Чем дальше солнце от земли тем теплее. Почему зимой холодно, а летом тепло? Причина зимы и лета – наклон оси вращения Земли
Должно быть, ученые мужи XVII века были сильно удивлены и испытали немало неудовольствия, ознакомившись с книгой Иоганна Кеплера «Новая астрономия». Еще бы, ведь немецкий математик призывал ни много ни мало отказаться от круговых орбит, по которым движутся планеты, и заменить их эллипсами! Астрономы еще не осмыслили до конца революционные идеи Коперника, поместившего в центр мира Солнце и низведя, таким образом, Землю до статуса рядовой планеты, как был нанесен второй удар по двухтысячелетней системе мира Птолемея.
Одно из самых распространенных и настойчивых научных заблуждений состоит в том, что времена Земли вызваны расстоянием Земли от солнца. Тесно связанное и, возможно, более распространенное заблуждение состоит в том, что экватор теплее, чем полюса, потому что экватор значительно ближе к солнцу, чем полюса. Даже профессиональные геофизики иногда придерживаются последнего заблуждения. Например, это указано в одном из руководств руководства «Геология под ногами». Многие люди объединяют два неправильных представления.
Описанная здесь деятельность, направленная на обнаружение, помогает студентам противостоять и преодолевать оба этих распространенных заблуждения, поскольку они направляют учащихся к пониманию того, как и почему угол солнечного света падает на интенсивность солнечной энергии, которая ударяет по земле и, следовательно, как угол солнечный свет может использоваться для объяснения как сезонных, так и широтных различий в температуре. По пути эта деятельность помогает студентам визуализировать истинные размеры солнечной системы и различных объектов внутри нее.
Эллипсы! Это почти святотатсво! Круг - совершенная фигура, и как же еще двигаться телам в небесном мире, как не по круговым орбитам! Но теория Кеплера объясняла движение планет лучше, чем любая из теорий, использовавшая круговые орбиты. На ее основе можно было делать более точные предсказания, в какой точке неба окажется та или иная планета через год, десять, сто лет. Теория работала!
Эта, казалось бы, не связанная с этим тема включена в эту деятельность, потому что точное восприятие масштабов солнечной системы помогает ученикам понять, что экваториум Земли не намного ближе к солнцу, чем его полюса, и все солнечные лучи, перехваченные Землей, по существу параллельны друг друга, попадают ли они в экваториальные или полярные области - понятие, которое необходимо для понимания того, как и почему угол падающего солнечного света изменяется систематически с широтой и временем.
В этой деятельности студенты сталкиваются с их неправильными представлениями о сезонных и широтных колебаниях температуры, понимают истинные причины этих явлений, практикуют использование простых физических моделей для решения проблем и развивают свои трехмерные навыки визуализации. Конкретные цели обучения.
Земля, как и другие планеты, тоже движется вокруг Солнца не по круговой, а по эллиптической, вытянутой орбите . Это значит, что одну часть своего пути наша планета приближается к Солнцу , а другую часть - удаляется . Точка, когда Земля располагается ближе всего к звезде, называется перигелием , а наиболее удаленная от Солнца точка орбиты называется афелием . Как следствие, размеры Солнца на нашем небе должны меняться.
Визуализируйте пропорции истинной шкалы солнечной системы - размеры объектов и расстояния между ними. Покажите, как наклон оси Земли и вращение Земли вокруг Солнца вызывают сезонные колебания температуры, вызывая сезонные колебания длины дня и максимальной дневной солнечной высоты. Ясно и полностью объяснить, почему на экваторе теплее, чем на полюсах. . Эта деятельность была всесторонне протестирована, пересмотрена и протестирована более 15 лет в курсах «Концепции в области Земли и Космических наук» для будущих учителей в Калифорнийском государственном университете, Чико.
Разница в размерах Солнца, когда Земля находится в перигелии и в афелии. Фото: Raffaele Esposito
Раз Земля движется по эллипсу, ее движение неравномерно . Из-за того что сила притяжения уменьшается с увеличением расстояния между тяготеющими телами, вблизи афелия Земля должна двигаться медленнее , чем в перигелии. Разумеется, это находит отражение в движении Солнца по небу: светило движется на фоне звезд то быстрее, то медленнее (имеется в виду не ежедневное движение Солнца с востока на запад, а второе, годичное движение на фоне созвездий!). Должны иметь разную продолжительность и времена года, ведь тот сезон, в который Земля находится ближе к Солнцу, наша планета «проскакивает» быстрее, чем прочие.
