Положение солнца в разное время года. Даты солнцестояния, равноденствия

Вопрос №23.Суточное и годовое движ. Солнца.Законы Кеплера.Особенности движения солнца в тропич.и полярных районах

Известно, что небесная сфера со всеми находящимися на ней светилами вращается вокруг оси мира. Это движение называется видимым суточным движением сферы. Направлено суточное движение по часовой стрелке, если смотреть на на сферу со стороны северного полюса P N . Вследствие суточного движения все светила, вращаясь с вместе со сферой, двигаются параллельно небесному экватору, т.е. по небесным параллелям , всегда пересекают в этом движении меридиан наблюдателя, некоторые пересекают I-ый вертикал и горизонт. Пересечение светилом в своем суточном движении полуденной части меридиана наблюдателя называется верхней кульминацией , а пересечение светилом полуночной части называется нижней кульминацией. Из нижнего рисунка видно, что для постоянной широты и светила с постоянным склонением в момент верхней кульминации светило имеет максимальную высоту, а в момент нижней кульминации - минимальную высоту. Пересечение светилом в своем суточном движении плоскости истинного горизонта называется точками восхода и захода .

Видимое годовое движение Солнца.

В результате движения Земли по своей орбите наблюдателю на Земле кажется, что Солнце все время перемещается по небесной сфере относительно неподвижных звезд. Правда наблюдать движение Солнце относительно звезд не представляется возможным, т.к. звезды в дневное время не видны. Перечислим некоторые убедительные факты перемещения Солнца относительно звезд:

В разное время года в полночь видны разные звезды.

Меридиональная высота Cолнца в течении года изменяется.

Изменяются также азимуты восхода и захода Солнца, а также продолжительность дня и ночи.

Земля, двигаясь по своей орбите, сохраняет в мировом пространстве неизменное положение своей оси вращения. Угол наклона оси вращения Земли с плоскостью орбиты Земли составляет 66°33", следовательно, угол между плоскостью орбиты Земли и плоскостью земного экватора составляет 23°27".

Эклиптика - это видимый годовой путь, по которому перемещается Солнце по небесной сфере. Эклиптика - это проекция плоскости земной орбиты на небесную сферу. Т.к. плоскость небесного экватора - это продолжение земного экватора, а плоскость эклиптики - это плоскость орбиты Земли, то плоскость эклиптики составляет с плоскостью небесного экватора угол = 23°27". Точкой Овна () называется точка на небесной сфере, в которой Солнце в своём видимом годовом движении меняет своё склонение с южного на северное. В эту точку Солнце ежегодно приходит 21-го марта - в день весеннего равноденствия. Точка Овна задает точку отсчета еще для одной координаты - для прямого восхождения. Прямое восхождение () - это дуга небесного экватора от точки Овна до меридиана светила, в сторону обратных западных часовых углов (или если смотреть со стороны северного полюса, то против часовой стрелки). Именно в этом направлении по небесной сфере перемещваются Солнце, Луна и, следовательно, увеличивается прямое восхождение этих светил.

Изменение экваториальных координат Солнца.

В течении года Солнце по небесной сфере проходит четыре точки (смотри таблицу).

Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождения центра Солнца через точку Овна. Его продолжительность составляет 365,2422 суток. Этот период положен в основу календарного года. Уточнение величины тропического года оставило свой след в истории астрономии в виде египетского года, юлианского и григорианского стилей. Для приближенных расчетов необходимо знать суточные изменения координат Солнца. Прямое восхождение Солнца в течение года изменяется почти равномерно. Суточная скорость изменения прямого восхождения Солнца составляет 360°/365,24221°/сутки.

Склонение Солнца в течении года изменяется неравномерно

Явления, связанные с движением Солнца для наблюдателей в различных широтах.

Явления, сопровождающие годовое и суточное движение Солнца.

Времена года. Количество солнечной энергии, получаемой единичной площа­дью на Земле, зависит главным образом от высоты Солнца над горизонтом и вре­мени освещения. В средних широтах высоты Солнца меняются за год на 46°53", что и приводит к смене времен года. На рис. 23 в положении // Земля обращена к Солнцу северным полушарием, где вы­соты Солнца больше, время освещения продолжительнее - наступает лето. В положении IV наоборот - в северном полушарии зима, в южном - лето.

