Suhu musiman - suhu di musim panas dan musim dingin - tergantung pada jumlah panas yang diterima wilayah yang berbeda bumi dari matahari. Agar suhu suatu daerah tetap, maka harus ada keseimbangan antara jumlah panas yang diterima dan suhu yang dipancarkan ke ruang angkasa. Jika mereka menerima lebih banyak panas daripada yang mereka keluarkan, maka suhu menjadi lebih hangat. Kalau sebaliknya, lebih dingin. Mengapa jumlah energi yang diterima daerah ini dari Matahari, berubah sepanjang tahun.
Dua teori musim dingin dan musim panas yang hangat
Dua teori populer digunakan untuk menjelaskan perbedaan suhu pada musim yang berbeda dalam setahun.
Salah satunya melihat alasan mengapa bumi menjadi dingin di musim dingin dan hangat di musim panas karena perbedaan jarak Bumi ke Matahari saat bergerak dalam orbit elips. Bumi terletak pada jarak dari Matahari (147,1 juta kilometer pada jarak minimum - di perihelion dan 152,1 juta kilometer pada jarak maksimum - di aphelion).
Teori lain menganggap alasan terjadinya musim di Bumi adalah karena poros bumi miring terhadap bidang orbitnya.
Lebih jauh dari Matahari - tidak lebih dingin
Jika teori pertama sepenuhnya benar, maka kedua belahan bumi - utara dan selatan - akan memiliki musim yang sama. Namun, secara umum hal ini tidak diperhatikan.
Selain itu, Bumi mencapai perihelion - jarak minimum dari Matahari tepat saat musim dingin di belahan bumi utara - pada awal Januari, saat cuaca dingin, dan jarak maksimum - aphelion - di musim panas, pada bulan Juli, saat cuaca hangat. !
Penyebab terjadinya musim dingin dan musim panas adalah kemiringan sumbu rotasi bumi
Teori kedua melihat alasan perubahan musim - dari musim dingin ke musim panas dan sebaliknya - karena sumbu rotasi bumi cenderung sebesar 23,5 derajat terhadap ekliptika - bidang orbit bumi mengelilingi Matahari. Sumbu ini selalu melewati kutub utara dan selatan bumi. Kutub Utara ditujukan kira-kira pada Bintang Utara.
Gambar 1 – Belahan Bumi Utara pada musim dingin
(klik untuk memperbesar - semua gambar)
Gambar 2 – Belahan Bumi Utara pada musim panas
Ketika belahan bumi utara dimiringkan menjauhi Matahari, sinar Matahari menyinari belahan bumi utara seolah-olah “sambil lewat”. Dan masuk belahan bumi selatan sinarnya jatuh hampir secara langsung. Kemudian musim dingin dimulai di belahan bumi utara, dan sebaliknya, musim panas di belahan bumi selatan.
Musim panas dan musim dingin - sudut datangnya berbeda
Jika belahan bumi utara condong ke arah Matahari, maka sebaliknya sinar matahari jatuh ke belahan bumi utara secara “langsung”, dan ke belahan bumi selatan “secara santai”. Kemudian musim panas dimulai di belahan bumi utara, dan sebaliknya, musim dingin dimulai di belahan bumi selatan.
Di musim panas sinar matahari jatuh di permukaan bumi hampir tegak lurus, sehingga memusatkan energi. Energi terkonsentrasi ini mampu memanaskan permukaan lebih cepat dibandingkan waktu musim dingin ketika sinar matahari menyinari permukaan bumi dengan sudut yang lebih tajam. Oleh karena itu, suhu di musim dingin lebih dingin daripada di musim panas. Energi yang sama menyerang daerah yang berbeda permukaan bumi: lebih sedikit di musim panas, lebih banyak di musim dingin (Gambar 3 dan 4). Dengan kata lain: pada musim panas kepadatan energi matahari yang mengenai permukaan bumi lebih besar dibandingkan pada musim dingin.
