Тема 4 · Астрономия

Движение Солнца по эклиптике. Смена времён года

Эклиптика и склонение Солнца, полуденная высота, звёздное и солнечное время. 100 заданий на отработку.

Родителю: как помочь с темой «Движение Солнца по эклиптике. Смена времён года»

В теме 8 подтем: Полуденная высота Солнца, Определение широты по Солнцу, Склонение Солнца, Зенитное расстояние Солнца, Времена года, Звёздное и солнечное время, Эклиптика и зодиак, Времена года и время.

Попросите ребёнка открыть теорию и за 2–3 минуты своими словами рассказать вам главное.
Затем 10 заданий во вкладке «Практика»: смотрите не на скорость, а на точность — и на то, где понадобилась подсказка.
Ошибки не решайте за него: разберите пошаговое решение вместе и вернитесь к ним через день-два.

Кабинет родителя: что проходят, проверочные, результат ребёнка по ссылке →

Решено

Правильно

Точность

Простыми словами

Летом в полдень Солнце стоит высоко и греет сильно, зимой — едва поднимается над горизонтом. Причина в том, что ось Земли наклонена: за год то Северное, то Южное полушарие сильнее повёрнуто к Солнцу. С Земли это выглядит так, будто Солнце медленно ползёт по небу среди звёзд, то поднимаясь к северу, то опускаясь к югу.

Эклиптика — видимый годовой путь Солнца среди звёзд. Она наклонена к небесному экватору на угол $ε \approx 23, 5^{\circ}$ — ровно на столько, на сколько ось Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости её орбиты.

Эклиптика проходит через 12 зодиакальных созвездий (на самом деле её пересекает и 13-е — Змееносец). Солнце обходит эклиптику за год, смещаясь примерно на $1^{\circ}$ в сутки ( $36 0^{\circ}$ за 365 суток).

Склонение Солнца по датам

Склонение $δ$ — угол между светилом и небесным экватором (к северу «+», к югу «−»). У Солнца оно меняется за год от $- 23, 5^{\circ}$ до $+ 23, 5^{\circ}$ .

Дата	Событие	Склонение $δ$
21 марта	весеннее равноденствие	$0^{\circ}$
22 июня	летнее солнцестояние	$+ 23, 5^{\circ}$
23 сентября	осеннее равноденствие	$0^{\circ}$
22 декабря	зимнее солнцестояние	$- 23, 5^{\circ}$

В дни равноденствий Солнце на небесном экваторе, день равен ночи по всей Земле. В дни солнцестояний Солнце дальше всего от экватора: 22 июня в Северном полушарии самый длинный день, 22 декабря — самый короткий.

Запомните «крест» дат: два равноденствия — $0^{\circ}$ , июнь — плюс, декабрь — минус. Число одно на все случаи: $23, 5^{\circ}$ .

Полуденная высота Солнца

В истинный полдень Солнце находится в верхней кульминации — выше всего над горизонтом. Небесный экватор на юге поднят над горизонтом на $9 0^{\circ} - φ$ , а Солнце стоит выше экватора на $δ$ .

h = 9 0^{\circ} - φ + δ

высота Солнца в полдень (Солнце к югу от зенита)

где $h$ — высота над горизонтом, $φ$ — географическая широта места, $δ$ — склонение Солнца (всё в градусах).

Для

φ = 5 6^{\circ}

: экватор на высоте

3 4^{\circ}

, летом

h = 57, 5^{\circ}

, зимой

h = 10, 5^{\circ}

; полюс мира поднят на

φ

21 марта, 23 сентября

h = 9 0^{\circ} - φ

22 июня

h = 9 0^{\circ} - φ + 23, 5^{\circ}

22 декабря

h = 9 0^{\circ} - φ - 23, 5^{\circ}

Разница полуденных высот летом и зимой всегда $2 \cdot 23, 5^{\circ} = 4 7^{\circ}$ — на любой широте.

22 декабря, $δ = - 23, 5^{\circ}$ , $φ = 3 9^{\circ}$ . Найдите $h$ .

