§ 30. Распределение солнечного света и тепла на Земле (учебник)
§ 30. Распределение солнечного света и тепла на Земле
1. Вспомните, почему на Земле происходит смена дня и ночи и времен года.
2. Что называется орбитой Земли?
Изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года. Чтобы понять, почему на протяжении года Солнце в полдень бывает на разной высоте над горизонтом, вспомните с уроков природоведения особенности движения Земли вокруг Солнца.
На глобусе видно, что земная ось имеет наклон. Во время движения Земли вокруг Солнца угол наклона не меняется. Благодаря этому Земля возвращается к Солнцу больше то Северной, то Южной полушарием. От этого изменяется угол падения солнечных лучей на земную поверхность. И соответственно больше освещается и нагревается то одна, то другая полушарие.
Если бы земная ось была бы не наклонена, а перпендикулярна плоскости орбиты Земли, то количество солнечного тепла на каждой параллели течение года, не изменялась бы. Тогда бы в своих наблюдениях за высотой полуденного Солнца, вы целый год записывали бы одну и ту же длину тени гномона. Это указывало бы на то, что в течение года продолжительность дня всегда равен ночи. Тогда земная поверхность нагревалась в течение года одинаково и пор года не существовало бы.
Освещение и нагрев поверхность Земли в течение года. По поверхности шарообразной Земли солнечное тепло и свет распределяются неравномерно. Это объясняется тем, что угол падения лучей на разных широтах разный.
Вы уже знаете, что земная ось наклонена к плоскости орбиты под углом. Своим северным концом она направлена в сторону Полярной звезды. Солнце всегда освещает половину Земли. При этом более освещается то Северная полушарие (и день там длится дольше, чем в другом полушарии), то, наоборот, Южная. Дважды в год оба полушария бывают освещены одинаково (тогда и продолжительность дня в обоих полушариях одинакова).
Когда Земля обращена к Солнцу Северным полюсом, тогда оно больше освещает и нагревает Северное полушарие. Дни становятся длиннее ночи. Наступает теплое время года — лето. На полюсе и в приполярной части Солнце светит круглосуточно и не заходит за горизонт (Ночь не наступает). Это явление называется полярный день. На полюсе он длится 180 суток (полгода), но чем дальше на юг, тем его продолжительность уменьшается до суток на параллели 66,5 0 пн . ш. Эту параллель называют Северным полярным кругом. Южнее этой линии Солнце опускается за горизонт и смена дня и ночи происходит в привычном для нас порядке — ежесуточно. 22 июня — Солнечная лучи будут падать отвесно (под наибольшим углом — 90 0 ) На параллель 23,5 пн . ш. Этот день будет самым длинным, а ночь короткой в году. Эту параллель называют Северными тропиком, А день 22 июня — летним солнцестоянием .
В настоящее время Южный полюс отвлеченный от Солнца и оно меньше освещает и нагревает Южное полушарие. Там зима. На полюс и приполярной часть течение суток солнечные лучи совсем не попадают. Солнце не появляется из-за горизонта и день не наступает. Это явление называется полярная ночь. На самом полюсе она длится 180 дней, а чем дальше на север, тем становится короче до одних суток на параллели 66,5 0 ю. ш. Эту параллель называют Южным полярным кругом.Севернее от нее Солнце появляется на горизонте и смена дня и ночи происходит каждые сутки. 22 июня День будет кратчайшим в году. Для Южной полушарии он будет зимним солнцестоянием.
Через три месяца, 23 сентября, Земля займет такое положение относительно Солнца, когда солнечные лучи одинаково освещать как Северную, так и Южное полушарие. Отвесно солнечные лучи падают на экваторе. На всей Земле, кроме полюсов, день равен ночи (по 12 ч ). Этот день называют днем осеннего равноденствия .
Еще через три месяца, 22 декабря к Солнцу вернется Южная полушарие. Там наступит лето. Этот день будет самым длинным, а ночь — самой короткой. В приполярной области наступит полярный день. Лучи Солнца отвесно падать на параллель 23,5 0 ю. ш. Зато, в Северном полушарии будет зима. Этот день будет самым коротким, а ночь длинной. Параллель 23,5 0 ю. ш. называют Южным тропиком,а день 22 декабря — зимним солнцестоянием .
