Причины смены времен года для каждого человека становятся актуальными. Уже в детском возрасте ребенок начинает задавать вопросы. Почему наступает зима? Что происходит с нашей планетой? Почему в разных странах разный климат?
Первым и основным объяснением является создание оптимальных климатических условий для проживания человека. Со температура на всей планете становится комфортной для проживания.
Что говорит о смене времен года астрономия?
Весна, лето, осень, зима - это вечные и несменные явления природы. Причиной таких природных явлений становится движение земного шара в космическом пространстве. Земля движется по условной орбите, которая имеет форму вытянутого круга.
К сожалению, многие люди до сих пор живут стереотипами школьных программ, где объяснением того, почему наступает зима, служило приближение и удаление планеты от Солнца во время движения.
Астрономы уже давно опровергли эту теорию и утверждают, что смена наступает из-за оси вращения планеты. Она наклонена на 23 градуса, поэтому солнечные лучи неравномерно обогревают различные участки Земли в разное время.
Почему зимой очень холодно?
Движение Земли по орбите вокруг солнца занимает 1 год или 365 дней. Во время всего движения планета выполняет вращение по своей условной оси, что становится
Когда северное поворачивается к Солнцу, оно получает максимальное количество лучей, при этом в южном такие лучи будут падать «вскользь» на земную поверхность.
Осень, зима - это те периоды времени, когда Земля находится на максимальном расстоянии от Солнца. День становится коротким, а солнце светит, но не греет.
Минимальное количество тепла от небесного светила объясняется просто. Лучи опускаются на поверхность косо, солнце не поднимается высоко над горизонтом, поэтому прогревание воздуха будет медленным.
Что происходит с воздушными массами зимой?
Когда понижается температура воздуха, происходит уменьшение испарений, меняется влажность воздуха. Когда в атмосфере уменьшается концентрация водяного пара, возможность задерживать тепло на поверхности Земли также сводится к минимуму.
Прозрачная атмосферная масса воздуха не способна поглощать инфракрасное излучение, которое и выполняет обогрев воздуха и поверхности земли. Почему зимой холодно? Лишь потому, что поверхность и воздух не могут удерживать тепло, которое и так подается в минимальных количествах.
Какое солнце зимой?
Крайне важно объяснить детям о солнце, его изменениях в зимний период. Здесь должен быть сделан акцент на том, что Солнце - это огромная, раскаленная звезда, вокруг которой вращается большое количество планет.
Солнце имеет огромную температуру, к нему не может приблизиться ни один человек или летательный аппарат, так как оно просто расплавит и уничтожит их.
Благодаря солнечной энергии, лучам на планете Земля возможна жизнь: растут деревья, живут животные и люди. Без солнечного тепла все живое умрет за короткий промежуток времени.
Солнечная энергия и лучи зимой не греют так интенсивно, но могут принести больше вреда коже. Такая особенность имеет логическое объяснение: вся поверхность планеты, которая должна отражать лучи, - светлая и зеркальная, так как покрыта снегом. Человеческое тело - не может отражать, оно принимает ультрафиолетовые лучи и активно насыщается ими. Врачи делают акцент на том, что загар в зимний период времени более опасен, чем в летний. Кожа перенасыщается ультрафиолетом от солнца и может даже получить ожоги.
Почему наступает зима, детям и взрослым можно объяснить, зная основы астрономии. Но что таит в себе зимняя природа, какие интересные факты о зиме известны науке и людям?
- Снежинки. Ученые неоднократно исследовали снежинки, которые опускаются на поверхность земли. Такая работа требует особой подготовки, оснащения и щепетильности. Открытием для людей стало то, что снежинки могут иметь 7 видов: звездочные кристаллики, иглы, столбцы, столбцы с наконечниками, прозрачные дендриты, снежинки неправильной формы.
- Скорость снежной массы. Для многих снег - это мягкая, воздушная субстанция, но при большом количестве снежной массы он может сходить с поверхности земли в форме лавины. Минимальная скорость такой лавины - 80 км/ч, максимальная - 360 км/ч. Огромная масса снега сносит все на своем пути. Если под лавину попадает человек, то он погибает из-за огромного веса или нехватки кислорода.
- Для большей части населения планеты вопрос, почему наступает зима, не является актуальным. Они даже не знают, что может наступать резкая смена температуры воздуха, показатели будут опускаться ниже 0, идет снег. В некоторых королевствах жарких стран устраивают игры на искусственном снегу из сахара, чтобы потешить своих подданных.
Почему наступает зима? Такой вопрос рано или поздно задает каждый ребенок. Используя представленный материал, каждый родитель сможет легко и интересно ответить ему на этот вопрос.
Понятие «Времена года»
В течение года на нашей планете происходят сезонные изменения в природе. Благодаря наклону земной оси к плоскости орбиты под углом $66$ градусов и вращению по орбите вокруг Солнца, на планете происходит смена времен года. На Земле $4$ времени года – весна, лето, осень, зима. Наклон земной оси и постоянное её направление в пространстве приводят к тому, что Северное и Южное полушария освещаются не одинаково в один и тот же период года. В Северном полушарии планеты астрономическое начало времен года совпадает с того момента, когда Солнце проходит через точку весеннего равноденствия – $21$ марта, точку летнего солнцестояния –$22$ июня, точку осеннего равноденствия –$23$ сентября и точку зимнего солнцестояния – $22$ декабря. Таким образом, получается, что видимый путь движения Солнца по небесной сфере делится этими точками на секторы по 90 градусов.
