Географические следствия осевого и орбитального вращения Земли

 После весеннего равноденствия склонение Солнца быстро увеличивается, поэтому с каждым днем все большая часть суточной параллели Солнца оказывается над горизонтом. Солнце восходит все раньше, поднимается в верхней кульминации все выше и заходит все позже. Точки восхода и захода каждый день смещаются к северу, а день удлиняется. К 16 апреля склонение солнца достигает примерно 10° со всеми вытекающими последствиями. Это время - как раз середина весны.    

 Однако угол наклона  касательной к эклиптике в  месте нахождения Солнца с каждым днем уменьшается, а вместе с ним уменьшается и скорость увеличения склонения. Наконец, в конце июня Солнце достигает самой северной точки эклиптики (a = 6^÷, d = +e , точка a на рис. 10). К этому моменту оно поднимается в верхней кульминации на высоту h = 90° - j + e, восходит примерно на северо-востоке, заходит на северо-западе, и продолжительность дня достигает максимального значения. Вместе с тем ежедневное увеличение высоты Солнца в верхней кульминации прекращается, и полуденное Солнце как бы "останавливается" в своем движении на север. Отсюда и название "летнее солнцестояние".

    После  этого склонение Солнца начинает  уменьшаться - сначала очень медленно, а затем все быстрее. Восходит оно с каждым дне позже, заходит раньше, точки восхода и захода перемещаются обратно, к югу. К 18 августа высота Солнца в верхней кульминации уменьшается примерно на 10° по сравнению со временем летнего солнцестояния, а скорость уменьшения склонения Солнца достигает 20'/сутки. Так кончается лето.    

 К концу сентября  Солнце достигает второй точки  пересечения эклиптики с экватором (a = 12^÷, d на рис. 10), и снова наступает равноденствие, теперь уже осеннее. Снова скорость изменения склонения Солнца достигает максимума, и оно быстро смещается к югу. Ночь становится длиннее дня, и с каждым днем высота Солнце в верхней кульминации уменьшается. К 20 октября склонение Солнца достигает примерно -10°. Это называется осенью.    

 К концу декабря  Солнце достигает самой южной точки эклиптики (a = 18^÷,g на рис. 10) и его движение на юг прекращается, оно снова "останавливается". Это зимнее солнцестояние. Солнце восходит почти на юго-востоке, заходит на юго-западе, а в полдень поднимается на юге на высоту h = 90° - j - e, что на широте Москвы (j ~ 56°) составляет всего лишь 11°, при долготе дня около 7 часов (29% от длины суток)! Неудивительно, что зимой бывает так холодно.    

 А после все начинается  сначала - склонение Солнца увеличивается,  высота в верхней кульминации растет, день удлиняется, точки восхода и захода смещаются к северу. К 13 февраля склонение Солнца увеличивается примерно на 10°, и приближается весна.    

 Прежде чем перейти  к описанию годичного движения  Солнца на разных широтах, полезно  вспомнить, что из-за рассеивания света земной атмосферой небо продолжает оставаться светлым и некоторое время после захода Солнца. Этот период называется сумерками. По глубине погружения Солнца под горизонт различаются сумерки гражданские (-6°<h<0°), когда еще совсем светло, навигационные (-12°<h<-6°) и астрономические (h<-18°), по окончании которых яркость ночного неба остается примерно постоянной.    

 Теперь, глядя на рис. 9, легко понять, как меняется годичное движение Солнца на разных широтах. Для средней полосы эта картина уже описана выше. Остается только добавить, что летом, при d = +e, высота Солнца в нижней кульминации равна h = j + e - 90°. Поэтому севернее широты ~ 48°.5 в летнее солнцестояние Солнце в нижней кульминации погружается под горизонт меньше, чем на 18°, и летние ночи становятся светлыми из-за астрономических сумерек. Аналогично при j > 54°.5 в летнее солнцестояние высота Солнца h > -12° - всю ночь длятся навигационные сумерки (в эту зону попадает Москва, где не темнеет по три месяца в году - с начала мая до начала августа). Еще севернее, при j > 58°.5, летом уже не прекращаются гражданские сумерки (здесь расположен Петербург с его знаменитыми "белыми ночами"). Вместе с тем из того же рис. 9 видно, что глубина погружения Солнца в нижней кульминации во время летнего солнцестояния равна высоте Солнца в верхней кульминации во время зимнего солнцестояния.    

