Почему зимой холодно, а летом 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.
Должно быть, ученые мужи XVII века были сильно удивлены и испытали немало неудовольствия, ознакомившись с книгой Иоганна Кеплера «Новая астрономия». Еще бы, ведь немецкий математик призывал ни много ни мало отказаться от круговых орбит, по которым движутся планеты, и заменить их эллипсами! Астрономы еще не осмыслили до конца революционные идеи Коперника, поместившего в центр мира Солнце и низведя, таким образом, Землю до статуса рядовой планеты, как был нанесен второй удар по двухтысячелетней системе мира Птолемея.
Эллипсы! Это почти святотатсво! Круг - совершенная фигура, и как же еще двигаться телам в небесном мире, как не по круговым орбитам! Но теория Кеплера объясняла движение планет лучше, чем любая из теорий, использовавшая круговые орбиты. На ее основе можно было делать более точные предсказания, в какой точке неба окажется та или иная планета через год, десять, сто лет. Теория работала!
Земля, как и другие планеты, тоже движется вокруг Солнца не по круговой, а по эллиптической, вытянутой орбите . Это значит, что одну часть своего пути наша планета приближается к Солнцу , а другую часть - удаляется . Точка, когда Земля располагается ближе всего к звезде, называется перигелием , а наиболее удаленная от Солнца точка орбиты называется афелием . Как следствие, размеры Солнца на нашем небе должны меняться.
Разница в размерах Солнца, когда Земля находится в перигелии и в афелии. Фото: Raffaele Esposito
Раз Земля движется по эллипсу, ее движение неравномерно . Из-за того что сила притяжения уменьшается с увеличением расстояния между тяготеющими телами, вблизи афелия Земля должна двигаться медленнее , чем в перигелии. Разумеется, это находит отражение в движении Солнца по небу: светило движется на фоне звезд то быстрее, то медленнее (имеется в виду не ежедневное движение Солнца с востока на запад, а второе, годичное движение на фоне созвездий!). Должны иметь разную продолжительность и времена года, ведь тот сезон, в который Земля находится ближе к Солнцу, наша планета «проскакивает» быстрее, чем прочие.
Все вышеперечисленное - очевидные следствия трех законов Кеплера, но в обычной жизни они проходят обычно мимо нашего внимания. И это не удивительно - земная орбита почти круг, вытянутость ее невелика. Не проводя специальных наблюдений, заметить эффекты от движения Земли по эллипсу практически невозможно.
Это длинное предисловие было сделано для того, чтобы сказать о главном: сегодня, 4 января 2015 года, Земля находится в перигелии к Солнцу - в ближайшей к звезде точке своей орбиты. Точная дата события - 4 января в 06:36 по всемирному времени, или в 09:36 по московскому .
Именно сегодня Солнце ближе к Земле, чем в любой другой день года, а значит, именно сегодня Земля получит от Солнца наибольшее количество света и тепла в 2015 году!
Когда Земля ближе всего к Солнцу, в северном полушарии царит зима. Этот замечательный снимок солнечного гало сделан 2 января 2015 года на Аляске. © Tracey Mendenhall Porreca
Странно? Совсем нет! Вспомним, что времена года меняются не потому, что Земля находится то ближе, то дальше от Солнца, а потому, что ось вращения нашей планеты наклонена к плоскости земной орбиты. В результате Солнце полгода освещает в основном северное полушарие Земли, а другую половину года - южное. Поэтому в южном полушарии Земли сейчас царит самое настоящее лето!
Впрочем, как мы уже писали в прошлом году, полгода - это грубая прикидка. Посмотрим внимательнее.
Границами астрономических сезонов служат моменты равноденствий и солнцестояний. (Это не произвольно выбранные даты, а особые точки на орбите Земли, отмечающие ключевые «этапы» процесса освещения Земли Солнцем/) Например, астрономическое лето длится от момента летнего солнцестояния, которое в разные годы наступает 20, 21 или 22 июня, до осеннего равноденствия, наступающего 22 или 23 сентября. Таким образом, продолжительность лета равна 93,6 дня. Осень длится от осеннего равноденствия до момента зимнего солнцестояния, наступающего 21 или 22 декабря. Сосчитаем количество дней на календаре между этими датами и убедимся, что осень на целых 4 дня короче! - ее длительность равна 89,8 дней! Еще короче зима - только 89 дней. Наконец, продолжительность весны составляет 92,8 дней. Вот наглядное доказательство того, что Земля движется по эллипсу и зимой находится ближе к Солнцу, чем летом!
Впрочем, разница в расстояниях до Солнца летом и зимой невелика - всего около 5 миллионов км. Сегодня оно равно 147 миллионов 096 тысяч 204 километра. В афелии оно превысит 152 миллиона километров. Расстояние варьируется в пределах примерно 3%. Настолько же изменяется и размер Солнца на нашем небе - совершенно незаметно для невооруженного глаза!
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.