Gambar 3 – Kepadatan energi matahari yang rendah di musim dingin
Gambar 4 – Kepadatan tinggi energi matahari di musim panas
Selain itu, di musim panas, Matahari berada di atas cakrawala lebih lama sehingga memiliki lebih banyak waktu untuk menghangatkan segalanya. suhu tinggi dibandingkan di musim dingin (Gambar 5 dan 6).
Gambar 5 – Sinar matahari Untuk belahan bumi utara di musim dingin
Gambar 6 – Sinar matahari untuk belahan bumi utara pada musim panas
Musim dingin dan musim panas di planet lain
Sumbu rotasi sebagian besar planet lain tata surya juga cenderung terhadap bidang orbitnya. Oleh karena itu mereka juga punya perubahan musim suhunya.
Merkurius, Jupiter dan Venus memiliki kemiringan sumbu yang sangat kecil - tidak lebih dari 3 derajat. Bagi planet-planet ini, peran yang jauh lebih besar dalam perubahan suhu musiman dapat dimainkan - berbeda dengan Bumi - melalui perubahan jaraknya dari Matahari. Namun, hanya Merkurius yang memilikinya perbedaan besar antara perihelion dan aphelion - jarak maksimum dan minimum ke Matahari. Atmosfer Merkurius yang sangat cair membuat energi matahari tidak mungkin tersimpan di permukaan. Orbit Jupiter dan Venus hampir berbentuk lingkaran, dan atmosfernya sangat padat. Oleh karena itu, perubahan musiman suhunya hampir nol.
Musim dingin dan musim panas di Mars
Mars, serta Saturnus dan Neptunus, memiliki kemiringan sumbu rotasi yang serupa dengan sumbu rotasi Bumi. Namun, Saturnus dan Neptunus tidak mengalami perubahan suhu karena atmosfernya yang sangat padat serta orbitnya yang hampir melingkar.
Mars memiliki perubahan suhu musiman yang sangat besar karena memiliki atmosfer yang sangat “cair” dan orbit yang sangat eksentrik. Belahan Bumi Selatan paling dekat dengan Matahari pada musim panas dan terjauh pada musim dingin. Untuk alasan yang sama, belahan bumi utara Mars memiliki variasi musim yang lebih ringan dibandingkan belahan bumi selatan. Karena planet-planet bergerak paling lambat pada orbitnya ketika berada pada jarak terjauh dari Matahari, belahan bumi selatan mengalami musim panas yang singkat dan terik serta musim dingin yang panjang dan dingin.
Musim Uranus
Musim Uranus adalah yang paling menarik karena ia berputar mengelilingi Matahari, bisa dikatakan, pada sisinya - sumbu Uranus dimiringkan ke bidang orbitnya sebesar 98 derajat. Setengah tahun “Uranus”, salah satu belahan bumi selalu berada di bawah sinar matahari, dan belahan bumi lainnya selalu berada dalam bayangan. Di paruh kedua tahun ini, belahan bumi ini berpindah tempat. Suasana kental Uranus mendistribusikan energi matahari dari satu belahan bumi ke belahan bumi lainnya sangat efisien, sehingga perubahan suhu musiman hampir tidak terlihat di sana.
Musim dingin abadi di Pluto
Sumbu Pluto juga dimiringkan dengan sudut yang besar - 122,5 derajat, orbitnya paling elips dari semua planet. Selain itu, atmosfernya sangat lemah. Pluto selalu berada sangat jauh dari Matahari sehingga ia terus-menerus “membeku” - pada suhu sekitar minus 220 derajat. Suhunya sudah sangat dingin – baik di musim panas maupun musim dingin.
Para ilmuwan abad ke-17 pasti sangat terkejut dan mengalami banyak ketidaksenangan ketika membaca buku Johannes Kepler “The New Astronomy”. Tentu saja, ahli matematika Jerman menyerukan ditinggalkannya orbit melingkar tempat planet-planet bergerak, dan menggantinya dengan elips! Para astronom belum sepenuhnya memahami ide-ide revolusioner Copernicus, yang menempatkan Matahari sebagai pusat dunia dan dengan demikian menurunkan status Bumi menjadi planet biasa, ketika pukulan kedua diberikan pada planet berusia dua ribu tahun itu. sistem dunia Ptolemy.
