Если измерять каждый день, под каким углом Солнце поднимается над горизонтом в полдень - этот угол называется полуденной ,- то можно заметить, что он неодинаков в разные дни и летом значительно больше, чем зимой. Об этом можно судить и без всякого угломерного инструмента, просто по длине тени, отбрасываемой шестом в полдень: чем короче тень, тем больше полуденная высота, а чем тень длиннее, тем меньше и полуденная высота. 22 июня в Северном полушарии полуденная высота Солнца наибольшая. Это самый длинный день в году в этой половине Земли. Он называется днем летнего солнцестояния. Несколько дней подряд полуденная высота Солнца меняется чрезвычайно мало (отсюда и выражение «солнцестояние»), а потому и продолжительность дня также почти не меняется.

Через полгода, 22 декабря, - день зимнего солнцестояния в Северном полушарии. Тогда полуденная высота Солнца наименьшая и день самый короткий. Снова несколько дней подряд полуденная высота Солнца меняется чрезвычайно медленно и почти не меняется продолжительность дня. Разность между полуденными высотами Солнца 22 июня и 22 декабря составляет 47°. В году есть два дня, когда полуденная высота Солнца точно на 2301/2 ниже, чем в день летнего солнцестояния, и на столько же выше, чем в день зимнего солнцестояния. Это бывает 21 марта (начало весны) и 23 сентября (начало осени). В эти дни продолжительность дня и ночи одинакова: день равен ночи. Поэтому 21 марта называется днем весеннего равноденствия, а 23 сентября - днем осеннего равноденствия.

Чтобы понять, почему происходит изменение полуденной высоты Солнца в течение года, произведем следующий опыт. Возьмем глобус. У глобуса ось вращения наклонена к плоскости его подставки под углом 6601/г, а экватор - под углом 23С1/2. Величины этих углов не случайны: земная ось наклонена к плоскости своего пути вокруг Солнца (орбите) также на 6601/2.

Поставим на стол яркую лампу. Она будет изображать Солнце. Отойдем с глобусом на некоторое расстояние от лампы так, чтобы можно

было носить глобус вокруг лампы; середина глобуса должна оставаться на уровне Лампы, а подставка глобуса - быть параллельной полу.

Вся обращенная к лампе сторона глобуса освещена.

Постараемся найти такое положение глобуса, чтобы граница света и тени проходила одновременно через оба полюса. Такое положение относительно Солнца земной шар имеет в день весеннего равноденствия или в день осеннего равноденствия. Вращая глобус вокруг оси, легко заметить, что в этом положении день должен быть равен ночи, и притом одновременно в обоих полушариях - Северном и Южном.

Воткнем булавку перпендикулярно к поверхности в такую точку экватора, чтобы она своей головкой смотрела прямо на лампу. Тогда тени от этой булавки мы не увидим; это означает, что для жителей экватора Солнце в полдень находится в зените, т. е. стоит прямо над головой.

Теперь двинемся с глобусом вокруг стола против часовой стрелки и пройдем четверть нашего кругового пути. При этом мы должны помнить, что при годовом движении Земли вокруг Солнца направление оси ее остается все время неизменным, т. е. ось глобуса должна перемещаться параллельно самой себе, не изменяя своего наклона.

При новом положении глобуса мы видим, что Северный полюс освещен лампой (изображающей Солнце), а Южный полюс находится в темноте. Именно в таком положении находится Земля, когда в Северном полушарии самый длинный день в году - день летнего солнцестояния.

В это время на северную половину лучи Солнца падают под большим углом. Полуденное Солнце в этот день стоит в зените на северном тропике; в Северном полушарии тогда - лето, в Южном же полушарии - зима. Там в это время лучи падают на земную поверхность более наклонно.

Продвинемся с глобусом еще на четверть окружности дальше. Теперь наш глобус занял положение прямо противоположное весеннему. Опять мы замечаем, что граница дня и ночи проходит через оба полюса, и снова день на всей Земле равен ночи, т. е. продолжается 12 часов. Это бывает в день осеннего равноденствия.

Нетрудно убедиться, что в этот день на экваторе Солнце в полдень находится опять в зените и его отвесно падают там на земную поверхность. Следовательно, для жителей экватора Солнце бывает в зените два раза в году: во время весеннего и осеннего равноденствий. Пройдем теперь с глобусом еще на четверть окружности дальше. Земля (глобус) будет находиться по другую сторону от лампы (Солнца). Картина резко изменится: Северный полюс теперь находится в темноте, а Южный освещен Солнцем. Южное полушарие обогревается Солнцем больше, чем Северное. На северной половине Земли-зима, а на южной - лето. Это положение Земля занимает в день зимнего солнцестояния. В это время на южном тропике Солнце в зените, т. е. его лучи падают отвесно. Это самый длинный день в Южном полушарии и самый короткий-в Северном.

Обойдя еще четверть окружности, мы возвращаемся вновь к исходному положению.

Сделаем еще один интересный опыт: не будем наклонять ось глобуса, а расположим ее перпендикулярно к плоскости пола. Если мы проделаем тот же самый путь с глобусом вокруг лампы, мы убедимся, что в этом случае на всей Земле будет круглый год длиться равноденствие. В наших широтах стояли бы вечные весенне-осенние дни и не было бы резких переходов от теплых к холодным месяцам. Всюду (кроме, конечно, самих полюсов) Солнце всходило бы точно на востоке в 6 часов утра по местному времени, поднималось в полдень всегда па одну и ту же для данного места высоту и заходило бы точно на западе в 6 часов вечера по местному времени.

Таким образом, благодаря движению Земли вокруг Солнца и неизменному наклону земной оси к плоскости ее орбиты происходит смена времен года .

