Продолжительность светового дня и высота солнца над горизонтом зависят от двух факторов: географической широты места и времени года. А первопричина обоих — наклон земной оси. На этой странице — наглядные схемы, четыре главные даты года, формула расчёта высоты солнца, разборы задач в стиле ОГЭ и интерактивный квиз, на котором можно сразу проверить себя.
От чего зависит продолжительность светового дня
Продолжительность светового дня — это время от восхода до заката солнца. Земля совершает два движения: вращается вокруг своей оси (смена дня и ночи) и обращается вокруг Солнца за год (смена времён года). Ключ ко всей теме — наклон земной оси: она отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23,5° и весь год «смотрит» в одну и ту же точку неба, на Полярную звезду.
Из-за этого наклона полушария по очереди подставляются под солнечные лучи. Когда к Солнцу наклонено ваше полушарие — у вас лето: солнце поднимается высоко, день длинный. Когда полушарие отклонено — зима: солнце низкое, день короткий. Если бы наклона оси не было, день везде и всегда равнялся бы ночи, а времена года исчезли бы.
Солнцестояния и равноденствия: четыре главные даты
За год Земля проходит четыре ключевые точки орбиты. В дни равноденствий солнце в полдень стоит в зените над экватором, и день на всей планете равен ночи. В дни солнцестояний солнце в зените над одним из тропиков (широта 23,5°), а разница между днём и ночью максимальна. Эти четыре даты — опорные точки любой задачи по теме, их полезно знать наизусть.
Высота солнца над горизонтом в зимнее и летнее время
Высота солнца \(h\) — это угол между плоскостью горизонта и направлением на солнце. Максимальна она в истинный полдень, когда солнце пересекает небесный меридиан (в Северном полушарии в этот момент оно точно на юге).
Летом дуга солнца проходит высоко над горизонтом: восход смещается к северо-востоку, закат — к северо-западу, путь солнца по небу длинный. Зимой дуга низкая и короткая: восход — на юго-востоке, закат — на юго-западе. Отсюда прямая связь на одной и той же широте: чем выше полуденное солнце, тем длиннее световой день.
Высота солнца над горизонтом: формула
Полуденную высоту солнца рассчитывают через географическую широту места \(\varphi\):
- в дни равноденствий (21 марта и 23 сентября): \(h = 90° - \varphi\);
- в день летнего солнцестояния (22 июня): \(h = 90° - \varphi + 23,5°\);
- в день зимнего солнцестояния (22 декабря): \(h = 90° - \varphi - 23,5°\).
Общий вид формулы: \(h = 90° - \varphi + \delta\), где \(\delta\) — склонение солнца, его угловое расстояние от небесного экватора. За год склонение плавно меняется от \(-23,5°\) (22 декабря) до \(+23,5°\) (22 июня), а в равноденствия равно \(0°\).
Два полезных следствия. Если расчёт даёт \(h \le 0°\) — солнце в полдень не поднимается над горизонтом: на этой широте стоит полярная ночь. А ещё формула решает обратную задачу: измерив полуденную высоту солнца, можно определить широту места — \(\varphi = 90° - h + \delta\). Именно так веками ориентировались мореплаватели.
Как меняются день и высота солнца при движении с севера на юг
Классический вопрос задач: что произойдёт с продолжительностью дня и высотой солнца, если двигаться к экватору?
С высотой солнца всё просто: при движении на юг (в Северном полушарии) широта уменьшается, и по формуле \(h = 90° - \varphi + \delta\) полуденная высота растёт в любой сезон — солнце всегда выше там, где ближе к экватору.
А вот продолжительность дня ведёт себя по-разному. Зимой на юге день длиннее. Летом — наоборот, короче: в высоких широтах летнее солнце описывает очень длинную дугу и почти (или совсем) не заходит — вплоть до полярного дня. Поэтому ответ на вопрос «где продолжительность светового дня больше» зависит от сезона: зимой — ближе к экватору, летом — ближе к полюсу.
| Движемся на юг, к экватору | Зимой | Летом |
|---|---|---|
| Полуденная высота солнца | растёт ↑ | растёт ↑ |
| Продолжительность дня | растёт ↑ | уменьшается ↓ |
Примеры решения задач
Пример 1. Расчёт высоты солнца по формуле (Москва)
Задача: определите полуденную высоту солнца в Москве (широта 56° с.ш.) в дни равноденствий и солнцестояний.
Шаг 1. Равноденствия (21 марта, 23 сентября): \(h = 90° - \varphi = 90° - 56° = 34°\).
Шаг 2. Летнее солнцестояние (22 июня): \(h = 90° - 56° + 23,5° = 57,5°\).
Шаг 3. Зимнее солнцестояние (22 декабря): \(h = 90° - 56° - 23,5° = 10,5°\).
Ответ: 34°, 57,5° и 10,5°. Обратите внимание на размах: за полгода полуденное солнце в Москве «опускается» почти на 47° — ровно на удвоенный наклон земной оси.
