يعتمد طول النهار وارتفاع الشمس فوق الأفق على عاملين: خط العرض الجغرافي للمكان وفصل السنة. والسبب الرئيسي لكليهما هو ميل محور الأرض. ستجد في هذه الصفحة مخططات توضيحية، والتواريخ الأربعة الرئيسية في السنة، وصيغة حساب ارتفاع الشمس، وحل مسائل بأسلوب امتحانات OGE، واختبارًا تفاعليًا يمكنك من خلاله اختبار نفسك على الفور.
ما الذي يعتمد عليه طول النهار
طول النهار هو الوقت من شروق الشمس إلى غروبها. تقوم الأرض بحركتين: الدوران حول محورها (تعاقب الليل والنهار) والدوران حول الشمس خلال العام (تعاقب الفصول). مفتاح الموضوع بأكمله هو ميل محور الأرض: فهو يميل عن العمودي على مستوى المدار بزاوية 23.5° ويظل طوال العام "يشير" إلى نفس النقطة في السماء، وهي النجم القطبي.
بسبب هذا الميل، تتعرض نصفي الكرة الأرضية لأشعة الشمس بالتناوب. عندما يميل نصف الكرة الأرضية الخاص بك نحو الشمس، يكون لديك صيف: ترتفع الشمس عاليًا، ويكون النهار طويلًا. عندما يبتعد نصف الكرة الأرضية، يكون شتاء: تكون الشمس منخفضة، ويكون النهار قصيرًا. لو لم يكن هناك ميل للمحور، لتساوى النهار والليل في كل مكان وفي كل وقت، ولاختفت الفصول.
الانقلابات والاعتدالات: التواريخ الأربعة الرئيسية
خلال العام، تمر الأرض بأربع نقاط رئيسية في مدارها. في أيام الاعتدال، تكون الشمس عند الظهيرة في سمت الرأس فوق خط الاستواء، ويتساوى النهار والليل في جميع أنحاء الكوكب. في أيام الانقلاب، تكون الشمس في سمت الرأس فوق أحد المدارين (خط عرض 23.5°)، ويكون الفرق بين النهار والليل في أقصى حد له. هذه التواريخ الأربعة هي نقاط مرجعية لأي مسألة حول هذا الموضوع، ومن المفيد حفظها.
ارتفاع الشمس فوق الأفق في الشتاء والصيف
ارتفاع الشمس \(h\) هو الزاوية بين مستوى الأفق والاتجاه نحو الشمس. يكون في أقصى حد له عند الظهيرة الحقيقية، عندما تعبر الشمس خط الزوال السماوي (في نصف الكرة الشمالي تكون في هذه اللحظة تمامًا في الجنوب).
في الصيف، يمر قوس الشمس عاليًا فوق الأفق: ينزاح الشروق نحو الشمال الشرقي، والغروب نحو الشمال الغربي، ويكون مسار الشمس في السماء طويلًا. في الشتاء، يكون القوس منخفضًا وقصيرًا: الشروق في الجنوب الشرقي، والغروب في الجنوب الغربي. ومن هنا توجد علاقة مباشرة عند نفس خط العرض: كلما كانت شمس الظهيرة أعلى، كان النهار أطول.
ارتفاع الشمس فوق الأفق: الصيغة
يتم حساب ارتفاع الشمس عند الظهيرة من خلال خط العرض الجغرافي للمكان \(\varphi\):
- في أيام الاعتدال (21 مارس و 23 سبتمبر): \(h = 90° - \varphi\);
- في يوم الانقلاب الصيفي (22 يونيو): \(h = 90° - \varphi + 23.5°\);
- في يوم الانقلاب الشتوي (22 ديسمبر): \(h = 90° - \varphi - 23.5°\).
الشكل العام للصيغة: \(h = 90° - \varphi + \delta\)، حيث \(\delta\) هو ميل الشمس، وهو مسافتها الزاوية عن خط الاستواء السماوي. خلال العام، يتغير الميل بسلاسة من \(-23.5°\) (22 ديسمبر) إلى \(+23.5°\) (22 يونيو)، وفي الاعتدالات يساوي \(0°\).
هناك نتيجتان مفيدتان. إذا كان الحساب يعطي \(h \le 0°\) — فإن الشمس عند الظهيرة لا ترتفع فوق الأفق: في هذا الخط العرضي توجد ليلة قطبية. كما أن الصيغة تحل المسألة العكسية: بقياس ارتفاع الشمس عند الظهيرة، يمكن تحديد خط عرض المكان — \(\varphi = 90° - h + \delta\). هكذا كان الملاحون يحددون اتجاهاتهم لقرون.
