Що далі сонце від землі, то тепліше. Чому взимку холодно, а влітку тепло? Причина зими та літа – нахил осі обертання Землі.
Повинно бути, вчені мужі XVII століття були сильно здивовані і зазнали чимало невдоволення, ознайомившись із книгою Йоганна Кеплера. Нова астрономія». Ще б пак, адже німецький математик закликав не мало не мало відмовитися від кругових орбіт, якими рухаються планети, і замінити їх еліпсами! Астрономи ще не осмислили до кінця революційні ідеїКоперника, що помістив у центр світу Сонце і низведя, таким чином, Землю до статусу рядової планети, як було завдано другого удару по двохтисячолітній системі світу Птолемея.
Одне з найпоширеніших і наполегливіших наукових помилоку тому, що часи Землі викликані відстанню Землі від сонця. Тісно пов'язана і, можливо, більш поширена помилка полягає в тому, що екватор тепліше, ніж полюси, тому що екватор значно ближче до сонця, ніж полюси. Навіть професійні геофізики іноді дотримуються останньої помилки. Наприклад, це зазначено в одному з посібників керівництва «Геологія під ногами». Багато людей поєднують два неправильні уявлення.
Описана тут діяльність, спрямована на виявлення, допомагає студентам протистояти та долати обидві ці поширені помилки, оскільки вони спрямовують учнів до розуміння того, як і чому кут сонячного світла падає на інтенсивність сонячної енергії, яка вдаряє по землі і, отже, як кут сонячне світло може використовуватися пояснення як сезонних, і широтних відмінностей у температурі. Дорогою ця діяльність допомагає студентам візуалізувати справжні розміри сонячної системи та різних об'єктів усередині неї.
Еліпси! Це майже святотатство! Коло - досконала фігура, і як ще рухатися тілам в небесному світі, як не за круговими орбітами! Але теорія Кеплера пояснювала рух планет краще, ніж будь-яка теорія, що використовувала кругові орбіти. На її основі можна було робити більше точні передбаченняв якій точці неба опиниться та чи інша планета через рік, десять, сто років. Теорія працювала!
Ця, здавалося б, не пов'язана з цим тема включена до цієї діяльності, тому що точне сприйняття масштабів сонячної системи допомагає учням зрозуміти, що екваторіум Землі не набагато ближчий до сонця, ніж його полюси, і все сонячні промені, Перехоплені Землею, по суті паралельні один одного, чи потрапляють вони в екваторіальні або полярні області - поняття, яке необхідне для розуміння того, як і чому кут сонячного світла змінюється систематично з широтою і часом.
У цій діяльності студенти стикаються з їх неправильними уявленнями про сезонні та широтні коливання температури, розуміють справжні причиницих явищ, практикують використання простих фізичних моделейдля вирішення проблем та розвивають свої тривимірні навички візуалізації. Конкретні цілінавчання.
Земля, як і інші планети, теж рухається навколо Сонця не круговою, а еліптичною, витягнутою орбітою. Це означає, що одну частину свого шляху наша планета наближається до Сонця, а іншу частину - видаляється. Крапка, коли Земля знаходиться ближче до зірки, називається перигелієм , а найбільш віддалена від Сонця точка орбіти називається афелієм . Як наслідок, розміри Сонця на нашому небі мають змінюватись.
Візуалізуйте пропорції справжньої шкали сонячної системи – розміри об'єктів та відстані між ними. Покажіть, як нахил осі Землі та обертання Землі навколо Сонця викликають сезонні коливаннятемператури, викликаючи сезонні коливання довжини дня та максимальної денної сонячної висоти. Ясно і повністю пояснити, чому на екваторі тепліше, ніж на полюсах. . Ця діяльність була всебічно протестована, переглянута та протестована понад 15 років у курсах «Концепції в галузі Землі та Космічних наук» для майбутніх вчителів у Каліфорнійському державному університеті, Чіко.
Різниця в розмірах Сонця, коли Земля знаходиться в перигелії та в афелії. Фото: Raffaele Esposito
Раз Земля рухається еліпсом, її рух нерівномірно. Через те, що сила тяжіння зменшується зі збільшенням відстані між тілами, що тяжіють, поблизу афелія Земля повинна рухатися повільнішеніж у перигелії. Зрозуміло, це знаходить свій відбиток у русі Сонця небом: світило рухається на тлі зірок то швидше, то повільніше (мається на увазі не щоденний рух Сонця зі сходу на захід, а друге, річний рух на тлі сузір'їв!). Повинні мати різну тривалістьі пори року, адже той сезон, коли Земля знаходиться ближче до Сонця, наша планета «проскакує» швидше, ніж інші.
