Полуденная высота солнца в день летнего солнцестояния. Олимпиадные задачи по географии: Высота Солнца и широта

Поскольку широта местности не меняется, из изменений высоты Солнца следует, что меняется его склонение. Широту местности приближенно для данного населенного пункта можно определить по географической карте (для Ростова 47° 13"), тогда по измерениям высоты h можно найти, что летом максимальное удаление от небесного экватора составляет +23,5°, а в зимнее время равно -23,5°. Также можно установить, что на небесном экваторе Солнце находится 21 марта и 23 сентября (дни равноденствия), в эти дни склонение Солнца равно 0°.

Например, нужно определить максимальную и минимальную высоту подъёма Солнца над горизонтом для города Киева. Широта Киева: 50° 24"

H = 90° - 50,2° + 23,5° = 63,3° (в дни летнего солнцестояния);

H = 90° - 50,2° - 23,5° = 16,3° (в дни зимнего солнцестояния).

Bо время весеннего и осеннего равноденствий полуденная высота Солнца равна дополнению географической широты места до 90°, а во время зимнего и летнего солнцестояний она меньше или больше равноденственной на угол, равный наклонности эклиптики к экватору.

В дни равноденствий высота полуденного Солнца (φ0) над горизонтом для разных широт (φ1) определяется по формуле:
φ0 = 90° - φ1
Координаты Донецка: 48°00′32″ с. ш. 37°48′15″ в. д.
В г. Донецке 21 марта и 23 сентября в полдень Солнце находится на высоте:
φ0 = 90° - 48°= 42 °
Летом, когда Солнце находится над тропиком каждого полушария, высота его в полдень увеличивается на 23° 27", т. е.
φ0 = 90° - φ1 + 23° 27"
φ0 = 90°- 48° +23° 27"= 65° 27"
В Донецке 21 июня высота Солнца равна 65°27"

Зимой, когда Солнце перемещается в противоположное полушарие, высота его соответственно уменьшается и достигает минимума в дни солнцестояния, когда ее следует уменьшить на 23°27", т. е.
φ0 = 90° - φ1- 23° 27"
φ0 = 90°- 48° - 23° 27"= 18° 33"

Задача 31

Z - точка зенита * - Полярная звезда

Угол, под которым видно Полярную звезду, к площади го­ризонта
угол между точкой зенита и Полярной звездой.
В дни равноденствий высота полуденного Солнца над горизонтом для разных широт определяется по формуле:

Так, например, в г. Киеве 21 марта и 23 сентября в полдень Солнце находится на высоте:

Летом, когда Солнце находится над тропиком каждого полушария, высота его в полдень увеличивается на 23° 27", т.е.

Таким образом, для г. Киева 21 июня высота Солнца равна 61°27". Зимой, когда Солнце перемещается в противоположное полушарие, высота его соответственно уменьшается и достигает минимума в дни солнцестояния, когда ее следует уменьшить на 23°27", т.е.

Так, для Киева 22 декабря Солнце находится на высоте

Задача 33
С корабля 20 февраля была измерена высота Солнца над горизонтом. Она составила 50°. Солнце было на юге. На какой географической широте находится корабль, если в этот день Солнце, стояло в зените па широте 1105" ю.ш.?

Ответ:
Корабль находился на 28°55" с.ш.

Задача 32
Санкт-Петербург и Киев находятся почти на одном меридиане. 22 июня в полдень Солнце в Санкт-Петербурге возвышаетсянад горизонтом на 53°30, а в Киеве в этот момент- на 61,5°. Каково расстояние между городами в градуса и километрах?

Ответ:

Расстояние между Киевом и Санкт-Петербургом - 8°, а в километрах -890,4 км.

Задача 34
В Северном полушарии, там, где находятся туристы, Солнце в пол­день стоит над горизонтом под углом 53030". В этот же день полуденное Солнце находится в зените на 12°20" с.ш. На каком градусе широты находятся туристы?

Ответ:
Туристы находятся на 48°50" с. ш.

- Высота Полярной ВСЕГДА равна широте места наблюдения (это для сев. полушария) = причём в любое время суток!

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25

φ = 90° - Северный полюс

Только на полюсе день и ночь длятся по полгода. В день весеннего равноденствия Солнце описывает полный круг по горизонту, затем с каждым днем по спирали поднимается все выше, но не выше 23°27 (в день летнего солнцестояния). После этого виток за витком Солнце опять спускается к горизонту. Его свет многократно отражается ото льдов и торосов. В день осеннего равноденствия Солнце еще раз обходит весь горизонт, и следующие его витки очень постепенно уходят все глубже под горизонт. Заря длится неделями, даже месяцами, перемещаясь на все 360°. Белая ночь постепенно темнеет, и только вблизи дня зимнего солнцестояния становится темно. Это середина полярной ночи. Но Солнце не опускается под горизонт ниже 23°27 Полярная ночь постепенно светлеет и загорается утренняя заря.