Этим же объясняется и то, что на Северном и Южном полюсах день и ночь длятся по полгода, а на экваторе в течение всего года день бывает равен ночи. В средних широтах, например в Москве, продолжительность дня и ночи в течение года меняется от 7 до 17,5 часов.

На северном и южном тропиках, расположенных на широте 2301/2 к северу и к югу от экватора, Солнце бывает в зените только один раз в году. Во всех же местах, расположенных между тропиками, полуденное Солнце бывает в зените по два раза в году. Пространство земного шара, заключенное между тропиками, по своим тепловым особенностям получило название жаркого пояса. Посередине его проходит экватор.

На расстоянии 23°’/2 от полюса, т. е. на широте 6601/2, один раз в год зимой в течение целых суток Солнце не появляется над горизонтом, а летом, наоборот, раз в год не течение целых суток.

В этих местах в Северном и Южном полушариях глобуса и на картах проводятся воображаемые линии, которые называются полярными кругами.

Чем ближе от полярных кругов к полюсам расположено то или иное место, тем большее число суток там продолжается сплошной день (или сплошная ночь) и Солнце не заходит или не восходит. А на самих полюсах Земли Солнце светит непрерывно в течение полугода. В то же время здесь солнечные лучи падают на земную поверхность очень наклонно. Солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом. Поэтому вокруг полюсов, в пространстве, окруженном полярными кругами, особенно холодно. Таких поясов два- северный и южный; они получили название холодных поясов. Здесь долгая зима и короткое холодное лето.

Между полярными кругами и тропиками расположены два умеренных пояса (северный и южный).

Чем ближе к тропикам, тем зима короче и теплее, а чем ближе к полярным кругам, тем она длиннее и суровее.

13.1 Значения высоты солнца над горизонтом приведены в таблице 13.1.

Таблица 13.1

Географическая широта в °с. ш.

Приложение б (справочное) Методы расчета климатических параметров

Основой для разработки климатических параметров послужили Научно-прикладной справочник по климату СССР, вып. 1 - 34, части 1 - 6 (Гидрометеоиздат, 1987 - 1998) и данные наблюдений на метеорологических станциях.

Средние значения климатических параметров (средняя месячная температура и влажность воздуха, среднее за месяц количество осадков) представляют собой сумму среднемесячных значений членов ряда (лет) наблюдений, деленную на их общее число.

Крайние значения климатических параметров (абсолютная минимальная и абсолютная максимальная температура воздуха, суточный максимум осадков) характеризуют те пределы, в которых заключены значения климатических параметров. Эти характеристики выбирались из экстремальных за сутки наблюдений.

Температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки рассчитана как значение, соответствующее обеспеченности 0,98 и 0,92 из ранжированного ряда температуры воздуха наиболее холодных суток (пятидневок) и соответствующих им обеспеченностей за период с 1966 по 2010 гг. Хронологический ряд данных ранжировался в порядке убывания значений метеорологической величины. Каждому значению присваивался номер, а его обеспеченность определялась по формуле

где m - порядковый номер;

n - число членов ранжированного ряда.

Значения температуры воздуха наиболее холодных суток (пятидневок) заданной обеспеченности определялись методом интерполяции по интегральной кривой распределения температуры наиболее холодных суток (пятидневок), построенной на вероятностной сетчатке. Использовалась сетчатка двойного экспоненциального распределения.

Температура воздуха различной обеспеченности рассчитана по данным наблюдений за восемь сроков в целом за год за период 1966-2010 гг. Все значения температуры воздуха распределялись по градациям через 2°С и частота значений в каждой градации выражалась через повторяемость от общего числа случаев. Обеспеченность рассчитывалась путем суммирования повторяемости. Обеспеченность относится не к серединам, а к границам градаций, если они считаются по распределению.

Температура воздуха обеспеченностью 0,94 соответствует температуре воздуха наиболее холодного периода. Необеспеченность температуры воздуха, превышающая расчетное значение, равна 528 ч/год.

Для теплого периода принята расчетная температура обеспеченностью 0,95 и 0,99. В этом случае необеспеченность температуры воздуха, превышающая расчетные значения, соответственно равна 440 и 88 ч/год.

Средняя максимальная температура воздуха рассчитана как среднемесячная величина из ежедневных максимальных значений температуры воздуха.

Средняя суточная амплитуда температуры воздуха рассчитана независимо от состояния облачности как разность между средней максимальной и средней минимальной температурой воздуха.

Продолжительность и средняя температура воздуха периодов со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше 0°С, 8°С и 10°С, характеризуют период с устойчивыми значениями этих температур, отдельные дни со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше 0°С, 8°С и 10°С, не учитываются.

Относительная влажность воздуха вычислена по рядам средних месячных значений. Средняя месячная относительная влажность днем рассчитана по наблюдениям в дневное время (в основном в 15 ч).

Количество осадков рассчитано за холодный (ноябрь - март) и теплый (апрель - октябрь) периоды (без поправки на ветровой недоучет) как сумма среднемесячных значений; характеризует высоту слоя воды, образовавшегося на горизонтальной поверхности от выпавшего дождя, мороси, обильной росы и тумана, растаявшего снега, града и снежной крупы при отсутствии стока, просачивания и испарения.

Суточный максимум осадков выбирается из ежедневных наблюдений и характеризует наибольшую сумму осадков, выпавших в течение метеорологических суток.

Повторяемость направлений ветра рассчитана в процентах общего числа случаев наблюдений без учета штилей.

Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь и минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль рассчитаны как наибольшая из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более, и как наименьшая из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16% и более.

