Почему летом жарко, а зимой холодно?
Тогда почему наступают зима, весна, лето, осень?
Дело в том, что ось вращения Земли наклонена к плоскости экватора, угол наклона составляет 23,5 градуса. Из-за того, что направление оси вращения всё время остаётся постоянным, Земля движется вокруг Солнца как бы «бочком», по-разному подставляя солнечным лучам свою поверхность на разных участках орбиты, то есть в разное время года. Поэтому мы видим, что летом в Северном полушарии Солнце поднимается над горизонтом гораздо выше, чем зимой. А от угла падения солнечных лучей зависит, насколько сильно они отражаются от земной поверхности и насколько сильно поглощаются. Чем больше солнечных лучей поглощает поверхность, тем сильнее она нагревается. Если угол падения невелик (зимой), то солнечные лучи гораздо сильнее отражаются, а поглощаются гораздо хуже. И значит, зимой холодно. В высоких арктических широтах Солнце поднимается над горизонтом всего на несколько градусов, его лучи скользят вдоль земной поверхности, почти не поглощаясь и не нагревая её. Затем Солнце и вовсе скрывается под горизонтом на долгих полгода — наступает арктическая ночь.
После 21—22 декабря начинается астрономическая зима, и продолжается она до тех пор, пока день опять не сравняется по продолжительности с ночью. 20 марта наступает день весеннего равноденствия, астрономическая зима заканчивается, и начинается весна. Солнце вновь пересекает плоскость земной орбиты и оказывается в Северной полусфере. С каждым днём оно будет подниматься всё выше, дни станут длиннее и теплее.
Заканчивается астрономическая весна в день летнего солнцестояния — 20—21 июня. Этот день самый длинный, а ночь самая короткая в году. После него начинается астрономическое лето, которое продолжается до 22—23 сентября, дня осеннего равноденствия.
Разумеется, в Южном полушарии всё наоборот: в сентябре там наступает астрономическое лето, а в марте — астрономическая зима. И лишь в дни равноденствий продолжительность дня и ночи одинакова на всей планете.
Если бы экватор Земли точно совпадал с плоскостью орбиты, то есть наклона оси не было бы, Солнце во всех широтах (и в Северном полушарии, и в Южном) поднималось бы всегда на одинаковую высоту. На экваторе оно каждый день в полдень находилось бы точно в зените — там царило бы вечное лето, а на полюсах постоянно двигалось вдоль линии горизонта, не опускаясь и не поднимаясь, — там была бы вечная зима и вечные сумерки. В средних широтах тоже никакой смены времён года не происходило бы.
Кстати, тот факт, что орбита Земли не совсем круговая и разница в расстоянии до Солнца в афелии и перигелии составляет около 3%, всё-таки оказывает своё влияние: зимы в Южном полушарии чуть-чуть холоднее, чем в Северном, а летние месяцы чуть-чуть жарче.
А происходит ли смена времён года на других планетах Солнечной системы?
Самая близкая к Солнцу планета Меркурий — единственная в Солнечной системе, у которой плоскость экватора в точности совпадает с плоскостью эклиптики. Орбита Меркурия довольно вытянутая (эксцентриситет составляет 0,21). Именно поэтому смена времён года определяется расстоянием планеты до Солнца. «Летом» — в перигелии — температура на освещённой Солнцем поверхности Меркурия может достигать 400 градусов Цельсия, а «зимой» — в афелии — опускаться до 100 градусов.
Венера вращается вокруг оси так медленно, что сутки оказываются длиннее года: год продолжается 224,7 дня, а сутки примерно 243 дня, и вращение происходит против орбитального движения планеты. Ось вращения Венеры почти перпендикулярна плоскости эклиптики, поэтому смены времён года на ней практически нет. Да и какие уж там времена года, если средняя температура на поверхности больше 400 градусов Цельсия, а давление 90 атмосфер.
