Земля как планета. Освещённость и продолжительность дня

Самое частое бытовое объяснение времён года звучит так: «летом Земля ближе к Солнцу, зимой дальше». Оно неверное, и проверить это можно одним числом. Орбита Земли действительно не круг, а слегка вытянутый эллипс: ближе всего к Солнцу планета проходит около 3 января (примерно 147 млн км), дальше всего — около 4 июля (около 152 млн км). То есть в Северном полушарии зима наступает тогда, когда Земля ближе к Солнцу, а лето — когда дальше. Разница в расстоянии составляет около 3 %, и на погоду она почти не влияет. К тому же, если бы дело было в расстоянии, лето наступало бы на всей планете разом, — а на самом деле, когда в Москве июльская жара, в Буэнос-Айресе зима.

Настоящая причина одна: земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66,5° (то есть отклонена от перпендикуляра к ней на 23,5°) и при движении вокруг Солнца сохраняет своё направление — северный конец оси всё время смотрит почти в одну точку неба, на Полярную звезду. Из-за этого в разные месяцы Солнце освещает полушария по-разному: полгода северный конец оси наклонён к Солнцу, полгода — от него.

Последствия разворачиваются в цепочку, которую стоит запомнить целиком, потому что именно её просят воспроизвести в задании 30: наклон оси сохраняется → в июне Северное полушарие повёрнуто к Солнцу → лучи падают на него круче и день длиннее → одна и та же площадка получает больше тепла → наступает лето. Каждое звено здесь причина следующего, и выпадение любого делает объяснение неполным.

Если бы ось стояла строго перпендикулярно плоскости орбиты, времён года не было бы вовсе: день всюду равнялся бы ночи, а климат каждой параллели не менялся бы в течение года. Наклон в 23,5° — это и есть та величина, которая создала на планете смену сезонов, тропики, полярные круги и сам календарь земледельца.

Земля участвует сразу в двух движениях, и школьная ошибка — сваливать их следствия в одну кучу.

Осевое вращение — оборот вокруг своей оси за 24 часа, с запада на восток. Отсюда, во-первых, смена дня и ночи: освещённой всегда оказывается ровно половина шара, и линия, отделяющая день от ночи, бежит по поверхности. Во-вторых, восход идёт с востока на запад: первыми навстречу лучам выходят восточные точки, поэтому в Чите Солнце встаёт раньше, чем в Смоленске, и это никак не связано с длиной дня. В-третьих, из осевого вращения выросли часовые пояса: за час планета поворачивается на 15°, и разница долгот в 15° даёт ровно один час разницы местного времени. В-четвёртых, движущиеся по поверхности тела — воздух в ветре, вода в реке — отклоняются вправо в Северном полушарии и влево в Южном (сила Кориолиса); из-за неё у рек Северного полушария правый берег чаще подмывается и оказывается круче.

Орбитальное движение — оборот вокруг Солнца за 365 суток и почти 6 часов. Эти лишние часы за четыре года складываются в сутки, поэтому в календарь и вставляют 29 февраля. Именно орбитальное движение вместе с постоянным наклоном оси даёт смену времён года и разную продолжительность дня в разные месяцы.

Разделите следствия раз и навсегда: долгота и время восхода — это осевое вращение, продолжительность дня и высота Солнца — это наклон оси плюс орбитальное движение. Задание 17 регулярно строится на подмене одного другим: в списке пунктов два лежат на одной параллели, но на разных долготах, и ученик, который сравнивает долготы, выбирает неверный пункт.

Количество тепла, которое получает участок поверхности, зависит от того, под каким углом на него падают лучи. Представьте фонарик: если светить перпендикулярно стене, пятно маленькое и яркое; если наклонить фонарик, то же количество света растягивается в длинное тусклое пятно. С солнечными лучами то же самое: чем ниже Солнце над горизонтом, тем большая площадь достаётся одному и тому же пучку лучей и тем меньше тепла приходится на каждый квадратный метр. Добавьте к этому, что косой луч проходит более длинный путь в атмосфере и сильнее рассеивается, — и станет понятно, почему у полюсов холодно даже в разгар полярного дня, когда Солнце светит круглые сутки.