φ = 80° - одна из широт Заполярья

Движение Солнца на широте φ = 80° типично для районов, расположенных севернее полярного круга, но южнее полюса. После дня весеннего равноденствия дни очень быстро растут, а ночи укорачиваются, наступает первый период белых ночей - с 15 марта по 15 апреля (1 месяц). Затем Солнце вместо того, чтобы зайти за горизонт, касается его в точке севера и опять поднимается, обходит небо, смещаясь на все 360°. Суточная параллель располагается под небольшим углом к горизонту, Солнце кульминирует над точкой юга и спускается к северу, но не заходит за горизонт и даже не касается его, а проходит выше точки севера и опять совершает очередной суточный виток по небу. Так Солнце поднимается по спирали все выше до дня летнего солнцестояния, который знаменует середину полярного дня. Затем витки суточного движения Солнца спускаются все ниже. Когда Солнце коснется горизонта в точке севера, закончится полярный день, который длился 4,5 месяца (с 16 апреля по 27 августа), наступит второй период белых ночей с 27 августа по 28 сентября. Затем продолжительность ночей быстро нарастает, дни становятся все короче, т.к. точки восхода и захода стремительно смещаются к югу, а дуга суточной параллели над горизонтом укорачивается. В один из дней до дня зимнего солнцестояния Солнце в полдень не поднимается над горизонтом, начинается полярная ночь. Солнце, двигаясь по спирали, уходит все глубже под горизонт. Середина полярной ночи - день зимнего солнцестояния. После него Солнце опять по спирали приближается к экватору. По отношению к горизонту витки спирали наклонены, поэтому при подъеме Солнца к южной части горизонта светает, затем опять темнеет, происходит борьба света и тьмы. С каждым витком дневные сумерки становятся светлее и, наконец, Солнце на миг появляется над южным (!) горизонтом. Этот долгожданный луч означает конец полярной ночи, которая длилась 4,2 месяца с 10 октября по 23 февраля. С каждым днем Солнце все дольше задерживается над горизонтом, описывая все большую дугу. Чем больше широта, тем длиннее полярные дни и полярные ночи, и тем короче между ними период ежесуточной смены дней и ночей. В этих широтах длительные сумерки, т.к. Солнце уходит под горизонт под небольшим углом. В Заполярье Солнце может восходить в любой точке восточного горизонта от севера до юга, и заходить также в любой точке западного горизонта. Поэтому штурман, считающий что Солнце всегда восходит в точке востока и заходит в точке, рискует ошибиться курсом на 90°.

φ = 66°33" - Северный полярный круг

Широта φ = 66°33" - предельная широта, отделяющая районы, в которых Солнце каждый день восходит и заходит, от районов, в которых наблюдаются слитые полярные дни и слитые полярные ночи. На этой широте летом точки восхода и захода «широкими шагами» смещаются от точек востока и запада на 90° к северу, так что в день летнего солнцестояния они встречаются в точке севера. Поэтому Солнце, спустившись к северному горизонту, тут же снова поднимается, так что двое суток сливаются в сплошной полярный день (21 и 22 июня). Перед полярным днем и после него наступают периоды белых ночей. Первый - с 20 апреля до 20 июня (67 белых ночей), второй - с 23 июня по 23 августа (62 белые ночи). В день зимнего солнцестояния точки восхода и захода встречаются в точке юга. Между двумя ночами нет дня. Полярная ночь длится двое суток (22, 23 декабря). Между полярным днем и полярной ночью Солнце восходит и заходит каждые сутки, но продолжительность дней и ночей быстро меняется.

φ = 60° - широта Санкт-Петербурга

Знаменитые белые ночи наблюдаются до и после дня летнего солнцестояния, когда «одна заря спешит сменить другую», т.е. Солнце ночами спускается неглубоко под горизонт, так что его лучи освещают атмосферу. Но жители Санкт-Петербурга умалчивают о своих «черных днях», когда Солнце в день зимнего солнцестояния поднимается в полдень всего на 6°33" над горизонтом. Белые ночи (навигационные сумерки) Санкт-Петербурга особенно хороши в сочетании с его архитектурой и Невой. Они начинаются примерно 11 мая и продолжаются 83 дня до 1 августа. Самое светлое время - середина интервала - около 21 июня. В течение года точки восхода и захода Солнца смещаются по горизонту на 106°. Но белые ночи наблюдаются не только в Санкт-Петербурге, а по всей параллели φ = 60° и севернее вплоть до φ = 90°, южнее φ = 60° белые ночи становятся все короче и темнее. Аналогичные белые ночи наблюдаются в Южном полушарии, но в противоположное время года.

