Как изменяется склонение солнца

Курс общей астрономии (6 стр.)

§ 15. Эклиптика. Эклиптическая система координат

Измерениями зенитного расстояния или высоты Солнца в полдень (т.е. в момент его верхней кульминации) на одной и той же географической широте было установлено, что склонение Солнца в течение года изменяется в пределах от +23° 27′ до -23°27′, два раза в году переходя через нуль. Из наблюдений за изменением вида ночного неба следует, что и прямое восхождение Солнца на протяжении года также постепенно изменяется от 0° до 360°, или от 0h до 24h. Действительно, в полночь в верхней кульминации находятся те звезды, прямые восхождения которых отличаются от прямого восхождения Солнца на 180° или на 12h. Наблюдения же показывают, что с каждым днем в полночь кульминируют звезды все с большим и большим прямым восхождением, следовательно, и прямое восхождение Солнца с каждым днем увеличивается. Рассматривая непрерывное изменение обеих координат Солнца, нетрудно установить, что оно перемещается среди звезд с запада к востоку по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой. Плоскость эклиптики E’’ ^ E d (рис. 11) наклонена к плоскости небесного экватора под углом e = 23° 27′. Диаметр ПП’, перпендикулярный к плоскости эклиптики, называется осью эклиптики и пересекается с поверхностью небесной сферы в северном полюсе эклиптики П (лежащем в северном полушарии) и в южном полюсе эклиптики П’ (в южном полушарии).

Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках: в точке весеннего равноденствия ^ и в точке осеннего равноденствия d. В точке весеннего равноденствия ^ Солнце пересекает небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. В точке осеннего равноденствия d Солнце переходит из северного полушария в южное. Точки эклиптики, отстоящие от равноденственных на 90°, называются точкой летнего солнцестояния (в северном полушарии) и точкой зимнего солнцестояния (в южном полушарии). Большой полукруг небесной сферы ПМП’, проходящий через полюсы эклиптики и через светило М, называется кругом широты светила. Эклиптика и точка весеннего равноденствия лежат в основе эклиптической системы небесных координат. Одной координатой в этой системе является эклиптическая широта b светила М, которой называется дуга тМ круга широты (см. рис. 11) от эклиптики до светила, или центральный угол тОМ между плоскостью эклиптики и направлением на светило М. Эклиптические широты отсчитываются в пределах от 0° до + 90° к северному полюсу эклиптики (П) и от 0° до — 90° к ее южному полюсу (П’). Светила, находящиеся на одном малом круге, плоскость которого параллельна плоскости эклиптики, имеют одинаковые эклиптические широты. Эклиптическая широта определяет положение светила на круге широты. Положение же самого круга широты на небесной сфере определяется другой координатой эклиптической долготой l. Эклиптической долготой l светила М называется дуга ^m эклиптики от точки весеннего равноденствия ^ до круга широты, проходящего через светило, или центральный угол ^От (в плоскости эклиптики) между направлением на точку весеннего равноденствия и плоскостью круга широты, проходящего через светило. Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годичного движения Солнца по эклиптике, т.е. с запада к востоку в пределах от 0° до 360°. Светила, находящиеся на одном круге широты, имеют одинаковые эклиптические долготы. Эклиптическая система координат применяется преимущественно в теоретической астрономии при определении орбит небесных тел.