Еще через три месяца, 21 марта, опять обе полушария будут освещены одинаково, день будет равен ночи. Лучи солнца отвесно падать на экваторе. Этот день называют весенним равноденствием .
В Украине наибольшая высота Солнца в полдень – 61–69 0 (22 июня), наименьшая — 14-22 0 (22 декабря).
Занимательная география
Древние славяне бога света и Солнца называли Дажбогом . В известном литературном произведении «Слово о полку Игореве » наших предков — русичей назван внуками Даждьбога. Наряду с другими богами, поставленными князем Владимиром в Киеве, стоял и Дажьбог. По древним мифам его в небе сопровождают три солнечные собратья: Ярило — Бог весеннего равноденствия, Семиярило — Бог летнего солнцестояния и Коляда — Бог зимнего солнцестояния. Днем рождения молодого Солнца считался день зимнего солнцестояния. Опекуном этой светоносной тройке считался бог Троян — Владыка неба, земли и потустороннего царства.
Рис. Годовое движение Земли вокруг Солнца
Тепловые пояса Земли. Неравномерный нагрев земной поверхности обусловливает разные температуры воздуха на разных широтах. Широтные полосы с определенными температурами воздуха называются тепловыми поясами. Пояса различаются между собой количеством тепла, поступающего от Солнца. Их простирание зависимости от распределения температур хорошо иллюстрируют изотермы (От греческого » изо » — Одинаковый, » терма «- Тепло). Это линии на карте, соединяют точки с одинаковой температурой.
Жаркий пояс размещен вдоль экватора, между Северным и Южным тропиками. Он ограничен с обеих сторон изотерм 20 0 С. Интересно, что границы пояса совпадают с границами распространения пальм на суше и кораллов в океане. Здесь земная поверхность получает наибольшее солнечного тепла. Дважды в год (22 декабря и 22 июня) полдень солнечные лучи падают почти отвесно (под углом 90 0 ). Воздуха от поверхности сильно нагревается. Поэтому там жарко в течение года.
Умеренные пояса (В обоих полушариях) примыкают к жаркому поясу. Они протянулись в обоих полушариях между полярным кругом и тропиком. Солнечные лучи там падают на земную поверхность с некоторым наклоном. Причем, чем севернее, тем наклон больше. Поэтому солнечные лучи меньше нагревает поверхность. В результате меньше нагревается и воздух. Вот почему в умеренных поясах холоднее, чем в жарком. Солнце там никогда не бывает в зените. Четко выраженные времена года: зима, весна, лето, осень. При этом чем ближе к полярному кругу, тем зима длительная и холоднее. Чем ближе к тропика, тем продолжительнее и теплее лето. Умеренные пояса со стороны полюсов ограничивает изотерма теплого месяца 10 0 С. Она является пределом распространения лесов.
Холодные пояса (Северный и южный) обоих полушарий лежат между изотермами 10 0 С и 0 0 С самого теплого месяца. Солнце там зимой по несколько месяцев не появляется над горизонтом. А летом, хотя и не заходит за горизонт месяцы, однако стоит очень низко над горизонтом. Его лучи лишь скользят по поверхности Земли и нагревают ее слабо. Поверхность Земли не только нагревает, но и охлаждает воздух. Поэтому температуры воздуха там низкие. Зимы холодные и суровые, а лето короткое и прохладное.
Два пояса вечного холода ( северный и южный) оконтурюються изотермой с температурами всех месяцев ниже 0 0 С. Это царство вечных с нигив и льда.
Итак, нагрева и освещения каждой местности зависит от положения в тепловом поясе, то есть — от географической широты. Чем ближе к экватору, тем больший угол падения солнечных лучей, тем сильнее нагревается поверхность и высокая температура воздуха. И наоборот, с удалением от экватора к полюсам угол падения лучей уменьшается, соответственно температура воздуха снижается.
Важно помнить, что линии тропиков и полярных кругов за пределы тепловых поясов принимаются условно. Поскольку в действительности температура воздуха определяется еще и рядом других условий.
Рис. Тепловые пояса Земли
Вопросы и задачи
1. Почему высота Солнца в течение года меняется?
2. Какой полушарием будет обращена к Солнцу Земля, когда в Украине: а) на севере 22 июня; б) полдень 22 декабря?
3. Где средняя годовая температура воздуха будет выше: в Сингапуре или Париже?
4. Почему средние годовые температуры снижаются от экватора к полюсам?