Орбита Марса близка к круговой, но всё же её вытянутость больше, чем у орбиты Земли (эксцентриситет равен 0,093). Расстояние от Марса до Солнца в перигелии 206,6 млн км, а в афелии 249,2 млн км. Разница примерно в 40 млн км. Но, как и на Земле, зима и лето на Марсе сменяются в основном из-за наклона оси вращения. Плоскость экватора Марса наклонена к плоскости его орбиты под углом 25,2 градуса (у Земли, напомним, 23,5). Потому и смена времён года происходит примерно так же, как на Земле, если, конечно, учесть, что год на Марсе продолжается 1,88 земного года. В экваториальной и средней полосе смена времён года проявляется в смене температур, а в приполярных областях зимой появляются белые полярные шапки. Но это не лёд, а по большей части замёрзшая от зимних холодов углекислота. Ведь атмосфера Марса в основном из углекислого газа и состоит.
Нужно отметить, что на Марсе гораздо больше, чем на Земле, сказывается разница в расстоянии до Солнца в перигелии и афелии. 40 млн км — это всё же не 3%, а в шесть раз больше. Поэтому в разных полушариях Марса зима и лето довольно сильно отличаются. В южном полушарии лето короче и теплее, чем в северном, потому что именно в это время планета проходит через перигелий. А зима в южном полушарии — длиннее и холоднее (из-за того, что Марс находится в афелии).
Эксцентриситет орбиты Юпитера тоже невелик, вдвое меньше, чем у Марса. Наклон экватора Юпитера к плоскости его орбиты составляет всего 3,1 градуса — это очень мало, и даже будь Юпитер обычной планетой с твёрдой поверхностью, говорить о смене времён года не имело бы смысла: на полюсах царила бы вечная зима, а на экваторе вечное лето с промежуточными значениями температуры на других широтах. Южное полушарие в этом смысле не отличалось бы от северного. Но Юпитер — газовый гигант, у него нет твёрдой поверхности, и «погода» на разных его широтах практически не зависит ни от расстояния до Солнца, ни от наклона оси вращения. «Погоду» на Юпитере определяют мощные турбулентные движения в водородно-гелиевой атмосфере и быстрое вращение (сутки на Юпитере продолжаются всего 10 часов).
Эта планета во многом похожа на Юпитер. Орбита Сатурна примерно так же вытянута, сутки примерно такие же (всего на полчаса больше, чем на Юпитере). Но наклон оси вращения по отношению к плоскости орбитального движения близок к земному — отличается всего на 3 градуса. Казалось бы, что и смена времён года на Сатурне должна быть похожа на земную (конечно, с учётом, что год на Сатурне в 29 раз длиннее земного), и она должна происходить не раз в три месяца, а раз в семь с четвертью земных лет. Но Сатурн, как и Юпитер, — газовый гигант. Да, Солнце дважды в течение сатурнианского года пересекает плоскость орбиты, и тогда, как и на Земле, случаются равноденствия и, как и на Земле, бывают самые длинные «дни» и самые длинные «ночи», вот только на климат и тем более на «погоду» всё это не оказывает практически никакого влияния. На Сатурне, как и на Юпитере, главное воздействие на атмосферные явления оказывают мощные атмосферные бури и вихри, и о смене времён года можно говорить только в астрономическом, но никак не в климатическом смысле.
Уран вращается вокруг Солнца «лёжа на боку» — ось вращения планеты отклоняется от плоскости эклиптики на 8 градусов. У планет Солнечной системы много странностей, хотя, казалось бы, они должны не очень отличаться друг от друга, поскольку произошли из одного протопланетного облака, которое, сгущаясь, вращалось вокруг Солнца в том же направлении, что и само светило. В процессе сжатия отдельные «куски» протопланетного облака сталкивались друг с другом, одни разваливались совсем, другие становились больше, у одних вращение вокруг оси ускорялось, у других замедлялось. И массы будущих планет оказались разными. Это понятно и естественно. Но почему, к примеру, плоскость экватора Урана наклонена к плоскости эклиптики под углом 98 градусов? Что произошло в те далёкие времена, когда планеты только формировались? У космогонистов есть ответ на этот вопрос (хотя вариаций в нём множество). Протопланетные сгущения и недавно образовавшиеся планеты часто (по астрономическим понятиям, конечно!) сталкивались, причём под разными углами и с разными скоростями. В результате одного из таких столкновений Земля обзавелась спутником — Луной. В результате другого — будущая планета Уран получила такой удар по касательной, что ось её вращения «опрокинулась», и планета «легла на бок».