φ = 54°19" - широта г. Ульяновска

Это широта Ульяновска. Движение Солнца в Ульяновске типично для всех средних широт. Радиус изображенной на рисунке сферы так велик, что по сравнению с ним Земля выглядит точкой (ее символизирует наблюдатель). Географическая широта φ задается высотой полюса над горизонтом, т.е. углом Полюс (Р) - Наблюдатель - Точка Севера (С) в горизонте. В день весеннего равноденствия (21.03) Солнце восходит точно на востоке, поднимается по небу, смещаясь к югу. Над точкой юга - наивысшее положение Солнца в данный день - верхняя кульминация, т.е. полдень, затем оно «по горке» спускается и заходит точно на западе. Дальнейшее движение Солнца продолжается под горизонтом, но наблюдатель этого не видит. В полночь Солнце достигает нижней кульминации под точкой севера, затем снова поднимается к восточному горизонту. В день равноденствия половина суточной параллели Солнца находится над горизонтом (день), половина - под горизонтом (ночь). В следующие сутки Солнце восходит не точно в точке востока, а в точке, немного смещенной к северу, суточная параллель проходит над предыдущей, высота Солнца в полдень больше, чем в предыдущий день, точка захода также смещена к северу. Таким образом, суточная параллель Солнца уже не делится горизонтом пополам: большая ее часть находится над горизонтом, меньшая - под горизонтом. Наступает летняя половина года. Точки восхода и захода все больше смещаются к северу, все большая часть параллели оказывается над горизонтом, полуденная высота Солнца возрастает и в день летнего солнцестояния (21.07 -22.07) в Ульяновске достигает 59°08". При этом точки восхода и захода смещаются относительно точек востока и запада к северу на 43,5°. После дня летнего солнцестояния суточные параллели Солнца спускаются к экватору. В день осеннего равноденствия (23.09) Солнце опять восходит и заходит в точках востока и запада, проходит по экватору. В дальнейшем Солнце постепенно день за днем спускается под экватор. При этом точки восхода и захода смещаются к югу до дня зимнего солнцестояния (23.12) также на 43,5°. Большая часть параллелей в зимнее время находится под горизонтом. Полуденная высота Солнца уменьшается до 12°14". Дальнейшее движение Солнца по эклиптике происходит по параллелям, снова приближающимся к экватору, точки восхода и захода возвращаются к точкам востока и запада, дни возрастают, опять наступает весна! Интересно, что в Ульяновске точки восхода смещаются по восточному горизонту на 87°. Точки захода соответственно «гуляют» по западному горизонту. Солнце восходит точно на востоке и заходит точно на западе только два раза в году - в дни равноденствий. Последнее справедливо на всей поверхности Земли, кроме полюсов.

φ = 0° - экватор Земли

Движение Солнца над горизонтом в разные времена года для наблюдателя, находящегося в средних широтах (слева) и на экваторе Земли (справа).

На экваторе Солнце два раза в году проходит через зенит, в дни весеннего и осеннего равноденствий, т.е. на экваторе два «лета», когда у нас весна и осень. День на экваторе всегда равен ночи (по 12 часов). Точки восхода и захода Солнца смещаются от точек востока и запада незначительно, не больше, чем на 23°27" в сторону юга и на столько же в сторону севера. Сумерек практически нет, жаркий яркий день резко сменяется черной ночью.

φ = 23°27" - Северный тропик

Солнце круто поднимается над горизонтом, днем очень жарко, затем круто опускается под горизонт. Сумерки короткие, ночи очень темные. Самая характерная особенность состоит в том, что Солнце один раз в году, в день летнего солнцестояния, в полдень достигает зенита.

φ = -54°19" - широта, соответствующая Ульяновску в Южном полушарии

Так же, как и во всем южном полушарии, Солнце восходит на восточном горизонте и заходит на западном. После восхода Солнце поднимается над северной частью горизонта в полдень, в полночь уходит под южный горизонт. А в остальном движение Солнца происходит аналогично его движению на широте Ульяновска. Движение Солнца в южном полушарии аналогично движению Солнца на соответствующих широтах северного полушария. Отличие состоит только в том, что с востока Солнце движется в сторону северного горизонта, а не южного, кульминирует над точкой севера в полдень и затем также заходит на западном горизонте. Времена годы в северном и южном полушариях противоположны.

φ = 10° - одна из широт жаркого пояса

Движение Солнца на данной широте характерно для всех мест, расположенных между северным и южным тропиками Земли. Здесь Солнце два раза в году проходит через зенит: 16 апреля и 27 августа, с интервалом в 4,5 месяца. Дни очень жаркие, ночи темные, звездные. Дни и ночи мало отличаются по продолжительности, сумерек практически нет, Солнце заходит за горизонт, и сразу становится темно.

а) Для наблюдателя на северном полюсе Земли (j = + 90°) незаходящими светилами являются те, у которых d-- і?? 0, а невосходящими те, у которых d --< 0.

Таб.1. Высота полуденного Солнца в разных широтах

Положительное склонение у Солнца бывает с 21 марта по 23 сентября, а отрицательное - с 23 сентября по 21 марта. Следовательно, на северном полюсе Земли Солнце приблизительно полгода бывает незаходящим, а полгода - невосходящим светилом. Около 21 марта Солнце здесь появляется над горизонтом (восходит) и вследствие суточного вращения небесной сферы описывает кривые, близкие к окружности и почти параллельные горизонту, поднимаясь с каждым днем все выше и выше. В день летнего солнцестояния (около 22 июня) Солнце достигает максимальной высоты h mах = + 23° 27" . После этого Солнце начинает приближаться к горизонту, высота его постепенно уменьшается и после дня осеннего равноденствия (после 23 сентября) оно скрывается под горизонтом (заходит). День, длившийся полгода, кончается и начинается ночь, которая длится также полгода. Солнце, продолжая описывать кривые, почти параллельные горизонту, но под ним, опускается все ниже и ниже, В день зимнего солнцестояния (около 22 декабря) оно опустится под горизонт на высоту h min = - 23° 27" , а затем снова начнет приближаться к горизонту, высота его будет увеличиваться, и перед днем весеннего равноденствия Солнце снова появится над горизонтом. Для наблюдателя на южном полюсе Земли (j = - 90°) суточное движение Солнца происходит подобным же образом. Только здесь Солнце восходит 23 сентября, а заходит после 21 марта, и поэтому когда на северном полюсе Земли ночь, на южном - день, и наоборот.