Elips! Ini hampir merupakan penistaan! Lingkaran adalah bangun datar yang sempurna, dan bagaimana lagi benda dapat bergerak ke dalamnya dunia surgawi, jika tidak dalam orbit melingkar! Namun teori Kepler menjelaskan pergerakan planet lebih baik daripada teori mana pun yang menggunakan orbit melingkar. Berdasarkan hal itu, dimungkinkan untuk berbuat lebih banyak prediksi yang akurat, di mana planet ini atau itu akan berada di langit dalam satu tahun, sepuluh, seratus tahun. Teorinya berhasil!
Bumi, seperti planet lainnya, juga bergerak mengelilingi Matahari bukan dalam bentuk lingkaran, melainkan dalam orbit elips dan memanjang. Artinya, planet kita menghabiskan satu bagian dari perjalanannya mendekati matahari, dan bagian lainnya - dihapus. Titik terdekat bumi dengan bintang disebut perihelion , dan titik orbit yang terjauh dari Matahari disebut aphelion . Akibatnya, ukuran Matahari di langit kita pun harus berubah.
Perbedaan ukuran Matahari saat Bumi berada pada perihelion dan aphelion. Foto: Raffaele Esposito
Karena Bumi bergerak dalam bentuk elips, maka geraknya tidak merata. Karena gaya gravitasi berkurang seiring bertambahnya jarak antara benda-benda gravitasi, bumi seharusnya bergerak di dekat aphelion lebih lambat daripada di perihelion. Tentu saja, hal ini tercermin dalam pergerakan Matahari melintasi langit: benda termasyhur bergerak dengan latar belakang bintang-bintang, terkadang lebih cepat, terkadang lebih lambat (ini tidak berarti pergerakan harian Matahari dari timur ke barat, tetapi yang kedua , pergerakan tahunan dengan latar belakang konstelasi!). Mereka pasti mempunyai jangka waktu dan musim yang berbeda-beda, karena pada musim dimana Bumi lebih dekat ke Matahari, planet kita “melewati” lebih cepat dibandingkan musim lainnya.
Semua hal di atas merupakan konsekuensi nyata dari ketiga hukum Kepler, tetapi dalam kehidupan biasa mereka biasanya luput dari perhatian kita. Dan ini tidak mengherankan - orbit bumi hampir berbentuk lingkaran, perpanjangannya kecil. Tanpa melakukan pengamatan khusus, hampir mustahil untuk memperhatikan pengaruh gerak bumi sepanjang elips.
Kata pengantar panjang ini dibuat untuk menyampaikan hal utama: hari ini, 4 Januari 2015, Bumi berada pada perihelion terhadap Matahari - pada titik orbitnya yang paling dekat dengan bintang. Tanggal yang tepat acara - 4 Januari pukul 06:36 waktu universal, atau 09:36 waktu Moskow.
Saat ini Matahari berada lebih dekat ke Bumi dibandingkan hari-hari lainnya sepanjang tahun, yang berarti hari ini Bumi akan menerima panas dari Matahari. jumlah terbesar cahaya dan kehangatan di tahun 2015!
Saat Bumi paling dekat dengan Matahari, sedang terjadi musim dingin di belahan bumi utara. Foto lingkaran cahaya matahari yang luar biasa ini diambil pada tanggal 2 Januari 2015 di Alaska. © Tracey Mendenhall Porreca
Aneh? Sama sekali tidak! Ingatlah bahwa perubahan musim bukan karena jarak Bumi lebih dekat atau lebih jauh dari Matahari, tetapi karena sumbu rotasi planet kita condong ke bidang. orbit bumi. Akibatnya, Matahari sebagian besar menerangi belahan bumi utara selama setengah tahun, dan belahan bumi selatan selama setengah tahun lainnya. Oleh karena itu, sekarang sedang musim panas yang sesungguhnya di belahan bumi selatan!
