Мы все отлично знаем, что в различные времена года Солнце ведёт себя по-разному. Летом оно восходит рано, идёт высоко по небу и заходит поздно. Зимой, наоборот, Солнце показывается над горизонтом поздно и, совершив низкий и короткий путь по небу, рано заходит. Летом день длинный, ночь короткая; зимой день короткий, ночь длинная. Весной и осенью день и ночь по продолжительности мало отличаются друг от друга. Чем всё это объяснить? Ведь мы знаем, что смена дня и ночи, то есть восход и заход Солнца, происходит оттого, что Земля вращается вокруг своей оси. Что же она не весь год вертится одинаково? А может быть, продолжительность дня и ночи зависит ещё от какой-нибудь другой причины?
Чтобы выяснить это, разберём подробнее, как ведёт себя Солнце в различные времена года и какая существует связь между поведением Солнца и изменениями погоды.
И летом и зимой Солнце восходит в восточной части горизонта, заходит в западной, а в полдень бывает на юге выше всего над горизонтом. Но летом Солнце восходит между востоком и севером, то есть на северо-востоке, а заходит между западом и севером, то есть на северо-западе. Благодаря этому его видимый путь по небу длинен, и должно пройти много времени, чтобы Солнце могло добраться до юга; в течение этого времени Солнце успеет подняться высоко. Зимой Солнце восходит между востоком и югом, то есть на юго-востоке, а заходит между западом и югом, то есть на юго-западе. Путь его по небу короче, чем летом. До юга Солнце доходит за сравнительно недолгое время и не успевает подняться на значительную высоту (рис. 5).
Рис. 5. Видимый путь Солнца над горизонтом в различные времена года
Возьмём, для примера, Москву. Летом в Москве, в конце июня, Солнце бывает над горизонтом приблизительно 17 с половиной часов, а зимой, в конце декабря, всего только 6 с половиной. В полдень, когда Солнце на юге, летом оно бывает в 5 с лишним раз выше над горизонтом, чем зимой.
Нетрудно понять, что именно благодаря такой разнице в поведении Солнца зимой и летом, зимой бывает холодно, а летом тепло. Ведь летом Солнце значительно дольше освещает поверхность Земли, чем зимой. А солнечные лучи дают Земле не только свет, но и согревают её.
Но ещё большее значение имеет разница в высоте пути Солнца над горизонтом. Когда Солнце стоит на небе низко, его лучам приходится проходить через толстый слой воздушной оболочки, который не только ослабляет свет Солнца, но и задерживает теплоту его лучей. Кроме того, солнечные лучи падают в этом случае на земную поверхность не прямо, а вкось, как бы скользя вдоль неё. В результате всего этого при низком положении Солнца солнечные лучи очень мало согревают почву.
Совершенно иное получается, когда Солнце стоит высоко над горизонтом. Тогда солнечные лучи проходят через сравнительно тонкий слой воздуха и падают на земную поверхность почти отвесно. Благодаря этому они сильно согревают почву.
Рис. 6. Путь солнечных лучей при низком и при высоком положениях Солнца
Посмотрите на рис. 6. В левой части рисунка показано, как падает на Землю пучок солнечных лучей, когда Солнце находится низко на небе. В правой части рисунка показан падающий на Землю пучок лучей от Солнца, когда оно стоит высоко в небе. Один и тот же пучок лучей в первом случае (когда Солнце низко) освещает значительно большую площадь на земной поверхности и проходит более толстый слой воздуха, чем во втором случае. Отсюда понятно, почему зимнее Солнце почти не греет, а летнее, наоборот, греет очень сильно.
Таким образом, мы видим, что зимние холода объясняются тем, что зимой Солнце бывает недолго над горизонтом и его лучи почти не согревают поверхность Земли. Летом же, наоборот, Солнце бывает над горизонтом долго, и его лучи сильно греют Землю. Поэтому-то летом и бывает тепло.
Сезонная температура – температура летом и зимой – зависит от количества тепла, которое получают разные регионы земли от Солнца. Чтобы температура в какой-то местности была постоянной, должен быть баланс между количеством тепла, которое она получает, и температурой, которое она излучает в космос. Если тепла получают больше, чем излучают, то становиться теплее. Если наоборот – холоднее. Почему количество энергии, которое получает данная местность от Солнца, изменяется в течение года.
Две теории холодной зимы и теплого лета
Для объяснения различий температуры в разные сезоны года применяют две популярные теории.
Одна из них видит причиной того, что зимой холодно, а летом тепло, различиях в расстояниях от Земли до Солнца при ее движении по эллиптической орбите. Земля находится от Солнца на расстоянии (147,1 миллион километров при минимальном удалении – в перигелии и 152,1 миллион километров при максимальном удалении – в афелии).