б) Для наблюдателя на северном полярном круге (j = + 66° 33" ) незаходящими являются светила с d --і + 23° 27" , а невосходящими - с d < - 23° 27". Следовательно, на северном полярном круге Солнце не заходит в день летнего солнцестояния (в полночь центр Солнца только касается горизонта в точке севера N ) и не восходит в день зимнего солнцестояния (в полдень центр солнечного диска только коснется горизонта в точке юга S, а затем снова опустится под горизонт). В остальные дни года Солнце на этой широте восходит и заходит. При этом максимальной высоты в полдень оно достигает в день летнего солнцестояния (h max = + 46° 54"), а в день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна (h min = 0°). На южном полярном круге (j = - 66° 33") Солнце не заходит в день зимнего солнцестояния и не восходит в день летнего солнцестояния.

Северный и южный полярные круги являются теоретическими границами тех географических широт, где возможны полярные дни и ночи (дни и ночи, длящиеся больше 24 часов).

В местах, лежащих за полярными кругами, Солнце бывает незаходящим или невосходящим светилом тем дольше, чем ближе место к географическим полюсам. По мере приближения к полюсам продолжительность полярных дня и ночи увеличивается.

в) Для наблюдателя на северном тропике (j --= + 23° 27") Солнце всегда является восходящим и заходящим светилом. В день летнего солнцестояния оно в полдень достигает максимальной высоты h max = + 90°, т.е. проходит через зенит. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует к югу от зенита. В день зимнего солнцестояния его минимальная полуденная высота h min = + 43° 06".

На южном тропике (j = - 23° 27") Солнце также всегда восходит и заходит. Но на максимальной полуденной высоте над горизонтом (+ 90°) оно бывает в день зимнего солнцестояния, а на минимальной (+ 43° 06" ) - в день летнего солнцестояния. В остальные дни года Солнце в полдень кульминирует здесь к северу от зенита.

В местах, лежащих между тропиками и полярными кругами, Солнце восходит и заходит каждый день года. Полгода здесь продолжительность дня больше продолжительности ночи, а полгода - ночь продолжительнее дня. Полуденная высота Солнца здесь всегда меньше 90° (кроме тропиков) и больше 0° (кроме полярных кругов).

В местах, лежащих между тропиками, Солнце бывает в зените два раза в году, в те дни, когда его склонение равно географической широте места.

г) Для наблюдателя на экваторе Земли (j --= 0) все светила, в том числе и Солнце, являются восходящими и заходящими. При этом 12 часов они находятся над горизонтом, a 12 часов - под горизонтом. Следовательно, на экваторе продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи. Два раза в году Солнце в полдень проходит в зените (21 марта и 23 сентября).

С 21 марта по 23 сентября Солнце на экваторе кульминирует в полдень к северу от зенита, а с 23 сентября по 21 марта - к югу от зенита. Минимальная полуденная высота Солнца здесь будет равна h min = 90° - 23° 27" = 66° 33" (22 июня и 22 декабря).

§ 52. Видимое годовое движение Солнца и его объяснение

Наблюдая за суточным движением Солнца в течение года, можно легко заметить в его движении ряд особенностей, отличающихся от суточного движения звезд. Наиболее характерные из них следующие.

1. Место восхода и захода Солнца, а следовательно, и его азимут изо дня в день изменяются. Начиная с 21 марта (когда Солнце восходит в точке востока, а заходит в точке запада) по 23 сентября восход Солнца наблюдается в норд-остовой четверти, а заход - в норд-вестовой. В начале этого времени точки восхода и захода Солнца перемещаются к северу, а затем в обратном направлении. 23 сентября так же, как и 21 марта, Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада. Начиная с 23 сентября по 21 марта подобное явление повторится в зюйд-остовой и зюйдвестовой четвертях. Перемещение точек восхода и захода Солнца имеет годичный период.

Звезды всегда восходят и заходят в одних и тех же точках горизонта.

2. Меридиональная высота Солнца изменяется с каждым днем. Например, в Одессе (ср = 46°,5 N) 22 июня она будет наибольшей и равняться 67°, затем начнет уменьшаться и 22 декабря достигнет наименьшего значения 20°. После 22 декабря меридиональная высота Солнца начнет увеличиваться. Это явление также годичного периода. Меридиональная высота звезд всегда постоянна. 3. Продолжительность времени между кульминациями какойлибо звезды и Солнца беспрерывно изменяется, тогда как продолжительность времени между двумя кульминациями одних и тех же звезд остается постоянной. Так, в полночь мы видим кульминирующими те созвездия, которые в данное время находятся на противоположной стороне сферы от Солнца. Затем одни созвездия уступают место другим, а в течение года в полночь поочередно прокульминируют все созвездия.

4. Продолжительность дня (или ночи) в течение года непостоянна. Это особенно заметно, если сравнить продолжительность летнего и зимнего дней в больших широтах, например в Ленинграде Происходит это потому, что время нахождения Солнца над горизонтом в течение года различное. Звезды над горизонтом находятся всегда одинаковое количество времени.