Namun, seperti yang kami tulis tahun lalu, enam bulan adalah perkiraan kasar. Mari kita lihat lebih dekat.
Batasan musim astronomi adalah momen ekuinoks dan titik balik matahari. (Ini bukan tanggal acak, tapi poin tunggal di orbit Bumi, menandai “tahapan” kunci dari proses penerangan Bumi oleh Matahari/) Misalnya, musim panas astronomi berlangsung sejak saat titik balik matahari musim panas, yang mana tahun yang berbeda terjadi pada tanggal 20, 21, atau 22 Juni, hingga ekuinoks musim gugur terjadi pada tanggal 22 atau 23 September. Jadi lamanya musim panas adalah 93,6 hari. Musim gugur berlangsung dari ekuinoks musim gugur hingga titik balik matahari musim dingin, yang terjadi pada tanggal 21 atau 22 Desember. Mari kita hitung jumlah hari di kalender antara tanggal-tanggal ini dan pastikan musim gugur lebih pendek 4 hari! - durasinya 89,8 hari! Musim dingin bahkan lebih singkat - hanya 89 hari. Terakhir, durasi musim semi adalah 92,8 hari. Di Sini bukti visual fakta bahwa Bumi bergerak berbentuk elips dan lebih dekat ke Matahari pada musim dingin dibandingkan pada musim panas!
Namun, perbedaan jarak ke Matahari pada musim panas dan musim dingin kecil - hanya sekitar 5 juta km. Saat ini sama dengan 147 juta 096 ribu 204 kilometer. Di aphelion jaraknya akan melebihi 152 juta kilometer. Jaraknya bervariasi sekitar 3%. Ukuran Matahari di langit kita juga berubah - sama sekali tidak terlihat dengan mata telanjang!
Kita semua tahu betul hal itu waktu yang berbeda Matahari berperilaku berbeda setiap tahun. Di musim panas, ia terbit lebih awal, terbang tinggi ke langit, dan terbenam terlambat. Sebaliknya, di musim dingin, Matahari muncul terlambat di atas cakrawala dan membuat posisi rendah dan jalan pintas melintasi langit, terbenam lebih awal. Di musim panas, siang hari panjang dan malam pendek; Di musim dingin, siang hari pendek dan malam panjang. Di musim semi dan musim gugur, durasi siang dan malam sedikit berbeda. Bagaimana semua ini bisa dijelaskan? Kita tahu bahwa pergantian siang dan malam, yaitu terbit dan terbenamnya Matahari, terjadi karena bumi berputar pada porosnya. Mengapa putarannya tidak sama sepanjang tahun? Atau mungkin lamanya siang dan malam bergantung pada alasan lain?
Untuk mengetahuinya, mari kita lihat lebih dekat bagaimana perilaku Matahari pada waktu-waktu berbeda dalam setahun dan apa hubungan antara perilaku Matahari dan perubahan cuaca.
Baik pada musim panas maupun musim dingin, Matahari terbit di ufuk bagian timur, terbenam di bagian barat, dan pada siang hari berada di selatan, paling tinggi di atas ufuk. Namun pada musim panas, Matahari terbit di antara timur dan utara, yaitu di timur laut, dan terbenam di antara barat dan utara, yaitu di barat laut. Oleh karena itu, jalur terlihatnya melintasi langit menjadi panjang, dan banyak waktu yang harus dilalui sebelum Matahari dapat mencapai selatan; Selama waktu ini Matahari akan punya waktu untuk terbit tinggi. Di musim dingin, Matahari terbit antara timur dan selatan, yaitu di tenggara, dan terbenam antara barat dan selatan, yaitu di barat daya. Jalurnya melintasi langit lebih pendek dibandingkan di musim panas. Matahari mencapai selatan dalam waktu yang relatif singkat dan tidak sempat terbit hingga ketinggian yang signifikan (Gbr. 5).