Він повинен добре працювати в науках про Землю та астрономію від середньої школирівня коледжу. Оскільки ця діяльність покликана направляти учнів до відкриття понять, вона найкраще працює, якщо вона завершена, перш ніж читати будь-які пояснення або отримувати якусь пряму інструкцію про причини сезонів або про те, чому на екваторі тепліше, ніж на полюсах.
Опис та навчальні матеріали
На мій досвід, студенти часто несумісні - ніжно називати їх цим. Наприклад, один студент непохитно наполягав - незважаючи на протести її членів команди, - що екватор не був значно ближчим до сонця, ніж до полюсів. Тим не менш, вона потім пояснила різницю температур між екватором і полюсами відмінностями у їх відстанях до сонця.
Все перелічене вище - очевидні наслідки трьох законів Кеплера, але в звичайного життявони проходять зазвичай повз нашу увагу. І це не дивно – земна орбіта майже коло, витягнутість її невелика. Не проводячи спеціальних спостережень, помітити ефекти від руху Землі еліпсом практично неможливо.
Ця довга передмова була зроблена для того, щоб сказати про головне: сьогодні, 4 січня 2015 року, Земля знаходиться в перигелії до Сонця - у найближчій до зірки точці своєї орбіти. Точна дата події - 4 січня о 06:36 за всесвітнім часом, або о 09:36 за московським.
Як Сонце висвітлює Землю в різні пори року
Примітки до лабораторної діяльності №1: Масштабна модельСонячної системи. Коли ви дістанетеся до «Землі», нехай учні поміщають Місяць на відповідну відстань від Землі і вказують, що за збігом місяць і сонце виглядають такими ж, як і на Землі. У таблиці внизу сторінки 2 вкажіть відповідні орієнтири у локальній зоні, які розташовані на відстанях моделі. Студентам може знадобитися достатня кількістьпідтасовування та опитування, щоб отримати правильні відповіді. Питання 1 і 2 на сторінці 3 зазвичай призводять до великої дискусії. . Нотатки про лабораторну діяльність №2: Чому на екваторі тепліший, ніж у поляків?
Саме сьогодні Сонце ближче до Землі, ніж будь-якого іншого дня року, а отже, саме сьогодні Земля отримає від Сонця найбільша кількістьсвітла та тепла у 2015 році!
Коли Земля найближче до Сонця, у північній півкулі панує зима. Цей чудовий знімок сонячного гало зроблено 2 січня 2015 року на Алясці. © Tracey Mendenhall Porreca
Нотатки про лабораторну діяльність з причин пори року. Перш ніж учні розпочнуть цю діяльність, поясніть їм, що кожній групі буде запропоновано сформулювати початкову гіпотезу, щоб пояснити причини сезонів. Якщо їхня гіпотеза не відповідає завданню, вони повинні відмовитися, переформулювати, змінити або додати до своєї початкової гіпотези, поки вона не зможе забезпечити задовільного пояснення фактів. Потім учні спробують використати цю гіпотезу пояснення низки фактів. . Наприкінці цього заняття я, як правило, оцінюю навчання учнів, надаючи студентам групи відповіді на заняття, що залишилися.
Дивно? Зовсім немає! Згадаймо, що пори року змінюються не тому, що Земля знаходиться то ближче, то далі від Сонця, а тому, що вісь обертання нашої планети нахилена до площини земної орбіти. В результаті Сонце півроку висвітлює в основному північну півкулю Землі, а іншу половину року – південну. Тому в південній півкуліЗемлі зараз панує справжнісіньке літо!
Дві теорії холодної зими та теплого літа
За кожною презентацією слід обговорення всього класу. Земля найгарячіша, коли вона найбільш віддалена від Сонця на його орбіті, а не коли вона найближча. В середньому інтенсивність сонячного світла, що падає на Землю під час афелію, приблизно на 7% менша, ніж під час перигелію.
