Чому змінюються пори року?

Грудневого дня в Україні темніє ще до вечері, а в південній Австралії саме літо. Обидва місця перебувають на одній планеті й разом рухаються навколо Сонця. Якби літо приносило лише наближення всієї Землі до Сонця, чому воно не наставало б усюди водночас?

Пори року змінюються через нахил земної осі та рух Землі навколо Сонця. Протягом року вісь майже зберігає напрям у просторі, тому до Сонця по черзі нахилені різні півкулі. У помірних широтах півкуля, нахилена до Сонця, має вище полуденне Сонце й довший день: кожна ділянка поверхні отримує більше сонячної енергії. Через півроку умови міняються місцями. NASA: причина пір року та протилежні сезони.

У статті про день і ніч ми стежили, як обертання переносить одне місце зі світла в темряву. Тепер запитання інше: чому взимку це місце проводить у світлі меншу частину доби, ніж улітку?

Земля обходить Сонце, зберігаючи напрям осі

Вісь обертання — уявна пряма крізь центр Землі та обидва полюси. Екватор — коло на поверхні, однаково віддалене від полюсів; воно ділить Землю на північну й південну півкулі. Щоб описати її нахил, уяви площину, у якій Земля обходить Сонце. Постав до цієї площини перпендикуляр — так, як олівець можна поставити сторч на стіл. Земна вісь відхилена від такого перпендикуляра приблизно на 23,4°. Це не кут до самої площини орбіти.

Важливий не лише нахил. Поки Земля проходить річну орбіту, її вісь лишається спрямованою майже в той самий бік простору. Вона не повертається за Сонцем, як квітка на підвіконні. USNO: нахил осі й орбіта Землі.

Уяви глобус біля лампи. Нахили його так, щоб Північний полюс трохи наблизився до лампи. Тепер перенеси глобус на протилежний бік лампи, зберігаючи напрям осі відносно кімнати. Той самий полюс тепер буде нахилений від джерела світла. Якщо ж постійно розвертати його до лампи, вийде інша геометрія, яка не відтворює земний рік.

Близько червневого сонцестояння до Сонця найбільше нахилена північна півкуля, близько грудневого — південна. Нахил не перемикається двічі на рік: змінюється положення Землі відносно Сонця. Тепер простежмо два наслідки для одного двору в помірних широтах.

Той самий пучок світла — інша площа й довший день

Посвіти ліхтариком на аркуш майже перпендикулярно. Потім нахили аркуш, не змінюючи відстань від ліхтарика до центра плями. Світла пляма розтягнеться: той самий пучок тепер охоплює більшу площу. На кожен квадратний сантиметр припадає менше світла. Так нахил поверхні змінює надходження енергії без вимоги відсунути саме джерело. NOAA/NWS: дослід з аркушем і ліхтариком.

Для горизонтального майданчика схоже значення має висота Сонця — кут між напрямком на Сонце та горизонтом. За висоти 0° Сонце на горизонті, за 90° — просто над головою. Улітку в Україні полуденне Сонце вище: світло падає на землю пряміше. Взимку воно нижче, і та сама порція променів розподіляється по більшій площі. Це геометричний ефект; атмосфера додатково змінює те, скільки випромінювання доходить до ґрунту.

Другий наслідок видно, якщо дати глобусу обертатися навколо осі. Місце на поверхні описує коло. На літньому боці року більша частина цього кола в помірних північних широтах лежить у світлі: місце раніше входить у день і пізніше виходить у ніч. Узимку довшою стає нічна частина шляху. Земля продовжує обертатися, але частка доби із Сонцем над горизонтом змінюється. LPI: кут променів і тривалість освітлення.

Отже, літній майданчик отримує світло пряміше та довше. У протилежній півкулі в цей самий час поєднуються нижче Сонце й коротший день. Саме цього не пояснює гіпотеза про наближення всієї планети.

Відгалуження · Перевіряємо альтернативуНеобов’язково · можна пропустити

Земля справді то ближча, то дальша

Орбіта Землі трохи відрізняється від кола. У сучасну епоху найближче до Сонця Земля проходить на початку січня, найдалі — на початку липня. Тому в північній півкулі зима припадає саме на частину року з ближчим Сонцем. Це спостереження суперечить поясненню «ближче означає наше літо». USNO: сезони й найближча точка орбіти.