Таким образом, Солнце, кроме суточного движения, совершаемого совместно со звездами, имеет еще видимое перемещение по сфере с годовым периодом. Это перемещение называют видимым годовым движением Солнца по небесной сфере.

Наиболее наглядное представление об этом движении Солнца получим в том случае, если ежедневно будем определять его экваториальные координаты - прямое восхождение а и склонение б Затем по найденным значениям координат нанесем точки на вспомогательную небесную сферу и соединим их плавной кривой. В результате получим большой круг на сфере, который укажет путь видимого годового движения Солнца. Круг на небесной сфере, по которому перемещается Солнце, называется эклипти кой. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости экватора под постоянным углом g = =23°27" , который называется углом наклона эклиптики к экватору (рис. 82).

Рис. 82.

Видимое годовое движение Солнца по эклиптике происходит в направлении, противоположном вращению небесной сферы, т. е. с запада на восток. Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках, которые называют точками равноденствий. Точка, в которой Солнце переходит из южного полушария в северное, а следовательно меняет наименование склонения с южного на северное (т. е. с бS на бN), называется точкой весеннего равноденствия и обозначается значком Y. Этим значком обозначают созвездие Овна, в котором когда-то находилась эта точка. Поэтому иногда ее называют точкой Овна. В настоящее время точка Т находится в созвездии Рыб.

Противоположную точку, в которой Солнце переходит из северного полушария в южное и меняет наименование своего склонения с б N на б S , называют точкой осеннего равноденствия. Ее обозначают значком созвездия Весов O, в котором она когда-то находилась. В настоящее время точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы.

Точку L называют точкой летнего, а точку L" - точкой зимнего солнцестояний.

Проследим за видимым движением Солнца по эклиптике в течение года.

В точку весеннего равноденствия Солнце приходит 21 марта. Прямое восхождение a и склонение Солнца б равны нулю. На всем земном шаре Солнце восходит в точке O st и заходит в точке W, а день равен ночи. С 21 марта Солнце перемещается по эклиптике в сторону точки летнего солнцестояния. Прямое восхождение и склонение Солнца беспрерывно увеличиваются. В северном полушарии наступает астрономическая весна, а в южном - осень.

22 июня, примерно через 3 месяца, Солнце приходит в точку летнего солнцестояния L. Прямое восхождение Солнца а=90° , a склонение б = 23°27"N. В северном полушарии наступает астрономическое лето (самые длинные дни и короткие ночи), а в южном-зима (самые длинные ночи и короткие дни) . При дальнейшем движении Солнца его северное склонение начинает уменьшаться, а прямое восхождение по-прежнему увеличивается.

Примерно еще через три месяца, 23 сентября, Солнце приходит в точку осеннего равноденствия Q. Прямое восхождение Солнца а=180° , асклонение б=0° . Так как б=0 ° (как и 21 марта), то для всех точек земной поверхности Солнце восходит в точке O st и заходит в точке W. День будет равен ночи. Наименование склонения Солнца меняется с северного 8n на южное - бS. В северном полушарии наступает астрономическая осень, а в южном - весна. При дальнейшем перемещении Солнца по эклиптике к точке зимнего солнцестояния U склонение 6 и прямое восхождение аО увеличиваются.

22 декабря Солнце приходит в точку зимнего солнцестояния L". Прямое восхождение а=270 ° и склонение б=23°27"S. В северном полушарии наступает астрономическая зима, а в южном - лето.

После 22 декабря Солнце перемещается к точке Т. Наименование его склонения остается южным, но уменьшается, а прямое восхождение увеличивается. Примерно через 3 месяца, 21 марта, Солнце, совершив полный оборот по эклиптике, возвращается в точку Овна.

Изменения прямого восхождения и склонения Солнца в течение года не остаются постоянными. Для приближенных расчетов суточное изменение прямого восхождения Солнца принимают равным 1°. Изменение склонения за сутки принимают равным 0°,4 в течение одного месяца до равноденствия и одного месяца после, а изменение 0°,1 в течение одного месяца до солнцестояний и одного месяца после солнцестояний; все остальное время изменение склонения Солнца принимают равным 0°,3.

Особенность изменения прямого восхождения Солнца играет важную роль при выборе основных единиц для измерения времени.

Точка весеннего равноденствия перемещается по эклиптике навстречу годовому движению Солнца. Годовое перемещение ее равно 50", 27 или округленно 50",3 (для 1950 г.). Следовательно, Солнце не доходит до первоначального места относительно неподвижных звезд на величину 50",3. Для прохождения Солнцем указанного пути понадобится 20 м м 24 c . По этой причине весна

Наступает раньше, чем Солнце окончит и своем видимом годовом движении полный круг в 360° относительно неподвижных звезд. Смещение момента наступления весны было обнаружено Гиппархом во II в. до н. э. по наблюдениям звезд, которые он производил на острове Родос. Это явление он назвал предварением равноденствий, или прецессией.

Явление перемещения точки весеннего равноденствия вызвало необходимость ввести понятия тропического и звездного годов. Тропическим годом называют промежуток времени, в течение которого Солнце совершает полный оборот по небесной сфере относительно точки весеннего равноденствия Т. "Продолжительность тропического года равна 365,2422 суток. Тропический год согласуется с природными явлениями и точно содержит в себе полный цикл сезонов года: весну, лето, осень и зиму.

