Чому на Землі бувають день і ніч?

Лампа світить постійно, а точка на кулі темнішає

Уяви матову непрозору кульку перед ліхтариком у затемненій кімнаті. Бік, повернений до ліхтарика, освітлений. До протилежного боку прямі промені не доходять: їх зупиняє сама кулька. На ній уже є денна й нічна частини, хоча ти ще нічого не рухав.

Постав на кульці маленьку позначку й повільно поверни її. Позначка переходить зі світла у власну тінь кульки, а потім повертається назад. Ліхтарик увесь час працює однаково. Так ми розділили дві складові пояснення: непрозора куля має неосвітлений бік, а обертання змінює, які місця на ньому перебувають.

Із Землею відбувається подібне. Уявна пряма, навколо якої вона обертається, називається віссю обертання; вона проходить через Північний і Південний полюси. Окремо від цього повороту Земля рухається навколо Сонця своїм шляхом — орбітою. Ніч не потребує іншого тіла, яке щовечора затуляє Сонце. Для двору на нічному боці перешкодою стає товща самої Землі.

Межу освітленої й нічної частин називають термінатором. На ідеальній кулі без атмосфери, освітленій далеким точковим джерелом, це чітке коло, що ділить поверхню навпіл. У реальної Землі перехід до темряви поступовий. NOAA: межа дня й ночі.

У ліхтарика є межі як у моделі Сонця: з близького джерела промені помітно розходяться, а світлі стіни підсвічують затінений бік кульки. Дослід показує причину зміни освітлення, але не вимірює точну тривалість земного дня.

Пройди добу разом з однією точкою

На схемі нижче дивимося на Землю з боку Північного полюса. Вона обертається проти годинникової стрілки — це той самий напрямок, який на поверхні називаємо «із заходу на схід». Позначка належить поверхні й рухається разом із нею. Сонячні промені весь час приходять зліва. Lunar and Planetary Institute: добове обертання.

Для цього досліду беремо точку на екваторі під час рівнодення й нехтуємо атмосферою. Починаємо з місцевого полудня: позначка посеред освітленого боку. Перед зміною повзунка передбач, де вона буде через 6 годин, а де через 12. Чи потрібно для настання ночі пересунути Сонце або віддалити від нього Землю?

Через 6 годин у цій моделі позначка перетинає межу світла, входячи в ніч: це захід. Через 12 годин вона з протилежного від Сонця боку — настала місцева північ. Ще через 6 годин точка повертається до світла: це схід. На позначці 24 години знову полудень.

Зверни увагу на межу освітлення. Вона залишається на тому самому боці відносно Сонця, а позначка проходить крізь неї разом із поверхнею. Якщо зупинити повзунок посеред ночі, джерело світла все ще на місці. Точка опинилася за непрозорою Землею.

Години тут відлічуються від полудня, а не від опівночі на годиннику. Це приблизний сонячний цикл у спеціально вибраних умовах; для Києва взимку захід не настане через ті самі 6 годин після полудня.

Чому ж ми бачимо рух Сонця, а не рух Землі

Стоячи у дворі, ми порівнюємо Сонце з деревами, дахами й горизонтом. Вони здаються нерухомими, бо повертаються разом із нами. Горизонт — видима межа землі й неба; на відкритій місцевості без перешкод він визначає, яка частина неба доступна спостерігачеві.

Коли ти повертаєшся на місці, нерухоме вікно ніби проходить перед тобою у протилежний бік. Подібно й поворот Землі на схід створює видимий добовий рух Сонця на захід. Біля заходу повертається і сам спостерігач, і його місцевий горизонт, тож Сонце зникає за ним. Вислів «Сонце заходить» правильно описує побачене з поверхні. USNO: як обертання створює видимий рух неба.

Це не означає, що Сонце нерухоме у Всесвіті. Для нашого пояснення достатньо, що швидкий щоденний прохід небом зумовлений переважно обертанням Землі. Її річний рух додає повільніші зміни напрямку на Сонце.

Чому день не завжди займає половину доби

У нашій схемі точка проходить половину шляху у світлі й половину в темряві. Але ми навмисно вибрали екватор і рівнодення. Не слід переносити цей результат на кожне місто й кожну дату.

Земна вісь нахилена відносно перпендикуляра до площини орбіти. Під час річного руху одне півріччя до Сонця більше повернена північна півкуля, інше — південна. Тому коло, яке описує місце на поверхні за оберт, може довше проходити освітленою частиною, ніж нічною, або навпаки. У полярних районах у певні періоди воно взагалі не перетинає межу: Сонце не заходить або не сходить протягом багатьох діб. Земля при цьому продовжує обертатися. LPI: нахил осі, тривалість дня й полярні явища.

Отже, варто розділити два питання: чому наше місце повертається до Сонця та від нього і яку частину цього циклу Сонце лишається над горизонтом. Перше пояснює добове обертання; для другого потрібні також широта, нахил осі й положення Землі на орбіті. Саме ця різниця підготує нас до наступної теми курсу — пір року.

Поверни кульку, зберігши джерело світла

Спробуй повторити схему з ліхтариком і кулькою. Познач одну точку на її «екваторі», а ліхтарик залиш нерухомим. Поверни кульку так, щоб точка повільно перейшла зі світла в тінь. Зупинися на межі й поясни: це «ранок» чи «вечір» для позначки? Відповідь залежить від напрямку: виходить до світла — ранок, входить у тінь — вечір.

Тепер постав другу позначку з протилежного боку. Коли перша дивиться на ліхтарик, друга відвернена від нього. Так можна перевірити, чому ніч у нашому дворі не означає, що Сонце перестало освітлювати Землю.

Наступного ясного дня познач кілька положень тіні від нерухомого предмета на тому самому майданчику. Спостерігай за тінню, не дивлячись прямо на Сонце. Її зміни узгоджуються з поворотом нашого горизонту відносно сонячних променів; сама ця вправа показує видимий рух, а не замінює незалежні вимірювання обертання.

Надвечір у початковому дворі змінилося положення двору відносно напрямку світла. Земля повернула його на нічний бік, а вранці поверне до Сонця знову. Джерело світить далі; щоденну чергу дня й ночі створює обертання освітленої планети.