Астрономическими признаками вре­мен года принято считать соотношение знака и величины склонения Солнца с широтой места. Когда δ становится одно­именным с φ, начинается весна, а при δmax начинается лето. Когда δ стано­вится разноименным с φ, начинается осень, а при δmax начинается зима.

Вследствие неравномерности движе­ния Солнца по эклиптике время прохож­дения участков эклиптики между точ­ками времен года неодинаково, поэтому в северном полушарии весна продол­жается 92,9 сут; лето - 93,6; осень - 89,8; зима - 89,0 сут; теплый весенне-летний период на семь дней длиннее осен­не-зимнего. В тропиках вместо лета и зимы различают два сезона - соответ­ственно сухой и дождливый.

Климатические пояса.

Разделение Земли на климатические пояса связано с количеством тепла, получаемым от Солнца, и особенностями его суточного движения. С астрономической точки зрения Зем­ля разделяется на пять климатических поясов.

Жаркий, или тропический, пояс вклю­чает районы, в которых Солнце может проходить через зенит. Условие прохож­дения через зенит: δ= φ Следователь­но, границами пояса будут параллели 23°27" N и S, т. е тропики Рака и Козе­рога

Умеренный пояс (северный и южный) включает районы, в которых Солнце каждый день восходит и заходит, но не проходит через зенит. Условие восхода δ< 90°-φ Следовательно, грани­цами этих двух поясов будут параллели от 23°27" до 66°33"N и S, т. е. от тропи­ков до полярных кругов.

Холодный, или полярный, пояс (ар­ктический, антарктический) включает районы, в которых возможны дни с не­заходящим или невосходящим Солнцем. При δ >90-φ к одноименных Солн­це будет незаходящим, а при δ >90-φ и разноименных - невосходящим.

Крайние параллели, на которых воз­можно незаходящее или невосходящее Солнце, называются полярными кругами: северным - в φ = 66°33" N и южным - в φ = 66°33"S Следовательно, два хо­лодных пояса простираются от поляр­ных кругов до полюсов.

Особенности движения Солнца в раз­ных широтах.

Рассмотрим, как проис­ходит совместное суточное и годовое движение Солнца при изменении широты места. Как показано на рис. 24, в тече­ние года Солнце движется по спирали и его крайние параллели создают пояса сферы в пределах 23°27"N и S. Для выяснения особенностей движения Солнца эти пояса заносятся на сферу в данной широте (рис. 27).

На экваторе (рис. 27, а) все паралле­ли Солнца делятся пополам, поэтому день всегда приближенно равен ночи. В дни равноденствий (δ=0) Солнце движется по экватору, который совпадает здесь с первым вертикалом; в пол­день Солнце проходит через зенит. До полудня Солнце движется по Е части пер­вого вертикала, а после полудня - по W, т. е. в полдень азимут Солнца мгно­венно изменяется на 180°. В дни солнце­стояний параллелями являются тропи­ки (δ = 23°27"), при этом меридиональ­ные высоты Н = 66°33" будут наимень­шими.

В тропическом поясе (рис. 27, б) крайние параллели Солнца вмещают зенит (φ ≤ 23°27"N, S), поэтому Солнце проходит через зенит дважды в год, а на границах пояса - один. Продолжи­тельность дня в течение года меняется мало. Солнце может пересекать первый вертикал (δ < φ) и не пересекать его. В тропиках изменение азимута проис­ходит весьма неравномерно: велико око­ло кульминаций и мало около первого вертикала.

В умеренном поясе Солнце в течение года всегда восходит и заходит, причем продолжительность дня меняется в ши­роких пределах (крайние параллели на рис. 24). В этом поясе Солнце никогда не проходит через зенит, а меридиальные высоты меняются в течение одного года на 2δmax.

