§ 11. Солнечный свет на Земле

Наивысшая точка небесной сферы, расположенная вертикально над головой наблюдателя; положение Солнца, при котором его лучи падают на земную поверхность строго отвесно под углом 90°.

• 1. Географические границы — на Земле Солнце в полдень бывает в зените исключительно в пределах широтной полосы между Северным и Южным тропиками.
• 2. Инсоляционный эффект — при зенитном положении светила плотность солнечной энергии на единицу площади поверхности максимальна, что обусловливает наивысший прогрев грунта и приземных слоёв атмосферы.

Условные параллели земного шара, проведённые на широтах 23,5° с. ш. (Северный тропик / тропик Рака) и 23,5° ю. ш. (Южный тропик / тропик Козерога), ограничивающие область, где Солнце бывает в зените.

• 1. Дни зенитного солнцестояния — в Северном тропике Солнце стоит в зените один раз в году в день летнего солнцестояния (20–21 июня), а в Южном тропике — в день зимнего солнцестояния (21–22 декабря).
• 2. Климатическая граница — служат астрономическими рубежами жаркого (тропического) пояса освещённости Земли.

Условные параллели земного шара, проходящие на широтах 66,5° с. ш. (Северный полярный круг) и 66,5° ю. ш. (Южный полярный круг), разделяющие умеренные и полярные пояса освещённости.

• 1. Астрономический рубеж — это крайние параллели по направлению от полюсов к экватору, на которых наблюдаются полярный день и полярная ночь.
• 2. Продолжительность полярных явлений — непосредственно на линии полярного круга полярный день и полярная ночь длятся ровно одни сутки (чуть меньше 48 часов с учётом рефракции света).

Обширные широтные зоны земной поверхности, выделяемые по величине угла падения солнечных лучей, годовому количеству поступающего солнечного тепла и продолжительности светового дня.

• 1. Жаркий (тропический) пояс — расположен между Северным и Южным тропиками; Солнце высоко над горизонтом, дважды в году бывает в зените на экваторе и по одному разу на тропиках; выраженная смена сезонов года отсутствует.
• 2. Умеренные пояса (Северный и Южный) — расположены между тропиками и полярными кругами; Солнце никогда не бывает в зените, однако не опускается за горизонт на сутки; ярко выражены четыре климатических сезона (весна, лето, осень, зима).
• 3. Холодные (полярные) пояса (Северный и Южный) — расположены от полярных кругов до полюсов; отличаются малыми углами падения солнечных лучей («скользящие лучи»), наличием полярного дня и полярной ночи и суровым ледовым климатом.

Период времени в полярных поясах Земли, в течение которого Солнце не опускается за линию горизонта дольше одних суток.

• 1. Широтная зональность — наблюдается только за пределами полярных кругов (севернее 66,5° с. ш. и южнее 66,5° ю. ш.).
• 2. Продолжительность — возрастает от одних суток на широте полярного круга до полугода (186 суток) в точке географического полюса.

Период времени в высоких широтах Земли, в течение которого Солнце не восходит из-за линии горизонта дольше одних суток.

• 1. Астрономическая причина — вызвана отклонением наклонной земной оси в сторону от светила в зимний период соответствующего полушария.
• 2. Продолжительность — длится от одних суток на полярном круге (в день зимнего солнцестояния) до полугода (около 179 суток) на Северном или Южном полюсе.

Астрономические моменты года, в которые плоскость терминатора (границы света и тени) проходит строго через оба географических полюса Земли, а полуденное Солнце находится точно в зените над экватором.

• 1. Календарные даты — день весеннего равноденствия наступает 20–21 марта, день осеннего равноденствия — 22–23 сентября.
• 2. Равенство дня и ночи — на всей поверхности планеты (за исключением непосредственных окрестностей полюсов) продолжительность светлого времени суток строго равна продолжительности тёмного времени суток (по 12 часов).

Астрономические моменты года, при которых полуденная высота Солнца над горизонтом в соответствующем полушарии достигает максимального (летнее солнцестояние) или минимального (зимнее солнцестояние) значения.

• 1. Летнее солнцестояние (20–21 июня) — Солнце в зените над Северным тропиком; в Северном полушарии наблюдается самый продолжительный день и самая короткая ночь, за Северным полярным кругом — полярный день.
• 2. Зимнее солнцестояние (21–22 декабря) — Солнце в зените над Южным тропиком; в Северном полушарии самый короткий световой день и самая длинная ночь, а в Южном полушарии — разгар лета.

Распределение солнечной энергии по земной поверхности подчиняется строгим физическим и геометрическим закономерностям:

• Шарообразность планеты и угол падения лучей: из-за выпуклой шарообразной формы Земли угол, под которым солнечные лучи падают на поверхность, неодинаков на разных широтах. В районе экватора лучи падают почти отвесно (под прямым углом), отдавая максимальное тепло на каждый квадратный метр. По направлению к полюсам угол падения лучей непрерывно уменьшается — лучи скользят по поверхности и рассеиваются на огромную площадь, слабо нагревая её;
• Закон зональности: количество света и тепла, поступающее на единицу площади поверхности Земли, закономерно уменьшается от экватора к полюсам;
• Влияние наклона оси (66,5°): постоянный наклон земной оси к плоскости орбиты приводит к тому, что в течение года Северное и Южное полушария поочерёдно поворачиваются к Солнцу, что определяет сезонную смену тепла и холода.