Незважаючи на це, Земля закінчується тим тепліше протягом періоду, в якому вона далека від сонця. У зимові місяці, для Північної півкулі, загальна температураПівденної півкулі, де вона літо, не змінюється так само сильно, як навпаки. Це пов'язано з тим, що набагато більша частинаПівденна півкуля в порівнянні з Північною півкулею складається з води, а вода має значно велику теплоємністьніж земля. У той же час, в той же час, протягом літа для Південної півкулі загальна Середня температураПівденної півкулі не збільшується, як це робить Північна півкуля протягом літа, з цієї ж причини.
Втім, як ми вже писали минулого року, півроку – це груба прикидка. Подивимося уважніше.
Кордонами астрономічних сезонів є моменти рівнодень і сонцестоянь. (Це не довільно обрані дати, а особливі точкина орбіті Землі, що відзначають ключові «етапи» процесу освітлення Землі Сонцем/) Наприклад, астрономічне літотриває від моменту літнього сонцестояння, яке в різні рокинастає 20, 21 або 22 червня, до осіннього рівнодення, що настає 22 або 23 вересня. Отже, тривалість літа дорівнює 93,6 дня. Осінь триває від осіннього рівнодення до моменту зимового сонцестояння, що настає 21 чи 22 грудня. Порахуємо кількість днів на календарі між цими датами і переконаємося, що осінь на 4 дні коротший! - її тривалість дорівнює 898 днів! Ще коротша зима – лише 89 днів. Зрештою, тривалість весни становить 92,8 днів. Ось наочний доказ того, що Земля рухається еліпсом і взимку знаходиться ближче до Сонця, ніж влітку!
Тому, хоча влітку в північній півкулі менше сонячного світла, середня температура Землі вища в цей час, коли вона найдальша від сонця. Як ви, можливо, здогадалися тоді чи вже знали, пори року не викликані відстанню, яку Земля від Сонця, а швидше викликана тим, що Земля нахилена на його вісь 5°. Ось чому, коли у Північній півкулі літо, зима у Південній півкулі і навпаки. Без цього нахилу не було б сезонів, і погода день у день по всьому світу була б відносно однорідною.
У цьому випадку було б дуже невелика змінатемператури, оскільки Земля наближалася чи віддалялася від Сонця, але здебільшого все погодні умовизалишалися б того ж року. Найбільше маси в Чумацького Шляхунабагато ближче, ніж ми; це добре, бо, якби щільність була такою самою, як і ближче до центру, збільшення космічної радіації вб'є всіх нас. Усі планети нашої Сонячна системаподорожують Сонцем еліптичними орбітами. Літо у Північній півкулі триває від 2 до 3 днів довше, ніж улітку у Південній півкулі. Причина в тому, що Земля рухається повільніше афелії, ніж на перигелії. Дата періоду, коли Земля знаходиться далі від сонця, називається Літнім сонцестоянням. Дата, коли Земля найближче до сонця, називається зимовим сонцестоянням. Ці дві точки називаються весняним рівноденням і осіннім рівноденням. Цікаво, що, незважаючи на цей факт, Уран на своєму екваторі гарячіший, ніж на полюсах. Причина, чому це так, поки що невідомо.
- Відстань до Сонця для Землі коливається приблизно 7%.
- Середня відстань від сонця до Землі відома як 1 астрономічна одиниця.
Втім, різниця у відстанях до Сонця влітку та взимку невелика – всього близько 5 мільйонів км. Сьогодні воно дорівнює 147 мільйонів 096 тисяч 204 кілометри. В афелії воно перевищить 152 мільйони кілометрів. Відстань варіюється близько приблизно 3%. Так само змінюється і розмір Сонця на нашому небі - зовсім непомітно для неозброєного ока!
Це те, що викликає сезони. Коли вісь Землі вказує на сонце, це літо для цієї півкулі. Коли вісь Землі вкаже геть, очікується зиму. На півдорозі між цими двома часом, навесні та восени, вісь обертання Землі вказує на 90 градусів від Сонця. Це означає, що цієї дати вдень і вночі є приблизно така ж довжина: 12 годин кожен, більш-менш.
Чому цей кут нахилу осі Землі має значення для нашої погоди? Щоб зрозуміти це, візьміть аркуш паперу та ліхтарик. Просвітіть світло від ліхтарика прямо на папері, тому ви побачите освітлене коло. ліхтарик знаходиться у цьому колі. Тепер повільно нахиліть папір, щоб коло витягнулося в еліпс. Все світло все ще знаходиться в цьому еліпсі, але еліпс поширюється здебільшого на папері. Іншими словами, кількість світла на квадрат сантиметрових крапель.