В полярном поясе (рис. 27, в) может наблюдаться незаходящее или невосхо­дящее Солнце, когда δ≥ 90° - φ, т. е. возможен полярный день или ночь. В остальное время Солнце восходит и заходит

Полярным днем называется промежу­ток времени, в течение которого Солн­це в суточном движении не заходит и движется над горизонтом (параллели bb1, Na на рис 27, в), он продолжается, пока δ≥ 90°-φ и одноименно

Полярной ночью называется промежу­ток времени, в течение которого Солн­це в суточном движении не восходит и движется под горизонтом (параллели Sc, d1d), ночь продолжается, пока δ≥ 90°-φ и разноименно

На полюсах полярные день и ночь продолжаются почти полгода, на север­ном полюсе день - с 21 марта по 23 сентября, ночь - с 23 сентября по 21 марта, на южном - наоборот

Законы Кеплера.

1. Орбиты планет есть эллипсы, в одном из фокусов кото­рых находится Солнце. Радиус-вектор точки эллипса (рис. 21) выражается фор­мулой:

2. Площади, описываемые радиусом-вектором планеты в равные промежутки времени, равны (см. рис. 21)

где с - момент количества движения точки единичной массы.

Этот закон учитывает неравномер­ность движения данной планеты по ее орбите: ближе к Солнцу планета движет­ся быстрее, дальше - медленнее.

3. Квадраты звездных периодов обра­щения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит. Этот закон показывает, что более близ­кие к Солнцу планеты имеют большие средние орбитальные скорости, чем бо­лее удаленные; например Меркурий име­ет v = 48 км/с, Венера -35 км/с, а Плу­тон - около 5 км/с.

Ньютон показал, что законы Кепле­ра в общем виде относятся ко всем кос­мическим телам и действуют в любом поле тяготения и что эти законы долж­ны учитывать массы и скорости тел. Формула (51) для радиуса-вектора была выведена Ньютоном из закона всемир­ного тяготения в общем виде (как урав­нение конического сечения с е от 0 до ∞). Из нее следовало, что в центральном поле тяготения орбитами космических тел являются конические сечения: в зависимости от скорости движения тело может описывать эллипс, параболу или гиперболу.

Помимо вращения вокруг оси, Земля, как и все планеты, обращается по эл­липтической (е = 0,0167) орбите вокруг Солнца (рис. 23) в направлении суточ­ного вращения, причем ее ось pnps на­клонена к плоскости орбиты на угол 66°33", сохраняющийся в процессе обра­щения (без учета возмущений). Движе­ние Земли по орбите происходит неравно­мерно, что отражено во втором законе Кеплера (см. § 12). Быстрее всего Земля движется в перигелии (точка П" на рис. 23), где v=30,3 км/с, который она проходит около 4 января; медленнее все­го - в афелии (точка А" на рис. 23), где v = 29.2 км/с, который она проходит около 4 июля Вследствие этого участки орбиты ///- IV -/ Земля проходит быстрее, а участки /-II -/// - медлен­нее. Средняя орбитальная скорость 29,76 км/с у Земли бывает около равно­денствий (/ и ///). Орбитальное движе­ние вызывает изменение направлений на светила для наблюдателя, находя­щегося на поверхности Земли. Вследст­вие этого положения светил на сфере должны изменяться, т. е. светила, поми­мо суточного движения со сферой, долж­ны иметь еще и видимые, собственные движения о сфере

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.

Помимо суточного вращения, Земля вращается вокруг Солнца. Это приводит к тому, что, по мере перемещения Земли по орбите, Солнце проектируется в различные точки небесной сферы. Если в течение года эти точки соединить плавной кривой, получим большой круг на небесной сфере. Большой круг небесной сферы, по которому в течение года кажущимся образом перемещается Солнце, называется эклиптикой.

На рис. 1.10 показана часть небесной сферы, с нанесёнными на ней небесным экватором и эклиптикой. Точкой П N обозначен северный полюс эклиптики. На эклиптике показано также Солнце и направление его перемещения в течение года.

Фактически эклиптика представляет собой след пересечения плоско сти орбиты Земли с небесной сферой, а наклон эклиптики к небесному экватору определяется наклоном оси вращения Земли к плоскости орбиты . Этот наклон равен 66,5°. Поэтому наклон небесного экватора к эклиптике δ=23,5°.

На эклиптике существуют четыре характерные точки: две точки пересечения с небесным экватором и две, отстоящие от них на 90°. Точки пересечения эклиптики с небесным экватором называются точками равноденствия, точки, отстоящие от них на 90°, называются точками солнцестояний.

