Простой вопрос, который ставит в тупик многих взрослых: почему летом жарко, а зимой холодно?
Если вы ответите: «Потому что летом Земля находится ближе к Солнцу», — вы ошибетесь. Более того, вы ошибетесь ровно наоборот. В Северном полушарии, где расположена большая часть суши и где живет большинство людей, Земля находится ближе всего к Солнцу в январе, а дальше всего — в июле.
Тем не менее, в январе в Москве снег и мороз, а в июле — тепло и зелень. Как так получается?
1. Наклон земной оси
Земля вращается вокруг своей оси. Эта ось — воображаемая линия, проходящая через Северный и Южный полюса. Но она не стоит перпендикулярно плоскости земной орбиты. Она наклонена.
Величина наклона — 23,5 градуса. Это не случайное число. Именно такой наклон, возможно, возник в результате гигантского столкновения с протопланетой Тейя, которое также породило Луну.
Из-за этого наклона в течение года разные полушария Земли получают разное количество солнечного света. Когда Северное полушарие наклонено к Солнцу, там лето. Когда оно наклонено от Солнца — зима.
Если бы ось Земли была перпендикулярна плоскости орбиты, времен года не существовало бы вообще. Весь год в каждой точке планеты день равнялся бы ночи, а смена температур определялась бы только широтой. На экваторе было бы всегда жарко, на полюсах — всегда холодно. Никакой весны, никакой осени. Однообразно, предсказуемо и, наверное, скучно.
2. Высота Солнца и длина дня
Смена времен года определяется двумя главными факторами. Оба напрямую связаны с наклоном оси.
Первый фактор — высота Солнца над горизонтом.
Летом Солнце поднимается высоко в небе. Его лучи падают на земную поверхность почти отвесно. Энергия концентрируется на небольшой площади, быстро нагревая землю и воздух.
Зимой Солнце движется по низкой дуге. Его лучи скользят по поверхности под острым углом. Та же энергия распределяется по гораздо большей площади. Нагрев слабый, и тепло быстро рассеивается.
Представьте себе фонарик. Если светить им прямо на пол — пятно маленькое и яркое. Если наклонить — пятно вытягивается и становится тусклым. То же самое происходит с солнечными лучами.
Второй фактор — продолжительность дня.
Летом дни длинные, ночи короткие. У Солнца много времени, чтобы нагреть поверхность, и мало времени, чтобы она остыла.
Зимой дни короткие, ночи длинные. Солнце успевает дать мало тепла, а земля остывает долгими ночами.
Эти два фактора работают вместе, усиливая друг друга. Высокое Солнце и длинный день дают максимум тепла. Низкое Солнце и короткий день — минимум.
На заполярном круге бывает полярный день — Солнце не заходит за горизонт неделями и даже месяцами. И полярная ночь — Солнце не появляется из-за горизонта так же долго. Это крайнее проявление эффекта наклона оси. Если бы наклон был больше, зона полярного дня и ночи расширилась бы. Если бы меньше — сузилась.
3. Расстояние до Солнца почти не имеет значения
Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу. В самой ближней точке орбиты (перигелий) она находится на расстоянии около 147 миллионов километров от Солнца. В самой дальней (афелий) — около 152 миллионов километров. Разница — около 5 миллионов километров, или 3,4%.
Казалось бы, это должно влиять на температуру. Но на самом деле влияние расстояния настолько мало, что оно полностью перекрывается эффектом наклона оси.
Более того, Земля находится в перигелии (ближе всего к Солнцу) в начале января, когда в Северном полушарии зима. А в афелии (дальше всего) — в начале июля, когда в Северном полушарии лето.
То есть в Северном полушарии зима наступает, когда Земля ближе к Солнцу, а лето — когда дальше. Если бы расстояние было главным фактором, все было бы наоборот: январь был бы самым теплым месяцем, а июль — самым холодным.
Но есть нюанс. В Южном полушарии времена года противоположны. Когда в Северном полушарии лето, в Южном — зима. И вот тут расстояние до Солнца играет заметную роль. Южное полушарие получает зиму, когда Земля дальше от Солнца (июль), и лето, когда Земля ближе к Солнцу (январь). Поэтому зимы в Южном полушарии немного холоднее, чем в Северном на аналогичных широтах, а лета — немного жарче.
Но эта разница небольшая. Основной вклад в смену времен года вносит все равно наклон оси.
4. Почему на экваторе нет времен года
На экваторе день всегда равен ночи (примерно 12 часов). Солнце всегда поднимается высоко — почти в зенит. Наклон оси здесь почти не ощущается.
Поэтому на экваторе нет зимы и лета в привычном смысле. Там есть сезоны дождей и сезоны засухи, но температура в течение года меняется незначительно. Разница между самым теплым и самым холодным месяцем на экваторе обычно составляет всего 1-2 градуса Цельсия.