Определение 1
Период, за который Солнце проходит один из этих секторов, называется временем года .
Продолжительность времен года с астрономической точки зрения тоже разная:
- Продолжительность весны – $92,8$ суток;
- Продолжительность лета – $93,6$ суток;
- Продолжительность осени – $89,8$ суток;
- Продолжительность зимы – $89,0$ суток.
Времена года характеризуются определенными средними температурами.
Замечание 1
Осень в Южном полушарии и весна в Северном начинается тогда, когда Солнце проходит через начальный круг склонения. В это время прямое восхождение Солнца будет равно нулю (весеннее равноденствие). Когда прямое восхождение Солнца будет равно $90$ градусов (летнее солнцестояние), тогда в Южном полушарии наступает зима, а в Северное полушарие приходит лето. С наступлением осеннего равноденствия прямое восхождение Солнца составляет $180$ градусов, в это время в Южное полушарие приходит весна, а в Северное полушарие – осень. С началом зимнего солнцестояния в Северное полушарие приходит зима, а в Южное полушарие – лето.
Времена года в Северном полушарии
Солнце посылает Земле очень много тепла, благодаря которому существует жизнь. Однако тепло, достигающее поверхности Земли, в разных её районах будет различно, потому что распределяется неравномерно. Естественно, что зимний период повсюду холоднее летнего. Причина заключается в том, что земная ось (воображаемая линия), которая соединяет Северный и Южный полюсы имеет наклон к плоскости земного экватора под углом $66$ градусов. Благодаря наклону Земля, вращаясь вокруг Солнца, обращается к нему поочередно либо Северным, либо Южным полушарием. Наклон падающих на земную поверхность солнечных лучей в течение года изменяется – зимой он будет больше, а летом – меньше. Более отвесные лучи несут больше энергии.
Определение 2
Термин «Климат» в переводе с греческого означает «наклон». В Северное полушарие зима приходит тогда, когда планета, как бы «отворачивается» от Солнца. В это время диск Солнца поднимается над горизонтом все ниже и ниже, а лучи становятся пологими и менее горячими. Средние широты северного полушария четко делятся на два главных, противоположных по своему характеру, сезона – летний и зимний. Они отличаются друг от друга температурами, разница между которыми составляет $20-30$ градусов. В континентальных районах эта разница еще больше, в Сибири, например, она составляет до $50$ градусов.
Основными климатическими поясами Северного полушария являются арктический пояс, умеренный и тропический. Атлантическое побережье Северной Америки и Западная Европа лежат в зоне умеренного океанического климата, поэтому основная часть осадков приходится на осень и первую половину зимы. Эпизодические дожди вместе с циклонами начинаются весной и летом. В арктическом поясе смена времен года выражается в смене полярного дня и полярной ночи. Сезонные колебания уровня осадков здесь невелики, а температуры остаются ниже нуля. Континентальная часть умеренного пояса – Восточная Европа и Южная Сибирь – имеют более сухую осень и зиму, а летние месяцы оказываются самыми влажными. На Дальнем Востоке, который находится в области муссонного климата, осадки выпадают в виде интенсивных ливней исключительно летом. Солнце находится в зените в день летнего и зимнего солнцестояния, а это есть тропические широты Северного и Южного полушария. Атмосфера здесь прозрачна, воздушные массы сухие с очень высокой температурой, которая над сушей может достигать наивысшего значения на Земле $+58$ градусов. В зимний период температура быстро остывает и на почве возможны заморозки. Резкие контрасты связаны с выпадением осадков. Область тропического пустынного климата формируется на западе и во внутренних районах материков. Здесь, при нисходящих токах воздуха, за год может выпадать менее $100$ мм осадков. Восточная часть тропического пояса расположена во влажной области с морскими тропическими воздушными массами, поступающими с океанов, поэтому в течение года выпадает несколько тысяч миллиметров осадков.
Времена года в Южном полушарии
В Южном полушарии смена поясов идет от экватора к югу. Пояса повторяются и основными являются – тропический, умеренный, антарктический. Только экваториальный пояс, расположенный по обе стороны от экватора будет один. Здесь в течение всего года день равен ночи и полуденная высота Солнца над горизонтом не меняется. Температура воздуха практически постоянна. Здесь нет времен года, это край «вечного лета».
Климаты на планете и времена года были бы совсем другие, если бы земная ось не имела наклона к плоскости орбиты. По существу было бы всего два времени года, плавно переходящие друг в друга – вечная зима в полярной области и вечное лето в экваториальной области. В условиях одинакового климата жизнь на Земле была бы более однообразна.
Причины различий времен года
Сезонные изменения состояния природы имеют свои причины, которые подразделяются на прямые причины и косвенные. К прямым причинам относятся географические:
- Сезонные изменения связаны с продолжительностью светлого времени суток – дни летом длинные, а ночи короткие. В зимний период их соотношение меняется на обратное;
Сезонные изменения связаны с полуденной высотой Солнца над горизонтом.
