Thời lượng ban ngày và độ cao của Mặt Trời so với đường chân trời

Thời lượng ban ngày là khoảng thời gian từ khi Mặt Trời mọc đến khi lặn. Trái Đất thực hiện hai chuyển động: tự quay quanh trục (gây ra ngày và đêm) và chuyển động quanh Mặt Trời trong một năm (gây ra các mùa). Chìa khóa của toàn bộ chủ đề này là độ nghiêng của trục Trái Đất: trục này nghiêng một góc 23,5° so với mặt phẳng quỹ đạo và luôn hướng về một điểm cố định trên bầu trời, đó là Sao Bắc Cực.

Do độ nghiêng này, các bán cầu lần lượt hướng về phía Mặt Trời. Khi bán cầu của bạn nghiêng về phía Mặt Trời — đó là mùa hè: Mặt Trời lên cao, ngày dài. Khi bán cầu nghiêng xa Mặt Trời — đó là mùa đông: Mặt Trời thấp, ngày ngắn. Nếu trục không nghiêng, ngày và đêm sẽ luôn bằng nhau ở mọi nơi và các mùa sẽ không tồn tại.

Trong một năm, Trái Đất đi qua bốn điểm chính trên quỹ đạo. Vào các ngày phân (xuân phân và thu phân), Mặt Trời vào buổi trưa đứng ở thiên đỉnh trên đường xích đạo, và ngày trên toàn hành tinh bằng đêm. Vào các ngày chí (hạ chí và đông chí), Mặt Trời đứng ở thiên đỉnh trên một trong hai đường chí tuyến (vĩ độ 23,5°), và sự chênh lệch giữa ngày và đêm là lớn nhất. Bốn ngày này là các điểm mốc cho mọi bài tập về chủ đề này, rất hữu ích khi ghi nhớ.

Độ cao của Mặt Trời \(h\) là góc giữa mặt phẳng chân trời và hướng tới Mặt Trời. Độ cao này đạt cực đại vào buổi trưa thực sự, khi Mặt Trời đi qua kinh tuyến thiên cầu (ở Bán cầu Bắc, lúc này nó nằm chính xác ở phía Nam).

Vào mùa hè, cung đường của Mặt Trời đi cao trên đường chân trời: bình minh lệch về phía Đông Bắc, hoàng hôn lệch về phía Tây Bắc, đường đi của Mặt Trời trên bầu trời rất dài. Vào mùa đông, cung đường thấp và ngắn: bình minh ở phía Đông Nam, hoàng hôn ở phía Tây Nam. Từ đó có mối liên hệ trực tiếp tại cùng một vĩ độ: Mặt Trời buổi trưa càng cao thì thời lượng ban ngày càng dài.

Độ cao của Mặt Trời vào buổi trưa được tính thông qua vĩ độ địa lý \(\varphi\):

• vào các ngày phân (21 tháng 3 và 23 tháng 9): \(h = 90° - \varphi\);
• vào ngày hạ chí (22 tháng 6): \(h = 90° - \varphi + 23,5°\);
• vào ngày đông chí (22 tháng 12): \(h = 90° - \varphi - 23,5°\).

Công thức tổng quát: \(h = 90° - \varphi + \delta\), trong đó \(\delta\) là độ xích vĩ của Mặt Trời, khoảng cách góc của nó so với xích đạo thiên cầu. Trong một năm, độ xích vĩ thay đổi dần từ \(-23,5°\) (22 tháng 12) đến \(+23,5°\) (22 tháng 6), và bằng \(0°\) vào các ngày phân.

Hai hệ quả hữu ích. Nếu tính toán cho kết quả \(h \le 0°\) — Mặt Trời vào buổi trưa không lên cao quá đường chân trời: tại vĩ độ này đang là đêm địa cực. Ngoài ra, công thức này còn giải bài toán ngược: bằng cách đo độ cao của Mặt Trời vào buổi trưa, ta có thể xác định vĩ độ — \(\varphi = 90° - h + \delta\). Đây chính là cách các nhà hàng hải đã sử dụng trong nhiều thế kỷ.

Câu hỏi kinh điển trong các bài tập: điều gì sẽ xảy ra với thời lượng ban ngày và độ cao của Mặt Trời nếu di chuyển về phía xích đạo?

Với độ cao của Mặt Trời, mọi thứ rất đơn giản: khi di chuyển về phía nam (ở Bán cầu Bắc), vĩ độ giảm, và theo công thức \(h = 90° - \varphi + \delta\), độ cao buổi trưa tăng lên vào bất kỳ mùa nào — Mặt Trời luôn cao hơn ở nơi gần xích đạo hơn.

Còn thời lượng ban ngày lại thay đổi khác nhau. Vào mùa đông, ở phía nam ngày dài hơn. Vào mùa hè — ngược lại, ngắn hơn: ở các vĩ độ cao, Mặt Trời mùa hè vạch ra một cung rất dài và gần như (hoặc hoàn toàn) không lặn — cho đến tận ngày địa cực. Do đó, câu trả lời cho câu hỏi "nơi nào có thời lượng ban ngày dài hơn" phụ thuộc vào mùa: vào mùa đông — gần xích đạo hơn, vào mùa hè — gần cực hơn.