Прямая и рассеянная солнечная радиация на поверхности различной ориентации при безоблачном небе рассчитана по методике, разработанной в лаборатории строительной климатологии НИИСФ. При этом использованы фактические наблюдения прямой и рассеянной радиации при безоблачном небе с учетом суточного хода высоты солнца над горизонтом и действительного распределения прозрачности атмосферы.

Климатические параметры для станций Российской Федерации, отмеченных "*", рассчитаны за период наблюдений 1966 - 2010 гг.

* При разработке территориальных строительных норм (ТСН) уточнение климатических параметров должно производиться с учетом метеорологических наблюдений за период после 1980 г.

Климатическое районирование разработано на основе комплексного сочетания средней месячной температуры воздуха в январе и июле, средней скорости ветра за три зимних месяца, средней месячной относительной влажности воздуха в июле (см. таблицу Б.1).

Таблица Б.1

Климатические районы	Климатические подрайоны	Среднемесячная температура воздуха в январе, °С	Средняя скорость ветра за три зимних месяца, м/с	Среднемесячная температура воздуха в июле, °С	Среднемесячная относительная влажность воздуха в июле, %
		От -32 и ниже		От +4 до +19
		От -28 и ниже
		От -14 до -28		От +12 до +21
		От -14 до -28
		От -14 до -32		От +10 до +20
		От -4 до -14		От +8 до +12
				От +12 до +21
		От -4 до -14		От +12 до +21
		От -5 до -14		От +12 до +21
		От -14 до -20		От +21 до +25
				От +21 до +25
		От -5 до -14		От +21 до +25
		От -10 до +2		От +28 и выше
				От +22 до +28	50 и более в 15 ч
				От +25 до +28
				От +25 до +28
Примечание - Климатический подрайон IД характеризуется продолжительностью холодного периода года (со средней суточной температурой воздуха ниже 0°С) 190 дней в году и более.

Карта зон влажности составлена НИИСФ на основе значений комплексного показателя К, который рассчитывают по соотношению среднего за месяц для безморозного периода количества осадков на горизонтальную поверхность, относительной влажности воздуха в 15 ч самого теплого месяца, среднегодовой суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, годовой амплитуды среднемесячных (января и июля) температур воздуха.

В соответствии с комплексным показателем К территория делится на зоны по степени влажности: сухая (К менее 5), нормальная (К = 5 - 9) и влажная (К более 9).

Районирование северной строительно-климатической зоны (НИИСФ) основано на следующих показателях: абсолютная минимальная температура воздуха, температура наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,98 и 0,92, сумма средних суточных температур за отопительный период. По суровости климата на территории северной строительно-климатической зоны выделены районы суровые, наименее суровые и наиболее суровые (см. таблицу Б.2).

Карта распределения среднего за год числа переходов температуры воздуха через 0°С разработана ГГО на основе числа переходов через 0°С средней суточной температуры воздуха, просуммированных за каждый год и осредненных за период 1961-1990 гг.

Таблица Б.2

	Температура воздуха, °С					Сумма средних суточных температур за период со средней суточной температурой воздуха 8°С
	абсолютная минимальная	наиболее холодных суток обеспеченностью		наиболее холодной пятидневки обеспеченностью
Наименее суровые условия
Суровые условия
Наиболее суровые условия
Примечание - Первая строка - максимальные значения, вторая строка - минимальные значения.

Олимпиадные задачи по географии требуют от ученика хорошей подготовки по предмету. Высота Солнца, склонение и широта места связаны простыми соотношениями. Для решения задач по определению географической широты требует знания зависимости угла падения солнечных лучей от широты местности. Широта, на которой находится местность, определяет изменение высоты солнца над горизонтом в течение года.

На какой из параллелей: 50 с.ш.; 40 с.ш.; на южном тропике; на экваторе; 10 ю.ш. Солнце в полдень будет находиться ниже над горизонтом в день летнего солнцестояния. Свой ответ обоснуйте.

1) 22 июня солнце в зените над 23,5 с.ш. и солнце будет ниже над параллелью наиболее удалённой от северного тропика.

2) Это будет южный тропик, т.к. удалённость составит 47.

На какой из параллелей: 30 с.ш.; 10 с.ш.; экваторе; 10 ю.ш., 30 ю.ш. солнце в полдень будет находиться выше над горизонтом в день зимнего солнцестояния. Свой ответ обоснуйте .

2) Полуденная высота солнца на любой параллели зависит от удалённости от параллели, где солнце в этот день в зените, т.е. 23,5 ю.ш.

А) 30 ю.ш.- 23,5 ю.ш.= 6,5 ю.ш

Б) 10 - 23,5 = 13,5

На какой из параллелей: 68 с.ш.; 72 с.ш.; 71 ю.ш; 83 ю.ш - полярная ночь короче? Свой ответ обоснуйте .

Продолжительность полярной ночи увеличивается от 1 суток (на параллели 66,5 с.ш.) до 182 суток на полюсе. Полярная ночь короче на параллели 68 с.ш.,

В каком городе: Дели или Рио-де-Жанейро солнце находится выше над горизонтом в полдень весеннего равноденствия?

2) Ближе к экватору г. Рио-де-Жанейро т.к. широта его 23 ю.ш., а Дели- 28 .

Значит и солнце выше в Рио-де-Жанейро.

Определите географическую широту пункта, если известно, что в дни равноденствия полуденное солнце стоит там над горизонтом на высоте 63 (тень от предметов падает на юг.) Ход решения запишите.

Формула определения высоты солнца H

где Y - разница широт между параллелью, где солнце в зените в данный день и

искомой параллелью.

90 - (63 - 0) = 27 ю.ш.