В умеренных широтах летом в полдень Солнце находится ближе к зениту, и одинаковое количество солнечной радиации распределяется на меньшей площади земной поверхности.
Длина пути прохождения лучей Солнца в атмосфере влияет на степень их поглощения.
Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше тепла и света оно дает.
Косвенными являются астрономические причины:
- Шарообразная форма Земли;
- Параллельность солнечных лучей;
- Вращение Земли вокруг оси;
- Движение Земли вокруг Солнца;
Замечание 3
Основная астрономическая причина смены времен года связана с наклоном земной оси и движением Земли вокруг Солнца.
Привычная для нас смена времен года происходит не повсеместно. В школе про это не говорят, но факт остается фактом. Четыре периода, на которые условно разделен «наш» год, можно выделить лишь в пределах умеренного климатического пояса. В других географических поясах картина чередования погодных циклов значительно упрощена.
Например, в экваториальном климатическом поясе погода одинакова весь год – среднесуточные температуры равняются 24°C, а количество осадков зависит от расположения конкретного участка земной поверхности относительно океана, рельефа и господствующих ветров.
В тропическом климатическом поясе выделяют 2 сезона – сухой и жаркий, а потом сухой и очень жаркий сезон. В Антарктиде – тоже самое, только в другой тональности. Холодный и сухой и очень-очень холодный и сухой сезоны. Таким образом – Времена года доступны лишь жителям умеренного климатического пояса в обоих полушариях , а также в прилегающих к ним суб-поясах – субтропическом, субарктическом и субантарктическом, но в более смазанном и нивелированном варианте.
Материалы по теме:
Почему осенью возникает плохое настроение?
Почему происходит смена времен года?
Основная причина смены времен года это вращение Земли вокруг Солнца. Еще одна ключевая причина, которая максимально проявляет себя в умеренных широтах, является характерный наклон земной оси . По отношению к плоскости эклиптики она находится под углом 66,56°.
Поэтому именно на этой широте мы видим самую полноценную, полнокровную и яркую смену времен года, дни солнцестояния, равноденствия, полярный день-ночь.
Благодаря наклону земной оси Солнце всходит над землей на протяжении всего года под разными углами. Зимой – угол острее. Летом – тянется к прямому углу. Но не дотягивается. Полноценные 90° можно зафиксировать лишь на экваторе. А на полюсах солнечные лучи просто скользят, ограниченные максимальным значением угла падения в 27-30 °.
Для умеренного пояса время, когда планета максимально приближена и наклонена к Солнцу, будет именоваться «летом». Отдалена и отклонена по оси от плоскости эклиптики – «зимой». Правило действует лишь для одного полушария. Переходные процессы между двумя крайними точками назвали «осенью» и «весной».
Мы все видим, что времена года меняются: летом мы загораем и плаваем в открытых природных водоемах, собираем луговые цветы, сидим у костра; осенью восхищаемся разноцветной красотой леса; зимой катаемся на санках и на лыжах, а весной радуемся теплому солнышку и наблюдаем, как быстро лопаются почки на деревьях и превращаются в зеленый наряд. Но почему происходит смена времен года?
Главная причина смены времен года – наклон оси вращения Земли.
Но сначала давайте поговорим о том, что означает термин «времена года». Это четыре периода, на которые условно поделен год. Обратите внимание на слово «условно».
В астрономии различают:
1) Календарные времена года , которые приняты в большинстве стран мира – деление года на четыре сезона по три месяца в каждом. Вот здесь как раз понятно, что деление это условно, т.к. календарная дата наступления зимы (или другого времени года) может не совпадать с реальной погодой.
2) Астрономические времена года – отсчитываются от точек солнцестояния (лето/зима) и равноденствия (весна/осень).
Давайте разберемся, что такое «точки солнцестояния» и «равноденствия». 
Солнцестояние
– это момент прохождения Солнца через точки эклиптики (большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца), наиболее удаленные от экватора небесной сферы. 
– это момент, когда центр Солнца в своём видимом движении по эклиптике пересекает небесный экватор.
3) Фенология (система знаний о сезонных явлениях природы), используя понятие «сезон», определяет длительность и сроки начала каждого климатического времени года в соответствии с природными условиями. Сезон отличается характерными для него погодными условиями и температурой.
Итак, смена времен года объясняется: годичным обращением Земли вокруг Солнца, наклоном оси вращения Земли относительно орбиты и эллиптичностью орбиты .
Календарные времена года
В большинстве стран Северного полушария приняты следующие даты времен года:
- весна - 1 марта-31 мая (март, апрель, май);
- лето - 1 июня-31 август (июнь, июль, август);
- осень - 1 сентября-30 ноября (сентябрь, октябрь, ноябрь);
- зима - 1 декабря-28 (29) февраля (декабрь, январь, февраль).