5. В каких тепловых поясах находятся материки Африка, Австралия, Антарктида, Северная Америка, Евразия?
6. В каком тепловом поясе расположена территория Украины?
7. Найдите на карте полушарий город, если известно, что оно находится на 43 0 зх . д. и полдень 22 декабря Солнце там бывает над головой.
Источник
Тепло от Солнца
Тысячи измерений солнечных пульсаций позволили советским астрономам А. Б. Северному, В. А. Котову и Т. Т. Цапу сделать вывод об отсутствии у Солнца плотного ядра. А если у звезды нет ядра, то нет условий и для термоядерных процессов (см. так же статью «Химические реакции«). Из этого следует, что наше светило сжимается и расширяется со скоростью около 2 метров в секунду с периодом 160 минут. Установленно, что тепловое излучение Солнца имеет такой же период, а температура при этом изменяется на 1° С. Подтверждением гипотезы «Солнце — звезда переменная» служит изменяющийся с периодом в 160 минут блеск планеты Уран. В Геттингенской обсерватории (ФРГ) с 1972 по 1978 год проделали 246 измерений радиуса Солнца, который оказался равным 695 265 километрам (с точностью 0,01 процента).
В бесконечности Вселенной и в конечном атоме объем вещества крайне мал. Можно представить космос некоторой подвижной ажурной конструкцией из островов звездно-планетных систем в объемном океане силовых полей.
Солнечное тепло на Земле
Миллиарды лет планета Земля и другие планеты обогреваются теплом Солнца. И хотя до земной поверхности доходит лишь одна двухмиллиардная часть излучаемого светилом тепла, на каждый квадратный сантиметр поверхности суши и океана приходится в минуту 9,23 джоуля. Такое отопление эквивалентно сжиганию за три дня всех земных запасов нефти, газа, угля и дров. Если бы Солнце состояло из лучшего угля, оно выгорело бы за 20 тысяч лет. И неизвестно, что сгорает на Солнце. С 1925 года, когда было открыто превращение водорода в гелий, существует гипотеза: внутри Солнца ежесекундно 657 миллионов тонн водорода превращаются в 652,5 миллиона тонн гелия, а 4,5 миллиона тонн массы переходят в тепло. Но сегодня эту гипотезу принимают не все.
Сама Земля также представляет собой генератор тепла, По расчетам Е. А. Любимовой, земной запас тепла достигает 317*10 29 джоуля, примерно столько же планета потеряла за весь период своего существования.
На Солнце выявлено всего 72 элемента таблицы Д.И. Менделеева. На 1 000 000 атомов водорода там приходится 63 000 атомов гелия, кислорода 690, углерода 420, азота 87, кремния 45, магния 40, неона 37, железа 32, серы 16, кальция 2,2, никеля 1,9 и аргона 1. Бора, бериллия и лития на Солнце незначительное количество, что объясняется их выгоранием в ядерных реакциях.
Во Вселенной установилось устойчивое равновесие между энергиями магнитного поля, космических лучей и межзвездного газа. Галактическое магнитное поле, как в ловушке, удерживает космические лучи, и внутри Галактики потоки космических лучей идут на Землю со всех сторон. Солнце добавляет к этому излучению свою долю — солнечный ветер. Энергия всепроникающих космических лучей велика и, по мнению академика А. Б. Северного, порождается магнитными полями.
Источник
Распределение тепла на Земле и циркуляция атмосферы и океана
Даже при беглом взгляде на таблицы теплового баланса поверхности Земли (табл. 3), атмосферы (табл. 5) и планеты в целом (табл. 6) обращает на себя внимание появление двух совершенно новых статей баланса: тепла, приносимого океаническими течениями (для поверхности Земли), и тепла, приносимого воздушными течениями (для атмосферы). Этих составляющих, как помнит читатель, не было в приводимом нами уравнении теплового баланса. Они появляются тогда, когда мы рассматриваем горизонтальный обмен теплом. Такой обмен постоянно существует в природе и вызывается неравномерностью нагревания разных участков поверхности Земли или атмосферы и образованием (в связи с этим) теперь уже не вертикального, а горизонтального температурного градиента, или горизонтального перепада температуры, который, как мы знаем, и является причиной возникновения потока тепла. Хотя эта статья теплового баланса в отличие от всех остальных составляющих и не образуется в результате превращения лучистой энергии Солнца в тепловую, она тем не менее имеет к Солнцу самое близкое отношение, являясь как бы второй производной от его деятельности. Что же касается влияния этой составляющей на процессы и явления природы, то оно, как мы увидим, огромно. Уже, то, что из самой обширной на Земле экваториальной зоны от 20 до 25 процентов солнечного тепла уносится в другие широты морскими течениями и около половины — воздушными, свидетельствует о колоссальном значении этой составляющей в формировании и распределении энергетического баланса на нашей планете.