Определите высоту Солнца над горизонтом в день летнего солнцестояния в полдень в Санкт-Петербурге. Где ещё в этот день Солнце будет находиться на той же высоте над горизонтом?

1) 90 - (60 - 23,5) = 53,5

2) Полуденная высота Солнца над горизонтом одинакова на параллелях, расположенных на одинаковом расстоянии от той параллели, где Солнце стоит в зените. Санкт-Петербург удалён от северного тропика на 60 - 23,5 = 36,5

На таком расстоянии от северного тропика находится параллель 23,5 - 36,5 = -13

Или 13 ю.ш.

Определите географические координаты точки земного шара, в которой Солнце будет находиться в зените, когда в Лондоне празднуют новый год. Запишите ход ваших мыслей.

От 22 декабря до 21 марта проходит 3 месяца или 90 дней. За это время Солнце перемещается на 23,5. За месяц Солнце перемещается на 7,8. За один день 0,26.

23,5 - 2,6 = 21 ю.ш.

Лондон находится на нулевом меридиане. В этот момент, когда в Лондоне празднуют Новый год (0 часов) солнце находится в зените над противоположном меридианом т.е. 180. Значит, географические координаты искомой точки составляют

28 ю.ш.180 в. д. или з. д.

Как изменится длина дня 22 декабря в Санкт - Петербурге, если угол наклона оси вращения относительно плоскости орбиты увеличится до 80. Запишите ход ваших мыслей.

1) Следовательно полярный круг будет иметь 80, северный круг отступит от существующего на 80 - 66,5 = 13,5

Определите географическую широту пункта на территории Австралии, если известно, что 21 сентября в полдень по местному солнечному времени, высота Солнца над горизонтом составляет 70 . Ход рассуждений запишите .

90 - 70 = 20 ю.ш.

Если бы Земля перестала бы вращаться вокруг собственной оси, то на планете не было бы смены дня и ночи. Назовите ещё три изменения природы Земли при отсутствии осевого вращения.

а) изменилась бы форма Земли, поскольку отсутствовало бы полярное сжатие

б) не было бы силы Кориолиса - отклоняющее действие вращения Земли. Пассаты имели бы меридиональное направление.

в) не было бы приливов и отливов

Определите, на каких параллелях в день летнего солнцестояния Солнце находится над горизонтом на высоте 70.

1) 90 - (70 +(- 23,5) = 43,5 с.ш.

23,5+- (90 - 70)

2) 43,5 - 23,5 = 20

23,5 - 20 = 3,5 с.ш.

Чтобы скачать материал или !

Жизнь на нашей планете зависит от количества солнечного света и тепла. Страшно представить даже на миг, что было бы, если бы на небе не было такой звезды, как Солнце. Каждая травинка, каждый листочек, каждый цветочек нуждается в тепле и свете, как люди в воздухе.

Угол падения лучей солнца равен высоте солнца над горизонтом

Количество солнечного света и тепла, которое поступает на земную поверхность, прямо пропорционально углу падения лучей. Солнечные лучи могут падать на Землю под углом от 0 до 90 градусов. Угол попадания лучей на землю разный, потому что наша планета имеет форму шара. Чем он больше, тем светлее и теплее.

Таким образом, если луч идёт под углом 0 градусов, он только скользит вдоль поверхности земли, не нагревая её. Такой угол падения бывает на Северном и Южном полюсах, за полярным кругом. Под прямым углом солнечные лучи падают на экватор и на поверхность между Южным и

Если угол попадания солнечных лучей на землю прямой, это говорит о том, что

Таким образом, лучей на поверхность земли и высота солнца над горизонтом равны между собой. Зависят они от географической широты. Чем ближе к нулевой широте, тем угол падения лучей ближе к 90 градусам, тем выше находится солнце над горизонтом, тем теплее и светлее.

Как солнце изменяет свою высоту над горизонтом

Высота солнца над горизонтом не является постоянной величиной. Напротив, она всегда изменяется. Причина этого кроется в непрерывном движении планеты Земля вокруг звезды Солнце, а также вращении планеты Земля вокруг собственной оси. В результате день сменяет ночь, а времена года друг друга.

Территория между тропиками получает больше всех тепла и света, здесь день и ночь практически равны друг другу по продолжительности, а солнце находится в зените 2 раза в год.

Поверхность за полярным кругом получает всех меньше тепла и света, здесь существуют такие понятия, как и ночь, которые длятся около полугода.

Дни осеннего и весеннего равноденствия

Выделены 4 основные астрологические даты, которые определяет высота солнца над горизонтом. 23 сентября и 21 марта - дни осеннего и весеннего равноденствия. Это означает, что высота солнца над горизонтом в сентябре и марте в эти дни 90 градусов.

Южное и освещаются солнцем одинаково, а долгота ночи равна долготе дня. Когда в Северном полушарии наступает астрологическая осень, то в Южном, наоборот, весна. То же самое можно сказать о зиме и лете. Если в Южном полушарии зима, то в Северном - лето.

Дни летнего и зимнего солнцестояния

22 июня и 22 декабря - дни летнего и 22 декабря наблюдается самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии, а зимнее солнце находится на самой низкой высоте над горизонтом за весь год.

Выше широты 66,5 градуса солнце находится под горизонтом и не восходит. Это явление, когда зимнее солнце не восходит на горизонт, называется полярной ночью. Самая короткая ночь бывает на широте 67 градусов и длится всего 2 суток, а самая длинная бывает на полюсах и длится 6 месяцев!