§ 16. Изменение экваториальных координат Солнца

Изменение экваториальных координат Солнца при его движении по эклиптике происходит следующим образом. Когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия ^ (см. § 15), его прямое восхождение и склонение равны нулю. Затем с каждым днем прямое восхождение и склонение Солнца увеличиваются, и когда Солнце придет в точку летнего солнцестояния, его прямое восхождение станет равным 90° или бh, а склонение достигает максимального значения + 23° 27′. После этого склонение Солнца начинает уменьшаться, а прямое восхождение по-прежнему растет. Когда Солнце придет в точку осеннего равноденствия, его прямое восхождение a = 180° или 12h, а склонение d = 0°. Далее, прямое восхождение Солнца, продолжая увеличиваться, в точке зимнего солнцестояния становится равным 270° или 18h, а склонение достигает своего минимального значения — 23° 27′. После этого склонение Солнца начинает расти, и когда Солнце придет в точку весеннего равноденствия, его склонение снова становится равным нулю, а прямое восхождение, достигнув значения 360° или 24h, обращается в нуль. Эти изменения экваториальных координат Солнца в течение года происходят неравномерно. Склонение изменяется быстрее всего при движении Солнца вблизи равноденственных точек и медленнее всего — вблизи точек солнцестояний. Прямое восхождение, наоборот, медленнее меняется вблизи равноденственных точек и быстрее — вблизи точек солнцестояний. При этом скорость изменения прямого восхождения Солнца вблизи точки летнего солнцестояния меньше, чем вблизи точки зимнего солнцестояния. Видимое движение Солнца по эклиптике есть следствие действительного движения Земли — обращения ее вокруг Солнца. Движение Земли вокруг Солнца происходит в том же направлении, что и вращение Земли вокруг оси, и неравномерно (см. § 40). При этом ось вращения Земли всегда наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 66° 33′. Поэтому нам и кажется, что Солнце так же неравномерно перемещается по небесному своду среди звезд, так же с запада на восток, но по окружности (эклиптике), плоскость которой наклонена к плоскости небесного (и земного) экватора под углом 23° 27′ = 90° — 66°33′. Когда Солнце находится в точке весеннего равноденствия (d = 0), то оно на всех географических широтах земной поверхности восходит в точке востока Е и заходит в точке запада W (см. § 13). Половина его суточного пути находится над горизонтом, половина под горизонтом. Следовательно, на всем земном шаре, кроме полюсов, в этот день продолжительность дня равна продолжительности ночи. Этот день называется днем весеннего равноденствия (около 21 марта) и считается началом весны в северном полушарии Земли. (В южном полушарии этот момент соответствует началу осени.) Полуденная высота Солнца в день весеннего равноденствия на данной северной широте j согласно формуле (1.7) h¤ = 90° — j. Когда Солнце находится в точке летнего солнцестояния (d = +23° 27′), то оно восходит на данной северной широте j на северо-востоке, а заходит на северо-западе. Большая часть его суточного пути находится над горизонтом. Продолжительность дня в северном полушарии Земли максимальная, ночи минимальная, в южном — наоборот. Этот день называется днем летнего солнцестояния (около 22 июня) и считается началом лета в северном полушарии Земли (в южном этот момент соответствует началу зимы). В день летнего солнцестояния полуденная высота Солнца на данной северной широте j достигает максимального значения hmax = 90° — j + 23° 27’ Когда Солнце находится в точке осеннего равноденствия (d = 0), то оно снова на всей Земле восходит в точке востока и заходит в точке запада, и снова на всех широтах, кроме полюсов, продолжительность дня равна продолжительности ночи. Этот день называется днем осеннего равноденствия (около 23 сентября) и считается началом осени в северном полушарии Земли (началом весны — в южном полушарии). Высота Солнца в полдень на данной широте j в день осеннего равноденствия снова равна 90° — j. Наконец, когда Солнце находится в точке зимнего солнцестояния (d = — 23° 27’), то оно восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Большая часть его суточного пути находится под горизонтом. На данной северной географической широте j продолжительность дня минимальна, ночи — максимальна (в южных широтах, наоборот, продолжительность дня максимальна, ночи — минимальна). Этот день называется днем зимнего солнцестояния (около 22 декабря) и считается началом зимы в северном полушарии Земли (началом лета — в южном полушарии). Высота Солнца в день зимнего солнцестояния на данной северной широте j достигает минимального значения hmin = 90° — j — 23° 27’ В остальные дни года высота Солнца в полдень лежит между значениями hmax и hmin.

§ 17. Суточное движение Солнца на разных широта

Источник

ВРЕМЕНА ГОДА

ВРЕМЕНА ГОДА, четыре периода года (весна, лето, осень и зима), характеризующиеся определенными средними температурами. Начало каждого времени года имеет четкую астрономическую границу. Эклиптика (видимый путь движения Солнца по небесной сфере) делится четырьмя точками – весеннего и осеннего равноденствий и летнего и зимнего солнцестояний – на секторы по 90°. Период, за который Солнце проходит один из этих секторов, называется временем года. Весна в Северном полушарии и осень в Южном начинаются, когда Солнце проходит через начальный круг склонения и его прямое восхождение равно 0° (весеннее равноденствие). Лето в Северном полушарии и зима в Южном наступают, когда прямое восхождение Солнца равно 90° (летнее солнцестояние). Осень в Северном полушарии и весна в Южном начинаются, когда прямое восхождение Солнца составляет 180° (осеннее равноденствие). Началом зимы в Северном полушарии и лета в Южном считается зимнее солнцестояние, когда прямое восхождение Солнца составляет 270°.