Beras. 5. Jalur yang terlihat Matahari berada di atas cakrawala pada waktu yang berbeda sepanjang tahun
Mari kita ambil contoh Moskow. Di musim panas di Moskow, pada akhir Juni, Matahari berada di atas cakrawala selama kurang lebih 17 setengah jam, dan di musim dingin, pada akhir Desember, hanya 6 setengah jam. Pada siang hari, saat Matahari berada di selatan, di musim panas ketinggiannya 5 kali lebih tinggi di atas cakrawala dibandingkan di musim dingin.
Tidak sulit untuk memahami bahwa justru karena perbedaan perilaku Matahari di musim dingin dan musim panas, maka menjadi dingin di musim dingin dan hangat di musim panas. Memang, di musim panas, Matahari menyinari permukaan bumi lebih lama dibandingkan di musim dingin. Dan sinar matahari tidak hanya memberi cahaya pada bumi, tapi juga menghangatkannya.
Tapi juga nilai yang lebih tinggi memiliki perbedaan ketinggian jalur Matahari di atas cakrawala. Saat Matahari berada rendah di langit, sinarnya harus melewati lapisan tebal amplop udara, yang tidak hanya melemahkan cahaya Matahari, tetapi juga menunda panas sinarnya. Selain itu, dalam hal ini sinar matahari yang jatuh ke permukaan bumi tidak secara langsung, melainkan miring, seolah-olah meluncur sepanjang permukaan bumi. Akibat dari semua ini, ketika matahari sedang rendah, sinar matahari hanya sedikit menghangatkan tanah.
Berbeda sekali jika Matahari berada tinggi di atas cakrawala. Kemudian sinar matahari melewati secara relatif lapisan tipis udara dan jatuh ke permukaan bumi hampir secara vertikal. Berkat ini, mereka menghangatkan tanah dengan sempurna.
Beras. 6. Jalur sinar matahari pada posisi rendah dan tinggi posisi tinggi Matahari
Lihat gambar. 6. Gambar sebelah kiri menunjukkan bagaimana seberkas sinar matahari jatuh ke bumi ketika matahari berada rendah di langit. Gambar sebelah kanan memperlihatkan seberkas sinar Matahari yang jatuh ke Bumi saat berada tinggi di langit. Pancaran sinar yang sama pada kasus pertama (saat Matahari rendah) menerangi secara signifikan wilayah yang luas di permukaan bumi dan lapisan udara yang lebih tebal melewatinya dibandingkan kasus kedua. Ini memperjelas alasannya matahari musim dingin Hampir tidak hangat, tetapi musim panas, sebaliknya, sangat hangat.
Jadi, kita melihat bahwa dinginnya musim dingin disebabkan oleh fakta bahwa di musim dingin Matahari tidak lama berada di atas cakrawala dan sinarnya hampir tidak menghangatkan permukaan bumi. Sebaliknya, di musim panas, Matahari tetap berada di atas cakrawala untuk waktu yang lama, dan sinarnya menghangatkan bumi secara signifikan. Itu sebabnya cuaca menjadi hangat di musim panas.
Matahari adalah sumber utama panas dan satu-satunya bintang tata surya kita, yang seperti magnet, menarik semua planet, satelit, asteroid, komet, dan “penghuni” luar angkasa lainnya.
Jarak Matahari ke Bumi lebih dari 149 juta kilometer. Jarak planet kita dari Matahari inilah yang biasa disebut satuan astronomi.
Meskipun jaraknya cukup jauh, bintang ini mempunyai dampak yang sangat besar terhadap planet kita. Tergantung pada posisi Matahari di Bumi, siang berganti malam, musim panas datang menggantikan musim dingin, dan badai magnet dan hal-hal yang paling menakjubkan pun terbentuk aurora. Dan yang terpenting, tanpa partisipasi Matahari, proses fotosintesis, sumber utama oksigen, tidak akan mungkin terjadi di Bumi.
Posisi Matahari pada waktu yang berbeda dalam setahun
Planet kita bergerak mengelilingi sumber cahaya dan panas dalam orbit tertutup. Jalur ini secara skematis dapat direpresentasikan sebagai elips memanjang. Matahari sendiri letaknya tidak berada di tengah elips, melainkan agak ke samping.