Декабрь является из всего года тем месяцем, когда в Северном полушарии самые длинные ночи. Люди в Центральной России просыпаются на работу в темноте и возвращаются тоже в темное время суток. Это тяжелый месяц для многих, так как нехватка солнечного света сказывается на физическом и моральном состоянии людей. По этой причине может даже развиться депрессия.

В Москве в 2016 г. восход солнца в декабре 1 числа будет в 08.33. При этом долгота дня составит 7 часов 29 минут. за горизонт будет очень рано, в 16.03. Ночь составит 16 часов 31 минуту. Таким образом, получается, что долгота ночи в 2 раза больше, чем долгота дня!

В этом году день зимнего солнцестояния - 21 декабря. Самый короткий день будет длиться ровно 7 часов. Затем 2 дня продержится такая же ситуация. И уже с 24 декабря день пойдёт на прибыль медленно, но верно.

В среднем в сутки будет прибавляться по одной минуте светлого времени. В конце месяца восход солнца в декабре будет ровно в 9 часов, что на 27 минут позже, чем 1-го декабря

22 июня - день летнего солнцестояния. Всё происходит с точностью до наоборот. За весь год именно в эту дату самый длинный день по продолжительности и самая короткая ночь. Это касаемо Северного полушария.

В Южном всё наоборот. С этим днём связаны интересные природные явления. За Полярным кругом наступает полярный день, солнце не заходит за горизонт на Северном полюсе 6 месяцев. В Санкт-Петербурге в июне начинаются загадочные белые ночи. Длятся они примерно с середины июня в течение двух-трёх недель.

Все эти 4 астрологические даты могут меняться на 1-2 дня, так как солнечный год не всегда совпадает с календарным годом. Также смещения происходят в високосные года.

Высота солнца над горизонтом и климатические условия

Солнце является одним из самых важных климатообразующих факторов. В зависимости от того, как изменялась высота солнца над горизонтом над конкретным участком земной поверхности, меняются климатические условия и времена года.

Например, на Крайнем Севере лучи солнца падают под очень маленьким углом и только лишь скользят вдоль поверхности земли, совсем не нагревая её. Под условием этого фактора климат здесь крайне суровый, присутствует вечная мерзлота, холодные зимы с леденящими ветрами и снегами.

Чем больше высота солнца над горизонтом, тем теплее климат. Например, на экваторе он необычайно жаркий, тропический. Сезонные колебания также в районе экватора практически не чувствуются, в этих районах вечное лето.

Измерение высоты солнца над горизонтом

Как говорится, всё гениальное - просто. Так и здесь. Прибор для измерения высоты солнца над горизонтом элементарно прост. Он представляет собой горизонтальную поверхность с шестом посередине длиной 1 метр. В солнечный день в полдень шест отбрасывает самую короткую тень. С помощью этой кратчайшей тени и проводятся расчёт и измерения. Нужно замерить угол между концом тени и отрезком, соединяющим конец шеста с концом тени. Эта величина угла и будет являться углом нахождения солнца над горизонтом. Этот прибор называется гномоном.

Гномон - это древний астрологический инструмент. Существуют и другие приборы для измерения высоты солнца над горизонтом, такие как секстант, квадрант, астролябия.

Видимое годовое движение Солнца

Вследствие годового обращения Земли вокруг Солнца в направлении с запада на восток нам кажется, что Солнце перемещается среди звезд с запада к востоку по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой , с периодом 1 год. Плоскость эклиптики (плоскость земной орбиты) наклонена к плоскости небесного (а также земного) экватора под углом . Этот угол называют наклонением эклиптики .

Положение эклиптики на небесной сфере, то есть экваториальные координаты и точек эклиптики и ее наклонение к небесному экватору определяются из ежедневных наблюдений Солнца. Измеряя зенитное расстояние (или высоту) Солнца в момент его верхней кульминации на одной и той же географической широте,

,	(6.1)
,	(6.2)

можно установить, что склонение Солнца в течение года изменяется в пределах от до . При этом прямое восхождение Солнца на протяжении года изменяется от до , или от до .

Рассмотрим подробнее изменение координат Солнца.

В точке весеннего равноденствия ^, которую Солнце проходит ежегодно 21 марта, прямое восхождение и склонение Солнца раны нулю. Затем с каждым днем прямое восхождение и склонение Солнца увеличиваются.

В точке летнего солнцестояния a, в которую Солнце попадает 22 июня, его прямое восхождение равно 6 h , а склонение достигает максимального значения + . После этого склонение Солнца уменьшается, а прямое восхождение по-прежнему растет.

Когда Солнце 23 сентября приходит в точку осеннего равноденствия d, его прямое восхождение станет равным , а склонение снова станет равно нулю.

Далее, прямое восхождение, продолжая увеличиваться, в точке зимнего солнцестояния g, куда Солнце попадает 22 декабря, становится равным , а склонение достигает своего минимального значения - . После этого склонение возрастает, и Солнце через три месяца приходит вновь в точку весеннего равноденствия.

Рассмотрим изменение местоположения Солнца на небе в течение года для наблюдателей, находящихся в разных местах на поверхности Земли.

северном полюсе Земли , в день весеннего равноденствия (21.03) Солнце совершает круг по горизонту. (Напомним, что на Северном полюсе земли не существует явлений восхода и захода светил, то есть любое светило движется параллельно горизонту, не пересекая его). Это знаменует начало полярного дня на Северном полюсе. На следующий день Солнце, чуть-чуть поднявшись по эклиптике, опишет круг, параллельный горизонту, на немного большей высоте. С каждым днем оно будет подниматься все выше и выше. Максимальной высоты Солнце достигнет в день летнего солнцестояния (22.06) – . После этого начнется медленное уменьшение высоты. В день осеннего равноденствия (23.09) Солнце опять окажется на небесном экваторе, который совпадает с горизонтом на Северном полюсе. Совершив прощальный круг вдоль горизонта в этот день, Солнце на полгода опускается под горизонт (под небесный экватор). Длившийся полгода полярный день завершен. Начинается полярная ночь.

