Продължителността на деня и височината на слънцето над хоризонта зависят от два фактора: географската ширина и времето от годината. Първопричината за всичко това е наклонът на земната ос. На тази страница ще намерите нагледни схеми, четирите основни дати в годината, формула за изчисляване на височината на слънцето, разбори на задачи и интерактивен куиз за проверка на знанията.
От какво зависи продължителността на деня
Продължителността на деня е времето от изгрева до залеза на слънцето. Земята извършва две движения: върти се около оста си (смяна на деня и нощта) и се движи около Слънцето за една година (смяна на сезоните). Ключът към темата е наклонът на земната ос: тя е наклонена под ъгъл от 23,5° спрямо перпендикуляра към равнината на орбитата и през цялата година „сочи“ към една и съща точка в небето — Полярната звезда.
Поради този наклон полукълбата последователно се излагат на слънчевите лъчи. Когато вашето полукълбо е наклонено към Слънцето — при вас е лято: слънцето се издига високо, денят е дълъг. Когато полукълбото е наклонено настрани — е зима: слънцето е ниско, денят е кратък. Ако нямаше наклон на оста, денят навсякъде и винаги щеше да бъде равен на нощта, а сезоните щяха да изчезнат.
Слънцестоене и равноденствие: четири основни дати
През годината Земята преминава през четири ключови точки от своята орбита. В дните на равноденствие слънцето по пладне е в зенит над екватора и денят на цялата планета е равен на нощта. В дните на слънцестоене слънцето е в зенит над един от тропиците (ширина 23,5°), а разликата между деня и нощта е максимална. Тези четири дати са опорни точки за всяка задача по темата и е полезно да се знаят наизуст.
Височина на слънцето над хоризонта през зимата и лятото
Височината на слънцето \(h\) е ъгълът между равнината на хоризонта и посоката към слънцето. Тя е максимална в истинско пладне, когато слънцето пресича небесния меридиан (в Северното полукълбо в този момент то е точно на юг).
През лятото дъгата на слънцето преминава високо над хоризонта: изгревът се измества към североизток, залезът — към северозапад, пътят на слънцето по небето е дълъг. През зимата дъгата е ниска и кратка: изгревът е на югоизток, залезът — на югозапад. Оттук следва пряка връзка на една и съща географска ширина: колкото по-високо е слънцето по пладне, толкова по-дълъг е денят.
Височина на слънцето над хоризонта: формула
Пладнешката височина на слънцето се изчислява чрез географската ширина на мястото \(\varphi\):
- в дните на равноденствие (21 март и 23 септември): \(h = 90° - \varphi\);
- в деня на лятното слънцестоене (22 юни): \(h = 90° - \varphi + 23,5°\);
- в деня на зимното слънцестоене (22 декември): \(h = 90° - \varphi - 23,5°\).
Общ вид на формулата: \(h = 90° - \varphi + \delta\), където \(\delta\) е деклинацията на слънцето, неговото ъглово разстояние от небесния екватор. През годината деклинацията плавно се променя от \(-23,5°\) (22 декември) до \(+23,5°\) (22 юни), а по време на равноденствията е равна на \(0°\).
Две полезни следствия. Ако изчислението дава \(h \le 0°\) — слънцето по пладне не се издига над хоризонта: на тази ширина има полярна нощ. Освен това формулата решава обратната задача: чрез измерване на пладнешката височина на слънцето може да се определи географската ширина — \(\varphi = 90° - h + \delta\). Именно така векове наред са се ориентирали мореплавателите.
Как се променят денят и височината на слънцето при движение от север на юг
Класически въпрос в задачите: какво ще се случи с продължителността на деня и височината на слънцето, ако се движим към екватора?
С височината на слънцето всичко е просто: при движение на юг (в Северното полукълбо) географската ширина намалява и според формулата \(h = 90° - \varphi + \delta\) пладнешката височина расте през всеки сезон — слънцето винаги е по-високо там, където е по-близо до екватора.
А продолжителността на деня се държи различно. През зимата на юг денят е по-дълъг. През лятото — обратното, по-кратък: на високи ширини лятното слънце описва много дълга дъга и почти (или изобщо) не залязва — чак до полярния ден. Затова отговорът на въпроса „къде продължителността на деня е по-голяма“ зависи от сезона: през зимата — по-близо до екватора, през лятото — по-близо до полюса.
| Движим се на юг, към екватора | През зимата | През лятото |
|---|---|---|
| Пладнешка височина на слънцето | расте ↑ | расте ↑ |
| Продължителност на деня | расте ↑ | намалява ↓ |
Примери за решаване на задачи
Пример 1. Изчисляване на височината на слънцето по формула (Москва)
Задача: определете пладнешката височина на слънцето в Москва (ширина 56° с.ш.) в дните на равноденствие и слънцестоене.
Стъпка 1. Равноденствия (21 март, 23 септември): \(h = 90° - \varphi = 90° - 56° = 34°\).
Стъпка 2. Лятно слънцестоене (22 юни): \(h = 90° - 56° + 23,5° = 57,5°\).
Стъпка 3. Зимно слънцестоене (22 декември): \(h = 90° - 56° - 23,5° = 10,5°\).
Отговор: 34°, 57,5° и 10,5°. Обърнете внимание на разликата: за половин година пладнешкото слънце в Москва „се спуска“ с почти 47° — точно два пъти наклона на земната ос.
Пример 2. Мурманск и Сочи през май: къде денят е по-дълъг?