Он должен хорошо работать в науках о Земле и астрономии от средней школы до уровня колледжа. Поскольку эта деятельность призвана направлять учащихся к открытию понятий, она лучше всего работает, если она завершена, прежде чем читать какие-либо объяснения или получать какую-либо прямую инструкцию о причинах сезонов или о том, почему на экваторе более тепло, чем на полюсах.
Описание и учебные материалы
По моему опыту, студенты часто несовместимы - нежно называть их этим. Например, один студент непреклонно настаивал - несмотря на протесты ее членов команды, - что экватор не был значительно ближе к солнцу, чем к полюсам. Тем не менее, она затем объяснила разницу температур между экватором и полюсами различиями в их расстояниях до солнца.
Все вышеперечисленное - очевидные следствия трех законов Кеплера, но в обычной жизни они проходят обычно мимо нашего внимания. И это не удивительно - земная орбита почти круг, вытянутость ее невелика. Не проводя специальных наблюдений, заметить эффекты от движения Земли по эллипсу практически невозможно.
Это длинное предисловие было сделано для того, чтобы сказать о главном: сегодня, 4 января 2015 года, Земля находится в перигелии к Солнцу - в ближайшей к звезде точке своей орбиты. Точная дата события - 4 января в 06:36 по всемирному времени, или в 09:36 по московскому .
Как Солнце освещает Землю в разное время года
Примечания к лабораторной деятельности №1: Масштабная модель солнечной системы. Когда вы доберетесь до «Земли», пусть ученики помещают Луну на подходящее расстояние от Земли и указывают, что, по совпадению, луна и солнце выглядят такими же, как и на Земле. В таблице внизу страницы 2 укажите соответствующие ориентиры в вашей локальной зоне, которые расположены на расстояниях модели. Студентам может потребоваться достаточное количество подтасовки и опроса, чтобы получить правильные ответы. Вопросы 1 и 2 на стр. 3 обычно приводят к большому дискуссию. . Заметки о лабораторной деятельности №2: Почему на экваторе более теплый, чем у поляков?
Именно сегодня Солнце ближе к Земле, чем в любой другой день года, а значит, именно сегодня Земля получит от Солнца наибольшее количество света и тепла в 2015 году!
Когда Земля ближе всего к Солнцу, в северном полушарии царит зима. Этот замечательный снимок солнечного гало сделан 2 января 2015 года на Аляске. © Tracey Mendenhall Porreca
Заметки о лабораторной деятельности по причинам времен года. Прежде чем ученики начнут эту деятельность, объясните им, что каждой группе будет предложено сформулировать первоначальную гипотезу, чтобы объяснить причины сезонов. Если их гипотеза не соответствует задаче, они должны отказаться, переформулировать, изменить или добавить к своей первоначальной гипотезе, пока она не сможет обеспечить удовлетворительное объяснение фактов. Затем ученики попытаются использовать эту гипотезу для объяснения ряда фактов. . В конце этого занятия я, как правило, оцениваю обучение учащихся, предоставляя студентам группы ответы на оставшиеся занятия.
Странно? Совсем нет! Вспомним, что времена года меняются не потому, что Земля находится то ближе, то дальше от Солнца, а потому, что ось вращения нашей планеты наклонена к плоскости земной орбиты. В результате Солнце полгода освещает в основном северное полушарие Земли, а другую половину года - южное. Поэтому в южном полушарии Земли сейчас царит самое настоящее лето!
Две теории холодной зимы и теплого лета
За каждой презентацией следует обсуждение всего класса. Земля самая горячая, когда она наиболее удалена от Солнца на его орбите, а не когда она ближе всего. В среднем интенсивность солнечного света, падающего на Землю во время афелия, примерно на 7% меньше, чем во время перигелия.