كيف يتغير النهار وارتفاع الشمس عند التحرك من الشمال إلى الجنوب
سؤال كلاسيكي في المسائل: ماذا سيحدث لطول النهار وارتفاع الشمس إذا تحركنا نحو خط الاستواء؟
مع ارتفاع الشمس الأمر بسيط: عند التحرك جنوبًا (في نصف الكرة الشمالي) يقل خط العرض، ووفقًا للصيغة \(h = 90° - \varphi + \delta\) يزداد ارتفاع الظهيرة في أي فصل — الشمس دائمًا أعلى حيثما كان المكان أقرب إلى خط الاستواء.
أما طول النهار فيتصرف بشكل مختلف. في الشتاء يكون النهار أطول في الجنوب. في الصيف — العكس، أقصر: في خطوط العرض العالية، ترسم شمس الصيف قوسًا طويلًا جدًا ولا تغرب تقريبًا (أو لا تغرب تمامًا) — وصولًا إلى اليوم القطبي. لذلك، الإجابة على سؤال "أين يكون طول النهار أكبر" تعتمد على الفصل: في الشتاء — أقرب إلى خط الاستواء، في الصيف — أقرب إلى القطب.
| نتحرك جنوبًا، نحو خط الاستواء | في الشتاء | في الصيف |
|---|---|---|
| ارتفاع الشمس عند الظهيرة | يزداد ↑ | يزداد ↑ |
| طول النهار | يزداد ↑ | ينقص ↓ |
أمثلة على حل المسائل
مثال 1. حساب ارتفاع الشمس بالصيغة (موسكو)
المسألة: حدد ارتفاع الشمس عند الظهيرة في موسكو (خط عرض 56° شمالًا) في أيام الاعتدال والانقلاب.
الخطوة 1. الاعتدالات (21 مارس، 23 سبتمبر): \(h = 90° - \varphi = 90° - 56° = 34°\).
الخطوة 2. الانقلاب الصيفي (22 يونيو): \(h = 90° - 56° + 23.5° = 57.5°\).
الخطوة 3. الانقلاب الشتوي (22 ديسمبر): \(h = 90° - 56° - 23.5° = 10.5°\).
الإجابة: 34°، 57.5° و 10.5°. لاحظ المدى: خلال نصف عام، "تنخفض" شمس الظهيرة في موسكو بمقدار 47° تقريبًا — وهو بالضبط ضعف ميل محور الأرض.
مثال 2. مورمانسك وسوتشي في مايو: أين النهار أطول؟
المسألة: في 12 مايو في مورمانسك (69° شمالًا) ارتفاع الشمس 39°، وطول النهار 20 ساعة و 40 دقيقة؛ في سوتشي (43° شمالًا) — 64° و 14 ساعة و 37 دقيقة. اشرح الاختلافات.
الخطوة 1. نقارن خطوط العرض: مورمانسك تقع شمال سوتشي بكثير.
الخطوة 2. ارتفاع الشمس: في سوتشي خط العرض أقل، مما يعني أن الشمس أعلى (64° مقابل 39°) — وهذا يتحقق في أي فصل.
الخطوة 3. طول النهار: مايو — يقترب من الصيف، وفي الصيف يكون النهار أطول في خطوط العرض العالية. مورمانسك عند الدائرة القطبية، يقترب فيها اليوم القطبي — 20 ساعة و 40 دقيقة مقابل 14 ساعة و 37 دقيقة في سوتشي.
الاستنتاج: في الصيف "الشمس أعلى" و "النهار أطول" — ليسا نفس الشيء: الشمس أعلى في الجنوب، والنهار أطول في الشمال.
مثال 3. ترتيب المدن حسب طول النهار في 22 ديسمبر
المسألة: رتب أرخانجيلسك (64° شمالًا)، موسكو (56° شمالًا) وسوتشي (43° شمالًا) حسب زيادة طول النهار في 22 ديسمبر.
الخطوة 1. 22 ديسمبر — الانقلاب الشتوي: في الشتاء يكون النهار أطول كلما اقتربنا من خط الاستواء.
الخطوة 2. نرتب خطوط العرض تنازليًا: أرخانجيلسك (64°) → موسكو (56°) → سوتشي (43°).
الخطوة 3. هذا يعني أن النهار يزداد بنفس الترتيب: أقصر نهار في أرخانجيلسك، وأطول نهار في سوتشي.
الإجابة: أرخانجيلسك، موسكو، سوتشي. التحقق بالمنطق: كلما اتجهت شمالًا في الشتاء، اقتربت من الليلة القطبية.
أخطاء شائعة
-
الاعتقاد بأن النهار في الصيف يكون دائمًا أطول في الجنوب — "لأنه أكثر دفئًا هناك".