Другая теория считает причиной времен года на Земле то, что земная ось имеет наклон относительно к плоскости орбиты.
Дальше от Солнца – не холоднее
Если бы первая теория была полностью справедливой, то в обоих полушариях земли – северном и южном – были бы одни и те же времена года. Однако, в целом этого не наблюдается.
Более того, Земля достигает перигелия – минимального удаления от Солнца как раз, когда в северном полушарии зима – в начале января, когда холодно, а максимального удаления – афелия – летом, в июле, когда тепло!
Причина зимы и лета – наклон оси вращения Земли
Вторая теория видит причину смен времен года – от зимы к лету и обратно – в том, что ось вращения Земли наклонена на 23,5 градусов по отношению к эклиптике – плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Эта ось всегда проходит через северный и южный небесные полюса Земли. Северный полюс направлен приблизительно на Полярную звезду.
Рисунок 1 – Северное полушарие Земли зимой
(кликнуть для увеличения — по всем рисункам)
Рисунок 2 – Северное полушарие Земли летом
Когда северное полушарие Земли наклонено в сторону от Солнца, то лучи Солнца ударяют в северное полушарие как бы «вскользь». А в южном полушарии лучи падают почти «в лоб». Тогда на северном полушарии наступает зима, а на южном – наоборот, лето.
Летом и зимой — разные углы падения
Когда северное полушарие Земли наклонено в сторону к Солнцу, то наоборот лучи Солнца падают на северное полушарие «в лоб», а в южное – «вскользь». Тогда на северном полушарии наступает лето, а на южном – наоборот, зима.
Летом солнечные лучи падают об земную поверхность почти перпендикулярно, концентрируя тем самым энергию. Эта концентрированная энергия способна нагревать поверхность быстрее, чем в зимнее время, когда солнечные лучи падают на земную поверхность под более скользящим углом. Поэтому зимой холоднее, чем летом. Одна и та же энергия попадает на разные площади земной поверхности: летом меньше, зимой больше (рисунки 3 и 4). Другими словами: летом плотность солнечной энергии, которая попадает на земную поверхность больше, чем зимой.
Рисунок 3 – Малая плотность солнечной энергии зимой
Рисунок 4 – Большая плотность солнечной энергии летом
Кроме того, летом Солнце находится дольше над горизонтом и поэтому имеет больше времени, чтобы разогреть все вокруг до более высокой температуры, чем зимой (рисунки 5 и 6).
Рисунок 5 – Солнечный свет для северного полушария зимой
Рисунок 6 – Солнечный свет для северного полушария летом
Зима и лето на других планетах
Оси вращения большинства других планет Солнечной системы также наклонены по отношению к их орбитальным плоскостям. Поэтому они тоже имеют сезонные изменения своей температуры.
Меркурий, Юпитер и Венера имеют очень маленький наклон оси – не больше 3 градусов. Для этих планет в сезонных изменениях температуры значительно бОльшую роль может играть – в отличие от Земли – изменение их расстояния до Солнца. Однако, только Меркурий имеет большое различие между перигелием и афелием – максимальным и минимальным расстоянием до Солнца. Чрезвычайно «жидкая» атмосфера Меркурия не дает возможности сохранения на поверхности какой-либо солнечной энергии. Орбиты Юпитера и Венеры являются почти круговыми, а их атмосферы очень плотными. Поэтому сезонные изменения их температур почти равны нулю.
Зима и лето на Марсе
Марс, а также Сатурн и Нептун, имеют наклоны своих осей вращения похожие на земные. Однако Сатурн и Нептун имеют нулевые изменения температуры благодаря их очень плотным атмосферам, а также почти круговым орбитам.
Марс имеет весьма большие сезонные изменения температуры так как у него очень «жидкая» атмосфера, а орбита сильно эксцентричная. Южное полушарие находится ближе всего к Солнцу в течение своего лета и дальше всего – когда там зима. По тем же причинам северное полушарие Марса имеет более мягкие сезонные изменения, чем его южное полушарие. Поскольку планеты двигаются по своим орбитам медленнее всего, когда они дальше всего от Солнца, то на южном полушарии короткие, горячие лета и длинные, холодные зимы.
Времена года Урана
Времена года Урана – самые интересные, потому что он вращается вокруг Солнца, так сказать, на боку — ось Урана наклонена к плоскости орбиты на 98 градусов. Половина «уранского» года одно из его полушарий находится все время под солнечным светом, а другое полушарие – все время в тени. В другую половину года эти полушария меняются местами. Плотная атмосфера Урана распределяет солнечную энергию от одного полушария к другому весьма эффективно, так что сезонные изменения температуры там почти не заметны.