Напомним, что в Северном полушарии (к северу от экватора) находятся континенты и страны: Азия (умеренный климат), Европа, Северная Америка, маленькая часть Южной Америки (севернее Экватора), около ⅔ Африки, севернее реки Конго (Алжир, Бенин, Буркина-Фасо, Гамбия, Гана, Гвинея-Бисау, Джибути, Египет, Западная Сахара, Кабо-Верде, Камерун, Кения, Кот-д"Ивуар, Либерия, Ливия, Мавритания, Мали, Марокко, Нигер, Нигерия, Сенегал, Сомали, Судан, Сьерра-Леоне, Того, Тунис, Уганда, Центральноафриканская Республика, Чад, Экваториальная Гвинея, Эритрея, Эфиопия, Южный Судан), страны северной Океании, расположенные в Северном полушарии: Маршалловы острова, Микронезия, Палау, страны Южной Америки, расположенные в Северном полушарии : Венесуэла, Гайана, Колумбия, Суринам, Французская Гвиана.
В Южном полушарии другие даты времен года:
- весна - 1 сентября-30 ноября;
- лето - 1 декабря-28 (29) февраля;
- осень - 1 марта-31 мая;
- зима- 1 июня-31 августа.
В Южном полушарии (к югу от экватора) находятся континенты и страны:
Азия (полностью), Восточный Тимор (большей частью), Индонезия, Африка (Ангола, Ботсвана, Бурунди, Замбия, Зимбабве, Коморские Острова, Лесото, Мадагаскар, Маврикий, Малави, Мозамбик, Намибия, Руанда, Свазиленд, Сейшельские острова, Танзания, ЮАР), большей частью Габон, Демократическая Республика Конго, Республика Конго, частично Кения, Сан-Томе и Принсипи, Сомали, Уганда, Экваториальная Гвинея, Океания (Австралия, Вануату, Науру, Новая Зеландия, Папуа-Новая Гвинея, Самоа, Соломоновы Острова, Тонга, Тувалу, Фиджи, большей частью Кирибати). Южная Америка (Аргентина, Боливия, Парагвай, Перу, Уругвай, Чили, большей частью Бразилия, Эквадор, частично Колумбия.
Астрономические времена года
Как мы уже говорили, основной причиной смены времён года является наклон земной оси по отношению к плоскости эклиптики. Если бы ось Земли не была наклонена, то продолжительность дня и ночи в любом месте Земли была бы одинакова, а днем солнце поднималось бы над горизонтом на одну и ту же высоту в течение всего года. И тогда никаких изменений времен года не происходило бы. Но ось Земли образует с орбитальной плоскостью угол 66,56°. Наглядно это видно на данной схеме.
Астрономически времена года отсчитываются от точек летнего солнцестояния, осеннего равноденствия, зимнего солнцестояния и весеннего равноденствия. В году две точки равноденствия, когда солнце переходит из одной точки полушария в другую: из Северного полушария - в Южное, и наоборот. Весеннее и осеннее равноденствие являются переходной точкой от одного времени года к другому. В эти дни восход солнца начинается почти ровно на востоке, а заход почти строго на западе.
Промежуток между равноденствиями составляет полгода, а целый год принято считать тропическим годом , он продолжается 365,2422 суток. По Юлианскому календарю, в году 365¼ суток. Поэтому каждый следующий год продвигается на 6 часов вперед, а каждый четвертый год является високосным годом , где добавляется на сутки больше, которые приходятся на 29 февраля. Таким образом, каждые четыре года дополнительный день возвращает равноденствие на начало прежнего числа.
Периоды равноденствий:
- Весеннее равноденствие - 20 - 21 марта. Солнце переходит из Южного полушария в Северное.
- Осеннее равноденствие - 22 - 23 сентября. Солнце переходит из Северного полушария в Южное.
С 20 (21) марта до 22 (23) сентября из-за наклона земной оси Северное полушарие обращено к Солнцу бо́льшую часть суток, поэтому там больше тепла и света, чем в Южном, где в это время зима. Летом дни становятся длиннее, а положение Солнца - выше. Через полгода Земля переходит на противоположную точку своей орбиты. Наклон оси остаётся таким же, но теперь Южное полушарие оказывается обращённым к Солнцу большую часть суток, дни становятся длиннее и теплее. В Северном полушарии в это время наступает зима.
Но на время года влияет также и эллиптическая форма орбиты: времена года имеют разную продолжительность. В течение года планета Земля то приближается к Солнцу, то отдаляется от него, именно поэтому на разных континентах земного шара времена года отличаются продолжительностью.
Например, в Северном полушарии лето длиннее - 93,6 суток (а в Южном 89 суток), осень - 89,8 суток (а в Южном она длиннее - 92,8 суток). Зима – 89 суток (а в Южном - 93,6), весна - 92,8 суток (в Южном - 89,8).
Климатические времена года
Время равноденствия и солнцестояния должны быть серединой соответствующих сезонов. Но климатические сезоны относительно астрономических задерживаются из-за многих факторов, т.к. физические особенности земли и воды различны в определенных местах планеты.
- В экваториальном поясе (географический пояс Земли, расположенный по обе стороны от экватора) зимой и летом идут сильные дожди, а весна и осень относительно засушливы. Для этой территории характерны пассаты (ветры, дующие между тропиками круглый год. В Индийском океане они превращаются в муссоны - ветры, периодически меняющие свое направление: летом дуют с океана, зимой с суши.
- В тропическом поясе холодным временем года является сезон дождей, жарким - засушливый сезон. Однако в пустынях дожди могут не выпадать и в холодное время года.