Различия в продолжительности времен года.

Из-за изменений скорости движения Земли по орбите в течение года, обусловленных эллиптичностью орбиты и законами движения, меняется и продолжительность времен года. Земля находится в перигелии (на ближайшей к Солнцу точке орбиты) примерно 2 января. В это время она движется быстрее, чем в середине года, и поэтому осень и зима короче остальных сезонов Северного полушария. Из приведенной ниже таблицы следует, что лето в Южном полушарии короче, чем в Северном, а зима длиннее.

ПРИЧИНЫ РАЗЛИЧИЙ ВРЕМЕН ГОДА

Географические причины.

Причины сезонных изменений состояния природы можно подразделить на прямые и косвенные. К первым относятся географические причины.

1. Сезонные изменения продолжительности светлого времени суток: летом дни длинные, а ночи короткие; зимой их соотношение меняется на обратное.

2. Сезонные изменения высоты полуденного стояния Солнца над горизонтом. Летом в умеренных широтах в полдень Солнце находится ближе к зениту, чем зимой, и, следовательно, одинаковое количество солнечной радиации летом распределяется на меньшей площади земной поверхности.

3. Сезонные изменения длины пути прохождения солнечных лучей в атмосфере влияют на степень их поглощения. Находящееся низко над горизонтом Солнце дает меньше тепла и света, чем Солнце, расположенное высоко, ближе к зениту, поскольку солнечные лучи в первом случае преодолевают более мощный слой атмосферы.

В низких широтах в любое время года бóльшую часть дня Солнце находится высоко над горизонтом. В умеренных широтах оно поднимается высоко над горизонтом только летом, а в остальное время года стоит низко. В полярных районах Солнце высоко никогда не поднимается. Несмотря на различные механизмы действия двух последних причин, их иногда объединяют и объясняют углом падения солнечных лучей.

Астрономические причины.

К косвенным существенным причинам смены времен года, имеющим астрономическую природу, относятся: шарообразная форма Земли, параллельность солнечных лучей, вращение Земли вокруг своей оси с периодом в одни сутки, движение Земли вокруг Солнца с периодом в один год, наклон земной оси к плоскости земной орбиты и постоянство наклона земной оси при движении Земли по орбите. Наклон земной оси в сочетании с движением Земли вокруг Солнца представляет собой основную астрономическую причину смены времен года. Земная ось отклоняется под углом 23°27ў от перпендикуляра к плоскости эклиптики, и, поскольку ее направление в пространстве практически постоянно, каждый из географических полюсов Земли часть года наклонен в сторону Солнца, а другую часть года – в противоположную от него сторону.

Последствия наклона земной оси.

Климатическая зональность.

Положение границ климатических зон зависит от наклона земной оси к плоскости эклиптики. Северный полярный круг проходит по широте 66°33ў с.ш., а Южный полярный круг – по широте 66°33ў ю.ш. Полярные круги отделяют, соответственно, северную и южную полярные зоны от умеренных зон Северного и Южного полушарий. Северный тропик (23°27ў с.ш.) и Южный тропик (23°27ў ю.ш.) являются границами между северной и южной умеренными зонами и внутритропической зоной. Таким образом, последняя охватывает по широте 46°54ў.

Часть года в полярных областях Солнце не заходит и движется по кругу почти параллельно горизонту (полярный день). В другое время года в тех же областях Солнце не восходит (полярная ночь). Продолжительность полярного дня и полярной ночи вблизи полюсов шесть месяцев, она сокращается по мере удаления от полюсов и приближения к Северному или Южному полярному кругу. На 78° северной и южной широты полярный день и полярная ночь продолжаются по четыре месяца, а на широтах Северного и Южного полярных кругов – по 24 часа.

В умеренных зонах Солнце никогда не достигает зенита и никогда не описывает полного круга на небосводе. В пределах этих зон, но ближе к тропикам Солнце в полдень приближается к зениту. Вблизи полярных кругов Солнце описывает на небосводе почти полный круг или даже видимый полный круг из-за влияния атмосферной рефракции и некоторой сплюснутости Земли у полюсов.

