу летом. Наличие снега слегка (в 1,5-2 раза) повышает освещенность при больших погружениях Солнца под горизонт и почти не сказывается в светлой части сумерек. Гораздо более заметное влияние на освещенность оказывает характер облачности. Как правило, присутствие облаков вызывает уменьшение освещенности порой (при пасмурной погоде) на порядок, .однако почти не сказывается на ее зависимости от погружения Солнца.

Исходя из практической потребности оценивать условия видимости в различное время суток, исторически сложилась традиция разделять сумерки на три стадии в зависимости от величины сумеречной освещенности (см. рисунок). Наиболее светлая часть сумерек, когда естественное освещение на открытом месте обеспечивает возможность выполнения любых работ, включая чтение, получила название «гражданских» сумерек. В отношении установления их границы нет полного единогласия — эту границу связывают с глубинами погружения Солнца под горизонт от 6 до 8 o . Однако в последнее время большинство авторов склоняется к первой цифре. Затем наступают «морские», или «навигационные» сумерки, во время которых темнота уже скрадывает мелкие детали, но силуэты крупных объектов, например береговой линии, видны достаточно отчетливо. В качестве их границ принимают углы погружения Солнца под горизонт 6 и 12 o , причем к концу морских сумерек сохраняется возможность отчетливо различать только линию горизонта. Наконец, морские сумерки сменяются «астрономическими», продолжающимися до погружения Солнца под горизонт на 18 o , т. е. до наступления ночи. В этот период условия освещения почти не отличаются от ночных, но небо еще заметно освещено, что препятствует астрономическим измерениям. Уровни освещенности, соответствующие границам между различными стадиями сумерек, составляют в среднем 2,5 лк при угле погружения Солнца под горизонт 1 = 6 o , 6 . 10 -3 лк при 1 = 12 o и 6 . 10 -4 лк при S = 18 o .

Лунные сумерки

Лунные сумерки, наступающие при приближении лунного диска к горизонту, во всем подобны солнечным, однако гораздо бледнее. Яркость лунного освещения колеблется в зависимости от возраста Луны между 10 -9 (при новолунии) и 2 . 10 -8 (при полнолунии) яркости солнечного освещения при одинаковом положении светил на небосводе. Таким образом, уровень освещенности в полнолуние при высокой Луне соответствует примерно середине солнечных морских сумерек, а конец лунных астрономических сумерек (опять-таки в полнолуние) практически совпадает с моментом захода Луны. Однако на яркости неба присутствие Луны должно сказываться до ее погружения под горизонт (в полнолуние) примерно до 5-7 o .

Изменение вида неба в сумерках

Обратимся теперь к картине неба и ее изменениям в процессе протекания сумерек. Ниже мы подробно рассмотрим данные фотометрических, спектральных и поляризационных исследований сумеречного неба. Здесь же ограничимся только качественной картиной, которая облегчит нам дальнейшее обсуждение ее деталей.

Приближаясь к горизонту, Солнце не только теряет яркость, но и начинает постепенно менять свой цвет — в его спектре во все возрастающей степени подавляется коротковолновая часть. Суть этого явления, качественно объясненного еще в 1840 г. Форбсом, состоит в том, что спектральная зависимость прозрачности атмосферы, вообще говоря, возрастающей с увеличением длины волны, становится особенно ощутимой, когда удлиняется путь солнечных лучей сквозь атмосферу. Одновременно начинает окрашиваться и небо. В окрестности Солнца оно приобретает желтоватые и оранжевые тона, а над противосолнечной частью горизонта появляется бледная полоса со слабо выраженной гаммой цветов.

К моменту захода Солнца, уже принявшего темно-красный цвет, вдоль солнечного горизонта вытягивается яркая полоса зари, окраска которой изменяется снизу вверх от оранжево-желтой до зеленовато голубой. Над ней раскидывается округлое яркое почти неокрашенное сияние. В то же время у противоположного горизонта начинает медленно подниматься синевато-серый тусклый сегмент тени Земли, окаймленный розовым поясом («Пояс Венеры»).

