Если совсем коротко: зимой холодно не потому, что Земля «отъехала» подальше от Солнца, а потому, что наша половина планеты в это время наклонена от него. Солнце висит низко над горизонтом, лучи падают косо и размазываются по большой площади, да ещё и день короткий — тепла за сутки набегает мало. Летом всё наоборот: полушарие повёрнуто к Солнцу, лучи бьют почти отвесно, день длинный. Весь фокус — в наклоне земной оси примерно на 23,5 градуса, и больше по сути ни в чём.
Привет, это канал «Обо всём». Сегодня — вопрос из разряда «ну это же очевидно», на котором взрослые образованные люди спотыкаются с завидным постоянством. Спроси на улице, почему летом теплее, — и половина уверенно ответит: потому что летом мы ближе к Солнцу. Так вот, нет. И, что самое смешное, всё ровно наоборот: в разгар нашей зимы Земля к Солнцу как раз ближе всего за год. Давайте разберёмся, как это устроено на самом деле.
Наклон оси — вот и весь секрет
Земля вертится вокруг своей оси — воображаемой спицы, продетой сквозь оба полюса. Главное: эта спица стоит не прямо, а завалена набок. Ось наклонена к плоскости земной орбиты примерно на 23,5 градуса — именно наклон оси, а не расстояние до Солнца, NOAA называет причиной времён года. Угол небольшой, но последствия у него — весь климат планеты.
Хитрость в том, что ось всё время смотрит в одну и ту же точку неба — почти точно на Полярную звезду — и за год это направление не меняется. Земля едет по орбите, а «спица» остаётся повёрнутой туда же. Поэтому полгода к Солнцу подставлена «макушка» планеты — Северное полушарие, а ещё полгода — «низ», Южное. Когда наша, северная, половина наклонена к Солнцу, у нас лето. Через полгода Земля оказывается по другую сторону орбиты, и теперь северная макушка смотрит в сторону от Солнца — приходит зима. Как прямо формулирует NASA, сезоны создаёт именно наклонённая ось Земли, а вовсе не то, насколько далеко мы от звезды.
Это та же орбитальная механика, по которой планета вообще держится возле Солнца и не улетает прочь, — родственница той, из-за которой Луна не падает на Землю, хотя и притягивается ею. Орбита почти круговая, скорость подобрана ровно так, чтобы год за годом повторять один и тот же путь.
Почему косые лучи греют хуже, чем прямые
Хорошо, полушарие наклонено к Солнцу. Но каким образом наклон превращается в тепло? Тут работают сразу три вещи, и все три — следствие одного и того же угла.
Первое и главное — под каким углом свет падает на землю. Представьте фонарик. Светите им прямо вниз на стол — получаете яркое круглое пятно. Наклоните фонарик — и то же самое пятно растянется в бледный вытянутый овал: света столько же, но размазан он по большей площади. С солнечными лучами ровно то же самое: когда свет идёт почти отвесно, энергия собрана на маленьком пятачке, а при косом падении тот же пучок растекается по большей площади, и на каждый квадратный метр достаётся меньше тепла. Летом Солнце в полдень высоко — лучи крутые. Зимой оно едва приподнимается над горизонтом — лучи косые.
Второе — длина дня. Летом Солнце встаёт рано, садится поздно, и прогрев идёт много часов подряд. Зимой короткий день не успевает накопить тепло, а длинная ночь всё выстуживает. Третье, менее очевидное: косой луч проходит сквозь более толстый слой атмосферы — он входит в неё под пологим углом и дольше продирается к поверхности, теряя по дороге часть энергии на рассеяние и поглощение. Отвесный летний луч пробивает атмосферу кратчайшим путём. Сложите всё вместе — и разница между «печёт» и «мороз» набирается именно отсюда.
Заметить этот угол можно без всяких приборов. Сравните, как высоко Солнце поднимается в полдень летом — почти над головой, тени короткие, — и как оно едва ползёт над крышами в декабре, растягивая тени на полдвора. Это и есть та самая разница в крутизне лучей, переведённая в бытовую картинку. Высокое полуденное Солнце — короткая тень и жара; низкое — длинная тень и холод. По длине собственной тени в полдень вы, по сути, читаете, сколько тепла достаётся земле под ногами.
«Ага»-момент: когда у нас зима, в Австралии разгар лета
Вот простой способ проверить всю эту историю, не выходя из комнаты. Если бы сезоны зависели от расстояния до Солнца, то на всей планете они были бы одинаковыми: ближе — везде лето, дальше — везде зима. Но это не так. Пока у нас в январе трещат морозы, в Аргентине, Австралии и ЮАР — макушка лета, пляжи и жара. В один и тот же момент! Южное полушарие в это время наклонено к Солнцу, а северное — от него.
Расстояние-то до Солнца у обеих половин планеты практически одинаковое — Земля по сравнению с дистанцией до Солнца крошечная. А сезоны при этом противоположные. Значит, дело точно не в расстоянии, а в том, каким боком к Солнцу повёрнута конкретная половина шара. Это и есть то самое наблюдение, которое одним махом разбивает главный миф.