Несмотря на это, Земля заканчивается тем теплее в течение периода, в котором она наиболее далека от солнца. В зимние месяцы, для Северного полушария, общая температура Южного полушария, где она лето, не меняется так же сильно, как наоборот. Это связано с тем, что гораздо большая часть Южного полушария по сравнению с Северным полушарием состоит из воды, а вода имеет значительно большую теплоемкость, чем земля. В то же время, в то же время, в течение лета для Южного полушария общая средняя температура Южного полушария не увеличивается, как это делает Северное полушарие в течение лета, по этой же причине.
Впрочем, как мы уже писали в прошлом году, полгода - это грубая прикидка. Посмотрим внимательнее.
Границами астрономических сезонов служат моменты равноденствий и солнцестояний. (Это не произвольно выбранные даты, а особые точки на орбите Земли, отмечающие ключевые «этапы» процесса освещения Земли Солнцем/) Например, астрономическое лето длится от момента летнего солнцестояния, которое в разные годы наступает 20, 21 или 22 июня, до осеннего равноденствия, наступающего 22 или 23 сентября. Таким образом, продолжительность лета равна 93,6 дня. Осень длится от осеннего равноденствия до момента зимнего солнцестояния, наступающего 21 или 22 декабря. Сосчитаем количество дней на календаре между этими датами и убедимся, что осень на целых 4 дня короче! - ее длительность равна 89,8 дней! Еще короче зима - только 89 дней. Наконец, продолжительность весны составляет 92,8 дней. Вот наглядное доказательство того, что Земля движется по эллипсу и зимой находится ближе к Солнцу, чем летом!
Поэтому, хотя летом в северном полушарии меньше солнечного света, средняя температура Земли выше в это время, когда она наиболее далека от солнца. Как вы, возможно, догадались тогда или уже знали, времена года не вызваны расстоянием, которое Земля от Солнца, а скорее вызвано тем, что Земля наклонена на его ось 5 °. Вот почему, когда в Северном полушарии лето, зима в Южном полушарии и наоборот. Без этого наклона не было бы сезонов, и погода изо дня в день по всему миру была бы относительно однородной.
В этом случае было бы очень небольшое изменение температуры, поскольку Земля приближалась или удалялась от Солнца, но по большей части все погодные условия оставались бы в том же году. Больше всего массы в Млечном Пути гораздо ближе, чем мы; это хорошо, потому что, если бы плотность была такой же, как и ближе к центру, увеличение космической радиации убьет всех нас. Все планеты нашей Солнечной системы путешествуют по Солнцу по эллиптическим орбитам. Лето в Северном полушарии продолжается от 2 до 3 дней дольше, чем летом в Южном полушарии. Причина в том, что Земля движется медленнее на афелии, чем на перигелии. Дата периода, когда Земля находится дальше всего от солнца, называется Летним солнцестоянием. Дата, когда Земля ближе всего к солнцу, называется зимним солнцестоянием. Эти две точки называются весенним равноденствием и осенним равноденствием. Интересно, что, несмотря на этот факт, Уран на своем экваторе более горячий, чем на полюсах. Причина, почему это так, пока неизвестно.
- Расстояние до Солнца для Земли колеблется примерно на 7%.
- Среднее расстояние от солнца до Земли известно как 1 астрономическая единица.
Впрочем, разница в расстояниях до Солнца летом и зимой невелика - всего около 5 миллионов км. Сегодня оно равно 147 миллионов 096 тысяч 204 километра. В афелии оно превысит 152 миллиона километров. Расстояние варьируется в пределах примерно 3%. Настолько же изменяется и размер Солнца на нашем небе - совершенно незаметно для невооруженного глаза!
Это то, что вызывает сезоны. Когда ось Земли указывает на солнце, это лето для этого полушария. Когда ось Земли укажет прочь, можно ожидать зиму. На полпути между этими двумя временами, весной и осенью, ось вращения Земли указывает на 90 градусов от Солнца. Это означает, что в эту дату днем и ночью есть примерно такая же длина: 12 часов каждый, более или менее.
Почему этот угол наклона оси Земли имеет значение для нашей погоды? Чтобы понять это, возьмите лист бумаги и фонарик. Просветите свет от фонарика прямо на бумаге, так что вы увидите освещенный круг. фонарик находится в этом круге. Теперь медленно наклоните бумагу, чтобы круг вытянулся в эллипс. Все свет все еще находится в этом эллипсе, но эллипс распространяется по большей части бумаги. Другими словами, количество света на квадрат сантиметровые капли.
