Почему меняются времена года

Зимой полуденные тени длинные, а летом тот же двор освещён совсем иначе. Солнце поднимается выше, вечер наступает позже, и поверхность успевает получить больше энергии. Эти знакомые перемены начинаются не в облаках и не в календаре, а в геометрии движения Земли. Планета вращается вокруг наклонённой оси и одновременно движется вокруг Солнца.

Из этого сочетания возникает годовой ритм освещения. Он общий для всей Земли, но проявляется неодинаково: где-то чередуются снег и зелень, где-то важнее сухой и дождливый периоды, а за полярными кругами бывают дни без заката. Чтобы понять разнообразие сезонов, сначала нужно отделить астрономическую причину от местного отклика природы.

1Наклонённая ось движущейся Земли

Земная ось — воображаемая линия, вокруг которой вращается планета. Она проходит через Северный и Южный полюса. Ось отклонена примерно на двадцать три с половиной градуса от перпендикуляра к плоскости земной орбиты. Именно этот наклон создаёт основную причину смены сезонов.^[1]

На протяжении одного года направление оси в пространстве меняется сравнительно мало. Поэтому в одной части орбиты Северное полушарие наклонено к Солнцу, а в противоположной — от него. Южное полушарие в те же моменты находится в обратных условиях. Наклон не «включается» летом и не исчезает зимой: меняется положение Земли относительно источника света.

Вращение вокруг оси создаёт суточную смену дня и ночи. Обращение вокруг Солнца при сохранении наклона создаёт годовые изменения этой суточной картины. Это два движения с разными последствиями. Статья Планеты Солнечной системы по порядку помогает представить земную орбиту среди орбит других планет, где сочетания вращения и наклона тоже различаются.

Если бы ось была перпендикулярна плоскости орбиты, привычные изменения высоты Солнца и длины дня в течение года были бы гораздо слабее. Различия между экватором и полюсами сохранялись бы, но нынешнего чередования освещения полушарий не возникало бы. Так мысленное изменение одного параметра показывает, почему наклон важнее простого факта обращения вокруг звезды.

2Высота Солнца и продолжительность дня

Летом в соответствующем полушарии Солнце проходит по небу более высокую дугу, а светлая часть суток становится длиннее. Поверхность получает энергию дольше. Одновременно лучи падают под более прямым углом, поэтому одна и та же порция света распределяется по меньшей площади. Эти два эффекта усиливают друг друга.^[2]

Зимой Солнце поднимается ниже, и день короче. Косо падающий свет распределяется по большей площади поверхности. Его путь через атмосферу также длиннее, что влияет на поступающее излучение. Но основной понятный механизм состоит в сочетании меньшей высоты Солнца и меньшего времени освещения.

Разницу хорошо передают тени. При низком Солнце вертикальный предмет отбрасывает длинную тень, при высоком — короткую. Один и тот же участок получает разное освещение без изменения формы поверхности. Сезонная геометрия поэтому проявляется не только в температуре воздуха, но и в характере света, который заметен на фотографиях и в пейзаже.

Солнечный свет участвует и в других природных явлениях. Например, Как появляется радуга и почему в ней разные цвета объясняет работу света внутри капель. Но оптическая картина и сезонный нагрев — разные вопросы: для радуги важны капли и положение наблюдателя, для годового поступления энергии — наклон оси, широта и продолжительность дня.

3Почему полушария живут в противоположных сезонах

Когда Северное полушарие сильнее освещено и там наступает летний период, Южное получает меньше света и переживает зимний. Через полгода ситуация меняется. Поэтому июль не является летним месяцем для всей планеты, а январь — зимним. Названия месяцев одинаковы, условия освещения противоположны.^[3]

При этом лето в двух полушариях не обязано давать одинаковую погоду. Суша и океан распределены между ними неравномерно, а вода медленнее нагревается и остывает, чем многие участки суши. Течения, высота местности, облачность и циркуляция воздуха тоже меняют температурный отклик. Астрономия задаёт ритм, климат определяет его местную выразительность.

В тропиках годовые изменения длины дня меньше, чем в высоких широтах. Сезоны там часто заметнее по дождям, ветрам и влажности. Четыре привычных названия удобны для многих умеренных областей, но не описывают с одинаковой точностью климат любого места на Земле.