داخل نصف الكرة الأرضية الواحد، يكون النهار في الصيف أطول في خطوط العرض العالية، وصولًا إلى اليوم القطبي. في مورمانسك يوم 22 يونيو لا تغرب الشمس على الإطلاق، بينما في سوتشي النهار حوالي 15 ساعة. الدفء في الجنوب ليس بسبب طول النهار، بل بسبب ارتفاع الشمس: أشعتها تسقط بزاوية أقرب إلى العمودية.
-
تفسير تغير الفصول بتغير المسافة بين الأرض والشمس.
مدار الأرض شبه دائري، وتكون الأرض أقرب إلى الشمس في بداية يناير — في ذروة الشتاء في نصف الكرة الشمالي. سبب الفصول هو ميل محور الأرض بزاوية 23.5°، وليس المسافة.
-
خلط الاتجاهات: "شمالًا أكثر" و "خط عرض أكبر" في الذهن.
في نصف الكرة الشمالي "شمالًا أكثر" = "خط عرض أكبر"، "أقرب إلى خط الاستواء" = "خط عرض أصغر". قبل مقارنة المدن، اكتب خطوط عرضها — سيختفي نصف الأخطاء تلقائيًا.
-
فقدان إشارة الميل في الصيغة: في الشتاء يضيفون 23.5° بدلًا من الطرح.
احفظ النقاط المتطرفة: 22 يونيو الميل +23.5° (الشمس أعلى)، 22 ديسمبر −23.5° (أخفض)، في الاعتدالات 0°. تحقق من الإجابة بالمنطق: يجب أن يكون الارتفاع الشتوي أقل من الربيعي.
-
الاعتقاد بأن اليوم القطبي يعني أن الشمس في سمت الرأس فوق القطب.
في اليوم القطبي، لا تنزل الشمس تحت الأفق، لكنها تسير منخفضة فوقه. فوق خط عرض 23.5°، السمت غير ممكن من حيث المبدأ: الشمس تكون في سمت الرأس فقط بين المدارين.
أسئلة وأجوبة
ما الذي يعتمد عليه طول النهار؟
يعتمد على خط العرض الجغرافي للمكان وفصل السنة. السبب الرئيسي هو ميل محور الأرض بزاوية 23.5°: بسببه تميل نصفي الكرة الأرضية بالتناوب نحو الشمس، مما يغير طول النهار وارتفاع الشمس خلال العام. عند خط الاستواء، النهار حوالي 12 ساعة دائمًا، وكلما ابتعدت نحو القطبين، زادت التقلبات السنوية.
أين يكون طول النهار أكبر؟
يعتمد على الفصل. في الشتاء يكون النهار أطول بالقرب من خط الاستواء، وفي الصيف — بالقرب من القطب (وصولًا إلى اليوم القطبي خلف الدائرة القطبية). في أيام الاعتدال، 21 مارس و 23 سبتمبر، يتساوى النهار في كل مكان تقريبًا عند 12 ساعة.
كيف يتغير ارتفاع الشمس في الشتاء؟
ينقص ارتفاع الظهيرة للشمس من الاعتدال الخريفي إلى 22 ديسمبر ويزداد مرة أخرى نحو الربيع. في الشتاء تكون الشمس أخفض منها في الصيف بمقدار ضعف ميل المحور — أي 47°. عند التحرك جنوبًا، ترتفع شمس الشتاء أكثر: في فبراير في مورمانسك ارتفاع الظهيرة حوالي 8°، وفي سوتشي — حوالي 34°.
كيف يرتبط خط العرض بارتفاع الشمس؟
كلما زاد خط العرض (كلما ابتعدت عن خط الاستواء)، كانت شمس الظهيرة أخفض. العلاقة الدقيقة تُعطى بالصيغة h = 90° − φ + δ، حيث φ هو خط العرض، و δ هو ميل الشمس. لذلك، من خلال قياس ارتفاع الشمس يمكن حساب خط العرض — وهي الطريقة التي استخدمها الملاحون قديمًا.
ما هي الصيغة المستخدمة لإيجاد ارتفاع الشمس فوق الأفق؟
في أيام الاعتدال h = 90° − φ. في الانقلابات، نضيف (صيفًا) أو نطرح (شتاءً) ميل المحور 23.5° من النتيجة. الصيغة العامة: h = 90° − φ + δ، حيث يتغير الميل δ خلال العام من −23.5° إلى +23.5°.
ما هو اليوم القطبي والليلة القطبية؟
هي فترات لا تغرب فيها الشمس لأكثر من يوم (اليوم القطبي) أو لا تشرق فيها (الليلة القطبية). تُلاحظ خلف الدوائر القطبية — عند خطوط عرض أعلى من 66.5°. عند القطب نفسه، يستمر كل من النهار والليل لحوالي نصف عام.