 Наконец, на широте j = 90° - e (~66°.5) суточная параллель Солнца во время солнцестояний коснется горизонта. Эта широта - северный полярный круг. Еще севернее Солнце на некоторое время летом не заходит за горизонт (пока его склонение d > 90° - j) - наступает полярный день, а зимой - не восходит (пока d < j - 90°) - полярная ночь. Впрочем, последняя называется ночью условно - ведь южнее широты ~ 74°.5 в любой день в верхней кульминации высота Солнца h > -8°, то есть хоть оно зимой и не восходит, но наступают гражданские сумерки, а южнее j = 80°.5 - навигационные. И только севернее широты ~ 84°.5 бывают "настоящая" полярная ночь круглые сутки, а точнее, все время, пока склонение Солнца d < j - 90° - 18°. Так что фраза "чукча в чуме ждет рассвета" при более внимательном рассмотрении не содержит никакого издевательского подтекста: северный полярный круг проходит примерно по середине Чукотского полуострова, так что хоть в его северной части зимой Солнце и не восходит, но рассвет все равно наступает каждый день.    

 А теперь рассмотрим  более южные широты. Как уже  говорилось, южнее широты j = 90° - e - 18° ночи всегда темные. При дальнейшем движении на юг Солнце в любое время года поднимается все выше и выше, а различие между частями его суточной параллели, находящимися над и под горизонтом (см. рис. 9), уменьшается. Соответственно, и продолжительность дня и ночи даже во время солнцестояний различаются все меньше и меньше. Наконец, на широте j = e суточная параллель Солнца для летнего солнцестояния пройдет через зенит. Эта широта называется северным тропиком, в момент летнего солнцестояния в одной из точек на этой широте Солнце бывает точно в зените.    

 Еще южнее Солнце проходит через зенит уже дважды в год - когда его склонение равно широте. И чем ближе к экватору, тем ближе эти моменты к равноденствиям. Наконец, на экваторе (j = 0°) суточные параллели Солнца всегда делятся горизонтом на две равные части, то есть день там всегда равен ночи, а Солнце бывает в зените во время равноденствий.    

 К югу от экватора  все будет аналогично вышеописанному, только большую часть года (а  южнее южного тропика - всегда) верхняя кульминация Солнца будет  происходить к северу от зенита.    

 Следует также отметить  еще одну особенность низких  широт. Наклон небесного экватора  к плоскости горизонта равен  90° - j. Под таким же углом небесный экватор пересекает горизонт в точках востока и запада. Поскольку небесная сфера за сутки поворачивается на 360°, то нетрудно подсчитать, что на 18° она повернется за 1.2 часа. Поскольку на экваторе направление кругов высоты совпадает с направлением суточных параллелей, то во время равноденствий (когда Солнце находится близко к небесному экватору) астрономические сумерки там длятся примерно 1.2 часа. Может даже показаться, что это справедливо для любого дня года, однако это не так. Дело в том, что длина суточной параллели светила со склонением d равна 360°*cos(d), поэтому, например, во время солнцестояний (d ~ e) за 1.2 часа Солнце погрузится под горизонт на угол 18°*cos(e), что составляет примерно 16°.5, и для погружения на требуемые 18° ему понадобится примерно 1.3 часа. Следовательно, на экваторе во время равноденствий сумерки немного короче, чем во время солнцестояний.    

 А что же происходит  вне земного экватора? Суточная  параллель Солнца во время  равноденствий пересекает горизонт  под углом 90° - j, и, следовательно, Солнце погрузится под горизонт на глубину 18°, когда с момента его захода небесная сфера повернется на угол примерно 18°/sin(90°-j), что на широте Москвы (j = 56°) составит 32°.2, т.е. сумерки будут длиться примерно 2.1 часа. В остальные дни года сумерки будут еще длиннее, и не столько из-за сокращения длины суточной параллели Солнца при его удалении от небесного экватора, сколько из-за уменьшения угла наклона суточных параллелей в точках их пересечения с горизонтом. Следовательно, на любой широте самые короткие сумерки бывают во время равноденствий. В качестве примера можно подсчитать, что на северном тропике (j = e) во время равноденствий сумерки составят всего 1.3 часа, и весь год различия в их продолжительности будут невелики. Исходя из этого, не следует удивляться, что, например, в романе Майна Рида "Всадник без головы" его герои ложатся спать после наступления темноты и встают перед рассветом (а всех нас учили, что на сон нужно не меньше 8 часов). А разгадка в том, что южный Техас, где разворачивается действие романа, расположен всего на несколько градусов к северу от северного тропика, и даже летом день там ненамного длиннее ночи, и сумерки всегда короткие.    

 Так почему же  летом тепло, а зимой холодно?  Вопреки распространенному мнению, долгота дня здесь не имеет  решающего значения - в тропиках  всегда жарко, хотя день там  мало отличается от 12^÷, а в средних широтах при такой же долготе дня (в конце марта или конце сентября) намного холоднее. На самом деле главный фактор смены времен года - это изменение дневной высоты Солнца над горизонтом. Пучок солнечного света с площадью поперечного сечения S несет одинаковое количество энергии и на экватор, и на полюса Земли, но распределяется он по площади S*sin(h), где h - местная высота Солнца над горизонтом. И легко рассчитать, что на широте Москвы (j ~ 56°) в летний полдень (h ~ 57°) на единицу прощади земное поверхности попадает в 1.54 раза больше солнечного света, чем в полдень в равноденствие (h ~ 34°), и в 4.34 раза больше, чем в зимний полдень (h ~ 11°), и в то же время в 1.21 раза меньше, чем от Солнца, находящегося в зените. На самом эти деле различия еще больше из-за того, что с уменьшением высоты Солнца над горизонтом быстро увеличивается толща земной атмосферы на пути света. Следовательно, из-за поглощения уменьшается доля дошедших до поверхности солнечных лучей.    