Сезонная температура – температура летом и зимой – зависит от количества тепла, которое получают разные регионы земли от Солнца. Чтобы температура в какой-то местности была постоянной, должен быть баланс между количеством тепла, которое она получает, и температурой, которое она излучает в космос. Если тепла получают больше, чем излучают, то становиться теплее. Если наоборот – холоднее. Почему количество энергии, которое получает данная местность от Солнца, изменяется в течение года.
То же самое верно и на земле. Когда солнце над головой, свет падает прямо на вас, и поэтому больше света попадает на каждый квадратный сантиметр земли. Когда солнце ниже в небе, свет становится более распространенным по поверхности земли, и меньше тепла может поглощаться. Поскольку ось Земли наклонена, солнце становится выше, когда вы находитесь на той части земли, где ось указывает больше на солнце и ниже на части Земли, где ось указывает на солнце.
Итак, почему восход и закат не равно 12 часам на равноденствие?
Это соответствует Зимнему и Летнему солнцестоянию. Для Южного полушария это наоборот. Это соответствует весеннему равноденствию. В мире около 12 часов дневного света и 12 часов ночи. Даты, на которые день и ночь каждые 12 часов происходят за несколько дней до и после равноденствия. Конкретные даты этого события различны для разных широт.
Две теории холодной зимы и теплого лета
Для объяснения различий температуры в разные сезоны года применяют две популярные теории.
Одна из них видит причиной того, что зимой холодно, а летом тепло, различиях в расстояниях от Земли до Солнца при ее движении по эллиптической орбите. Земля находится от Солнца на расстоянии (147,1 миллион километров при минимальном удалении – в перигелии и 152,1 миллион километров при максимальном удалении – в афелии).
В день равноденствия геометрический центр диска Солнца пересекает экватор, и эта точка находится над горизонтом на 12 часов всюду по Земле. Однако Солнце - это не просто геометрическая точка. Восход определяется как момент, когда передний фронт диска Солнца становится видимым на горизонте, тогда как закат - это момент, когда задний край диска исчезает ниже горизонта. В это время центр диска уже находится под горизонтом. Кроме того, атмосферное преломление лучей Солнца приводит к тому, что диск Солнца появляется на небе выше, чем если бы у Земли не было атмосферы.
Другая теория считает причиной времен года на Земле то, что земная ось имеет наклон относительно к плоскости орбиты.
Дальше от Солнца – не холоднее
Если бы первая теория была полностью справедливой, то в обоих полушариях земли – северном и южном – были бы одни и те же времена года. Однако, в целом этого не наблюдается.
Вечная зима на Плутоне
Таким образом, утром верхний край диска виден в течение нескольких минут, прежде чем геометрический край диска достигнет горизонта. Точно так же вечером верхний край диска исчезает через несколько минут после того, как геометрический диск прошел ниже горизонта.
Когда появляются времена и даты следующих равноденствий и солнцестояний?
Для наблюдателей в пределах пары градусов экватора период от восхода до заката всегда на несколько минут длиннее ночи. Вычтите один час для Центрального времени.
Верно ли, что вы можете выдержать яйцо в конце во время весеннего равноденствия
Тем не менее, в любой день года вы можете выложить яйцо в конце, с большим количеством терпения. Этот миф, кажется, появляется каждый год вокруг равноденствия. Мысль о том, что яйцо может стоять только на весеннем равноденствии, потому что гравитационные силы солнца выравниваются с земным звуком, подобным науке, но это не так.Более того, Земля достигает перигелия – минимального удаления от Солнца как раз, когда в северном полушарии зима – в начале января, когда холодно, а максимального удаления – афелия – летом, в июле, когда тепло!
Причина зимы и лета – наклон оси вращения Земли
Вторая теория видит причину смен времен года – от зимы к лету и обратно – в том, что ось вращения Земли наклонена на 23,5 градусов по отношению к эклиптике – плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Эта ось всегда проходит через северный и южный небесные полюса Земли. Северный полюс направлен приблизительно на Полярную звезду.