Пример 2. Мурманск и Сочи в мае: где день длиннее?
Задача: 12 мая в Мурманске (69° с.ш.) высота солнца 39°, продолжительность дня 20 ч 40 мин; в Сочи (43° с.ш.) — 64° и 14 ч 37 мин. Объясните различия.
Шаг 1. Сравниваем широты: Мурманск намного севернее Сочи.
Шаг 2. Высота солнца: в Сочи широта меньше, значит солнце выше (64° против 39°) — это выполняется в любой сезон.
Шаг 3. Продолжительность дня: май — почти лето, а летом день длиннее в высоких широтах. Мурманск у полярного круга, там приближается полярный день — 20 ч 40 мин против 14 ч 37 мин в Сочи.
Вывод: летом «выше солнце» и «длиннее день» — не одно и то же: солнце выше на юге, а день длиннее на севере.
Пример 3. Упорядочиваем города по продолжительности дня 22 декабря
Задача: расположите Архангельск (64° с.ш.), Москву (56° с.ш.) и Сочи (43° с.ш.) в порядке увеличения продолжительности дня 22 декабря.
Шаг 1. 22 декабря — зимнее солнцестояние: зимой день тем длиннее, чем ближе к экватору.
Шаг 2. Упорядочиваем широты по убыванию: Архангельск (64°) → Москва (56°) → Сочи (43°).
Шаг 3. Значит, день растёт в том же порядке: короче всего в Архангельске, длиннее всего в Сочи.
Ответ: Архангельск, Москва, Сочи. Проверка здравым смыслом: чем севернее зимой, тем ближе к полярной ночи.
Частые ошибки
-
Считают, что летом день всегда длиннее на юге — «там же теплее».
В пределах одного полушария летом день длиннее в ВЫСОКИХ широтах, вплоть до полярного дня. В Мурманске 22 июня солнце не заходит вовсе, а в Сочи день около 15 часов. Тепло на юге не от длины дня, а от высоты солнца: его лучи падают ближе к отвесному углу.
-
Объясняют смену времён года изменением расстояния от Земли до Солнца.
Орбита Земли почти круговая, и к Солнцу Земля ближе всего в начале января — в разгар зимы Северного полушария. Причина сезонов — наклон земной оси на 23,5°, а не расстояние.
-
Путают направление: «севернее» и «большая широта» живут в голове отдельно.
В Северном полушарии «севернее» = «широта больше», «ближе к экватору» = «широта меньше». Прежде чем сравнивать города, выпишите их широты — половина ошибок исчезнет сама.
-
Теряют знак склонения в формуле: зимой прибавляют 23,5° вместо вычитания.
Запомните крайние точки: 22 июня склонение +23,5° (солнце выше), 22 декабря −23,5° (ниже), в равноденствия 0°. Проверяйте ответ на здравый смысл: зимняя высота обязана быть меньше весенней.
-
Думают, что полярный день — это солнце в зените над полюсом.
В полярный день солнце просто не опускается за горизонт, но ходит НИЗКО над ним. Выше 23,5° широты зенит недостижим в принципе: солнце в зените бывает только между тропиками.
Вопросы и ответы
От чего зависит продолжительность светового дня?
От географической широты места и времени года. Первопричина — наклон земной оси на 23,5°: из-за него полушария по очереди наклоняются к Солнцу, меняя длину дня и высоту солнца в течение года. На экваторе день всегда около 12 часов, а чем дальше к полюсам, тем сильнее годовые колебания.
Где продолжительность светового дня больше?
Зависит от сезона. Зимой день длиннее ближе к экватору, летом — ближе к полюсу (вплоть до полярного дня за полярным кругом). В дни равноденствий, 21 марта и 23 сентября, день везде примерно равен 12 часам.
Как изменяется высота солнца зимой?
Полуденная высота солнца убывает от осеннего равноденствия к 22 декабря и снова растёт к весне. Зимой солнце ниже, чем летом, на удвоенный наклон оси — на 47°. При движении на юг зимнее солнце поднимается выше: в феврале в Мурманске полуденная высота около 8°, а в Сочи — около 34°.
Как связаны широта места и высота солнца?
Чем больше широта (чем дальше от экватора), тем ниже полуденное солнце. Точная связь даётся формулой h = 90° − φ + δ, где φ — широта, δ — склонение солнца. Поэтому по измеренной высоте солнца можно вычислить широту — этим способом издавна пользовались мореплаватели.
По какой формуле находят высоту солнца над горизонтом?
В дни равноденствий h = 90° − φ. В солнцестояния к результату прибавляют (лето) или из него вычитают (зима) наклон оси 23,5°. Универсальная запись: h = 90° − φ + δ, где склонение δ меняется за год от −23,5° до +23,5°.
Что такое полярный день и полярная ночь?
Это периоды, когда солнце больше суток не заходит за горизонт (полярный день) или не восходит (полярная ночь). Наблюдаются за полярными кругами — на широтах выше 66,5°. На самом полюсе и день, и ночь длятся почти по полгода.