Для наблюдателя находящегося на северном полярном круге наибольшей высоты Солнце достигает в полдень в день летнего солнцестояния – . Полуночная высота Солнца в этот день равна 0°, то есть Солнце в этот день не заходит. Такое явление принято называть полярным днем .

В день зимнего солнцестояния его полуденная высота минимальна – , то есть Солнце не восходит. Это называется полярная ночь . Широта северного полярного круга – наименьшая в северном полушарии Земли, где наблюдаются явления полярных дня и ночи.

Для наблюдателя находящегося на северном тропике , Солнце каждый день восходит и заходит. Максимальной полуденной высоты над горизонтом Солнце достигает в день летнего солнцестояния – в этот день оно проходит точку зенита (). Северный тропик – самая северная параллель, где Солнце бывает в зените. Минимальная полуденная высота, , наблюдается в день зимнего солнцестояния.

Для наблюдателя находящегося на экваторе , абсолютно все светила заходят и восходят. При этом любое светило, в том числе и Солнце, ровно 12 часов проводят над горизонтом и 12 часов – под горизонтом. Это значит, что продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи – по 12 часов. Дважды в году – в дни равноденствий – полуденная высота Солнца становится 90°, то есть проходит через точку зенита.

Для наблюдателя находящегося на широте Стерлитамака , то есть в умеренном поясе, Солнце никогда не бывает в зените. Наибольшей высоты достигает в полдень 22 июня, в день летнего солнцестояния, – . В день зимнего солнцестояния, 22 декабря, его высота минимальна – .

Итак, сформулируем следующие астрономические признаки тепловых поясов:

1. В холодных поясах (от полярных кругов до полюсов Земли ) Солнце может быть и незаходящим, и невосходящим светилом. Полярный день и полярная ночь могут длиться от 24 часов (на северном и южном полярных кругах) до полугода (на северном и южном полюсах Земли).

2. В умеренных поясах (от северного и южного тропиков до северного и южного полярных кругов ) Солнце каждый день восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Летом день длиннее ночи, а зимой – наоборот.

3. В жарком поясе (от северного тропика до южного тропика ) Солнце всегда восходящее и заходящее. В зените Солнце бывает от одного раза – на северном и южном тропиках, до двух раз – на других широтах пояса.

Регулярная смена времен года на Земле является следствием трех причин: годового обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости земной орбиты (плоскости эклиптики) и сохранения земной осью своего направления в пространстве на протяжении длительных промежутков времени. Благодаря совместному действию этих трех причин происходит видимое годовое движение Солнца по эклиптике, наклоненной к небесному экватору, и поэтому положение суточного пути Солнца над горизонтом различных мест земной поверхности на протяжении года изменяется, а следовательно, изменяются условия их освещения и обогревания Солнцем.

Неодинаковое обогревание Солнцем областей земной поверхности с различной географической широтой (или этих же областей в разное время года) легко выясняется простым подсчетом. Обозначим через количество тепла, передаваемого единице площади земной поверхности отвесно падающими солнечными лучами (Солнце в зените). Тогда при другом зенитном расстоянии Солнца та же единица площади получит количество тепла

(6.3)

Подставляя в эту формулу значения Солнца в истинный полдень разных дней года и деля полученные равенства друг на друга, можно найти отношение количества тепла, получаемого от Солнца в полдень в эти дни года.

Задания:

1. Вычислить наклонение эклиптики и определить экваториальные и эклиптические координаты ее основных точек по измеренному зенитному расстоянии. Солнца в верхней кульминации в дни солнцестояний:

№	22 июня	22 декабря
1)	29〫48ʹ ю	76〫42ʹ ю
№	22 июня	22 декабря
2)	19〫23ʹ ю	66〫17ʹ ю
3)	34〫57ʹ ю	81〫51ʹ ю
4)	32〫21ʹ ю	79〫15ʹ ю
5)	14〫18ʹ ю	61〫12ʹ ю
6)	28〫12ʹ ю	75〫06ʹ ю
7)	17〫51ʹ ю	64〫45ʹ ю
8)	26〫44ʹ ю	73〫38ʹ ю

2. Определить наклонение видимого годового пути Солнца к небесному экватору на планетах Марс, Юпитер и Уран.

3. Определить наклонение эклиптики около 3000 лет назад, если по наблюдениям в ту эпоху в некотором месте северного полушария Земли полуденная высота Солнца в день летнего солнцестояния равнялась +63〫48ʹ, а в день зимнего солнцестояния +16〫00ʹ к югу от зенита.

4. По картам звездного атласа академика А.А. Михайлова установить названия и границы зодиакальных созвездий, указать те из них, в которых находятся основные точки эклиптики, и определить среднюю продолжительность перемещения Солнца на фоне каждого зодиакального созвездия.

5. По подвижной карте звездного неба определить азимуты точек и моменты времени восхода и захода Солнца, а также примерную продолжительность дня и ночи на географической широте Стерлитамака в дни равноденствий и солнцестояний.

6. Вычислить для дней равноденствий и солнцестояний полуденную и полуночную высоту Солнца в: 1) Москве; 2) Твери; 3) Казани; 4) Омске; 5) Новосибирске; 6) Смоленске; 7) Красноярске; 8) Волгограде.