- В умеренном поясе (Западная Европа, атлантическое побережье Северной Америки) основная часть осадков приходится на осень и первую половину зимы. В холодное время на части территории выпадает снег. Весна и лето характеризуются эпизодическими дождями с циклонами (атмосферные вихри огромного диаметра с пониженным давлением воздуха в центре). В зоне умеренно-континентального и континентального климата (Восточная Европа, Южная Сибирь) самыми влажными оказываются летние месяцы, а осень и зима суше. В зоне муссонного климата (Дальний Восток) осадки чаще выпадают летом в виде сильных ливней, зима сухая и бесснежная.
- В арктическом и антарктическом поясах смена времён года выражается только в смене полярного дня и полярной ночи. Из-за продолжающегося ледникового периода разница в уровнях осадков в разные сезоны невелика, а температура остается ниже нуля.
Таким образом, сезоны для Северного полушария противоположны сезонам для Южного полушария. Когда Северное полушарие обращено к Солнцу, оно получает больше тепла и света, дни становятся длиннее, а ночи короче. Через полгода положение Солнца относительно Земли меняется, поэтому уже в Южном полушарии дни становятся длиннее, Солнце поднимается выше, в то время как на Северном полушарии начинается зима.
Центральная Россия находится в зоне умеренного и умеренно-континентального климата .
Весной природа начинает пробуждаться от зимнего сна, это период роста и цветения растений. Изменения происходят и в мире животных – начинается период размножения, кладки яиц у птиц.
Здравствуй, весенняя первая травка!
Как распустилась? Ты рада теплу?
Знаю, y вас там веселье и давка,
Дружно работают в каждом yглy.
Высyнyть листик иль синий цветочек
Каждый спешит молодой корешок
Раньше, чем ива из ласковых почек
Первый покажет зеленый листок.
С. Городецкий
Мы видим активный рост растений, начало созревания плодов и овощей, появление птенцов.
- Чем жарче день, тем сладостней в бору
- Дышать сухим смолистым ароматом,
- И весело мне было поутру
- Бродить по этим солнечным палатам!
- Повсюду блеск, повсюду яркий свет,
- Песок - как шелк... Прильну к сосне корявой
- И чувствую: мне только десять лет,
- А ствол - гигант, тяжелый, величавый.
- Кора груба, морщиниста, красна,
- Но как тепла, как солнцем вся прогрета!
- И кажется, что пахнет не сосна,
- А зной и сухость солнечного лета.
И. Бунин «Детство»
Рост растений замедляется, но они обильно отдают нам весь свой урожай, деревья сбрасывают листву, природа готовится к покою.
Унылая пора! Очей очарованье!
Приятна мне твоя прощальная краса -
Люблю я пышное природы увяданье,
В багрец и в золото одетые леса,
В их сенях ветра шум и свежее дыханье,
И мглой волнистою покрыты небеса,
И редкий солнца луч, и первые морозы,
И отдаленные седой зимы угрозы.
А.С. Пушкин
Зимой природа отдыхает, многие животные впадают в зимнюю спячку. Природный цикл завершился. Но только для того, чтобы начаться снова.
Чудная картина,
Как ты мне родна:
Белая равнина,
Полная луна,
Свет небес высоких,
И блестящий снег,
И саней далеких
Одинокий бег.
Почему зимой холодно, а летом тепло? Удивительно, но многие люди, даже взрослые, умные и образованные, не знают ответа на этот вопрос. Из-за движения Земли вокруг Солнца - конечно, но почему именно? Самый частый - неправильный - ответ такой: потому что зимой Земля дальше от Солнца, чем летом. Однако это не может быть объяснением: ведь в южном полушарии времена года меняются местами, в январе там жарко, а в июле - холодно! На самом деле Земля действительно движется вокруг Солнца не совсем по кругу, но всё ровно наоборот: когда у нас лето, Земля дальше от Солнца, а когда зима - ближе!
Между прочим, лето и зима к тому же бывают не везде. А где бывают, там проходят по-разному. Оказывается, важно не только то, что мы вертимся вокруг Солнца, но и то, как мы при этом крутимся вокруг собственной оси! Чтобы разобраться во всём этом, давайте решим несколько задачек, причём для начала попутешествуем по другим планетам и только потом уж вернёмся на Землю.
Как всегда, решить что-то самостоятельно куда полезнее, чем прочитать чужое решение, поэтому постарайтесь сами разобраться в каждой задаче. А уже если не получится, мы вам поможем. Вам может пригодиться мячик (а ещё лучше - глобус) и настольная лампа (лучше всего подошла бы лампочка без абажура). На мячике нужно нарисовать полюса и экватор - большой круг посередине между полюсами. Это будет планета; лампа будет Солнцем. Если лампочки нет, её можно заменить собственной головой: какую часть планеты вы видите - та освещается солнцем, там день; а какую не видите - там ночь. Ещё можно слепить пластилиновый шарик с двумя ручками-спичками, это будет местный житель. Воображаемых жителей планет (которых, увы, нигде, кроме Земли, не существует) будем называть человечками . Время, за которое планета делает оборот вокруг Солнца (оно у всех планет разное!), будем называть местным годом , а время, за которое планета оборачивается вокруг оси, - сутками .