Точка, в которой Солнце переходит из южного полушария в северное (см. рис. 1.10), называется точкой весеннего равноденствия или точкой Овна (Y). Противоположная точка – точка осеннего равноденствия или точка Весов (Ώ).

Точка L северной части эклиптики, отстоящая от точек равноденствия на 90°, называется точкой летнего солнцестояния. Противоположная точка – точка зимнего солнцестояния L ‘.

Точку весеннего равноденствия Солнце проходит 21 марта, точку летнего солнцестояния – 22 июня, точку осеннего равноденствия – 23 сентября и точку зимнего солнцестояния – 22 декабря.

Так как Земля по орбите вращается неравномерно, то и кажущееся пе ремещение Солнца по эклиптике происходит неравномерно. Быстрее всего Солнце перемещается зимой около 4 января, медленнее всего – летом около 4 июля.

Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку Овна называется тропическим годом . Он равен 365,2422 средних суток. Все календари, ориентированные на Солнце, строятся так, чтобы средняя продолжительность гражданского года была как можно ближе к продолжительности тропического года.

Как видно из рис. 1.10, в течение года экваториальные координаты Солнца непрерывно меняются. Прямое восхождение изменяется от 0° до 360°. Склонение изменяется от 0° до 23,5°. Причем, между 21 марта и 23 сентября склонение Солнца северное. После 23 сентября и до 21 марта склонение Солнца южное.

Для приближенных расчетов принято считать суточное изменение прямого восхождения – 1°. Суточное изменение склонения принято считать месяц до и месяц после равноденствий – по 0,4°, месяц до и месяц после солнцестояний – по 0,1°, остальное время – по 0,3°. Для уменьшения погрешностей расчет следует вести от ближайшей характерной точки эклиптики.

Так как склонение Солнца в течение года меняется, изменяется и положение суточной параллели Солнца для наблюдателя на данной широте. Рассмотрим совместное влияние суточного вращения и годового движения Земли на кажущееся перемещение Солнца по небесной сфере.

На рис. 1.11 а) показана проекция небесной сферы на плоскость меридиана наблюдателя на широте около 10° N. Суточная параллель Солнца описываемая 22 июня, когда его склонение равно 23,5° N , называется тропиком Рака ; суточная параллель , описываемая Солнцем 22 декабря – тропиком Козерога . В эти дни склонение Солнца максимально. Все остальные суточные параллели располагаются между этими тропиками.

В один из дней склонение Солнца, уменьшаясь после 22 июня, достигает значения, равного широте и суточная параллель пройдет через зенит , т.е. в этот день Солнце кульминирует в зените на этой широте.

21 марта и 23 сентября склонение Солнца равно 0° и суточная параллель проходит по небесному экватору. На рис. 1.11 видно, что в эти дни половина суточной параллели расположена над горизонтом, половина -под горизонтом, т.е. в эти дни день равен ночи независимо от широты.

После 22 декабря, когда Солнце описывает тропик Козерога, в один из дней склонение Солнца снова станет равным широте и Солнце вторично за год на этой широте кульминирует в зените.

Часть поверхности земного шара, где Солнце хотя бы раз в году кульминирует в зените , называется тропическим или жарким поясом. Его границами являются географические параллели 23,5 N и 23,5 S , которые также называются тропиками Рака и Козерога .

На рис. 1.11(6) показана проекция небесной сферы для наблюдателя на широте около 75° N . 21 марта суточная параллель проходит по небесному экватору и день равен ночи. По мере того, как увеличивается северное склонение, суточная параллель поднимается все выше и в один из дней, когда склонение станет равным 90°- φ , она коснется горизонта в точке N и после этого будет полностью проходить над горизонтом.

Явление, когда Солнце более 24 часов находится над горизонтом, называется полярным днём . Полярный день будет продолжаться до тех пор, пока Солнце, дойдя до тропика Рака, не опустится снова на суточную параллель со склонением, равным 90°- φ . После этого начнутся обычные

сутки с восходами и заходами Солнца.

При аналогичных, но разноимённых с широтой, склонениях Солнца суточная параллель расположится под горизонтам и наступит полярная ночь. Часть поверхности земного шара, где наблюдается полярный день и полярная ночь, называется полярным или холодным поясом. Полярных поясов два : один расположен севернее параллели 66,5 N , другой – южнее параллели 66,5° S .