В эти четыре ключевые астрономические даты на Земле происходят кардинальные изменения в освещённости полушарий:

• День летнего солнцестояния (20–21 июня): Северное полушарие максимально наклонено к Солнцу; лучи падают отвесно (в зените) на Северный тропик (23,5° с. ш.). В Северном полушарии наступает самый длинный день и самая короткая ночь в году (лето), а за Северным полярным кругом стоит полярный день. В Южном полушарии в это время наступает астрономическая зима;
• День зимнего солнцестояния (21–22 декабря): к Солнцу максимально обращено Южное полушарие; лучи в зените над Южным тропиком (23,5° ю. ш.). В Северном полушарии — самая длинная ночь и самый короткий день (зима), а за полярным кругом царит полярная ночь. В Южном полушарии — разгар лета;
• Дни весеннего (20–21 марта) и осеннего (22–23 сентября) равноденствий: земная ось расположена нейтрально по отношению к Солнцу, полуденное светило стоит в зените ровно над экватором. В эти дни оба полушария получают строго одинаковое количество тепла и света, а продолжительность дня повсеместно равна ночи (по 12 часов).

• Следствия вращения Земли вокруг своей оси (осевого движения):
• Регулярная смена дня и ночи, задающая суточный биоритм всем живым организмам;
• Формирование формы геоида — сплюснутость планеты у полюсов под действием центробежной силы;
• Возникновение силы Кориолиса, отклоняющей движущиеся тела (ветры, морские течения, реки) вправо в Северном полушарии и влево — в Южном;
• Следствия обращения Земли вокруг Солнца (орбитального движения при наклоне оси 66,5°):
• Закономерная смена времён года на планете;
• Неравномерная продолжительность светлого и тёмного времени суток в течение года на всех широтах, кроме экватора;
• Наличие полярного дня и полярной ночи в полярных широтах;
• Формирование пяти поясов освещённости, определяющих широтную зональность климата, почв и растительного мира.

Неравномерное освещение Земли Солнцем в течение года обусловлено сочетанием трёх фундаментальных астрономических факторов:

• Орбитальным движением планеты вокруг Солнца по замкнутой эллиптической траектории;
• Постоянным наклоном земной оси к плоскости земной орбиты под углом 66,5°;
• Неизменным положением оси вращения Земли в космическом пространстве (её северный конец непрерывно направлен на Полярную звезду). В результате этого в одной части орбиты к Солнцу больше обращено Северное полушарие, а через полгода — Южное.

• На экваторе: день ВСЕГДА равен ночи круглый год (по 12 часов). Плоскость экватора делит земной шар ровно пополам и перпендикулярна оси вращения, поэтому линия терминатора (светораздела) в любые сутки года делит экваториальную параллель на две равные половины;
• На полюсах: равенство дня и ночи наступает ТОЛЬКО ДВА РАЗА В ГОДУ — в дни весеннего (20–21 марта) и осеннего (22–23 сентября) равноденствий. В эти дни Солнце скользит строго по линии горизонта, совершая переход между полугодовым полярным днём и полугодовой полярной ночью.

Единственной такой линией на Земле является ЭКВАТОР (параллель 0° широты):

• Здесь день круглый год длится ровно 12 часов, а ночь — 12 часов;
• Солнце находится точно в зените (угол падения лучей 90°) два раза в год в истинный полдень: в день весеннего равноденствия (20–21 марта) и в день осеннего равноденствия (22–23 сентября).

Правильный ответ: а) зенитом.

Зенит — это точка небесной сферы, находящаяся вертикально над головой наблюдателя. Когда Солнце достигает зенита, угол падения солнечных лучей на земную поверхность составляет ровно 90° (отвесные лучи), а вертикальные предметы не отбрасывают тени.

Законченное предложение:

«Угол падения солнечных лучей и высота Солнца над горизонтом уменьшаются, если мы перемещаемся от экватора по направлению к полюсам, а также при переходе от полудня к утренним или вечерним часам суток».

Верными утверждениями являются: 3) и 4).

Анализ каждого утверждения:

• 1) Неверно: смена дня и ночи — следствие осевого вращения Земли вокруг своей оси (а не наклона оси к орбите);
• 2) Неверно: на полярных кругах Солнце находится за горизонтом (полярная ночь) ровно одни сутки (а не полгода; полгода она длится только на полюсах);
• 3) Верно: 20–21 июня в день летнего солнцестояния солнечные лучи в полдень падают отвесно под углом 90° на Северный тропик (23,5° с. ш.);
• 4) Верно: Северный и Южный полюсы освещаются Солнцем одинаково (оно скользит по горизонту на обоих полюсах) ровно дважды в году — в дни равноденствий (20–21 марта и 22–23 сентября).