На полюсах все наоборот. Там полярный день сменяется полярной ночью, а высота Солнца никогда не бывает высокой. Поэтому на полюсах — вечная зима, даже в разгар полярного дня.
5. Времена года на других планетах
Наклон оси есть не только у Земли. У каждой планеты Солнечной системы он свой. И везде, где есть наклон, есть и времена года — просто очень разные.
Марс. Ось Марса наклонена примерно так же, как у Земли — около 25 градусов. Поэтому на Марсе есть зима, весна, лето и осень. Но марсианский год длиннее земного — 687 дней, поэтому каждое время года длится вдвое дольше. Кроме того, орбита Марса заметно вытянута. Разница между перигелием и афелием у Марса гораздо больше, чем у Земли. Поэтому времена года в Южном и Северном полушариях Марса заметно различаются по суровости.
Уран. Эта планета — абсолютный чемпион по наклону оси. Ее ось наклонена на 98 градусов. То есть Уран вращается «лежа на боку». В результате на Уране самые экстремальные времена года в Солнечной системе. Каждый полюс 42 года (земных!) смотрит прямо на Солнце, а затем 42 года находится в полной темноте.
Юпитер. Его ось наклонена всего на 3 градуса. Времена года на Юпитере почти незаметны. Но они все же есть — просто выражены очень слабо.
Венера. Ось Венеры наклонена на 177 градусов (то есть планета вращается в противоположную сторону и почти «вверх ногами»). Формально времена года на Венере есть. Но из-за чудовищного парникового эффекта температура на поверхности планеты везде и всегда около 460°C. Так что никакой практической разницы сезоны не создают.
Именно наклон оси, а не расстояние до Солнца, определяет, есть ли на планете смена времен года. И именно наклон оси (вместе с атмосферой) делает Землю пригодной для жизни — умеренные сезонные колебания стимулируют биологическое разнообразие, но не убивают все живое экстремальными перепадами.
6. Почему астрономическая весна начинается в день равноденствия
В календаре есть четыре важные точки, связанные с наклоном оси и сменой времен года.
Весеннее равноденствие (20-21 марта). Солнце пересекает небесный экватор, двигаясь из Южного полушария в Северное. День равен ночи по всей Земле. В Северном полушарии начинается астрономическая весна.
Летнее солнцестояние (20-21 июня). Солнце достигает самой северной точки на небе. В Северном полушарии — самый длинный день и самая короткая ночь. Начинается астрономическое лето.
Осеннее равноденствие (22-23 сентября). Солнце снова пересекает небесный экватор, но теперь из Северного полушария в Южное. День снова равен ночи. В Северном полушарии начинается осень.
Зимнее солнцестояние (21-22 декабря). Солнце достигает самой южной точки на небе. В Северном полушарии — самая длинная ночь и самый короткий день. Начинается астрономическая зима.
Эти даты не случайны. Они напрямую связаны с положением Земли на орбите относительно Солнца и углом наклона оси.
7. Календарный сдвиг
Вы могли заметить: астрономическое лето начинается 20-21 июня, но самые жаркие дни в Северном полушарии обычно приходятся на июль-август. Почему такая задержка?
Земля и океаны нагреваются не мгновенно. Им нужно время, чтобы накопить тепло. Максимум нагрева наступает не в день солнцестояния, когда Солнце выше всего, а спустя несколько недель, когда земля и вода уже прогрелись.
То же самое происходит и зимой: самые холодные дни — не в день зимнего солнцестояния, а в январе-феврале. Это называется сезонным запаздыванием. Чем ближе к океану, тем больше запаздывание — вода нагревается и остывает медленнее суши.
Поэтому календарные времена года (июнь-август как лето) не совпадают с астрономическими. И в разных регионах планеты «пик лета» приходится на разное время.
8. Что было бы, если бы наклон оси менялся
Наклон земной оси не постоянен. Он колеблется в пределах от 22,1 до 24,5 градусов с периодом около 41 000 лет. Это называется нутацией (или, в более широком смысле, изменением наклона оси в рамках циклов Миланковича).
Сейчас наклон составляет 23,5 градуса. Когда наклон увеличивается, зимы становятся холоднее, а лета — жарче (сезонные контрасты усиливаются). Когда наклон уменьшается, зимы мягче, лета прохладнее.
Эти колебания — один из факторов, вызывающих ледниковые периоды. Когда наклон оси становится меньше, лето в высоких широтах становится прохладнее. Снег, выпавший зимой, не успевает растаять за лето. Он накапливается год за годом — и начинается оледенение.
Изменение наклона оси — медленный процесс. Но он способен менять климат планеты в масштабах десятков тысяч лет.
Земля могла бы вращаться без наклона. Тогда не было бы ни весны, ни осени, ни нашего привычного календаря. Но этого не случилось. Ось наклонена. И именно этот наклон — наряду с расстоянием до Солнца, атмосферой и водой — сделал Землю планетой, на которой возможна жизнь в том виде, в каком мы ее знаем.