Анализируя рис. 1.11 (б), не трудно видеть, что на полюсе Солнце половину года расположено над горизонтом, половину – под горизонтом, т.е. год состоит из полярного дня и полярной ночи.

Часть поверхности земного шара, заключений между тропическим и полярным поясами, называется умеренным поясом. Умеренных поясов два. Они заключены между параллелями 23,5° и б6,5° в северном и южном полушариях. В умеренном поясе Солнце никогда не бывает в зените и не наблюдается полярный день и полярная ночь.

Перемещаясь в течение года по эклиптике, Солнце проходит по различным созвездиям. Таких созвездий 12 – по одному на каждый месяц. Эти созвездия называются зодиакальными , а их условные обозначения знаками Зодиака. Переход из одного созвездия в другое происходит в начале двадцатых чисел каждого месяца.

Собственное движение Луны

Луна является ближайшим небесным телом и обращается вокруг Зем ли , точнее, вокруг центра масс системы Земля – Луна, по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384 тысячи километров от Земли.

Период обращения Луны вокруг Земли относительно неподвижных звезд составляет 27,32 средних суток и называется сидерическим месяцем. В сутки Луна перемещается относительно неподвижных звезд на 13,2°.

Вращение Луны происходит в ту же сторону, что и движение Солнца по эклиптике. Поэтому за сидерический месяц Солнце перемещается по эклиптике примерно на 27° и Луне требуется ещё 2,21 средних суток, чтобы придти в исходное положение относительно Солнца. Период обращения Луны вокруг Земли относительно Солнца называется синодическим месяцем и он равен 29,53 средних суток.

Внешний вид Луны определяется взаимным расположением Солнца и Луны, поэтому в дальнейшем под термином «месяц» будем подразумевать синодический месяц . За начало синодического месяца принимают расположение Луны между Землёй и Солнцем, когда освещена обратная сторона Луны, а обращенная к Земле сторона невидна.

Фазой Луны называется отношение освещенной части диска ко всему диску . Фаза (Ф) выражается дробным числом от 0 до 1. Некоторые характерные фазы имеют названия: Ф=0 – новолуние; Ф=1 – полнолуние; Ф=0,5 – четверть.

На рис. 1.12 буквой С обозначено Солнце буквой 3 – Земля. Внешний круг – лунная орбита, на которой показаны 8 равноотстоящих положений Луны. На внутреннем круге показан вид Луны для наблюдателя на Земле при этом положении Луны на орбите.

Анализируя последовательное изменение внешнего вида Луны, видим, что лунный серп, увеличиваясь после новолуния справа, в третьем положении заполняет половину диска. Эта фаза называется первой четвертью. В положении 5 наступает полнолуние. Затем диск начинает убывать справа и в положении 7 наступает последняя четверть, когда освещена левая половина диска.

Количество дней, прошедших от новолуния до данного момента, называется возрастом Луны (В). По возрасту Луны можно представить фазу. Так, при В=0 – новолуние; при В=7,5 – первая четверть; при В=15 -полнолуние; при В=22,5 – последняя четверть; при В=4 – серп занимает около четверти

диска с права-(молодой месяц).

Фаза Луны определяет условия видимости в ночное время и приводится, как и возраст Луны, на 0 часов гринвичского времени в Морском астрономическом ежегоднике.

Приближенно возраст Луны можно подсчитать по формуле:

где Д – дата; № – номер месяца; Л – лунное число, постоянное на весь год. Лунное число, как и возраст Луны, лежит в пределах от 0 до 30. В 1998 году лунное число равнялось 0. Затем каждый год оно увеличивается на 11. Значения лунного числа на несколько лет вперед приведены в табл. 1 1

2011год-23.

:Например, 2.09.11г. В = 2 + 9 + 23 = 44(14). В этот день будет полнолуние.

Взаимное расположение Солнца, Земли и Луны влияет на величину прилива и элементы приливо-отливных течений. Расположение их на одной прямой (новолуние или полнолуние ± два дня) называется сизигией. В сизигию наблюдаются экстремальные значения приливов и элементов приливо-отливных течений. Положение Луны в первую и последнюю четверти называется квадратурой. В квадратуру наблюдаются минимальные колебания уровня.