Календарные праздники закреплены за датами, а природная обстановка зависит от широты и полушария. Поэтому материал История Нового года и новогодних традиций касается календаря и культуры, тогда как снежный или тёплый облик праздничного дня определяется географией. Один и тот же год начинается в очень разных пейзажах.

4Равноденствия и солнцестояния

Дважды в год Солнце в своём видимом годовом движении пересекает небесный экватор. Эти моменты называют равноденствиями. Освещение двух полушарий тогда становится наиболее симметричным, а продолжительности дня и ночи близки. Слово «равноденствие» не следует понимать как обещание ровно двенадцати часов света в каждом месте.^[4]

Атмосфера преломляет свет, позволяя видеть Солнце, когда геометрически оно ещё ниже горизонта. Кроме того, восход и закат определяют по краю солнечного диска, а не только по его центру. Поэтому фактическое время между восходом и закатом отличается от идеальной половины суток. Местный рельеф может добавлять свои особенности видимости.

Солнцестояния соответствуют крайним годовым положениям Солнца относительно небесного экватора. В одном полушарии это период самых длинных дней, в другом — самых коротких. Затем направление изменения длины дня обращается. Солнце при этом не перестаёт двигаться по небу: название относится к медленному изменению его годового положения возле предельного значения.

Астрономические начала сезонов отличаются от календарных и метеорологических. Для описания погоды удобно объединять полные месяцы, а астрономический отсчёт привязан к конкретным моментам геометрии. Ни один способ не гарантирует, что именно в этот день выпадет снег, распустятся листья или начнётся жаркая погода.

5Полярный день, полярная ночь и задержка тепла

В высоких широтах сезонные различия достигают особой выразительности. Летом Солнце может не заходить за горизонт, а зимой — не подниматься над ним. Возникают полярный день и полярная ночь. Продолжительность этих периодов зависит от широты; ближе к полюсам они длиннее.^[5]

Полярная ночь не означает непрерывную одинаковую темноту в любой точке. В некоторых местах сохраняются сумерки, когда Солнце находится неглубоко под горизонтом. На освещение влияют также Луна, облака и снежная поверхность. Термин описывает отсутствие восхода Солнца, а не весь зрительный облик неба.

Наиболее тёплый период обычно наступает позже момента максимальной длины дня. Поверхность, вода и атмосфера продолжают накапливать тепло, пока поступление энергии превышает потери. Аналогично сильные зимние холода часто приходят после самого короткого дня. Эта задержка называется сезонным запаздыванием и связана с тепловой инерцией.^[6]

Большие водоёмы особенно наглядно показывают, что температурный ритм не повторяет солнечный мгновенно. В статье Озеро Байкал: где находится и чем знаменито сезонный облик озера связан с состоянием воды и льда. Но время замерзания или освобождения от льда нельзя определить по одной астрономической дате: участвуют погода, перенос тепла и особенности водоёма.

6Почему расстояние до Солнца не объясняет лето

Земная орбита немного вытянута, поэтому расстояние до Солнца меняется. Ближайшую к нему точку Земля проходит в начале января, а наиболее далёкую — в начале июля. Уже это противоречит объяснению северного лета одной лишь близостью к звезде.^[7]

Ещё убедительнее одновременная противоположность сезонов. В любой момент вся Земля находится практически на одном расстоянии от Солнца, но в одном полушарии летние условия освещения, а в другом зимние. Расстояние не может объяснить эту разницу. Её создаёт наклон оси, меняющий угол падения света и длину дня.

Изменение расстояния всё же немного влияет на поступающую солнечную энергию. Оно является дополнительным фактором, а не главной причиной привычной смены сезонов. Реальный климат включает ещё множество процессов, поэтому простая астрономическая схема объясняет основу ритма, но не предсказывает погоду конкретного дня.

Так годовой пейзаж складывается из двух частей: закономерно меняющегося освещения и отклика местной среды. Золотая осень, снежная зима или сезон дождей различаются внешне, однако их понимание начинается с положения планеты, движения воздуха и воды, а также способности поверхности сохранять тепло.

7См. также

• Планеты Солнечной системы по порядку
• Как появляется радуга и почему в ней разные цвета
• Озеро Байкал: где находится и чем знаменито
• История Нового года и новогодних традиций