Звездным годом называют промежуток времени, в течение которого Солнце совершает полный оборот по небесной сфере относительно звезд. Продолжительность звездного года равна 365,2561 суток. Звездный год длиннее тропического.

В своем видимом годовом движении по небесной сфере Солнце проходит среди различных звезд, расположенных вдоль эклиптики. Еще в глубокой древности эти звезды разделили на 12 созвездий, большинству из которых дали имена животных. Полоса неба вдоль эклиптики, образуемая этими созвездиями, была названа Зодиаком (круг животных), а созвездия - зодиакальными.

По сезонам года Солнце проходит следующие созвездия:

От совместного движения Солнца-годового по эклиптике и суточного вследствие вращения небесной сферы создается общее движение Солнца по спиралеобразной линии. Крайние параллели этой линии удалены по обе стороны от экватора на расстояниях в=23°,5.

22 июня, когда Солнце описывает крайнюю суточную параллель на северной небесной полусфере, оно находится в созвездии Близнецов. В далеком прошлом Солнце находилось в созвездии Рака. 22 декабря Солнце находится в созвездии Стрельца, а в прошлом оно было в созвездии Козерога. Поэтому крайняя северная небесная параллель была названа тропиком Рака, а южная - тропиком Козерога. Соответствующие им земные параллели с широтами cp = беmах =23°27" в северном полушарии назвали тропиком Рака, или северным тропиком, а в южном - тропиком Козерога, или южным тропиком.

В совместном движении Солнца, которое происходит по эклиптике с одновременным вращением небесной сферы, имеется ряд особенностей: изменяется длина суточной параллели над горизонтом и под горизонтом (а следовательно, и продолжительность дня и ночи), изменяются меридиональные высоты Солнца, точки восхода и захода и т. д. Все эти явления зависят от соотношения между географической широтой места и склонением Солнца. Поэтому для наблюдателя, находящегося в разных широтах, они будут различными.

Рассмотрим эти явления в некоторых широтах:

1. Наблюдатель находится на экваторе, ср = 0°. Ось мира лежит в плоскости истинного горизонта. Небесный экватор совпадает с первым вертикалом. Суточные параллели Солнца параллельны первому вертикалу, поэтому Солнце в своем суточном движении никогда не пересекает первого вертикала. Солнце ежедневно восходит и заходит. День всегда равен ночи. В зените Солнце бывает два раза в год - 21 марта и 23 сентября.

Рис. 83.

2. Наблюдатель находится в широте φ
3. Наблюдатель находится в широте 23°27"
4. Наблюдатель находится в широте φ > 66°33"N или S (рис.83). Пояс полярный. Параллели ф = 66°33"N или S называют полярными кругами. В полярном поясе могут наблюдаться- полярные дни и ночи, т. е. когда Солнце больше суток находится над горизонтом или больше суток под горизонтом. Продолжительность полярных дней и ночей тем больше, чем больше широта. Солнце восходит и заходит только в те дни, когда его склонение меньше 90°-φ.

5. Наблюдатель находится на полюсе φ=90°N или S. Ось мира совпадает с отвесной линией и, следовательно, экватор-с плоскостью истинного горизонта. Положение меридиана наблюдателя будет неопределенным, поэтому отсутствуют части света. В течение суток Солнце движется параллельно горизонту.

В дни равноденствий наступают полярные восходы или заходы Солнца. В дни солнцестояний высота Солнца достигает наибольших значений. Высота Солнца всегда равна его склонению. Полярный день и полярная ночь продолжаются по 6 месяцев.

Таким образом, из-за различных астрономических явлений, обусловленных совместным суточным и годовым движением Солнца в разных широтах (прохождение через зенит, явления полярного дня и ночи) и вызванных этими явлениями климатических особенностей, земная поверхность разделена на тропический, умеренные и полярные пояса.

Тропическим поясом называется часть земной поверхности (между широтами φ=23°27"N и 23°27"S), в которой Солнце ежесуточно восходит и заходит и в течение года два раза бывает в зените. Тропический пояс занимает 40% всей земной поверхности.

Умеренным поясом называется часть земной поверхности, в которой Солнце ежесуточно восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Существуют два умеренных пояса. В северном полушарии между широтами φ = 23°27"N и φ = 66°33"N, а в южном - между широтами φ=23°27"S и φ = 66°33"S. Умеренные пояса занимают 50% земной поверхности.

Полярным поясом называется часть земной поверхности, в которой наблюдаются полярные дни и ночи. Существуют два полярных пояса. Северный полярный пояс распространяется от широты φ = 66°33"N до северного полюса, а южный - от φ = 66°33"S до южного полюса. Они занимают 10% земной поверхности.

Впервые правильное объяснение видимого годового движения Солнца по небесной сфере дал Николай Коперник (1473-1543). Он показал, что годовое движение Солнца по небесной сфере не действительное его движение, а только видимое, отражающее годовое движение Земли вокруг Солнца. Система мира Коперника была названа гелиоцентрической. По этой системе в центре солнечной системы находится Солнце, вокруг которого движутся планеты, в том числе и наша Земля.