7. Вычислить отношения количеств тепла, получаемых в полдень от Солнца в дни солнцестояний одинаковыми площадками в двух пунктах земной поверхности, расположенных на широте: 1) +60〫30ʹ и в Майкопе; 2) +70〫00ʹ и в Грозном; 3) +66〫30ʹ и в Махачкале; 4) +69〫30ʹ и во Владивостоке; 5) +67〫30ʹ и в Махачкале; 6) +67〫00ʹ и в Южно-Курильске; 7) +68〫00ʹ и в Южно-Сахалинске; 8) +69〫00ʹ и в Ростове-на-Дону.

Законы кеплера и конфигурации планет

Под действием гравитационного притяжения к Солнцу планеты обращаются вокруг него по слабовытянутым эллиптическим орбитам. Солнце находится в одном из фокусов эллиптической орбиты планеты. Это движение подчиняется законам Кеплера.

Величина большой полуоси эллиптической орбиты планеты является также средним расстоянием от планеты до Солнца. Благодаря незначительным эксцентриситетам и небольшим наклонениям орбит больших планет, можно при решении многих задач приближенно полагать эти орбиты круговыми с радиусом и лежащими практически в одной плоскости – в плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты).

Согласно третьему закону Кеплера, если и – соответственно звездные (сидерические) периоды обращения некоторой планеты и Земли вокруг Солнца, а и – большие полуоси их орбит, то

.

(7.1)

Здесь периоды обращения планеты и Земли могут быть выражены в любых единицах, но размерности и должны быть одинаковы. Подобное утверждение справедливо и для больших полуосей и .

Если за единицу измерения времени принять 1 тропический год ( – период обращения Земли вокруг Солнца), а за единицу измерения расстояния 1 астрономическую единицу (), то третий закон Кеплера (7.1) можно переписать в виде

где – сидерический период обращения планеты вокруг Солнца, выраженный в средних солнечных сутках.

Очевидно, для Земли средняя угловая скорость определяется формулой

Если принять за единицу измерения угловых скоростей планеты и Земли , а периоды обращения измерять в тропических годах, то формула (7.5) может быть записана в виде

Средняя линейная скорость движения планеты на орбите может быть рассчитана по формуле

Среднее значение орбитальной скорости Земли известно и составляет . Поделив (7.8) на (7.9) и используя третий закон Кеплера (7.2), найдем зависимость от

Знак «-» соответствует внутренним или нижним планетам (Меркурий, Венера), а «+» – внешним или верхним (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). В этой формуле и выражены в годах. В случае необходимости найденные значения и всегда могут быть выражены в сутках.

Взаимное расположение планет легко устанавливается по их гелиоцентрическим эклиптическим сферическим координатам, значения которых на различные дни года публикуются в астрономических календарях-ежегодниках, в таблице под названием «гелиоцентрические долготы планет».

Центром этой системы координат (рис. 7.1) является центр Солнца, а основным кругом – эклиптика, полюса которой и отстоят от нее на 90º.

Большие круги, проведенные через полюса эклиптики, называются кругами эклиптической широты , по ним отсчитывается от эклиптики гелиоцентрическая эклиптическая широта , которая считается положительной в северном эклиптическом полушарии и отрицательной в южном эклиптическом полушарии небесной сферы. Гелиоцентрическая эклиптическая долгота отсчитывается по эклиптике от точки весеннего равноденствия ¡ против часовой стрелки до основания круга широты светила и имеет значения в пределах от 0º до 360º.

Из-за малого наклонения орбит больших планет к плоскости эклиптики, эти орбиты всегда находятся вблизи эклиптики, и в первом приближении можно считать их гелиоцентрическую долготу , определяя положение планеты относительно Солнца лишь одной ее гелиоцентрической эклиптической долготой .

Рис. 7.1. Эклиптическая система небесных координат

Рассмотрим орбиты Земли и некоторой внутренней планеты (рис. 7.2), используя гелиоцентрическую эклиптическую систему координат . В ней основным кругом является эклиптика, а нуль-пунктом – точка весеннего равноденствия ^. Отсчет эклиптической гелиоцентрической долготы планеты ведется от направления «Солнце – точка весеннего равноденствия ^» до направления «Солнце – планета» против часовой стрелки. Для простоты будем считать плоскости орбит Земли и планеты совпадающими, а сами орбиты – круговыми. Тогда положение планеты на орбите задается ее эклиптической гелиоцентрической долготой .

Если центр эклиптической системы координат совместить с центром Земли, то это будет геоцентрическая эклиптическая система координат . Тогда угол между направлениями «центр Земли – точка весеннего равноденствия ^» и «центр Земли – планета» называется эклиптической геоцентрической долготой планеты . Гелиоцентрическая эклиптическая долгота Земли и геоцентрическая эклиптическая долгота Солнца , как видно из рис. 7.2, связаны соотношением:

.

(7.12)

Будем называть конфигурацией планеты некоторое фиксированное взаимное расположение планеты, Земли и Солнца.

Рассмотрим раздельно конфигурации внутренних и внешних планет.

Рис. 7.2. Гелио- и геоцентрическая системы
эклиптических координат

Различают четыре конфигурации внутренних планет: нижнее соединение (н.с.), верхнее соединение (в.с.), наибольшая западная элонгация (н.з.э.) и наибольшая восточная элонгация (н.в.э.).

В нижнем соединении (н.с.) внутренняя планета находится на прямой, соединяющей Солнце и Землю, между Солнцем и Землей (рис. 7.3). Для земного наблюдателя в этот момент внутренняя планета «соединяется» с Солнцем, то есть видна на фоне Солнца. При этом эклиптические геоцентрические долготы Солнца и внутренней планеты равны, то есть: .

