1. Разделим вращение Земли и наклон её оси
Почему одна и та же площадка летом освещена до вечера, а зимой тени удлиняются уже после полудня? Сначала отделим суточное вращение Земли от её обращения вокруг Солнца примерно за год. Вращение поочерёдно обращает место к освещённой и тёмной сторонам, создавая день и ночь. Ось вращения при этом наклонена примерно на 23,4° относительно перпендикуляра к плоскости орбиты. Это угол не с самой плоскостью, а с проведённой к ней нормалью. В течение приблизительно годового обращения направление оси в пространстве почти сохраняется. Значит, Земля не меняет сильно наклон каждый сезон: сохраняя сходный наклон, она занимает разные положения относительно Солнца. Если, перемещая глобус вокруг фонарика, постоянно поворачивать ось к источнику, модель неправильно воспроизведёт сезоны.
Поэтому около июня Северное полушарие наклонено к Солнцу, а Южное — от него; около декабря расположение меняется на противоположное. Так объясняется зима в средних широтах юга во время северного лета. В один момент оба полушария почти одинаково удалены от Солнца, поэтому одного приближения всей Земли недостаточно для объяснения противоположных сезонов. NASA Space Place также подчёркивает изменение способа получения света из-за наклона. Это не означает, что весь север в один день нагревается, а весь юг одновременно остывает. Экватор, полярные области, горы и моря отличаются даже внутри полушария. Орбитальная модель показывает основу распределения энергии; для местной температуры и дождей нужно дополнительно рассмотреть реакцию атмосферы и океана.
2. При высоком Солнце тот же свет попадает на меньшую площадь
Высота Солнца — угол между направлением на него и горизонтом наблюдателя: прямо над головой 90°, у горизонта 0°. При высоком Солнце пучок определённой толщины освещает меньшую площадь горизонтальной земли. При низком угле тот же свет распределяется шире, и энергия на единицу площади уменьшается. Если, например, одинаковая энергия равномерно распределена по удвоенной площади, доля единицы площади станет вдвое меньше. Это различает исчезновение света целиком и уменьшение его концентрации в одном месте. Посветив фонариком на бумагу прямо, а затем наклонно, можно увидеть расширение пятна. Чтобы сравнить угол, по возможности сохраняйте яркость и расстояние до бумаги. Фонарик не настолько далёк, как Солнце, поэтому яркость пятна нельзя пересчитывать в реальную солнечную радиацию поверхности. У низких лучей путь через атмосферу тоже может быть длиннее, но полученное землёй количество зависит также от облаков, частиц и водяного пара.
Для учебного расчёта возьмём горизонтальное место на 37° северной широты. Предположим сферическую Землю, исключим атмосферное преломление и рельеф, зададим наклон 23,4°. Вблизи верхней кульминации, когда Солнце наиболее высоко за день, высота около июньского солнцестояния составит 76,4°, декабрьского — 29,6°, равноденствия — 53,0°. Это геометрические значения по широте и северо-южному положению Солнца, а не измерения станции. Можно предсказать, что одинаковый вертикальный стержень даст более короткую тень при высоком Солнце и длинную при низком. Но деление 76,4 на 29,6 не даёт отношения летней и зимней температур. Связь угла с энергией не простая пропорция; различаются суточные изменения угла, погода и поверхность. Расчёт помогает понять разницу полуденного вида в двух сезонах.
3. Вместе с интенсивностью меняется и продолжительность дня
Сезонная разница энергии не определяется одной высотой Солнца в полдень. Летом в северных средних широтах его путь по небу длиннее и пребывание над горизонтом обычно дольше. Зимой в том же месте путь ниже и короче, а время получения энергии сокращается. Сравнивая свет за сутки, учитывают поток в каждый момент и продолжительность его действия вместе. Это похоже на сравнение яркой лампы, включённой ненадолго, и более слабой, включённой надолго: нужны и сила, и время. Аналогия не заменяет формулу нагрева поверхности. Время над горизонтом отличается от времени прямого света сквозь облака; промежуток между восходом и закатом нельзя записывать как длительность ясной погоды или метеорологического солнечного сияния.
Солнцестояния обозначают астрономические экстремумы этого годового изменения. В северных средних широтах около июня день самый длинный, около декабря — самый короткий; в Южном полушарии связь с названиями сезонов противоположна. В высоких широтах бывают области, где летом Солнце не заходит, а зимой не восходит. Но не каждое полярное место освещено ровно полгода и затем полностью темно ещё полгода. Продолжительность зависит от широты; даже под горизонтом Солнце создаёт сумеречный свет за счёт рассеяния в атмосфере. Отсутствие заката также не делает полярное лето всегда жарче среднеширотного. Отличаются низкий угол лучей, отражение снегом и льдом, перенос тепла. Около экватора годовые изменения длины дня малы, поэтому длинные летние вечера нельзя считать общим опытом всех регионов. Сравнивая два города в один месяц, сначала проверьте полушарие и широту.
4. Неужели расстояние до Солнца совсем не влияет?