$h = 9 0^{\circ} - 3 9^{\circ} + (- 23, 5^{\circ})$ .
$h = 5 1^{\circ} - 23, 5^{\circ} = 27, 5^{\circ}$ .

Склонение подставляют со знаком: зимой $δ$ отрицательно, и его вычитают. Частая ошибка — прибавить $23, 5^{\circ}$ и зимой.

Зенитное расстояние и широта

Зенитное расстояние $z$ — угол от зенита до светила; оно дополняет высоту до $9 0^{\circ}$ :

z = 9 0^{\circ} - h = φ - δ

зенитное расстояние Солнца в полдень

Из той же формулы находят широту по наблюдению Солнца: $φ = 9 0^{\circ} - h + δ$ .

22 июня, $δ = 23, 5^{\circ}$ , $φ = 5 8^{\circ}$ . Найдите $z$ .

$z = φ - δ = 5 8^{\circ} - 23, 5^{\circ} = 34, 5^{\circ}$ .

22 июня Солнце кульминировало к югу от зенита на высоте $h = 65, 5^{\circ}$ , $δ = 23, 5^{\circ}$ . Найдите широту.

$φ = 9 0^{\circ} - h + δ$ .
$φ = 9 0^{\circ} - 65, 5^{\circ} + 23, 5^{\circ} = 4 8^{\circ}$ .

Солнце бывает в зените только между тропиками ( $23, 5^{\circ}$ с. ш. и $23, 5^{\circ}$ ю. ш.). За полярными кругами ( $66, 5^{\circ}$ ) бывают полярный день и полярная ночь.

Почему сменяются времена года

Ось Земли сохраняет направление в пространстве, пока Земля обходит Солнце. Поэтому полушарие, наклонённое к Солнцу, получает более «отвесные» лучи и длинный день — там лето.

Ось наклонена в одну сторону. Слева к Солнцу повёрнут северный полюс — лето в Северном полушарии; справа — зима

Лето наступает не потому, что Земля ближе к Солнцу. Наоборот: ближе всего к Солнцу Земля бывает в начале января, когда в Северном полушарии зима.

Звёздные и солнечные сутки

Звёздные сутки — период вращения Земли относительно звёзд: $2 3^{ч} 5 6^{м} 4^{с}$ . Солнечные сутки длиннее — $2 4^{ч}$ : за сутки Земля проходит часть орбиты (около $1^{\circ}$ ), и ей нужно довернуться ещё примерно на $1^{\circ}$ , чтобы Солнце снова оказалось на меридиане.

Δ t \approx 4 мин \cdot N

на столько раньше кульминирует звезда через

N

суток

Точная разница — $3^{м} 5 6^{с}$ за сутки, при расчётах округляют до 4 минут. Поэтому вид звёздного неба в один и тот же час меняется в течение года.

Прошло $N = 33$ суток. На сколько минут раньше кульминирует звезда?

$Δ t = 4 \cdot 33 = 132$ мин.

$1^{\circ}$ поворота Земли — это 4 минуты времени ( $36 0^{\circ}$ за 24 ч). Отсюда и «4 минуты в сутки».

Ещё факты: год, прецессия, полярный день

Солнце перемещается среди звёзд по эклиптике из-за обращения Земли вокруг Солнца: мы видим его на фоне разных созвездий.
Тропический год — промежуток между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия (около 365,2422 суток).
Прецессия — медленный поворот земной оси по конусу с периодом около 26 000 лет. Из-за неё точка весеннего равноденствия смещается по эклиптике навстречу Солнцу; в нашу эпоху она находится в созвездии Рыбы.
С 22 декабря по 22 июня полуденная высота Солнца в Северном полушарии увеличивается, с 22 июня по 22 декабря — уменьшается.
На северном полярном круге 22 июня Солнце не заходит целые сутки; на Северном полюсе полярный день длится около полугода. На экваторе полярного дня не бывает: Солнце там каждый день восходит и заходит, день почти всегда равен ночи.
Истинное солнечное время — часовой угол Солнца, увеличенный на 12 ч. Истинные солнечные сутки в течение года немного меняются по длительности (Земля движется по эллипсу, ось наклонена), поэтому для счёта времени используют среднее солнечное время.

Серия: 0