Вплив відстані все ж існує. Різниця між крайніми відстанями становить близько 3,4%; надходження сонячного випромінювання біля Землі на початку січня приблизно на 7% більше, ніж на початку липня. Це не 7% зміни температури. Зміна відстані збільшує або зменшує потік для всієї планети в один бік; вона не дає півкулям протилежних сезонів. NASA: сучасна зміна відстані й сонячного потоку.

На малюнках орбіту часто витягують для наочності. Не оцінюй її справжню форму за такою схемою. У нашому досліді нижче орбіта навмисно кругова: так можна окремо перевірити наслідки нахилу осі.

Передбач результат: що зміниться без нахилу?

Почни з двох місць на широтах 50° на північ і на південь від екватора. Широта показує, наскільки далеко за кутом місце від екватора: на екваторі 0°, на полюсах 90°. Північні 50° — зручний округлений приклад для України, а не точні координати кожного її міста.

У червневому стані порівняй обидві півкулі, потім вибери грудень. День близько 16,1 години й полуденна висота близько 63,4° на північному боці зміняться на 7,9 години й 16,6°. На південному — навпаки. Це обчислення спрощеної геометрії, а не запис фактичного сходу Сонця.

Тепер, перш ніж рухати другий повзунок, передбач: чи залишаться різні червень і грудень, якщо встановити нахил 0°? Прибери нахил і ще раз зміни фазу року. Стрілка на схемі — лише проєкція осі на площину орбіти; за нульового нахилу вона зникає, бо вісь спрямована перпендикулярно до цієї площини.

Одна орбіта — протилежні умови в півкулях

Кругова орбіта · вигляд згори з північного боку

Стрілка — проєкція північної частини осі на площину орбіти. Сам кут нахилу тут не вимірюється; за нахилу 0° проєкція зникає.

Північна півкуля

50° пн. ш.

Сонце в полудень: 63,4° над горизонтом

День: 16,1 год

Південна півкуля

50° пд. ш.

Сонце в полудень: 16,6° над горизонтом

День: 7,9 год

Опорні стани: день за нахилу 23,4° і широт 50°
Фаза	Північ	Південь
Червень	16,1 год	7,9 год
Вересень	12,0 год	12,0 год
Грудень	7,9 год	16,1 год
Березень	12,0 год	12,0 год

Навчальна геометрія: орбіта кругова, потужність Сонця стала; розміри тіл умовні. Фаза — кут, а не точна календарна дата. День рахується для центра Сонця без атмосфери й рельєфу. Числа не є прогнозом погоди або часу сходу в місті. Помаранчева частина шкали — день, темна — решта 24 год; полуденна висота відлічується від горизонту. Обчислення — за геометрією сонячного положення NOAA, зі спрощеннями вище.

За нульового нахилу на обох широтах 50° модель дає 12 годин дня й полуденну висоту 40° цілий рік. Сонце не зміщується на північ чи південь від екватора, тому сезонна різниця цього досліду зникає. Це висновок для кругової орбіти зі сталою потужністю Сонця, не обіцянка цілком незмінної погоди на реальній планеті.

Поверни нахил 23,4° й вибери 70°. У червні на півночі отримаєш 24 години дня, на півдні — 0. За полярними колами місце може за цілий оберт не вийти з освітленої або нічної частини. Полярна ніч можлива навіть тоді, коли Земля не припиняє обертатися.

На екваторі модель натомість дає 12 годин дня в усіх фазах. Проте висота полуденного Сонця змінюється: порівняй червень і березень. Незмінна довжина дня ще не означає незмінного кута променів.

Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити

Чому для 50° виходить 63,4° влітку й 16,6° взимку

Щоб перевірити числа, введемо ще один кут. Сонячне схилення $\delta$ — кут напряму на Сонце відносно площини земного екватора. Додатний знак означає північний бік. На червневе сонцестояння він близький до $+23{,}4^\circ$ , на грудневе — до $-23{,}4^\circ$ .

Позначимо широту місця через $\varphi$ (північну беремо зі знаком плюс), а полуденну висоту Сонця — через $h$ . Для геометричного центра Сонця без атмосферного заломлення:

h=90^\circ-|\varphi-\delta|.

Вертикальні риски означають модуль: беремо величину різниці без знака. Відстань за кутом між нашим місцем і широтою, над якою Сонце просто над головою, віднімаємо від 90°. Це полуденний випадок геометрії сонячного положення NOAA.

Для $\varphi=50^\circ$ у червні маємо $h=90^\circ-|50^\circ-23{,}4^\circ|=63{,}4^\circ$ . У грудні віднімання від’ємного числа дає додавання: $h=90^\circ-|50^\circ+23{,}4^\circ|=16{,}6^\circ$ . При нульовому схиленні виходить $h=40^\circ$ .