Изменение склонения Солнца в течение года

– еще одно важное следствие наклона земной оси. Оно проявляется в постепенном увеличении или уменьшении высоты полуденного стояния Солнца над горизонтом. В дни весеннего равноденствия Солнце проходит через точку пересечения небесного экватора и эклиптики. Для наблюдателя, находящегося на земном экваторе, небесный экватор располагается под прямым углом к горизонту и его плоскость пересекает точки, соответствующие востоку, солнечному зениту и западу. В дни весеннего равноденствия Солнце восходит на востоке и, следуя по эклиптике, проходит точно через зенит в полдень, а затем заходит на западе. В эти дни солнечные лучи перпендикулярны экватору и освещают Землю от Северного полюса до Южного, и на всей планете одинакова продолжительность дня и ночи.

После весеннего равноденствия Солнце покидает небесный экватор и сдвигается по эклиптике к северу от него, перемещаясь к востоку в своем видимом движении среди созвездий. Для наблюдателя на экваторе Солнце восходит несколько севернее точки востока. Затем Солнце пересекает небесный меридиан севернее точки зенита и заходит севернее западной точки горизонта. С каждым днем оно смещается дальше и дальше к северу вплоть до летнего солнцестояния, когда достигается максимальное отклонение в видимом смещении Солнца к северу – на 23°27ў (точка восхода наиболее смещена от восточной точки горизонта к северу, а точка захода Солнца находится на наибольшем удалении к северу от точки запада). В день летнего солнцестояния солнечные лучи падают отвесно на Северном тропике и максимально освещают всю полярную область, касаясь Северного полярного круга, даже на противоположной стороне земного шара. В то же самое время в Южном полушарии Солнцем освещены лишь территории к северу от Южного полярного круга, а собственно полярная область не получает солнечного света. Из-за наклона земной оси, а также в зависимости от положения Земли на орбите круг, ограничивающий освещенную Солнцем часть земной поверхности, или линия восходов и заходов, проходящая вокруг Земли, неодинаково охватывает разные широты. Поэтому продолжительность светового дня в Северном полушарии оказывается больше, чем темное время суток, и меньше – в Южном.

После летнего солнцестояния изменения протекают в обратном направлении. Отклонение Солнца к северу уменьшается, и, если наблюдать с экватора, видно, что оно пересекает небесный меридиан с каждым днем все ближе и ближе к зениту вплоть до осеннего равноденствия, когда создаются условия, аналогичные времени весеннего равноденствия. Возрастает отклонение Солнца к югу, оно восходит южнее точки востока, пересекает небесный меридиан южнее зенита и заходит южнее точки запада. Максимальное южное отклонение достигается во время зимнего солнцестояния, когда условия Южного полушария близки тем, которые складываются в Северном во время летнего солнцестояния. Теперь уже в Южном полушарии отмечается большая продолжительность дня и короткие ночи. После 22 декабря отклонение Солнца к югу начинает уменьшаться, условия в каждом пункте земной поверхности меняются на противоположные, сохраняющиеся вплоть до весеннего равноденствия. В любой точке, расположенной на экваторе, Солнце проходит через зенит дважды в год, поднимаясь над горизонтом на 90°. При этом предметы отбрасывают самые короткие тени.

В умеренных широтах Солнце перемещается так, что продолжительность дня и ночи неодинакова, за исключением дней равноденствий. Солнце в полдень достигает максимальной высоты над горизонтом в день летнего солнцестояния, т.е. в первый день астрономического лета в каждом полушарии. Минимальная полуденная высота Солнца над горизонтом отмечается в день зимнего солнцестояния (в первый день астрономической зимы). Когда Солнце наиболее высоко поднимается над горизонтом, каждый конкретный участок земной поверхности получает максимальное количество солнечной радиации на единицу площади. При этом поглощение солнечных лучей при прохождении через атмосферу минимально. Чем с бóльшим наклоном падают солнечные лучи, тем сильнее они поглощаются более мощным слоем газообразной атмосферы Земли и тем слабее освещают и нагревают предметы. На экваторе Солнце в полдень никогда не отклоняется от точки зенита более, чем на 23°27ў (если пренебречь рефракцией). В умеренных широтах полуденное отклонение Солнца от зенита – от 0° до 90°. На полюсах Солнце никогда не поднимается над горизонтом выше, чем на 23°27ў.