Год на Уране в 84 раза длиннее земного. Попробуем представить, как там происходит смена времён года. Если вы находитесь на одном из его полюсов, то в разгар лета ось планеты направлена почти точно на Солнце, находящееся в зените. Но проходит несколько земных лет. Солнце по спирали, делая один оборот за урановые сутки (17,2 часа), постепенно опускается к горизонту и, наконец, в день, который жители Урана, если бы они существовали, назвали бы началом календарной зимы, заходит и появляется вновь только через половину уранового года. А в это время на противоположном полюсе планеты Солнце появляется из-под горизонта и по спирали поднимается к зениту, куда доберётся к середине лета.
Если бы вы оказались на экваторе Урана, то смена времён года происходила бы так. Солнце всходило бы и заходило каждый день, будто на Земле. Но в разгар урановой зимы оно будто бы катилось вдоль горизонта, на половину суток скрываясь неглубоко, всего градусов на восемь (если учесть рефракцию, достаточно сильную в плотной уранианской атмосфере, то и не скрываясь вовсе), а на вторую половину суток невысоко (градусов на восемь) поднимаясь в небо. В разгар лета Солнце будет подниматься почти к зениту. Однако намного теплее от этого не станет, да нам, впрочем, всё равно, ведь лето и зима на планете Уран интересуют нас только как астрономические явления, возникающие из-за его странного «лежачего» обращения вокруг Солнца.
Самая далёкая из планет Солнечной системы — Нептун — обращается вокруг Солнца за 165 лет. По вытянутости орбиты и наклону оси вращения Нептун мало отличается от других планет, и если бы по массе был похож на Землю, можно было бы говорить, что четыре времени года сменяют здесь друг друга через каждые 41 земной год. С астрономической точки зрения так оно и есть: на Нептуне происходят летние и зимние солнцестояния, дважды в год случаются равноденствия. Но, конечно, физические условия сказываются: Нептун — такой же газовый гигант, как Юпитер, Сатурн и Уран, а потому похож на них природными условиями.
Плутон — совсем другое дело! У него и наклон орбиты отличается от всех других планет (17 градусов), и вращается он в противоположную сторону. Но в число планет Солнечной системы он уже не входит. С 2006 года Плутон носит менее «почётное» звание «карликовой планеты», одного из многих таких объектов пояса Койпера.
Источник
Смена времен года на Земле
Причиной, почему на Земле происходит смена времен года, является наличие угла наклона относительно оси. Из-за него к источнику тепла полушария приближаются по очереди во время вращения планеты вокруг Солнца. На получающей большую часть тепла половине небесного тела наступает лето, а другая в этот период прогревается в 3 раза слабее, что приводит к наступлению зимы.
Почему происходит смена времен года
В древности люди объясняли перемену сезонов года с помощью мифологии. Лишь в эпоху Возрождения было доказано, что планета имеет форму шара, вращается вокруг Солнца. Тогда предложенная религиями версия была опровергнута.
При перемещении по орбите Земля то приближается к Солнцу, то отдаляется от небесного светила. Расстояние между телами варьируется от 147,1 до 152,1 млн км. При этом в начале июня Земля максимально отдаляется, а в начале января приближается к звезде. Движением вокруг небесного светила не объясняется смена сезонов года. Этот факт не знают многие взрослые люди.
Зима и лето сменяются из-за того, что планета прогревается неравномерно. Поскольку угол наклона оси по отношению к Солнцу составляет 23°, на одно полушарие солнечные лучи попадают под прямым углом, а на второе — под острым. Во время оборота лучше освещается то один участок, то другой из-за перемены положения относительно Солнца. Одно полушарие получает большую часть тепла. Там наступают летние дни. При этом на противоположное приходят зимние холода.
На экваторе, куда всегда попадают прямые солнечные лучи, смена сезонов происходит мягче, снега и отрицательных температур там не бывает. Чем дальше климатический пояс располагается от экватора, тем сильнее изменения в погодных условиях.