Перераспределяя и нивелируя солнечное тепло как у земной поверхности, так и в свободной атмосфере, они играют важнейшую роль в формировании климатов на Земле. Не будь движения тепла от экватора к полюсам, температура зимой у поверхности Земли достигала бы там 90 градусов мороза. Значительно холоднее были бы и умеренные широты. А что происходило бы на экваторе? Возросшее на 1 /3 испарение и почти на столько же увеличившееся выделение тепла при конденсации превратили бы эту зону Земли в зону страшнейших гроз, тропических ливней и ураганов.
Что же представляют собой эти составляющие теплового баланса? Еще изучая в школе курс элементарной географии, каждый из нас знакомился с грандиозными океаническими течениями, такими, как Экваториальное, Гольфстрим, Куро-Сиво и другие, а также с не менее грандиозными воздушными течениями, такими, как пассаты и муссоны. Учителя географии рассказывали нам о схемах существующих на нашей планете циркуляции атмосферы и мирового океана, а также о причинах, их вызывающих. Все казалось до удивления просто и ясно. На экваторе солнечного тепла поступает больше всего, поверхность суши и океана нагревается сильнее, чем на других широтах, теплый воздух поднимается вверх, а поскольку природа не терпит пустоты, то на смену ему с севера и с юга устремляются потоки более холодного воздуха, которые, отклоняясь под действием вращения Земли, образуют постоянные ветры — пассаты (юго-восточный и северо-восточный). Воздух же, поднявшийся вверх над экватором, также растекается, двигаясь на северо-восток и юго-восток, образуя в свободной атмосфере не менее постоянные ветры противоположных направлений — юго-западный и северо-западный антипассаты. Не менее проста казалась и природа океанических течений. Пассаты гонят воду вдоль экватора, в результате чего образуется Экваториальное течение. Двигаясь от западных берегов Африки, это течение сгоняет воду к восточным берегам Америки, откуда она растекается в виде двух ветвей этого течения: Гольфстрима, движущегося на юго-восток, и Южно-Американского, идущего вдоль западных берегов Южной Америки.
Примерно такая же картина наблюдается и в Тихом океане. Но поскольку там на пути Экваториального течения встречаются только полуострова Азии и Зондский архипелаг, то наиболее четко выражена только северная ветвь течения — Куро-Сиво. Аналогичное объяснение давалось и другим крупным системам воздушных и морских речений. Конечно, такое объяснение является, в общем, правильным. Качественную схему общей циркуляции атмосферы ученые построили еще в прошлом веке. И теперь, как мы видим, она целиком подтверждается тепловым балансом системы Земля — атмосфера и количественно (см. табл. 6). Общую же циркуляцию океанических вод академику М. П. Лазареву еще несколько десятков лет назад удалось даже выполнить в виде простой и очень остроумной модели. Применив для этого большую ванну, в которую были помещены макеты материков, он воспроизвел «пассат» в виде направленного потока воздуха из воздуходувки. Действие этого «пассата» создало систему течений, похожую на, действительную. А вот модель циркуляции атмосферы до последнего времени сконструировать не удалось, Тем более трудно было создать модель взаимодействия циркуляции атмосферы и океана. Лишь в последние, годы А. М. Гусев и его сотрудники смогли построить упрощенную модель такого взаимодействия и получили ряд очень важных для науки результатов.
Сложность создания такой модели кроется не столько в технических трудностях, сколько в самой природе этого взаимодействуя. Мы уже видели на рис. 2, что какой-то до сих пор не разгаданный механизм, связанный с солнечной активностью, примерно каждые два года меняет направление ветра в свободной атмосфере над экваториальной зоной «а совершенно противоположное, нарушая все наши представления об антипассатах. А какая сила должна быть у этого механизма, чтобы повернуть движение, пусть даже верхнего слоя атмосферы, на обратное! Не менее поразительную картину обнаружил А. А. Гире и для Арктики, где годы с преобладанием меридиональной циркуляции атмосферы вдруг сменяются годами с преобладанием широтной циркуляции.