По мере того как Солнце опускается глубже под горизонт, окраска околосолнечной стороны неба становится насыщеннее; у самого горизонта небо густо краснеет, а у вершины надсолнечного сияния, на высоте 20-25 o над горизонтом, возникает быстро расплывающееся розовое пятно — так называемый «пурпурный свет», достигающий наибольшего развития при глубине Солнца под горизонтом около 4-5 o . Облака и вершины гор заливают алые и пурпурные тона, а если облака или высокие горы находятся за горизонтом, то их тени протягиваются по ярко окрашенному небу от горизонта к горизонту в виде отчетливых радиальных полос («Лучи Будды»). Тем временем тень Земли быстро надвигается на небо, ее очертания становятся расплывчатыми, а розовое окаймление еле заметным.

К концу гражданских сумерек пурпурный свет затухает, облака темнеют, их силуэты отчетливо выступают на фоне блекнущего неба и только у горизонта, там где скрылось Солнце, сохраняется яркий разноцветный сегмент зари. Но и он постепенно сокращается и бледнеет и к началу астрономических сумерек превращается в зеленовато-белесую узкую полосу. К концу астрономических сумерек исчезает и она — наступает ночь. Однако, по некоторым данным, и ночью сохраняется слабое свечение атмосферы, обусловленное рассеянием (по-видимому, многократным) света Солнца и получившее название «ночных сумерек». Оно сосредоточено в узком сегменте у горизонта и перемещается по азимуту вместе с Солнцем в течение всей ночи. Высота этого свечения над Солнцем достигает 40-55 o и при больших погружениях Солнца под горизонт оно исчезает. Поскольку свечение это очень слабое и на него налагаются зодиакальный свет и собственное свечение земной атмосферы, ночные сумерки остаются пока совершенно неизученными и сам факт их существования надежно не подтвержден.

Описанную нами картину (многие детали которой мы опустили) следует рассматривать лишь как типичную для ясной погоды. В действительности характер течения сумерек подвержен широким вариациям. При повышенной замутненности воздуха цвета зари обычно бывают блеклыми, особенно у горизонта, где вместо красных и оранжевых тонов иногда появляется только слабая бурая окраска. Нередко одновременные заревые явления развиваются по-разному в различных участках неба. Каждые сумерки обладают неповторимой индивидуальностью, и это следует рассматривать как одну из наиболее характерных их черт.

С несомненностью, картина сумеречных явлений целиком определяется оптической структурой атмосферы — как ее приземных, так и высоких слоев. Однако ее связь с метеорологическими процессами, как мы увидим ниже, значительно сложнее, чем это может показаться с первого взгляда. Именно в этом лежит причина безуспешности длительных поисков прямой корреляции сумеречных явлений с погодой.

Крайняя индивидуальность течения сумерек и многообразие сопровождающих их оптических явлений вытекают из того фундаментального факта, что разные параметры сумеречной картины по-разному зависят от различных оптических характеристик атмосферы. Спектральный, высотный, горизонтальный и угловой ход оптических свойств атмосферы — в первую очередь ее коэффициентов ослабления и рассеяния — по-разному проявляется в зависимости от зенитного расстояния Солнца, направления наблюдения и высоты наблюдателя. При этом как регулярные изменения сумеречной картины, так и ее вариации достигают гигантских масштабов по сравнению с их аналогами в дневных условиях. Рядом с относительно статичным днем сумерки предстают перед нами, как стремительный процесс, пространственное и временное сканирование которого — фотометрическое, спектральное и поляризационное — открывает путь к регулярному исследованию оптической структуры атмосферы и ее вариаций раздельно на различных уровнях. Именно в этом состоит основное отличие сумеречных исследований атмосферы от изучения ее в дневных условиях, когда сравнительно небольшой диапазон изменчивости резко ограничивает разрешающую способность интегральных оптических методов и делает их мало плодотворными с точки зрения познания оптической структуры самой атмосферы.

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