Тот же наклон заодно объясняет полярный день и полярную ночь. Летом полюс, подставленный к Солнцу, не уходит в тень даже ночью — светило кружит над горизонтом сутки напролёт. Зимой противоположный полюс, отвёрнутый от Солнца, по полгода не видит его вовсе. Одна и та же причина — наклонённая ось — разворачивается то бесконечным днём, то бесконечной ночью, смотря с какой стороны орбиты сейчас Земля.
Миф, который сидит в голове у всех: «зимой Земля дальше от Солнца»
А теперь — контрольный выстрел по этому мифу. Орбита Земли не идеальный круг, а чуть вытянутый овал, поэтому в течение года расстояние до Солнца и правда немного гуляет. Вопрос только — когда мы ближе. И вот сюрприз: ближе всего к Солнцу (эта точка называется перигелий) Земля проходит в начале января — то есть в разгар северной зимы. Именно тогда, когда Земля ближе всего к Солнцу, в Северном полушарии стоит зима, а дальше всего мы отходим в начале июля, в самую жару.
Разница в расстоянии — около 5 миллионов километров, это всего примерно 3 процента от средней дистанции. На фоне 150 миллионов километров до Солнца такая прибавка почти ничего не решает: эффекта от наклона она не перебивает и близко. Так что миф не просто неточен — он перевёрнут с ног на голову. Ближе — не значит теплее. Если бы климат задавало расстояние, самым тёплым месяцем в России был бы январь. Представили? Вот и природа не стала так делать.
Ещё два мифа: «слабое зимнее Солнце» и «на экваторе тепло, потому что ближе»
Миф второй: «зимой само Солнце светит слабее». Нет. Солнце — ровный термоядерный реактор, его мощность за год практически не меняется и уж точно не выключается на зиму по расписанию. До верхней границы атмосферы в январе прилетает даже чуть больше энергии, чем в июле, — мы же в это время ближе. А на земле всё равно холодно, потому что эту энергию «размазывает» косой угол и съедает короткий день. Светит Солнце одинаково — меняется лишь то, как его свет ложится на нашу половину планеты.
Миф третий: «на экваторе нет зимы, потому что он ближе к Солнцу». Тоже мимо. Экватор не ближе к Солнцу сколько-нибудь заметно — повторюсь, на масштабах Солнечной системы Земля почти точка, и разница в несколько тысяч километров между экватором и полюсом на фоне 150 миллионов километров попросту теряется. Жарко на экваторе по другой причине: там Солнце круглый год стоит высоко, почти над головой, и лучи падают отвесно — те самые «крутые» лучи, что собирают тепло на маленькой площади. И день с ночью там круглый год примерно равны по двенадцать часов, без зимних «огрызков» светового дня. Чем дальше к полюсам, тем более пологим становится угол даже летом, тем сильнее свет растягивается по поверхности — оттого в высоких широтах прохладно, а на полюсах лежат вечные льды. Дело всегда в угле, а не в дистанции.
Почему самый холод приходит уже после солнцестояния
Последняя тонкость, которая многих сбивает. Самый короткий день в Северном полушарии — около 21 декабря, зимнее солнцестояние. Логично было бы ждать, что это и есть пик холода. Но нет: самые лютые морозы обычно наваливаются в январе, а то и в феврале. С летом та же история — самое пекло чаще приходится не на 21 июня, а на июль. Почему так?
Виновата тепловая инерция. Земля, и особенно океаны, — это гигантский аккумулятор тепла. Вода прогревается и остывает медленно, а покрывает она больше двух третей поверхности планеты. После солнцестояния света уже становится больше, но суша и моря ещё не отдали накопленный за осень холод, поэтому воздух продолжает выстывать по инерции ещё несколько недель. Весной и летом — зеркально: океан долго раскачивается и отдаёт тепло с запозданием. Отсюда и сдвиг на недели между «днём максимального Солнца» и «днём максимального тепла (или холода)». Кстати, та же медленная физика охлаждения стоит за тем, как мороз рисует свои узоры на оконном стекле, и за тем, почему машина так не любит заводиться в сильный холод.
Коротко
— Времена года даёт наклон земной оси на ~23,5°, а не расстояние до Солнца.
— Летом полушарие наклонено к Солнцу: лучи крутые, день длинный, тепла много. Зимой наклонено от Солнца: лучи косые, день короткий, тепла мало.
— Косые лучи греют слабее, потому что та же порция света растекается по большей площади и идёт сквозь более толстую атмосферу.
— Когда у нас зима, в Южном полушарии лето — в один и тот же момент. Значит, дело не в расстоянии.
— В начале января Земля ближе всего к Солнцу (перигелий) — и у нас при этом зима. Ближе не значит теплее.
— Солнце зимой светит так же, как летом; на экваторе жарко не из-за близости, а из-за отвесных лучей круглый год.
— Пик холода и жары запаздывает относительно солнцестояний из-за тепловой инерции океанов.
Пока нет комментариев