Орбита не является идеальной окружностью, поэтому расстояние действительно меняется. Сейчас Земля обычно проходит ближайшую точку, перигелий, в начале января, а наиболее далёкую, афелий, — в начале июля. На севере близкое положение приходится на зиму, далёкое — на лето, что не согласуется с объяснением сезонов только расстоянием. Однако, исправляя это заблуждение, неверно полностью отрицать эффект расстояния. NASA StarChild объясняет, что январский солнечный свет на Земле примерно на 7% интенсивнее июльского. Это различие поступающей радиации, а не утверждение, что каждый город на 7% теплее. Нужно разделять поток вне атмосферы и результат после поглощения поверхностью. Разная температура под облаком и на ясном участке в один день также показывает, почему расстояние не определяет местную температуру целиком. Главную причину чередования сезонов полушарий отличают от добавочной разницы радиации. Если орбиту на схеме сильно вытянули, проверьте, соответствует ли рисунок реальному эксцентриситету в масштабе.
Максимальный приток света не обязан совпадать с наибольшей температурой. Земля и вода затрачивают время на накопление и отдачу тепла; после солнцестояния дни могут сокращаться, а жара — усиливаться. Национальная метеослужба США описывает такое запаздывание между самым длинным днём и максимумом средней температуры во многих средних и высоких широтах. Это не правило с одинаковым числом недель для всех мест. Побережье и внутренние районы суши, ветры, течения, облака и почвенная влага тоже меняют обмен и перенос тепла. Разные летние температуры двух городов на одной широте не опровергают роль оси. Наклон объясняет сезонный фон поступления энергии, а фактическая температура включает её хранение и обмен. Один прохладный день не означает исчезновения сезона; отделяйте дневное наблюдение от многолетнего среднего.
5. Равны ли день и ночь в равноденствие точно?
Мартовское и сентябрьское равноденствия определяются моментом пересечения небесного экватора центром Солнца. В Корее мартовское называют весенним, сентябрьское — осенним; в Южном полушарии это соответственно осень и весна. Ось в этот момент не становится наклонённой на 0°. Сохраняя наклон, расположение полушарий относительно Солнца проходит между летним и зимним крайними положениями. Школьная модель двенадцатичасовых дня и ночи полезна для понимания, но реальные восход и закат не отстоят ровно на 12 часов повсюду. Морская обсерватория США связывает их не с центром Солнца, а с появлением и исчезновением верхнего края диска на горизонте. Атмосферное преломление дополнительно приподнимает видимое Солнце. Поэтому около равноденствия день обычно немного длиннее простого двенадцатичасового расчёта, а даты близкого равенства дня и ночи зависят от широты.
Исчезновение Солнца за горой или зданием раньше официального заката — отдельный вопрос: расчётный горизонт отличается от препятствий реального обзора. Включать ли послезакатные сумерки в длину дня, тоже решают отдельно по задаче. Границы астрономических и метеорологических сезонов различаются. В астрономии можно использовать равноденствия и солнцестояния, а в статистике погоды — группы месяцев для удобства сравнения. NOAA разделяет критерий положения Земли относительно Солнца и критерий годового температурного цикла с календарём. Поэтому календарное начало сезона не обещает резкой перемены температуры в тот день. Перенося время равноденствия конкретного года, проверьте часовой пояс, чтобы не ошибиться с местной датой.
6. Наблюдайте тень и сохраняйте региональные различия
Вместо взгляда на Солнце можно установить вертикальный стержень на безопасной ровной площадке и записывать тени. Сохраняйте место и высоту стержня, определяйте время верхней кульминации и сравнивайте длину тени по датам. Солнечная кульминация не всегда соответствует 12:00 по часам: используйте астрономические данные с регионом и часовым поясом или ищите самую короткую тень за день. Записывайте дату, широту, время и пояс, высоту стержня, длину тени, облака и препятствия. Для регионов с летним временем отметьте перевод часов, чтобы отличить скачок времени восхода от астрономического изменения. Наклон стержня и изменение уклона земли смешивают реальный эффект высоты Солнца с ошибкой установки. Если облака размыли границу, лучше оставить «наблюдение невозможно», чем выдумывать точное число. В отдельной графе запишите длину дня по официальным местным восходам и закатам; сравните за несколько месяцев, когда короткая тень сочетается с длинным днём.
Цель такого журнала — не объявить по нескольким наблюдениям точное измерение осевого угла или долгосрочного изменения климата. Нужно различить, как ожидаемые изменения угла и дня отражаются в записи и что объясняется облаками или рельефом. Добавляя другие регионы, не навязывайте им единственную правильную схему весна-лето-осень-зима средних широт. В тропиках сезонность дождей может сильнее влиять на жизнь, чем изменение температуры. Как объясняет NOAA о межтропической зоне конвергенции, сезонное смещение дождевого пояса циркуляции важно для влажных и сухих периодов, но нельзя приписывать всем экваториальным местам одинаковое число дождливых сезонов в одинаковые месяцы. Учитывайте распределение суши и моря, муссоны и местную среду. Разделяя геометрию всей Земли, солнечные условия одного места и фактическую погоду с климатом, легче избежать объяснения всех различий единственной причиной.