Юпитер
У этой планеты ось вращения почти точно перпендикулярна плоскости, в которой она обращается вокруг Солнца. То есть если ваше Солнце лежит на столе, а ваш Юпитер ползёт по столу вокруг него, то один из полюсов Юпитера всегда направлен строго вверх - пусть это будет северный полюс. И ползёт Юпитер не просто так, а быстро крутясь вокруг своей (вертикальной) оси (рис. 1). На всякий случай уточним сразу ещё одну подробность: все планеты движутся вокруг Солнца против часовой стрелки (если смотреть с Полярной звезды) и почти все вертятся вокруг оси в ту же сторону.
Вводное упражнение. Найдите на вашем Юпитере место, где Солнце в данный момент находится в зените, то есть ровно над головой. А теперь найдите все такие места, где оно на горизонте (подсказка : эти точки на поверхности планеты образуют большой круг). В каких точках Юпитера сейчас происходит восход Солнца, а в каких - закат (потом сравните с рисунком 2 на следующей странице)? Поставьте человечка на широте примерно 45° (приблизительно посередине между северным полюсом и экватором), пусть он одну руку поднимет вверх, а другую вытянет на север. Поворачивайте планету (не наклоняя ось!) до тех пор, пока Солнце не окажется для вашего человечка как можно выше над горизонтом; у него наступил полдень. С какой стороны от него сейчас Солнце - на юге, на севере, на востоке? А что скажет об этом такой же человечек, живущий в южном полушарии?
Задача Ю1 . Представьте себе существо, живущее на экваторе Юпитера. Проследите, как для него движется по небу Солнце в течение суток. В какой стороне света (и даже точнее - в какой именно точке) оно восходит? Заходит? В каком месте неба это существо видит Солнце в полдень? Если бы оно, как древние люди, считало, что небо - твёрдая поверхность (сфера), по которой движутся светила, то как бы оно нарисовало наблюдаемую траекторию Солнца на этой поверхности?
Подвиньте теперь Юпитер по его орбите вокруг Солнца - пусть пройдёт, скажем, четверть юпитерианского года. Изменится ли что-нибудь у нашего человечка?
Задача Ю2 . Ответьте на те же вопросы, что в задаче Ю1, для человечка, живущего на северном полюсе.
На любой планете, как мы увидим дальше, могут быть такие места, где Солнце хоть когда-нибудь в течение года бывает в зените. Область, включающая в себя все такие места, называется тропической зоной . А бывают такие места, в которых хотя бы одни сутки в году Солнце не опускается под горизонт - то есть хотя бы на одни сутки в году наступает полярный день. Область, где бывает полярный день, называется полярной зоной (а её граница - полярным кругом ; там Солнце один раз в году касается горизонта, не опускаясь под него). Между прочим, там, где бывает полярный день, бывает и полярная ночь: скоро вы в этом убедитесь.
Задача Ю3 . Разберитесь, где на Юпитере тропическая и полярная зоны.
И, наконец, последняя задача про Юпитер.
Задача Ю4 . Попробуйте разобраться, как живётся человечку, находящемуся посередине между экватором и полюсом - на широте 45°. В каком месте горизонта восходит у него Солнце? Как оно движется дальше? На какую максимальную высоту поднимается?
Решения задач про Юпитер
Обратите внимание, что в задачах про Юпитер нигде не обсуждаются времена года. Их на Юпитере нет! При движении планеты вокруг Солнца для «местных жителей» ничего не меняется, каждый день у них происходит одно и то же.
(Ю1) Человечек, живущий на экваторе, видит восход Солнца точно на востоке (проверьте это, вытянув одну его руку на север, а другую на восток), потом Солнце поднимается прямо вверх и в полдень оказывается в зените, то есть прямо над головой. Дальше оно продолжает двигаться по тому же большому кругу, а ещё через четверть суток садится строго на западе. Ночь длится ровно половину суток. Весь год - одно и то же!
(Ю2) У человечка на полюсе жизнь ещё более однообразна. Солнце у него всё время на горизонте! Не рассвет, не закат - вечные полярные сумерки. Однако Солнце не стоит на месте - оно движется опять-таки по большому кругу, оставаясь всё время на горизонте. В этом можно убедиться, вытянув руку человечка в какую-нибудь сторону и вращая планету вокруг оси.
(Ю3) Мы уже видели, что у жителей экватора Солнце каждый день проходит через зенит. И только у них: чем севернее живёт человечек, тем меньше у него полуденная высота Солнца (и тем меньше оно нагревает поверхность планеты). См. рис. 3.
Поэтому тропическая зона на этой планете - это экватор. А полярная зона - и вовсе две точки: Солнце не опускается под горизонт только на полюсах (рис. 4).
(Ю4) Солнце у всех «наблюдателей» восходит ровно на востоке, а садится на западе. В течение дня оно движется по большому кругу, но круг этот наклонён к плоскости горизонта тем сильнее, чем меньше широта (рис. 5). Если широта 45°, то и Солнце поднимется над горизонтом на 90°−45° = 45°. В течение всего года Солнце движется каждый день по одному и тому же кругу.
Разобрались с Юпитером? Полетели теперь на другую планету!