 Описанная астрономическая картина смены времен года не совсем симметрична для северного и южного полушария. Дело в том, что земная орбита имеет форму эллипса, поэтому орбитальная скорость Земли меняется, а вместе с ней меняется и видимая скорость перемещения Солнца по эклиптике. Поскольку Земля проходит перигелий в начале января, то южную часть эклиптики Солнце проходит немного быстрее, чем северную. Для иллюстрации можно посмотреть в эфемеридах Солнца, например, сколько дней его склонение меньше -20° и сколько - больше +20°. В 1999 году первый период получился 60 суток (с 23 ноября по 21 января), а второй - 65 суток (с 21 мая по 24 июля), так что лето в северном полушарии действительно на несколько дней длиннее, чем в южном. Однако при этом в северном полушарии летом Земля находится немного дальше от Солнца, чем зимой (примерно на 0.033 а.е.), и поэтому в перигелии Земля получает от Солнца в 1.07 раза больше энергии, чем в афелии. А это намного меньше, чем влияние изменения полуденной высоты Солнца - во столько же раз больше энергии дает Солнце на высоте 34° по отношению к высоте 31°.5. [6]

2.4. Высота полуденного Солнца над горизонтом

Таб.1: Высота полуденного Солнца в  разных широтах

а) Для наблюдателя  на северном полюсе Земли (j = + 90°) незаходящими светилами являются те, у которых d   ³ 0, а невосходящими те, у которых d   < 0.

Положительное склонение  у Солнца бывает с 21 марта по 23 сентября, а отрицательное — с 23 сентября по 21 марта. Следовательно, на северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода — невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце .достигает максимальной высоты h_mах = + 23° 27'. После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту h_min = — 23° 27', а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = — 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном — день, и наоборот.

б) Для наблюдателя  на северном полярном круге (j = + 66° 33') незаходящими являются светила с d   ³ + 23° 27', а невосходящими — с d   < — 23° 27'. Следовательно, на северном полярном круге Солнце не заходит в день летнего солнцестояния (в полночь центр Солнца только касается горизонта в точке севера N) и не восходит в день зимнего солнцестояния (в полдень центр солнечного диска только коснется горизонта в точке юга S, а затем снова опустится под горизонт). В остальные дни года Солнце на этой широте восходит и заходит. При этом максимальной высоты в полдень оно достигает в день летнего солнцестояния (h_max = + 46° 54’), а в день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна (h_min = 0°). На южном полярном круге (j = — 66° 33') Солнце не заходит в день зимнего солнцестояния и не восходит в день летнего солнцестояния.

Северный и южный  полярные круги являются теоретическими границами тех географических широт, где возможны полярные дни и ночи (дни и ночи, длящиеся больше 24 часов).

В местах, лежащих за полярными  кругами, Солнце бывает незаходящим  или невосходящим светилом тем дольше, чем ближе место к географическим полюсам. По мере приближения к полюсам  продолжительность полярных дня  и ночи увеличивается.

в) Для наблюдателя  на северном тропике (j = + 23° 27') Солнце всегда является восходящим и заходящим светилом. В день летнего солнцестояния оно в полдень достигает максимальной высоты h_max = + 90°, т.е. проходит через зенит. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует к югу от зенита. В день зимнего солнцестояния его минимальная полуденная высота h_min = + 43° 06'.

На южном тропике (j = — 23° 27’) Солнце также всегда восходит и заходит. Но на максимальной полуденной высоте над горизонтом (+ 90°) оно бывает в день зимнего солнцестояния, а на минимальной (+ 43° 06') — в день летнего солнцестояния. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует здесь к северу от зенита.

В местах, лежащих между  тропиками и полярными кругами, Солнце восходит и заходит каждый день года. Полгода здесь продолжительность дня больше продолжительности ночи, а полгода — ночь продолжительнее дня. Полуденная высота Солнца здесь всегда меньше 90° (кроме тропиков) и больше 0° (кроме полярных кругов).

В местах, лежащих между  тропиками, Солнце бывает в зените два раза в году, в те дни, когда его склонение равно географической широте места.

г) Для наблюдателя  на экваторе Земли (j = 0) все светила, в том числе и Солнце, являются восходящими и заходящими. При этом 12 часов они находятся над горизонтом, a 12 часов — под горизонтом. Следовательно, на экваторе продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи. Два раза в году Солнце в полдень проходит в зените (21 марта и 23 сентября).