Вечная зима на Плутоне
Ось Плутона также наклонена на большой угол – 122,5 градусов, его орбита – самая эллиптическая из всех планет. К тому же он имеет очень слабую атмосферу. Плутон всегда так далеко от Солнца, что находится в постоянной «заморозке» – при температуре около минус 220 градусов. Вот уже где, действительно холодно – и летом, и зимой.
Солнце — это главный источник тепла и единственная звезда нашей Солнечной системы, которая, подобно магниту, притягивает все планеты, спутники, астероиды, кометы и прочих "обитателей" космоса.
Расстояние от Солнца до Земли более 149 миллионов километров. Именно эту удаленность нашей планеты от Солнца принято называть астрономической единицей.
Несмотря на значительное удаление, эта звезда оказывает огромное влияние на нашу планету. В зависимости от положения Солнца на Земле день сменяет ночь, лето приходит на смену зиме, возникают магнитные бури и образуются удивительнейшие полярные сияния. А самое главное — без участия Солнца на Земле невозможен был бы процесс фотосинтеза — основного источника кислорода.
Положение Солнца в разные времена года
Наша планета движется вокруг небесного источника света и тепла по замкнутой орбите. Этот путь схематично можно представить себе в виде вытянутого эллипса. Само Солнце располагается не в центре эллипса, а несколько в стороне.
Земля то приближается, то удаляется от Солнца, завершая полный оборот по орбите за 365 дней. Ближе всего к светилу наша планета находится в январе. В это время расстояние сокращается до 147 млн.км. Точка земной орбиты, ближе всего расположенная к Солнцу, называется "перигелий".
Чем ближе располагается Земля к Солнцу, тем больше освещается Южный полюс, а в странах южного полушария начинается лето.
Ближе к июлю наша планета максимально удаляется от главной звезды Солнечной системы. В этот период удаленность больше 152 млн.км. Самая далекая от Солнца точка земной орбиты получила название "афелий". Чем дальше земной шар находится от Солнца, тем больше света и тепла получают страны северного полушария. Тогда здесь наступает лето, а, например, в Австралии и Юной Америке господствует зима.
Как Солнце освещает Землю в разное время года
Освещение Земли Солнцем в разное время года напрямую зависит от удаленности нашей планеты в данный промежуток времени и от того, каким "боком" повернута Земля в этот момент к Солнцу.
Важнейший фактор, влияющий на смену времен года — земная ось. Наша планета, вращаясь вокруг Солнца, успевает в то же время поворачиваться вокруг собственной воображаемой оси. Эта ось расположена под углом в 23,5 градуса к небесному светилу и всегда оказывается направленной на Полярную звезду. Полный оборот вокруг земной оси занимает 24 часа. Осевое вращение обеспечивает также смену дня и ночи.
Кстати, если бы этого отклонения не было, то времена года не сменяли бы друг друга, а оставались постоянными. То есть, где-то царило бы постоянное лето, в других районах была постоянная весна, третья часть земли вечно бы поливалась осенними дождями.
Под прямыми лучами Солнца всегда оказывается земной экватор. Солнечные лучи, падающие отвесно, приносят больше света и тепла, они не рассеиваются в атмосфере. Поэтому жители стран, расположенных на экваторе, никогда не знают холода.
Полюса земного шара попеременно оказываются в лучах Солнца. Поэтому на полюсах полгода длится день, а полгода — ночь. Когда освещенным оказывается Северный полюс, то в северном полушарии наступает весна, сменяющая летом.
В следующие полгода картина меняется. К Солнцу оказывается обращенным Южный полюс. Теперь в южном полушарии начинается лето, а в странах северного полушария воцаряется зима.
Дважды в год наша планета оказывается в таком положении, когда солнечные лучи одинаково освещают ее поверхность от Крайнего севера до Южного полюса. Эти дни называются днями равноденствия. Весеннее отмечают 21 марта, осеннее —23 сентября.
Еще два дня в году получили названия солнцестояния. В это время Солнце оказывается или максимально высоко над горизонтом, или максимально низко.
В северном полушарии 21 или 22 декабря наступает ночь, длящаяся дольше всех в году — это день зимнего солнцестояния. А 20 или 21 июня, наоборот, день является самым длинным, а ночь самой короткой — это день летнего солнцестояния. В южном полушарии все происходит наоборот. Там в декабре длинные дни, а в июне — длинные ночи.