Земля одновременно участвует в двух движениях: вращается вокруг своей оси и движется по эллипсу вокруг Солнца. Вращение Земли вокруг оси вызывает смену дня и ночи. Движение ее вокруг Солнца вызывает смену времен года. От совместного вращения Земли вокруг ее оси и движения вокруг Солнца происходит видимое движение Солнца по небесной сфере.

Для объяснения видимого годового движения Солнца по небесной сфере воспользуемся рис. 84. В центре расположено Солнце S, вокруг которого против часовой стрелки движется Земля. Земная ось сохраняет неизменное положение в пространстве и составляет с плоскостью эклиптики угол, равный 66°33". Поэтому плоскость экватора наклонена к плоскости эклиптики под углом е=23°27" . Далее идет небесная сфера с эклиптикой и нанесенноми на ней знаками созвездий Зодиака в современном их расположении.

В положение I Земля приходит 21 марта. Если смотреть с Земли, то Солнце проектируется на небесную сферу в точку Т, находящуюся в настоящее время в созвездии Рыб. Склонение Солнца бе=0° . Наблюдатель, находящийся на экваторе Земли, видит Солнце в полдень в зените. Все земные параллели освещаются наполовину, поэтому во всех точках земной поверхности день равен ночи. В северном полушарии начинается астрономическая весна, а в южном - осень.

Рис. 84.

В положение II Земля приходит 22 июня. Склонение Солнца б=23°,5N. Если смотреть с Земли, то Солнце проектируется в созвездие Близнецов. Для наблюдателя, находящегося в широте φ=23°,5N, (Солнце в полдень проходит через зенит. Большая часть суточных параллелей освещается в северном полушарии и меньшая - в южном. Освещается северный полярный пояс и не освещается южный. На северном длится полярный день, а на южном- полярная ночь. В северном полушарии Земли лучи Солнца падают почти отвесно, а в южное - под углом, поэтому в северном полушарии наступает астрономическое лето, а в южном - зима.

В положение III Земля приходит 23 сентября. Склонение Солнца бо=0 ° и оно проектируется в точку Весов, которая теперь находится в созвездии Девы. Наблюдатель, находящийся на экваторе, видит Солнце в полдень в зените. Все земные параллели освещаются Солнцем наполовину, поэтому во всех точках Земли день равен ночи. В северном полушарии начинается астрономическая осень, а в южном - весна.

22 декабря Земля приходит в положение IV Солнце проектируется в созвездие Стрельца. Склонение Солнца 6=23°,5S. В южном полушарии освещается большая часть суточных параллелей, чем в северном, поэтому в южном полушарии день длиннее ночи, а в северном - наоборот. Лучи Солнца в южное полушарие падают почти отвесно, а в северное - под углом. Поэтому в южном полушарии наступает астрономическое лето, а в северном - зима. Солнце освещает южный полярный пояс и не освещает северный. На южном полярном поясе наблюдается полярный день, а на северном - ночь.

Соответствующие объяснения можно дать и для остальных промежуточных положений Земли.

Вперед
Оглавление
Назад

Если измерять каждый день, под каким углом Солнце поднимается над горизонтом в полдень - этот угол называется полуденной ,- то можно заметить, что он неодинаков в разные дни и летом значительно больше, чем зимой. Об этом можно судить и без всякого угломерного инструмента, просто по длине тени, отбрасываемой шестом в полдень: чем короче тень, тем больше полуденная высота, а чем тень длиннее, тем меньше и полуденная высота. 22 июня в Северном полушарии полуденная высота Солнца наибольшая. Это самый длинный день в году в этой половине Земли. Он называется днем летнего солнцестояния. Несколько дней подряд полуденная высота Солнца меняется чрезвычайно мало (отсюда и выражение «солнцестояние»), а потому и продолжительность дня также почти не меняется.

Через полгода, 22 декабря, - день зимнего солнцестояния в Северном полушарии. Тогда полуденная высота Солнца наименьшая и день самый короткий. Снова несколько дней подряд полуденная высота Солнца меняется чрезвычайно медленно и почти не меняется продолжительность дня. Разность между полуденными высотами Солнца 22 июня и 22 декабря составляет 47°. В году есть два дня, когда полуденная высота Солнца точно на 2301/2 ниже, чем в день летнего солнцестояния, и на столько же выше, чем в день зимнего солнцестояния. Это бывает 21 марта (начало весны) и 23 сентября (начало осени). В эти дни продолжительность дня и ночи одинакова: день равен ночи. Поэтому 21 марта называется днем весеннего равноденствия, а 23 сентября - днем осеннего равноденствия.

Чтобы понять, почему происходит изменение полуденной высоты Солнца в течение года, произведем следующий опыт. Возьмем глобус. У глобуса ось вращения наклонена к плоскости его подставки под углом 6601/г, а экватор - под углом 23С1/2. Величины этих углов не случайны: земная ось наклонена к плоскости своего пути вокруг Солнца (орбите) также на 6601/2.

Поставим на стол яркую лампу. Она будет изображать Солнце. Отойдем с глобусом на некоторое расстояние от лампы так, чтобы можно

было носить глобус вокруг лампы; середина глобуса должна оставаться на уровне Лампы, а подставка глобуса - быть параллельной полу.