Вблизи нижнего соединения планета перемещается на небе в попятном движении около Солнца, над горизонтом находится днем, причем около Солнца, и наблюдать ее, разглядывая что-либо на ее поверхности, невозможно. Очень редко удается увидеть уникальное астрономическое явление – прохождение внутренней планеты (Меркурия или Венеры) по диску Солнца.

Рис. 7.3. Конфигурации внутренних планет

Так как угловая скорость внутренней планеты больше угловой скорости Земли, через некоторое время планета сместится в положение, где направления «планета-Солнце» и «планета-Земля» отличаются на (рис. 7.3). Для земного наблюдателя планета при этом удалена от солнечного диска на максимальный угол, или говорят, что планета в этот момент находится в наибольшей элонгации (удалении от Солнца). Различают две наибольших элонгации внутренней планеты – западную (н.з.э.) и восточную (н.в.э.). В наибольшей западной элонгации () и планета заходит за горизонт и восходит раньше, чем Солнце. Это значит, что наблюдать ее можно утром, перед восходом Солнца, в восточной стороне неба. Это называется утренней видимостью планеты.

После прохождения наибольшей западной элонгации диск планеты начинает приближаться на небесной сфере к диску Солнца до тех пор, пока планета не исчезнет за диском Солнца. Эта конфигурация, когда Земля, Солнце и планета лежат на одной прямой, причем планета находится за Солнцем, называется верхним соединением (в.с.) планеты. Проводить в этот момент наблюдения внутренней планеты нельзя.

После верхнего соединения угловое расстояние между планетой и Солнцем начинает расти, достигая максимального значения в наибольшей восточной элонгации (н.в.э.). При этом гелиоцентрическая эклиптическая долгота планеты больше, чем у Солнца (а геоцентрическая – наоборот, меньше, то есть ). Планета в этой конфигурации восходит и заходит позднее Солнца, что дает возможность наблюдать ее вечером после захода Солнца (вечерняя видимость ).

Из-за эллиптичности орбит планет и Земли угол между направлениями на Солнце и на планету в наибольшей элонгации не постоянен, а изменяется в некоторых пределах, для Меркурия – от до , для Венеры – от до .

Наибольшие элонгации – самые удобные моменты для наблюдений внутренних планет. Но так как даже в этих конфигурациях Меркурий и Венера не отходят на небесной сфере далеко от Солнца, наблюдать их в течение всей ночи нельзя. Продолжительность вечерней (и утренней) видимости у Венеры не превышает 4 часов, а у Меркурия – не более 1.5 часа. Можно сказать, что Меркурий всегда «купается» в солнечных лучах – его приходится наблюдать или непосредственно перед восходом Солнца, или сразу после захода, на светлом небе. Видимый блеск (звездная величина) Меркурия меняется со временем в пределах от до . Видимая звездная величина Венеры варьируется от до . Венера – самый яркий объект на небе после Солнца и Луны.

У внешних планет также различают четыре конфигурации (рис. 7.4): соединение (с.), противостояние (п.), восточная и западная квадратуры (з.кв. и в.кв.).

Рис. 7.4. Конфигурации внешних планет

В конфигурации «соединение» внешняя планета расположена на прямой, соединяющей Солнце и Землю, за Солнцем. В этот момент наблюдать ее нельзя.

Так как угловая скорость внешней планеты меньше, чем у Земли, дальнейшее относительное движение планеты на небесной сфере будет попятным. При этом она постепенно будет смещаться к западу от Солнца. Когда угловое удаление внешней планеты от Солнца достигнет , она попадет в конфигурацию «западная квадратура». При этом планета будет видна в восточной стороне неба всю вторую половину ночи до восхода.

В конфигурации «противостояние», называемой иногда также «оппозиция», планета отстоит на небе от Солнца на , тогда

Планету, находящуюся в восточной квадратуре, можно наблюдать с вечера до полуночи.

Наиболее благоприятны условия для наблюдений внешних планет в эпоху их противостояния. В это время планета доступна наблюдениям в течение всей ночи. При этом она максимально сближена с Землей и имеет наибольший угловой диаметр и максимальный блеск. Для наблюдателей немаловажно, что все верхние планеты достигают наибольшей высоты над горизонтом в зимние противостояния, когда они движутся по небу в тех же созвездиях, где Солнце бывает летом. Летние же противостояния на северных широтах происходят низко над горизонтом, что может весьма затруднить наблюдения.

При расчете даты той или иной конфигурации планеты ее расположение относительно Солнца изображается на чертеже, плоскость которого принимается за плоскость эклиптики. Направление на точку весеннего равноденствия ^ выбирается произвольно. Если задан день года, в который гелиоцентрическая эклиптическая долгота Земли имеет определенное значение, то сначала следует отметить на чертеже расположение Земли.

Приближенное значение гелиоцентрической эклиптической долготы Земли очень легко найти по дате наблюдения. Легко видеть (рис. 7.5), что, например, 21 марта, смотря с Земли в сторону Солнца, мы смотрим в точку весеннего равноденствия ^, то есть, направление «Солнце – точка весеннего равноденствия» отличается от направления «Солнце – Земля» на , а это значит, что гелиоцентрическая эклиптическая долгота Земли . Смотря на Солнце в день осеннего равноденствия (23 сентября), мы видим его в направлении на точку осеннего равноденствия (на чертеже она диаметрально противоположна точке ^). При этом эклиптическая долгота Земли . Из рис. 7.5 видно, что в день зимнего солнцестояния (22 декабря) эклиптическая долгота Земли , а в день летнего солнцестояния (22 июня) – .

Рис. 7.5. Эклиптические гелиоцентрические долготы Земли
в разные дни года