2.3 Изменение освещения и нагревания северного и южного полушарий по сезонам года

осевой земля орбитальный вращение

Рис. 9. Расположение крайних суточных параллелей Солнца для средних широт северного полушария

Рассмотрим годичное перемещение Солнца по небесной сфере. Полный оборот (360°) вокруг Солнца Земля совершает за год (365.25 суток), то есть за одни сутки Солнце смещается по эклиптике с запада на восток примерно на 1°, а за 3 месяца - на 90°. Однако на данном этапе важно, что с перемещение Солнца по эклиптике сопровождается изменением его склонения (реальные координаты Солнца можно посмотреть, например, в эфемеридах Солнца на текущий год) в пределах от d--=---e (зимнее солнцестояние) до d--=--+e (летнее солнцестояние). Поэтому в течении года меняется и расположение суточной параллели Солнца, в полном соответствии с тем, как это описано в главе "Экваториальные координаты". Рассмотрим вначале средние широты северного полушария (рис. 9).

Во время прохождения Солнцем точки весеннего равноденствия ?^,--a--=--_^ч), в конце марта склонение Солнца равно 0°, поэтому в этот день Солнце находится практически на небесном экваторе, восходит на востоке, поднимается в верхней кульминации на высоту h--=--9_°-----j и заходит на западе. Поскольку небесный экватор делит небесную сферу пополам, то Солнце половину суток находится над горизонтом, половину - под ним, т.е. день равен ночи, что и отражено в названии "равноденствие" (однако само равноденствие - это мгновение, а не целый день, а за сутки склонение Солнца изменяется заметно, поэтому вышесказанное не выполняется абсолютно точно). В момент равноденствия касательная к эклиптике в месте нахождения Солнца наклонена к экватору на максимальный угол, равный e, поэтому и скорость увеличения склонения Солнца в это время также максимальна, достигая 23?сутки.

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^ч,--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".

Рис. 10. Эклиптикальная система координат.

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^ч,--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^ч,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--=--9_°-----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-----9_°. 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 36_°*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(9_°-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.