Вся обращенная к лампе сторона глобуса освещена.

Постараемся найти такое положение глобуса, чтобы граница света и тени проходила одновременно через оба полюса. Такое положение относительно Солнца земной шар имеет в день весеннего равноденствия или в день осеннего равноденствия. Вращая глобус вокруг оси, легко заметить, что в этом положении день должен быть равен ночи, и притом одновременно в обоих полушариях - Северном и Южном.

Воткнем булавку перпендикулярно к поверхности в такую точку экватора, чтобы она своей головкой смотрела прямо на лампу. Тогда тени от этой булавки мы не увидим; это означает, что для жителей экватора Солнце в полдень находится в зените, т. е. стоит прямо над головой.

Теперь двинемся с глобусом вокруг стола против часовой стрелки и пройдем четверть нашего кругового пути. При этом мы должны помнить, что при годовом движении Земли вокруг Солнца направление оси ее остается все время неизменным, т. е. ось глобуса должна перемещаться параллельно самой себе, не изменяя своего наклона.

При новом положении глобуса мы видим, что Северный полюс освещен лампой (изображающей Солнце), а Южный полюс находится в темноте. Именно в таком положении находится Земля, когда в Северном полушарии самый длинный день в году - день летнего солнцестояния.

В это время на северную половину лучи Солнца падают под большим углом. Полуденное Солнце в этот день стоит в зените на северном тропике; в Северном полушарии тогда - лето, в Южном же полушарии - зима. Там в это время лучи падают на земную поверхность более наклонно.

Продвинемся с глобусом еще на четверть окружности дальше. Теперь наш глобус занял положение прямо противоположное весеннему. Опять мы замечаем, что граница дня и ночи проходит через оба полюса, и снова день на всей Земле равен ночи, т. е. продолжается 12 часов. Это бывает в день осеннего равноденствия.

Нетрудно убедиться, что в этот день на экваторе Солнце в полдень находится опять в зените и его отвесно падают там на земную поверхность. Следовательно, для жителей экватора Солнце бывает в зените два раза в году: во время весеннего и осеннего равноденствий. Пройдем теперь с глобусом еще на четверть окружности дальше. Земля (глобус) будет находиться по другую сторону от лампы (Солнца). Картина резко изменится: Северный полюс теперь находится в темноте, а Южный освещен Солнцем. Южное полушарие обогревается Солнцем больше, чем Северное. На северной половине Земли-зима, а на южной - лето. Это положение Земля занимает в день зимнего солнцестояния. В это время на южном тропике Солнце в зените, т. е. его лучи падают отвесно. Это самый длинный день в Южном полушарии и самый короткий-в Северном.

Обойдя еще четверть окружности, мы возвращаемся вновь к исходному положению.

Сделаем еще один интересный опыт: не будем наклонять ось глобуса, а расположим ее перпендикулярно к плоскости пола. Если мы проделаем тот же самый путь с глобусом вокруг лампы, мы убедимся, что в этом случае на всей Земле будет круглый год длиться равноденствие. В наших широтах стояли бы вечные весенне-осенние дни и не было бы резких переходов от теплых к холодным месяцам. Всюду (кроме, конечно, самих полюсов) Солнце всходило бы точно на востоке в 6 часов утра по местному времени, поднималось в полдень всегда па одну и ту же для данного места высоту и заходило бы точно на западе в 6 часов вечера по местному времени.

Таким образом, благодаря движению Земли вокруг Солнца и неизменному наклону земной оси к плоскости ее орбиты происходит смена времен года .

Этим же объясняется и то, что на Северном и Южном полюсах день и ночь длятся по полгода, а на экваторе в течение всего года день бывает равен ночи. В средних широтах, например в Москве, продолжительность дня и ночи в течение года меняется от 7 до 17,5 часов.

На северном и южном тропиках, расположенных на широте 2301/2 к северу и к югу от экватора, Солнце бывает в зените только один раз в году. Во всех же местах, расположенных между тропиками, полуденное Солнце бывает в зените по два раза в году. Пространство земного шара, заключенное между тропиками, по своим тепловым особенностям получило название жаркого пояса. Посередине его проходит экватор.

На расстоянии 23°’/2 от полюса, т. е. на широте 6601/2, один раз в год зимой в течение целых суток Солнце не появляется над горизонтом, а летом, наоборот, раз в год не течение целых суток.

В этих местах в Северном и Южном полушариях глобуса и на картах проводятся воображаемые линии, которые называются полярными кругами.

Чем ближе от полярных кругов к полюсам расположено то или иное место, тем большее число суток там продолжается сплошной день (или сплошная ночь) и Солнце не заходит или не восходит. А на самих полюсах Земли Солнце светит непрерывно в течение полугода. В то же время здесь солнечные лучи падают на земную поверхность очень наклонно. Солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом. Поэтому вокруг полюсов, в пространстве, окруженном полярными кругами, особенно холодно. Таких поясов два- северный и южный; они получили название холодных поясов. Здесь долгая зима и короткое холодное лето.

Между полярными кругами и тропиками расположены два умеренных пояса (северный и южный).

Чем ближе к тропикам, тем зима короче и теплее, а чем ближе к полярным кругам, тем она длиннее и суровее.