Если бы угол наклона отсутствовал, Земля круглый год прогревалась с одинаковой силой. Времена года в подобной ситуации не возникли бы. На экваторе установилось бы постоянное лето, а по мере удаления от него погода постепенно была бы все более холодной.
Постоянными были бы погодные условия и при отсутствии перемещения по орбите. В подобной ситуации одно полушарие постоянно освещалось бы лучше другого, там наблюдалось бы вечное лето. На противоположной части планеты всегда было бы холодно.
Ознакомиться с механизмом смены сезонов можно на схеме.
Календарные времена года
Год делится на 4 сезона:
Зимой световые дни укорачиваются, температура снижается. Количество осадков может увеличиться. В большей части регионов России выпадает снег, наблюдается отрицательная температура. В районах с более мягким климатом похолодание не такое сильное, возможны затяжные дожди, ливни.
Осень и весна представляют собой переходные состояния между летом и зимой. Погодные условия в эти периоды постепенно изменяются. Весной постепенно теплеет, а осенью, наоборот, холодает. Меняется и характер осадков. В весенние месяцы световые дни становятся длиннее, в осенние их продолжительность снижается.
Летом длина светового дня наибольшая. Увеличивается и температура воздуха. В расположенных неподалеку от полюсов областях темные ночи могут совсем отсутствовать. Там светло круглые сутки. Снег летом идет лишь на приближенных к полюсам территориях. На южном полушарии летом теплее, поскольку планета в этот период приближается к Солнцу.
Каждый сезон занимает 3 месяца. Когда они завершаются, происходит перемена времен года.
Астрономические времена года
Началом астрономических времен года считают дни, в которые центр Солнца проходит через точки солнцестояний либо равноденствий. Всего их 4, как и календарных сезона.
Астрономическое лето длится от летнего солнцестояния (21 июня) до осеннего равноденствия (23 сентября). Оно занимает 93 дня 14 часов и 24 минуты.
Затем наступает осень, продолжающаяся до 22 декабря — даты зимнего солнцестояния. Длится она 89 дней 18 часов и 42 минуты.
После следует длящаяся до весеннего равноденствия (21 марта) зима. Длина этого сезона равняется 89 дням и 30 минутам.
Весна завершается днем солнцестояния летом. Продолжительность ее равна 92 дням 20 часам и 12 минутам.
Периоды равноденствий
Равноденствиями называют периоды, когда продолжительность светового дня примерно равна длительности ночи. Каждый год таких суток 2. Весной равноденствие приходится на 20-21 марта, а осенью — на 22-23 сентября.
Солнцестояниями называют сутки, на которые приходятся самые длинные световой день и световая ночь.
Климатические времена года
Из-за физических свойств жидкости и почвы климатические сезоны сменяются позднее астрономических и не совпадают с календарными. Длительность задержек зависит от климатического пояса. Чем дальше от экватора, тем сильнее различаются лето с зимой.
На экваторе и вблизи от него лето и зима характеризуются большим количеством осадков, затяжными дождями. Весной и осенью влажность снижается, ливни пропадают. Температура около экватора всегда высокая. Здесь никогда не выпадает снег.
В тропиках зимние месяцы дождливые, а летние — жаркие и засушливые. В пустынях дожди даже зимой идут нечасто. Круглый год температура здесь выше 0°С.
В умеренном поясе возможны различные варианты для сезонов. Объясняют это близостью океана, теплых либо холодных течений. В Европе условия мягче, чем в Сибири, из-за близости Гольфстрима. Не опускается температура слишком низко и в Соединенных Штатах Америки.
В умеренно-континентальном климатическом поясе большая часть влаги приходится на лето. Зима сухая и холодная. В океаническом — дожди и снег отмечаются чаще зимой и осенью, а летом и весной количество осадков уменьшается. Муссонный климат, характерный для Дальнего Востока, отличается выпадением обильных дождей летом при почти полном отсутствии осадков зимой.
Для арктического и субарктического климатических поясов характерна перемена полярных дня и ночи. Большую часть времени солнечные лучи не попадают на эту местность, из-за чего здесь темно круглые сутки. Наблюдается вечная мерзлота. Даже летом температура не поднимается высоко, земля не прогревается. Сезонные колебания осадков выражены слабо.
Источник