Уран
Эта планета «ходит, лёжа на боку» - ось её вращения лежит ровно в плоскости её орбитального движения вокруг Солнца (рис. 6). Очень важно, что, как и всякий хорошо закрученный волчок, планеты ни за что не хотят менять направление своего вращения, и ось Урана «смотрит» всегда в одну и ту же сторону - на одну и ту же далёкую звезду! (А не поворачивается всё время к Солнцу, как можно было бы подумать.) Имея уже некоторый опыт изучения Юпитера, давайте исследуем эту планету. Обратите внимание, что теперь ситуация для каждого жителя планеты меняется в течение года! При решении задач рисуйте побольше рисунков, выбирайте удобный ракурс: иногда больше подходит вид сверху, иногда - сбоку.
Задача У1. Найдите (и нарисуйте) полярные и тропические зоны Урана. Обратите внимание, что нужное условие должно выполняться хотя бы раз в году.
Задача У2 . Начнём на этот раз с жителя полюса. Разберитесь, как у него меняется освещённость в течение года. Когда (в каком месте орбиты) у него лето, когда зима? Бывают ли дни, когда Солнце в зените - и сколько в году таких дней? Бывает ли полярный день и полярная ночь, и если да, то сколько времени (какую часть года) они длятся? Раскрасьте на орбите планеты (вид сверху или сверху-сбоку) соответствующие точки и области.
Задача У3. Те же вопросы для жителя экватора.
Задача У4 . Те же вопросы для жителя «тамошней Венеции» - на широте 45°.
И, наконец, самая сложная
Задача У5. Для каждого из героев задач У2–У4 нарисуйте (приблизительно) видимый путь Солнца на небе в течение года: для жителя Юпитера Солнце весь год крутится по одной и той же окружности. А здесь? Подсказка : бывает ли день, когда Солнце не движется?
Решения задач про Уран
(У1) Напомним, что тропики - это места, где Солнце бывает в зените. А это случается в любой точке Урана два раза в год, и только на полюсах - один раз в год (рис. 7).
Так что тропическая зона - везде, а её границы - тропики - на полюсах! Полярные зоны - тоже везде, потому что, например, в дни, когда ось планеты смотрит прямо на Солнце (слева и справа на рисунке 8), на половине планеты - полярный день, а на другой половине - полярная ночь. Только на экваторе Урана в эти дни - полярные сумерки: Солнце на горизонте; настоящего полярного дня или ночи на экваторе не бывает.
(У2) На полюсе полгода длится полярный день - Солнце не заходит, а описывает в течение суток круг практически на одной и той же высоте. Если бы Уран не был так далеко от Солнца, там в это время было бы очень жарко: в середине полярного дня Солнце стоит в зените! Причём когда на одном полюсе полярный день, на другом - полярная ночь (на рисунке 8 - «лето» и «зима»). Потом, после коротких полярных сумерек, наступает полярная ночь, которая тоже длится полгода.
(У3) Для жителей экватора Солнце проходит через зенит как раз тогда, когда на полюсах сумерки (верхнее и нижнее положения планеты на рисунке). Зато в полночь Солнце ровно «под ногами». А спустя четверть года (на рисунке - положения планеты слева и справа) оно весь день на горизонте - но не движется по кругу, как было на полюсе Юпитера, а стоит на месте! Проверьте это с помощью «человечка». Во все остальные сутки день и ночь на экваторе длятся поровну.
(У4) У «венецианцев» дни, когда Солнце в зените, отстоят друг от друга на четверть года (эти дни соответствуют положениям планеты, показанным на рисунке 8 красными линиями).
В те же дни Солнце касается горизонта, не опускаясь под него - а между ними всё лето (четверть года) длится полярный день. В середине лета Солнце не заходит, но и не поднимается так высоко. День, когда ось планеты смотрит точно на Солнце, на Уране с бо льшим правом, чем у нас, можно назвать солнцестоянием: Солнце в этот день буквально стоит в одной точке. Как мы уже видели, для жителей экватора эта точка - на горизонте, для жителей северного полюса - в зените. Для «венецианцев» Солнце зависает на высоте 45°, причём не на юге, как можно было бы подумать, а на севере. Вообще, летом Солнце у них всё время в северной части неба... Весной и осенью дни и ночи чередуются, как это происходит у нас. А зимой полярная ночь, которая, как и полярный день, длится четверть года.
Поскольку почти на всей планете долгие полярные дни и полярные ночи, на Уране самая скучная во всей Солнечной системе погода. Большие участки атмосферы прогреваются и остывают равномерно: ни перепадов температуры и давления, ни сильных ветров...
Не то что на Нептуне, хоть он и в полтора раза дальше от Солнца. Интересные для астрономов ураганы и циклоны бывают на Уране только весной и осенью, когда день чередуется с ночью «нормальным» образом.
(У5) Замечательно, что для всех человечков на планете видимый путь Солнца - одна и та же кривая, только смотрят они на неё под разными углами, так же как на Юпитере большой круг, по которому движется Солнце, был наклонён к горизонту для каждого наблюдателя по-своему. Начнём с северного полюса. В день солнцестояния (слева на рисунке 8) Солнце стоит в зените, потом начинает постепенно спускаться по спирали, делая каждые сутки один почти горизонтальный виток. Круги, описываемые Солнцем, всё ниже и всё шире; через четверть года очередной виток проходит уже по горизонту, и дальше в течение полугода спираль продолжается «под землёй». Солнце доходит до низшей точки - ровно под ногами - и возвращается обратно к горизонту, а затем - к зениту.