Сезонна температура – температура влітку та взимку – залежить від кількості тепла, яке одержують різні регіониземлі від Сонця. Щоб температура в якійсь місцевості була постійною, має бути баланс між кількістю тепла, яке вона отримує, та температурою, яку вона випромінює у космос. Якщо тепла одержують більше, ніж випромінюють, то ставати тепліше. Якщо навпаки – холодніше. Чому кількість енергії, яку отримує дана місцевістьвід Сонця змінюється протягом року.
Те саме вірно і на землі. Коли сонце над головою, світло падає прямо на вас, і тому більше світлапотрапляє на кожен квадратний сантиметрземлі. Коли сонце нижче в небі, світло стає більш поширеним на поверхні землі, і менше тепла може поглинатися. Оскільки вісь Землі нахилена, сонце стає вищим, коли ви знаходитесь на тій частині землі, де вісь вказує більше на сонце і нижче на частині Землі, де вісь вказує на сонце.
Отже, чому схід і захід сонця не дорівнює 12 годин на рівнодення?
Це відповідає Зимовому та Літньому сонцестоянню. Для Південної півкулі це навпаки. Це відповідає весняному рівнодення. У світі близько 12 години денного світла та 12 години ночі. Дати, на які день та ніч кожні 12 годин відбуваються за кілька днів до та після рівнодення. Конкретні дати цієї події різні для різних широт.
Дві теорії холодної зими та теплого літа
Для пояснення відмінностей температури в різні сезонироки застосовують дві популярні теорії.
Одна з них бачить причиною того, що взимку холодно, а влітку тепло, відмінності у відстанях від Землі до Сонця при її русі по еліптичній орбіті. Земля знаходиться від Сонця на відстані (147,1 мільйона кілометрів при мінімальному видаленні - в перигелії і 152,1 мільйона кілометрів при максимальному видаленні - в афелії).
У день рівнодення геометричний центр диска Сонця перетинає екватор, і ця точка знаходиться над горизонтом на 12:00 всюди по Землі. Однак Сонце – це не просто геометрична точка. Схід визначається як момент, коли передній фронтдиск Сонця стає видимим на горизонті, тоді як захід сонця - це момент, коли задній край диска зникає нижче горизонту. В цей час центр диска вже знаходиться під горизонтом. Крім того, атмосферне заломлення променів Сонця призводить до того, що диск Сонця з'являється на небі вище, ніж якби Земля не мала атмосфери.
Інша теорія вважає причиною пори року на Землі те, що земна вісьмає нахил щодо площини орбіти.
Далі від Сонця – не холодніше
Якби перша теорія була цілком справедливою, то в обох півкулях землі – північній та південній – були б одні й ті самі пори року. Проте загалом цього не спостерігається.
Вічна зима на Плутоні
Таким чином, вранці верхній крайдиск видно протягом декількох хвилин, перш ніж геометричний край диска досягне горизонту. Так само ввечері верхній край диска зникає через кілька хвилин після того, як геометричний диск пройшов нижче за горизонт.
Коли з'являються часи та дати наступних рівнодень та сонцестоянь?
Для спостерігачів у межах пари градусів екватора період від сходу до заходу сонця завжди на кілька хвилин довше ночі. Відніміть одну годину для Центрального часу.
Чи правда, що ви можете витримати яйце в кінці під час весняного рівнодення
Тим не менш, у будь-який день року ви можете викласти яйце в кінці, з великою кількістютерпіння. Цей міф, здається, щороку з'являється навколо рівнодення. Думка про те, що яйце може стояти тільки на весняному рівноденні, тому що гравітаційні силисонця вирівнюються із земним звуком, подібним до науки, але це не так.Більше того, Земля досягає перигелія – мінімального видалення від Сонця якраз, коли у північній півкулі зима – на початку січня, коли холодно, а максимального видалення – афелія – влітку, у липні, коли тепло!
Причина зими та літа – нахил осі обертання Землі.
Друга теорія бачить причину змін пори року - від зими до літа і назад - у тому, що вісь обертання Землі нахилена на 23,5 градусів по відношенню до екліптики - площині орбіти Землі навколо Сонця. Ця вісь завжди проходить через північний та південний небесні полюси Землі. північний полюсспрямований приблизно Полярну зірку.