Задача: на 12 май в Мурманск (69° с.ш.) височината на слънцето е 39°, продължителността на деня е 20 ч 40 мин; в Сочи (43° с.ш.) — 64° и 14 ч 37 мин. Обяснете разликите.
Стъпка 1. Сравняваме ширините: Мурманск е много по-северно от Сочи.
Стъпка 2. Височина на слънцето: в Сочи ширината е по-малка, значи слънцето е по-високо (64° срещу 39°) — това важи за всеки сезон.
Стъпка 3. Продължителност на деня: май е почти лято, а през лятото денят е по-дълъг на високи ширини. Мурманск е близо до полярния кръг, там наближава полярен ден — 20 ч 40 мин срещу 14 ч 37 мин в Сочи.
Извод: през лятото „по-високо слънце“ и „по-дълъг ден“ не са едно и също: слънцето е по-високо на юг, а денят е по-дълъг на север.
Пример 3. Подреждане на градове по продължителност на деня на 22 декември
Задача: подредете Архангелск (64° с.ш.), Москва (56° с.ш.) и Сочи (43° с.ш.) в ред на нарастване на продължителността на деня на 22 декември.
Стъпка 1. 22 декември е зимно слънцестоене: през зимата денят е толкова по-дълъг, колкото по-близо си до екватора.
Стъпка 2. Подреждаме ширините по намаляване: Архангелск (64°) → Москва (56°) → Сочи (43°).
Стъпка 3. Значи денят расте в същия ред: най-кратък е в Архангелск, най-дълъг е в Сочи.
Отговор: Архангелск, Москва, Сочи. Проверка със здравия разум: колкото по-северно си през зимата, толкова по-близо си до полярната нощ.
Чести грешки
-
Мислите, че през лятото денят винаги е по-дълъг на юг — „защото там е по-топло“.
В рамките на едно полукълбо през лятото денят е по-дълъг на ВИСОКИ ширини, чак до полярния ден. В Мурманск на 22 юни слънцето изобщо не залязва, а в Сочи денят е около 15 часа. Топлината на юг не идва от дължината на деня, а от височината на слънцето: лъчите му падат под по-стръмен ъгъл.
-
Обясняват смяната на сезоните с промяна на разстоянието от Земята до Слънцето.
Орбитата на Земята е почти кръгова и Земята е най-близо до Слънцето в началото на януари — в разгара на зимата в Северното полукълбо. Причината за сезоните е наклонът на земната ос под 23,5°, а не разстоянието.
-
Бъркат посоките: „по-северно“ и „голяма ширина“ се възприемат отделно.
В Северното полукълбо „по-северно“ = „по-голяма ширина“, „по-близо до екватора“ = „по-малка ширина“. Преди да сравнявате градове, запишете техните ширини — половината грешки ще изчезнат сами.
-
Забравят знака на деклинацията във формулата: през зимата добавят 23,5° вместо да изваждат.
Запомнете крайните точки: 22 юни деклинация +23,5° (слънцето е по-високо), 22 декември −23,5° (по-ниско), при равноденствие 0°. Проверявайте отговора със здравия разум: зимната височина трябва да е по-малка от пролетната.
-
Мислите, че полярният ден е слънце в зенит над полюса.
През полярния ден слънцето просто не се спуска под хоризонта, но се движи НИСКО над него. Над 23,5° ширина зенитът е недостижим по принцип: слънцето е в зенит само между тропиците.
Въпроси и отговори
От какво зависи продължителността на деня?
От географската ширина и времето от годината. Първопричината е наклонът на земната ос под 23,5°: заради него полукълбата последователно се накланят към Слънцето, променяйки дължината на деня и височината на слънцето през годината. На екватора денят винаги е около 12 часа, а колкото по-далеч си към полюсите, толкова по-силни са годишните колебания.
Къде продължителността на деня е по-голяма?
Зависи от сезона. През зимата денят е по-дълъг по-близо до екватора, през лятото — по-близо до полюса (чак до полярния ден зад полярния кръг). В дните на равноденствие, 21 март и 23 септември, денят навсякъде е около 12 часа.
Как се променя височината на слънцето през зимата?
Пладнешката височина на слънцето намалява от есенното равноденствие до 22 декември и отново расте към пролетта. През зимата слънцето е по-ниско, отколкото през лятото, с два пъти наклона на оста — с 47°. При движение на юг зимното слънце се издига по-високо: през февруари в Мурманск пладнешката височина е около 8°, а в Сочи — около 34°.
Каква е връзката между географската ширина и височината на слънцето?
Колкото по-голяма е ширината (колкото по-далеч си от екватора), толкова по-ниско е пладнешкото слънце. Точната връзка се дава от формулата h = 90° − φ + δ, където φ е ширината, δ е деклинацията на слънцето. Затова чрез измерената височина на слънцето може да се изчисли ширината — този метод отдавна се използва от мореплавателите.
По каква формула се намира височината на слънцето над хоризонта?
В дните на равноденствие h = 90° − φ. При слънцестоене към резултата се добавя (лято) или се изважда (зима) наклонът на оста 23,5°. Универсален запис: h = 90° − φ + δ, където деклинацията δ се променя през годината от −23,5° до +23,5°.
Какво е полярен ден и полярна нощ?
Това са периоди, когато слънцето повече от денонощие не се спуска под хоризонта (полярен ден) или не изгрява (полярна нощ). Наблюдават се зад полярните кръгове — на ширини над 66,5°. На самия полюс денят и нощта продължават по около половин година.
