Почему происходит смена времен года

Древние люди рано или поздно подметили, что смена погодных сезонов определенно связана с высотой Солнца над горизонтом: чем большей высоты достигает оно при своем суточном движении, тем продолжительнее день и тем дольше греют солнечные лучи. При этом было установлено, что от высоты Солнца в полдень зависит положение точек его восхода и захода на горизонте. Другими словами, с полуденной высотой и сезоном явно связан азимут точек восхода и захода: весной и осенью это соответственно восток и запад, летом точка восхода перемещается к северо-востоку, а точка захода — к северо-западу, а зимой наоборот — соответственно к юго-востоку и юго-западу.

Как хорошо известно, смена времен года обусловлена тем, что ось вращения Земли не направлена перпендикулярно плоскости земной орбиты (рис. 3). Угол наклона составляет около 66,5°, причем он сохраняется независимо от орбитального движения нашей планеты. Есть два положения Земли на орбите, при которых солнечные лучи падают отвесно на околоэкваториальную поверхность земного шара. Эти положения соответствуют по нашему календарю датам 21 марта и 23 сентября: тогда Солнце восходит точно на востоке и заходит точно на западе, причем его полуденная высота над горизонтом равна среднегодовому значению. Она зависит от географической широты места (т. е. от близости к экватору) — чем меньше широта, тем выше Солнце в полдень; для жителей экватора наше светило поднимается на 90° над горизонтом, в то время как на полюсах угол подъема, можно сказать, равен нулю. Для широт Болгарии 21 марта и 23 сентября (эти дни называются соответственно весенним и осенним равноденствиями) возвышение Солнца над горизонтом в полдень составляет примерно 47,5°.

Рис. 3. Движение Земли вокруг Солнца.

После 21 марта Земля, двигаясь по своей орбите (ориентация оси вращения в пространстве, еще раз напомним, остается неизменной), начинает все более подставлять солнечным лучам Северное полушарие. Наблюдатель, находящийся на земной поверхности в Северном полушарии, видит, что Солнце день ото дня поднимается в полдень все выше, точки восхода и захода постепенно смещаются от востока и запада к северу, а продолжительность светлого времени увеличивается (рис. 4). В Южном полушарии все происходит наоборот, т. е. и полуденная высота Солнца, и долгота дня уменьшаются. Этот процесс продолжается около трех месяцев, вплоть до 22 июня — летнего солнцестояния. Поскольку наклон оси вращения к плоскости орбиты равен 66,5°, в этот день солнечные лучи падают отвесно на Землю на географической широте 23,5° = 90°—66,5°. В любой точке Северного полушария в этот день полуденная высота Солнца наибольшая из всех его положений в течение года; например, для Болгарии она составляет около 71°, а продолжительность дня равна примерно 15,5 ч (естественно, во всем Северном полушарии день летнего солнцестояния самый длинный). Смещение точек восхода и захода от линии восток — запад к северу также достигает максимума; так, для широт Болгарии оно составляет 35°.

Рис. 4. Восход и заход Солнца в дни равноденствий и солнцестояний.

После 22 июня как полуденная высота Солнца над горизонтом, так и продолжительность светлого времени начинают уменьшаться, а точки восхода и захода постепенно возвращаются к востоку и западу. Наступает день осеннего равноденствия, приходящийся на 23 сентября. Как и при весеннем равноденствии (21 марта), этот день равен ночи в любой точке земной поверхности. В дальнейшем уменьшение долготы дня продолжается; восход Солнца смещается к юго-востоку, а заход — к юго-западу; его полуденная высота уменьшается. Такая картина наблюдается в северном полушарии до 22 декабря, когда день становится наименьшим (в южном — наибольшим), что означает момент зимнего солнцестояния. Тогда полуденная высота Солнца также достигает минимума; например, для Болгарии она уменьшается примерно до 24°, а продолжительность светлого времени суток — до 9 ч. Азимутальное отклонение точек восхода и захода от линии восток — запад снова становится максимальным (35°), но на этот раз направлено к югу.

Все описанные изменения в видимом положении Солнца на небе (точка восхода — полуденная высота — точка захода) происходят в течение одного года и сопровождаются сменой сезонов. Наступление астрономических весны, лета, осени и зимы относится к 21 марта, 22 июня, 23 сентября и 22 декабря соответственно. В то же время местные погодные условия, зависящие от географического положения, накладывают свой отпечаток на смену метеорологических сезонов, но в целом она, конечно, следует «поведению» Солнца на небе. Ясно, что определенные закономерности изменения положения Солнца на небе были замечены наблюдательными людьми еще в далекие доисторические времена. Подобные сведения накапливались поколение за поколением, что в итоге привело к осознанию связи сезонов погоды с Солнцем, точнее, с его видимым движением.