А наблюдаемые в разных областях Земли зоны струйных течений, в которых воздух движется почти со скоростью самолета (250—300 км в час)!
Не менее поразительные нарушения замечены и в океанических течениях, которые иногда вдруг совершенно неожиданно изменяют свое направление; Короче говоря, загадки возникают на каждом шагу, а вот отгадывать их приходится иногда десятилетиями. Только в последние годы, когда на вооружение ученых поступили такие средства исследований, как метеорологические и геофизические спутники Земли, армада специализированных научно-исследовательских судов и многое другое, все более и более начали открываться тайны общей циркуляция атмосферы и океана и теснейшее взаимодействие атмосферы и гидросферы.
Солнечную энергию, первопричину этого взаимодействия, можно, пожалуй, сравнить с огромным мотором, вращающим главный вал трансмиссии, который приводит в движение целую систему других более мелких моторчиков и шкивов, двигающих, в свою очередь, всю огромную массу станков, пил, точил и другие механизмов, чьими усилиями производится окончательная продукция. В атмосфере такой продукцией являются разнообразные воздушные волны и вихри: от огромных циклонов и антициклонов до более мелких — торнадо, смерчей и, наконец, самых мелких турбулентных вихрей, о которых мы уже говорили. А в гидросфере это — не менее грандиозные морские вихри и волны. Обе эти системы вихрей теснейшим образов взаимосвязаны между собой и часто образуют невероятные по своей силе явления; смерчи, тайфуны, огромные ветровке волны и т. д.
Что же касается самих течений, то они не более как приводные ремни этой планетарной трансмиссии, которые лишь переносят и передают эту энергию от одного источника к другому.
Небольшой рассказ об общих циркуляциях атмосферы и океана мы привели здесь для того, чтобы показать то огромное значение, которое имеют они в балансе тепла отдельных зон и областей нашей планеты, не играя при этом никакой роли в тепловом бюджете нашей планеты в целом. Обращаясь вновь к табл. 7, мы теперь более ясно можем представить себе тепловой баланс системы Земля — атмосфера.
Мы уже говорили, что Солнце непосредственно нагревает сравнительно узкую зону нашей планеты — примерно до 40 градусов к югу и северу от экватора. Выше этих широт радиационный баланс Земли уже отрицательный. Это значит, что если бы на Земле не было воздушных и океанических течений, а небо всегда оставалось ясным, то есть климат определялся бы только поступлением тепла от Солнца (солярный климат), то он был бы намного холоднее, чем в настоящее время.
Далее мы видим, что основную роль в нагревании, и охлаждении Земли играют процессы конденсации и испарения и несколько меньшую, но сравнимую с ней — морские и воздушные течения. Это — очень важное обстоятельство в формировании всех природных процессов на нашей планете. Изменись в силу каких-либо причин (и не только космических, но и земных) это соотношение между приходными и расходными составляющими баланса, и природа на разных широтах нашей планеты станет иной. Изменение в расположении материков и океанов, в соотношении между морем и сушей, сдвиги в положении полюсов, по-видимому, не раз в истории Земли приводили к установлению на ней иной циркуляции океанических вод и атмосферы по сравнению с существующим положением. Что же касается поступления солнечной радиации на земную поверхность, то, несмотря на сравнительную устойчивость солнечной постоянной, из-за изменения мутности атмосферы и других факторов, вызванных опять-таки чисто земными условиями, оно, по-видимому, менялось также в значительных пределах. Все это не могло не сказаться на тепловом балансе нашей планеты, на соотношении приходных и расходных его статей. Каждое нарушение обязательно должно было приводить к смене климатических условий в различных ее районах, а вместе с ним, и к изменению всей природы этих районов в разные периоды истории Земли. Самые грандиозные изменения на нашей планете были, пожалуй, связаны с наступлением и отступлением ледников. Вот почему прежде чем рассматривать роль теплового баланса в формировании современной географии планеты, мы остановимся на истории последних оледенений.
Русин, Н.П. Солнце на Земле/ Н.П. Русин [и д.р.]. – М.: Советская Россия, 1971.- 204 с.
Источник