Полуденную высоту Солнца считают по простому правилу: h = 90° − |φ − δ|, где φ — широта пункта, δ — склонение Солнца, то есть широта той параллели, над которой Солнце в этот день стоит в зените. Склонение принимает всего три значения, которые нужны на экзамене: +23,5° (22 июня, Северный тропик), −23,5° (22 декабря, Южный тропик) и 0° (21 марта и 23 сентября, экватор).

Отсюда сразу получается школьная формула для дней равноденствия: h = 90° − φ. В Москве (56° с. ш.) 21 марта Солнце поднимается в полдень на 34°, в Сочи (43,5° с. ш.) — на 46,5°, в Мурманске (69° с. ш.) — всего на 21°.

И ещё одно следствие, которым пользуются в заданиях: чем выше Солнце, тем короче тень от предмета. Вопрос «где в полдень тень от столба короче?» — это ровно тот же вопрос, что «где Солнце выше», а он, в свою очередь, сводится к сравнению широт. Никакого дополнительного знания для него не нужно.

Продолжительность светового дня зависит от двух вещей — широты пункта и даты. Сравните три места в один и тот же день, 22 июня: на экваторе день длится около 12 часов, в Москве — около 17,5 часа, в Мурманске Солнце вообще не заходит. Через полгода, 22 декабря, картина переворачивается: на экваторе по-прежнему около 12 часов, в Москве — около 7 часов, в Мурманске — полярная ночь.

Правило, которое закрывает всю линию 17, формулируется в две строки. Летом своего полушария день тем длиннее, чем дальше пункт от экватора: 22 июня самый долгий день будет у самого северного пункта списка. Зимой своего полушария — наоборот: 22 декабря самый долгий день у самого южного пункта. В дни равноденствий, 21 марта и 23 сентября, сравнивать нечего: день равен ночи на всей планете, и продолжительность дня всюду около 12 часов.

Экватор — единственная параллель, где длина дня почти не меняется весь год. Чем дальше от него, тем сильнее годовой размах: в Сочи разница между самым длинным и самым коротким днём около 6 часов, в Москве — около 10,5 часа, в Салехарде — от полярного дня до полутора часов сумеречного света.

Отдельно проговорим то, на чём теряют балл. Долгота на длину дня не влияет вообще. Якутск и Петрозаводск лежат на одной параллели 62° с. ш., но разнесены по долготе почти на сто градусов. В Якутске Солнце встаёт примерно на шесть часов раньше — и всё: день у обоих городов длится одинаково. Долгота отвечает на вопрос «когда», широта и дата — на вопрос «сколько».

Полярный круг — это параллель 66,5°, и число это не случайное: 66,5° = 90° − 23,5°, то есть полярный круг отстоит от полюса ровно на столько же градусов, на сколько ось отклонена от перпендикуляра. Севернее 66,5° с. ш. бывает полярный день — сутки и больше, когда Солнце не заходит, и полярная ночь — сутки и больше, когда оно не восходит.

Продолжительность растёт к полюсу. На самом полярном круге полярный день длится ровно одни сутки — 22 июня. В Воркуте (67,5° с. ш.) — около полутора месяцев, в Мурманске (69° с. ш.) — около двух месяцев, примерно с 22 мая по 22 июля. На Северном полюсе Солнце не заходит полгода: восходит 21 марта и садится 23 сентября.

Полярная ночь всегда наступает в противоположный сезон и в тех же границах: за полярным кругом Северного полушария — в декабре, за Южным полярным кругом — в июне. Важная тонкость, о которой спрашивают в задании 17 косвенно: полярная ночь не означает полной темноты. Вблизи полярного круга Солнце уходит за горизонт неглубоко, и несколько часов в середине дня держатся сумерки, при которых видно очертания предметов. Настоящая темнота круглые сутки бывает только в высоких широтах, ближе к полюсу.

В задании 17 эта тема встречается в узнаваемой формулировке: «В каком из пунктов 22 июня наблюдается полярный день, то есть Солнце вообще не опускается за горизонт?» Решение здесь механическое: найти в списке пункт с широтой не меньше 66,5°. Если такой один — это и есть ответ, и никаких других рассуждений не требуется.