Рисунок 1 – Северное полушарие Земли зимой
(кликнуть для увеличения — по всем рисункам)
Рисунок 2 – Северное полушарие Земли летом
Когда северное полушарие Земли наклонено в сторону от Солнца, то лучи Солнца ударяют в северное полушарие как бы «вскользь». А в южном полушарии лучи падают почти «в лоб». Тогда на северном полушарии наступает зима, а на южном – наоборот, лето.
Летом и зимой — разные углы падения
Когда северное полушарие Земли наклонено в сторону к Солнцу, то наоборот лучи Солнца падают на северное полушарие «в лоб», а в южное – «вскользь». Тогда на северном полушарии наступает лето, а на южном – наоборот, зима.
Летом солнечные лучи падают об земную поверхность почти перпендикулярно, концентрируя тем самым энергию. Эта концентрированная энергия способна нагревать поверхность быстрее, чем в зимнее время, когда солнечные лучи падают на земную поверхность под более скользящим углом. Поэтому зимой холоднее, чем летом. Одна и та же энергия попадает на разные площади земной поверхности: летом меньше, зимой больше (рисунки 3 и 4). Другими словами: летом плотность солнечной энергии, которая попадает на земную поверхность больше, чем зимой.
Рисунок 3 – Малая плотность солнечной энергии зимой
Рисунок 4 – Большая плотность солнечной энергии летом
Кроме того, летом Солнце находится дольше над горизонтом и поэтому имеет больше времени, чтобы разогреть все вокруг до более высокой температуры, чем зимой (рисунки 5 и 6).
Рисунок 5 – Солнечный свет для северного полушария зимой
Рисунок 6 – Солнечный свет для северного полушария летом
Зима и лето на других планетах
Оси вращения большинства других планет Солнечной системы также наклонены по отношению к их орбитальным плоскостям. Поэтому они тоже имеют сезонные изменения своей температуры.
Меркурий, Юпитер и Венера имеют очень маленький наклон оси – не больше 3 градусов. Для этих планет в сезонных изменениях температуры значительно бОльшую роль может играть – в отличие от Земли – изменение их расстояния до Солнца. Однако, только Меркурий имеет большое различие между перигелием и афелием – максимальным и минимальным расстоянием до Солнца. Чрезвычайно «жидкая» атмосфера Меркурия не дает возможности сохранения на поверхности какой-либо солнечной энергии. Орбиты Юпитера и Венеры являются почти круговыми, а их атмосферы очень плотными. Поэтому сезонные изменения их температур почти равны нулю.
Зима и лето на Марсе
Марс, а также Сатурн и Нептун, имеют наклоны своих осей вращения похожие на земные. Однако Сатурн и Нептун имеют нулевые изменения температуры благодаря их очень плотным атмосферам, а также почти круговым орбитам.
Марс имеет весьма большие сезонные изменения температуры так как у него очень «жидкая» атмосфера, а орбита сильно эксцентричная. Южное полушарие находится ближе всего к Солнцу в течение своего лета и дальше всего – когда там зима. По тем же причинам северное полушарие Марса имеет более мягкие сезонные изменения, чем его южное полушарие. Поскольку планеты двигаются по своим орбитам медленнее всего, когда они дальше всего от Солнца, то на южном полушарии короткие, горячие лета и длинные, холодные зимы.
Времена года Урана
Времена года Урана – самые интересные, потому что он вращается вокруг Солнца, так сказать, на боку — ось Урана наклонена к плоскости орбиты на 98 градусов. Половина «уранского» года одно из его полушарий находится все время под солнечным светом, а другое полушарие – все время в тени. В другую половину года эти полушария меняются местами. Плотная атмосфера Урана распределяет солнечную энергию от одного полушария к другому весьма эффективно, так что сезонные изменения температуры там почти не заметны.
Вечная зима на Плутоне
Ось Плутона также наклонена на большой угол – 122,5 градусов, его орбита – самая эллиптическая из всех планет. К тому же он имеет очень слабую атмосферу. Плутон всегда так далеко от Солнца, что находится в постоянной «заморозке» – при температуре около минус 220 градусов. Вот уже где, действительно холодно – и летом, и зимой.