На экваторе всё ровно так же, только вся эта спираль «лежит на боку». Так что, если бы кто-то вздумал, живя на экваторе, весь год наблюдать Солнце лёжа (головой на север), причём отмечал бы положение Солнца не только над, но и под горизонтом - у него получилась бы ровно та же картинка, что и на северном полюсе.
Теперь уже совсем легко догадаться, как выглядит годовое движение Солнца на любой широте (рис. 9).
Теперь мы временно покидаем Солнечную систему, потому что в ней нет нужной нам сейчас планеты.
Планета Дзета - «золотая середина»
Эта воображаемая планета - «среднее» между Юпитером и Ураном. Ось её вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 45° (рис. 10).
Задача Д1 . Как на этой планете выглядят полярные и тропические зоны?
Задача Д2 . Как в течение года движется Солнце для наблюдателя на полюсе? на экваторе? в «Венеции»? Бывает ли оно в зените, и если да, то когда? Каждые ли сутки опускается под горизонт, и если нет, то сколько времени длится полярный день?
Задача Д3 . Для каждого из этих мест нарисуйте видимый годовой путь Солнца на небе.
Решения задач про планету Дзету
(Д1) На Юпитере тропической зоной был один только экватор, на Уране - вся планета. Здесь - промежуточная ситуация: самые северные точки, в которых Солнце можно увидеть в зените, имеют широту 45°, то есть находятся ровно посередине между экватором и северным полюсом. На всей этой окружности (параллели) самый жаркий день наступает, когда направление оси планеты ближе всего к направлению на Солнце (рис. 11).
Этот же день и самый длинный: как видно из той же картинки, Солнце в полдень достигает зенита, а в полночь касается горизонта; стоит чуть-чуть сместиться к полюсу - и в этот день Солнце не сядет, но и до зенита не поднимется. Через полгода та же ситуация повторяется в южном полушарии. Итак, полярные зоны - это «шапки» вокруг обоих полюсов, а тропические - «пояс» вокруг экватора. Границы того и другого у Дзеты совпадают, это параллели 45° северной и южной широты. Они одновременно и тропики, и полярные круги (рис. 12).
(Д2) На полюсах Солнце по полгода не заходит (на северном полюсе - летом, на южном - зимой), а остальные полгода длится ночь. В течение суток Солнце делает круг, практически не меняя высоты над горизонтом. На максимальной высоте - 45° - оно бывает в середине полярного дня. Этот момент называется солнцестоянием - хотя Солнце, в отличие от Урана, и не стоит на месте. Всего солнцестояний два - одно летнее (когда день на северном полюсе), другое зимнее (когда на южном). А дни, когда ось планеты перпендикулярна направлению на Солнце (планета сверху и снизу на рисунке 10), называются равноденствиями. В эти дни на обоих полюсах - полярные сумерки. Как видно, между каждым равноденствием и солнцестоянием - ровно четверть местного года.
В пределах тропической зоны Солнце бывает в зените 2 раза в год, на экваторе это как раз дни равноденствий. Летом жители экватора видят солнце на севере, а зимой - на юге. На экваторе день всегда равен ночи, а Солнце поднимается от горизонта и опускается к нему строго по вертикали. Жители «Венеции» видят Солнце в зените только раз в год - в летнее солнцестояние. В этот же день оно не заходит, а только касается горизонта. Два раза в год - в дни равноденствий - день бывает равен ночи; полгода он длиннее ночи, полгода - короче. А в день зимнего солнцестояния Солнце не восходит - это самая короткая, но всё-таки полярная ночь.
(Д3) Как и на Уране, видимый годовой путь Солнца - спираль, для жителей разных мест планеты наклонённая по-разному. Но, в отличие от Урана, спираль не заполняет всю сферу. Легко убедиться в этом, рисуя путь Солнца на полюсе: там ось спирали вертикальна и Солнце не поднимается выше 45°.
Теперь уже не составит труда понять, как устроена смена времён года на Земле. На самом деле Земля очень похожа на Дзету, с одной только разницей: ось нашей планеты отклоняется от «вертикали» не на 45°, а всего на 23° над горизонтом. Так что по этому параметру мы чуть ближе к Юпитеру, чем Дзета. Из-за этого спираль у нас у же - больше сплюснута: самые дальние витки спирали отстоят от её середины на 23°. (Если бы кто-то стал «выправлять» нашу ось, приближая её к вертикали, то спираль сплющилась бы в круг, как у Юпитера.) От этого, например, Солнце на полюсах никогда не поднимается выше 23° над горизонтом. «Наклоняя» спираль, можно убедиться, что тропическая зона тоже у же, чем на Дзете, - широта тропиков у нас опять те же 23°. И на те же 23° отстоят от полюсов полярные круги. Например, Москва в промежуточной области между теми и другими: ни полярных ночей, ни Солнца в зените в Москве не бывает.
Напоследок для тех, кому понравилось путешествовать по планетам, добавим ещё несколько задач.
Художник Анна Горлач
Загрузка...