Чи можна з цього оцінити різницю в освітленні землі? Уявімо однаковий прямий потік без атмосфери. Нехай $F_\perp$ — потужність випромінювання на квадратний метр площини, перпендикулярної променям, у ватах на квадратний метр (Вт/м²). Для горизонтального майданчика потужність $P$ у ватах на площу $A$ у квадратних метрах дорівнює:

\frac{P}{A}=F_\perp\sin h.

Синус тут — геометрична частка від 0 до 1, яка враховує нахил майданчика до пучка. Якщо Сонце над головою, $\sin90^\circ=1$ : потік на квадратний метр найбільший. Коли воно наближається до горизонту, частка прямує до нуля. Це кількісна версія досліду з плямою ліхтарика.

У нашому прикладі $\sin63{,}4^\circ\approx0{,}894$ , а $\sin16{,}6^\circ\approx0{,}286$ . Літнє значення приблизно у 3,1 раза більше за зимове. Порівнюємо лише миттєвий прямий потік у полудень на горизонтальну поверхню за однакової відстані до Сонця, без атмосфери. Це не відношення температур і не енергія за весь день: протягом дня висота змінюється, тож полуденний потік не можна просто помножити на кількість світлих годин.

Чотири орієнтири в безперервному році

Сезонні умови змінюються поступово. Сонцестояння — момент річного крайнього зміщення напряму на Сонце на північ або південь від площини земного екватора. У помірних північних широтах біля червневого сонцестояння день найдовший і полуденне Сонце найвище за рік; біля грудневого — навпаки. У південній півкулі ці крайнощі міняються місцями. Назва не означає, що добовий рух Сонця небом зупиняється.

Між ними відбуваються два рівнодення: напрям на Сонце проходить через площину земного екватора. Орієнтовно це 20–21 березня й 22–23 вересня; сонцестояння — близько 20–21 червня й 21–22 грудня. Календарна дата залежить від року та часового поясу. NOAA/NWS: рівнодення й сонцестояння.

Рівнодення не вимагає рівно 12 годин між видимим сходом і заходом. Ми бачимо верхній край сонячного диска, а атмосфера заломлює світло й трохи піднімає видиме Сонце. Тому фактичний світловий день дещо довший за геометричний у моделі. USNO: чому день і ніч у рівнодення не цілком рівні.

Ці орієнтири описують освітлення Землі. Дата в календарі не перемикає температуру повітря, і перший день астрономічної весни не обіцяє негайного тепла.

Відгалуження · Від світла до температуриНеобов’язково · можна пропустити

Чому найдовший день може бути раніше за найтепліший період

Вода й ґрунт накопичують енергію та віддають її поступово. Навіть коли після літнього сонцестояння надходження сонячної енергії вже зменшується, воно ще може перевищувати втрати: запас тепла продовжує зростати. Через це в багатьох місцях помірних і високих широт найвищі середні температури настають пізніше за найдовший день. Тривалість затримки залежить від місцевих умов. NOAA/NWS: тривалість дня й запізнення температури.

Саме тому наша схема показує години світла й кути, а не градуси тепла. Перехід до температури потребує ще врахувати поглинання та втрати енергії, хмари й перенесення тепла. Однаковий нахил осі не робить клімат усіх місць однаковим.

Перевір пояснення за тінню

Обери нерухомий вертикальний предмет на рівному майданчику. У ясний день простеж, коли його тінь найкоротша: це близько місцевого сонячного полудня, коли Сонце найвище за день, а не обов’язково о 12:00 за годинником. Збережи фото з позначкою дати й довжини предмета. Повтори спостереження через кілька місяців у тому самому місці, знову біля найкоротшої тіні. В Україні ближче до літа полуденна тінь коротша, ближче до зими — довша. Спостерігай тінь, не дивлячись прямо на Сонце.

Тепер можна відповісти на початкову загадку. Коли грудневий двір в Україні має низьке Сонце й короткий день, південна півкуля нахилена до Сонця та отримує світло пряміше й довше. За півроку геометрія зміниться на протилежну. Річний обхід при збереженому напрямі нахиленої осі по черзі змінює освітлення півкуль — звідси й сезонний ритм.

Якщо хочеш перевірити, що вже розрізняєш два рухи, повернися до моделі дня й ночі: добове обертання повертає місце до світла, а річна геометрія визначає, скільки світла воно отримає. Далі в курсі розглянемо іншу видиму зміну — фази Місяця.