В целом сезонные температурные колебания обусловлены изменением количества солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли (инсоляции). Величина инсоляции в данной точке зависит от угла падения солнечных лучей, прозрачности атмосферы, солнечной постоянной и расстояния до Солнца.

Запаздывание времен года.

Середина астрономического лета – день летнего солнцестояния в Северном полушарии – время, когда инсоляция максимальна. Однако «макушка» лета, а именно реальное количество тепла, накопленное на поверхности, запаздывает по сравнению с этой датой в различных регионах на разные сроки. В целом температура воздуха в Северном полушарии достигает максимума приблизительно 1 августа, а минимума – примерно 1 февраля, а в Южном – наоборот.

Запаздывание времен года происходит в основном из-за влияния атмосферы. После летнего солнцестояния сокращается количество тепла, ежесуточно поступающего от Солнца. Тем не менее каждый день в течение нескольких недель количество полученного тепла превышает количество тепла, отраженного земной поверхностью, так как воздух еще продолжает его удерживать и препятствует его быстрой потере. Значительное количество тепловой энергии накапливается в почвах, горных породах и водоемах. С начала августа потери тепла начинают превышать его поступление, что приводит к понижению среднесуточной температуры. Хотя серединой астрономической зимы является день зимнего солнцестояния, в течение нескольких недель после него суточные потери тепла превышают его поступление, так что температура понижается до тех пор, пока темпы прогревания Земли не превысят темпы ее охлаждения. Запаздывание времен года в пределах океанических акваторий больше, чем на материках, поскольку суша нагревается и остывает быстрее, чем вода. Существует также запаздывание в суточном ходе температур, и наиболее теплое время суток приходится не на полдень, а на время от 13 до 17 ч (в зависимости от региона).

Различия между полушариями.

Времена года в Южном полушарии прямо противоположны временам года в Северном полушарии. Лето в Южном полушарии начинается примерно 22 декабря. Однако существуют некоторые различия, обусловленные эксцентриситетом земной орбиты. Зимнее солнцестояние там происходит всего за несколько дней перед тем, как Земля достигнет перигелия. В это время Земля в целом получает от Солнца больше тепла, чем в афелии – максимально удаленной от Солнца точке орбиты. Казалось бы из этого должно следовать, что лето в Южном полушарии теплее, чем на соответствующих широтах Северного полушария, а зима – холоднее. Тем не менее в умеренных широтах часто наблюдается обратное соотношение. Разность количества тепла, получаемого Землей в перигелии и афелии, составляет 6%, однако благодаря огромной площади океанов в Южном полушарии климат меняется больше, чем в результате упомянутого выше эффекта.

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

Внутритропическое пространство.

В низких широтах между Северным и Южным тропиками температуры всегда высоки и мало изменяются от месяца к месяцу. Годовая амплитуда температур (разность между температурами наиболее теплого и наиболее холодного месяцев) никогда не превышает 11° С, а вблизи экватора составляет менее 2° С. Сезонные различия обусловлены распределением атмосферных осадков. В таких районах, за исключением собственно приэкваториальной полосы, где сезонные изменения вообще отсутствуют, зиме соответствует сухой сезон, а лету – влажный.

Умеренные широты

характеризуются отчетливо выраженными сезонными изменениями температур. Холодное время года называется зимой, теплое – летом, а осень и весна являются переходными сезонами. В умеренных широтах отмечается большое разнообразие условий. В одних регионах летом очень жарко (от +32 до +38° С), в других – прохладно (в среднем +10° С). Зимы могут быть как весьма мягкими (+4° С), так и очень холодными (в среднем –23° С). Более того, поскольку на этих широтах сталкиваются контрастные арктические и субтропические воздушные массы, погода здесь очень неустойчива и быстро меняется как от суток к суткам, так и от года к году.

Полярные области.

По направлению к полюсам от Северного и Южного полярных кругов выделяют два типа климата: климат ледниковых покровов и климат тундры (последний только в Северном полушарии). Различия времен года в пределах ледниковых покровов заключаются в том, что летом наступает полярный день, зимой – полярная ночь, а весной и осенью происходит смена дня и ночи. Летних температур здесь достаточно лишь для того, чтобы обеспечить таяние поверхностного слоя снега. В тундровых районах средние температуры выше 0° С бывают в течение двух-четырех месяцев.
См. также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ.

Источник