Bumi secara bergantian mendekat dan menjauh dari Matahari, menyelesaikan satu orbit penuh dalam 365 hari. Planet kita paling dekat dengan matahari pada bulan Januari. Saat ini jaraknya berkurang menjadi 147 juta km. Titik orbit Bumi yang paling dekat dengan Matahari disebut “perihelion”.
Semakin dekat Bumi ke Matahari, semakin banyak penerangan di Kutub Selatan, dan musim panas dimulai di negara-negara belahan bumi selatan.
Mendekati bulan Juli, planet kita menjauh sejauh mungkin bintang utama Tata surya. Selama periode ini jaraknya lebih dari 152 juta km. Titik orbit bumi yang terjauh dari Matahari disebut aphelion. Semakin jauh bumi dari Matahari, maka lebih banyak cahaya dan panas diterima oleh negara-negara di belahan bumi utara. Kemudian musim panas tiba di sini, dan, misalnya, musim dingin berkuasa di Australia dan Amerika Muda.
Bagaimana Matahari menyinari Bumi pada waktu yang berbeda sepanjang tahun
Penerangan Bumi oleh Matahari di waktu yang berbeda tahun secara langsung bergantung pada jarak planet kita pada periode waktu tertentu dan di “sisi” mana Bumi menghadap Matahari pada saat itu.
Faktor terpenting yang mempengaruhi pergantian musim adalah poros bumi. Planet kita, yang berputar mengelilingi Matahari, pada saat yang sama berhasil berputar mengelilingi sumbu imajinernya sendiri. Sumbu ini terletak pada sudut 23,5 derajat ke tubuh surgawi dan ternyata selalu mengarah ke Bintang Utara. Putaran penuh poros bumi membutuhkan waktu 24 jam. Rotasi aksial juga memastikan pergantian siang dan malam.
Ngomong-ngomong, jika penyimpangan ini tidak ada, maka musim tidak akan saling menggantikan, tetapi akan tetap konstan. Artinya, di suatu tempat akan terjadi musim panas yang konstan, di daerah lain akan ada musim semi yang konstan, sepertiga bumi akan selamanya diairi oleh hujan musim gugur.
Garis khatulistiwa bumi selalu berada di bawah sinar matahari langsung. Sinar matahari yang jatuh secara vertikal membawa lebih banyak cahaya dan panas, tidak tersebar di atmosfer. Oleh karena itu, penduduk negara yang terletak di garis khatulistiwa tidak pernah mengenal hawa dingin.
Polandia bola dunia bergantian menemukan diri mereka di bawah sinar matahari. Oleh karena itu, di kutub, siang berlangsung setengah tahun, dan malam berlangsung setengah tahun. Ketika Kutub Utara diterangi, musim semi dimulai di belahan bumi utara, digantikan oleh musim panas.
Selama enam bulan berikutnya gambarannya berubah. Kutub Selatan ternyata menghadap Matahari. Sekarang musim panas dimulai di belahan bumi selatan, dan musim dingin melanda negara-negara di belahan bumi utara.
Dua kali setahun, planet kita berada pada posisi di mana sinar matahari menyinari permukaannya secara merata dari Utara Jauh hingga Utara Jauh kutub selatan. Hari-hari ini disebut hari ekuinoks. Musim semi dirayakan pada tanggal 21 Maret, musim gugur pada tanggal 23 September.
Dua hari lagi dalam setahun disebut titik balik matahari. Pada saat ini, Matahari berada setinggi mungkin di atas cakrawala, atau serendah mungkin.
Di belahan bumi utara, tanggal 21 atau 22 Desember menandai malam terpanjang dalam setahun—titik balik matahari musim dingin. Dan pada tanggal 20 atau 21 Juni, sebaliknya, siang adalah yang terpanjang, dan malam adalah yang terpendek - ini adalah hari titik balik matahari musim panas. Di belahan bumi selatan, yang terjadi justru sebaliknya. Ada hari yang panjang di bulan Desember dan malam yang panjang di bulan Juni.
