Влияние географической широты и времени года на продолжительность дня и высоту Солнца

Наша планета Земля имеет форму, близкую к шару (геоид), и совершает два основных движения: вращается вокруг своей оси (вызывая смену дня и ночи) и обращается вокруг Солнца (что приводит к смене времен года). Ключевым фактором, определяющим сезонные изменения, является наклон земной оси к плоскости её орбиты, составляющий примерно 23.5° (точнее, 23°26'). Именно этот наклон обуславливает различия в высоте Солнца над горизонтом и продолжительности светового дня в разных точках Земли и в разное время года.

Основные понятия

• Географическая широта ($\phi$): Угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данной точке земной поверхности. Измеряется в градусах от 0° на экваторе до 90° на Северном и Южном полюсах. Различают северную широту (с.ш.) и южную широту (ю.ш.).
• Высота Солнца над горизонтом ($h$): Угол между плоскостью горизонта для наблюдателя и направлением на центр Солнца. Максимальная высота Солнца в течение суток наблюдается в истинный полдень, когда Солнце пересекает небесный меридиан.
  • В дни равноденствий (~21 марта – весеннее, ~23 сентября – осеннее): Солнце в полдень находится в зените (под углом 90°) над экватором (0° широты). Полуденная высота Солнца ($h$) на любой широте ($\phi$) рассчитывается по формуле:
    $h = 90° - |\phi|$
  • В день летнего солнцестояния (~22 июня в Северном полушарии): Северное полушарие максимально наклонено к Солнцу. Солнце в полдень находится в зените над Северным тропиком (тропик Рака, 23.5° с.ш.). Полуденная высота Солнца для Северного полушария ($\phi > 0$):
    $h = 90° - \phi + 23.5°$
    Для Южного полушария ($\phi < 0$):
    $h = 90° - |\phi| - 23.5°$
  • В день зимнего солнцестояния (~22 декабря в Северном полушарии): Северное полушарие максимально отвернуто от Солнца. Солнце в полдень находится в зените над Южным тропиком (тропик Козерога, 23.5° ю.ш.). Полуденная высота Солнца для Северного полушария ($\phi > 0$):
    $h = 90° - \phi - 23.5°$
    Для Южного полушария ($\phi < 0$):
    $h = 90° - |\phi| + 23.5°$
  • Более общая формула для расчета полуденной высоты Солнца: $h = 90° - |\phi - \delta|$, где $\delta$ – склонение Солнца (его угловое расстояние от небесного экватора, изменяется от -23.5° до +23.5° в течение года). Значение $h$ не может превышать 90°. Если расчет дает $h < 0$, это означает, что Солнце в полдень находится под горизонтом (полярная ночь).
• Продолжительность светового дня: Время от восхода до заката Солнца. Она напрямую зависит от географической широты и времени года.
  • На экваторе продолжительность дня почти всегда равна 12 часам.
  • При удалении от экватора к полюсам годовые колебания продолжительности дня увеличиваются.
  • Летом в данном полушарии день длиннее ночи, зимой – короче.
  • За полярными кругами (широты > 66.5° с.ш. и ю.ш.) наблюдаются явления полярного дня (Солнце не заходит за горизонт более суток) и полярной ночи (Солнце не восходит над горизонтом более суток).

Закономерности изменения (для Северного полушария)

1. При движении с севера на юг (т.е. при уменьшении северной широты):

   • Высота Солнца в полдень:
     • Зимой: увеличивается (Солнце поднимается выше).
     • Летом: увеличивается (Солнце поднимается выше).
   • Продолжительность светового дня:
     • Зимой: увеличивается.
     • Летом: уменьшается. Это может показаться нелогичным, но летом в высоких широтах (ближе к полюсу) день очень длинный из-за особенностей траектории Солнца на небе, вплоть до полярного дня. Например, в Мурманске летом день длиннее, чем в Сочи.

2. В течение года на фиксированной широте (например, Москва, ~56° с.ш.):

   • Высота Солнца в полдень: Максимальная в день летнего солнцестояния, минимальная – в день зимнего солнцестояния. В дни равноденствий занимает промежуточное положение.
   • Продолжительность светового дня: Максимальная (более 17 часов для Москвы) в день летнего солнцестояния, минимальная (около 7 часов для Москвы) – в день зимнего солнцестояния. В дни равноденствий – около 12 часов.

Пример с разбором

Рассмотрим данные для Мурманска (69° с.ш.) и Сочи (43° с.ш.):

• 17 февраля (зима/конец зимы):

  • Мурманск: высота Солнца 8°, продолжительность дня ~6 ч 33 мин.
  • Сочи: высота Солнца 34°, продолжительность дня ~10 ч 11 мин.
  • Вывод: Двигаясь на юг от Мурманска к Сочи, и высота Солнца, и продолжительность дня увеличиваются.

• 12 мая (весна/начало лета):

  • Мурманск: высота Солнца 39°, продолжительность дня ~20 ч 40 мин (приближается полярный день).
  • Сочи: высота Солнца 64°, продолжительность дня ~14 ч 37 мин.
  • Вывод: Двигаясь на юг от Мурманска к Сочи, высота Солнца увеличивается, но продолжительность дня уменьшается, так как Мурманск находится в высоких широтах, где летом день очень длинный.

Типичные ошибки и как их избежать

• Забывание о наклоне земной оси: Всегда помните, что наклон оси – первопричина сезонных изменений.
• Путаница с широтой: "Севернее" в Северном полушарии означает "большая географическая широта". "Ближе к экватору" означает "меньшая широта".
• Неверное представление о летнем дне: Распространенное заблуждение, что летом день всегда длиннее на юге. В пределах одного полушария, летом день длиннее на более высоких широтах (вплоть до полярного дня).
• Ошибки в расчетах: Внимательно используйте формулы, учитывая знаки широты и склонения Солнца, особенно для разных полушарий и сезонов.

Методологические указания

• При анализе данных всегда соотносите географическую широту местности с её положением относительно экватора, тропиков и полярных кругов.
• Используйте наглядные пособия (глобус, схемы) для визуализации положения Земли относительно Солнца в разные сезоны.
• Запомните ключевые астрономические даты: дни равноденствий и солнцестояний, и как они влияют на освещенность.
• При решении задач с табличными данными, обращайте внимание на указанные даты – к какому сезону они относятся, и как это должно отразиться на значениях высоты Солнца и продолжительности дня.