Малюнок 1 – Північна півкуля Землі взимку
(Клікнути для збільшення - за всіма малюнками)
Малюнок 2 – Північна півкуля Землі влітку
Коли північна півкуля Землі нахилена убік від Сонця, то промені Сонця вдаряють у північну півкулю хіба що «побіжно». А у південній півкулі промені падають майже «в лоб». Тоді на північній півкулі настає зима, а на південній – навпаки, літо.
Влітку та взимку — різні кути падіння
Коли північна півкуля Землі нахилена в бік до Сонця, то навпаки промені Сонця падають на північну півкулю "в лоб", а в південну - "побіжно". Тоді на північній півкулі настає літо, а на південній – навпаки, зима.
Влітку сонячні промені падають про земну поверхнюмайже перпендикулярно, концентруючи цим енергію. Ця концентрована енергія здатна нагрівати поверхню швидше, ніж у зимовий час, коли сонячні промені падають на земну поверхню під більш ковзним кутом. Тому взимку холодніше, ніж улітку. Одна і та ж енергія потрапляє на різні площіземної поверхні: влітку менше, взимку більше (малюнки 3 та 4). Інакше кажучи: влітку щільність сонячної енергії, що потрапляє на земну поверхню більше, ніж узимку.
Малюнок 3 – Мала щільність сонячної енергії взимку
Малюнок 4 – Велика щільністьсонячної енергії влітку
Крім того, влітку Сонце знаходиться довше над горизонтом і тому має більше часу, щоб розігріти все навколо до більш високої температури, ніж узимку (малюнки 5 і 6).
Малюнок 5 – сонячне світлодля північної півкулі взимку
Малюнок 6 – Сонячне світло для північної півкулі влітку
Зима та літо на інших планетах
Осі обертання більшості інших планет Сонячної системи також нахилені по відношенню до їх орбітальних площин. Тому вони теж мають сезонні змінисвоєї температури.
Меркурій, Юпітер та Венера мають дуже маленький нахил осі – не більше 3 градусів. Для цих планет у сезонних змінах температури значно велику рольможе грати – на відміну Землі – зміна їх відстані до Сонця. Однак, тільки Меркурій має велику різницю між перигелієм і афелієм – максимальною та мінімальною відстанню до Сонця. Надзвичайно рідка атмосфера Меркурія не дає можливості збереження на поверхні будь-якої сонячної енергії. Орбіти Юпітера і Венери є майже круговими, які атмосфери дуже щільними. Тому сезонні зміни їх температур майже дорівнюють нулю.
Зима та літо на Марсі
Марс, а також Сатурн і Нептун мають нахили своїх осей обертання схожі на земні. Однак Сатурн і Нептун мають нульові зміни температури завдяки дуже щільним атмосферам, а також майже круговим орбітам.
Марс має дуже великі сезонні зміни температури, оскільки в нього дуже «рідка» атмосфера, а орбіта дуже ексцентрична. Південна півкуля знаходиться найближче до Сонця протягом свого літа і далі - коли там зима. З тих же причин північна півкуля Марса має м'якіші сезонні зміни, ніж її південна півкуля. Оскільки планети рухаються по своїх орбітах найповільніше, коли вони далі від Сонця, то на південній півкулі короткі, гарячі літа і довгі, холодні зими.
Пори року Урана
Пори року Урана – найцікавіші, бо він обертається навколо Сонця, так би мовити, на боці – вісь Урана нахилена до площини орбіти на 98 градусів. Половина «уранського» року одна з його півкуль знаходиться весь час під сонячним світлом, а інша півкуля – весь час у тіні. В іншу половину року ці півкулі міняються місцями. Щільна атмосфера Урану розподіляє сонячну енергіювід однієї півкулі до іншої дуже ефективно, тому сезонні зміни температури там майже непомітні.
Вічна зима на Плутоні
Вісь Плутона також нахилена на великий кут– 122,5 градусів, його орбіта – найеліптичніша з усіх планет. До того ж, він має дуже слабку атмосферу. Плутон завжди так далеко від Сонця, що знаходиться в постійній заморозці - при температурі близько мінус 220 градусів. Ось уже де, справді холодно – і влітку, і взимку.
