← Laboratorium Kosmos · Astronomia

Eksperyment · Kosmos

Pory roku — to nie odległość

Na początku stycznia Ziemia jest najbliżej Słońca w całym roku, a w Polsce trwa wtedy zima. Pory roku robi nachylenie osi o 23,44°. Obracaj scenę, przesuwaj datę i zobacz, skąd biorą się długie letnie dni, białe noce i dzień polarny, dlaczego zima na północy jest najkrótszą porą roku — i czemu za kilkanaście tysięcy lat na biegunie nieba będzie świecić Wega.

„Latem jesteśmy bliżej Słońca”→perihelium ok. 3 stycznia (147,1 mln km), aphelium na początku lipca (152,1 mln km)

Przeciągnij, aby obrócić scenę, kółko lub szczypanie przybliża. Rozmiary Ziemi i Słońca nie są w skali.
—

←→ dzień Shift+←→ miesiąc Spacja odtwarzaj / pauza T dziś 1–5 tryby +− przybliżenie

Skąd biorą się pory roku?

Oś obrotu Ziemi jest nachylona o ε = 23,44° do pionu względem płaszczyzny orbity i przez cały rok wskazuje w to samo miejsce na niebie — w pobliże Gwiazdy Polarnej. W czerwcu półkula północna jest więc zwrócona ku Słońcu, a w grudniu od niego odwrócona. Gdy Słońce stoi wyżej, ta sama wiązka światła pada na mniejszą powierzchnię, a dzień jest dłuższy — i to właśnie grzeje.

Odległość od Słońca zmienia się tylko o ok. 3,4 % (147,1 → 152,1 mln km), więc strumień światła różni się o ok. 6,9 % między perihelium a aphelium. W Warszawie różnica lato–zima jest prawie siedmiokrotna.

Deklinacja Słońca

Deklinacja δ to szerokość geograficzna, nad którą Słońce stoi w południe w zenicie. Prosty wzór przybliżony (N — numer dnia roku, 1 stycznia to N = 1):

δ ≈ −23,44° · cos(360°365· (N + 10))

W symulacji liczymy dokładniej: z orbity Keplera wyznaczamy długość ekliptyczną Słońca λ, a potem sin δ = sin ε · sin λ. Dzięki temu równonoce, przesilenia i perihelium wypadają we właściwe dni.

Wysokość Słońca w południe

h = 90° − φ + δdla półkuli północnej, gdy Słońce góruje na południu; ogólnie h = 90° − |φ − δ|

W Warszawie (φ = 52,2°) daje to ok. 61,2° w czerwcu i tylko 14,3° w grudniu.

Długość dnia

cos H0 = sin h0 − sin φ sin δcos φ cos δ,   dzień = 2H015°/h

H0 to kąt godzinny wschodu. Przyjmujemy h0 = −0,833°: atmosfera podnosi obraz Słońca o ok. 0,57° (refrakcja), a wschód liczymy od górnego brzegu tarczy (promień 0,27°). Gdy prawa strona wychodzi poza przedział od −1 do 1, Słońce nie zachodzi (dzień polarny) albo nie wschodzi (noc polarna).

Nasłonecznienie

Q = S0π · (d̄d)2 · (H0 sin φ sin δ + cos φ cos δ sin H0)

To średnia moc światła na 1 m² poziomej powierzchni w ciągu doby, nad atmosferą. S0 ≈ 1361 W/m² to stała słoneczna, d̄/d — stosunek średniej i chwilowej odległości od Słońca, a H0 (w radianach) liczymy tu dla środka tarczy na horyzoncie (h0 = 0). Czynnik (d̄/d)² zmienia się w roku tylko od ok. 0,967 do 1,034.

Zmierzchy

O północy Słońce jest najniżej: hmin = φ + δ − 90° (półkula północna). W dniu przesilenia (δ = 23,44°) białe noce, czyli zmierzch cywilny przez całą noc (hmin ≥ −6°), zaczynają się od 60,56° N, a Słońce przestaje zachodzić od ok. 65,7° N — nieco na południe od koła podbiegunowego (66,56°), właśnie dzięki refrakcji i rozmiarowi tarczy.

Orbita Keplera i nierówne pory roku

M = E − e sin E,   tg(ν2) = √1 + e1 − e tg(E2),   r = a(1 − e²)1 + e cos ν

Anomalia średnia M rośnie równomiernie z czasem, a z równania Keplera wyznaczamy położenie na elipsie (e = 0,0167). Pory roku to ćwiartki orbity (co 90° długości Słońca), ale Ziemia przebiega je w różnym tempie: dziś wiosna północna trwa ok. 92,7 d, lato 93,7 d, jesień 89,9 d, a zima 89,0 d.

Wielki Rok

Grawitacja Słońca i Księżyca działa na spłaszczoną Ziemię jak na bąka: oś kreśli stożek raz na ok. 25 770 lat (precesja, 50,29″ na rok, czyli 1° na ok. 72 lata). Jednocześnie obraca się sama elipsa orbity. Razem sprawia to, że perihelium przesuwa się w kalendarzu o ok. 1 dzień na 58 lat, a pełny cykl względem pór roku trwa ok. 21 tys. lat.

Uproszczenia modelu
  • Orbita Ziemi to elipsa Keplera ze stałym mimośrodem 0,0167; pomijamy wpływ planet. Daty perihelium i aphelium mają dodaną poprawkę na Księżyc (środek Ziemi krąży wokół środka masy układu Ziemia–Księżyc), więc zgadzają się z tablicami z dokładnością do kilku godzin.
  • Nachylenie osi ma stałe 23,44°; w rzeczywistości zmienia się ono powoli (dziś ok. 23,44° i maleje).
  • Czasy wschodu i zachodu podajemy w czasie słonecznym; czas zegarowy dla miast liczymy z długości geograficznej, strefy czasowej i równania czasu. Refrakcja jest stała (standardowa); w rzeczywistości zależy od pogody i może przesunąć wschód o minutę lub dwie.
  • Deklinację przyjmujemy stałą w ciągu doby (liczona w południe).
  • Nasłonecznienie liczymy nad atmosferą, bez chmur, pochłaniania i odbicia.
  • Precesja jako równomierny obrót po okręgu; perihelium przesuwa się liniowo, a mimośród i nachylenie są w trybie 5 stałe. Pomijamy nutację i ruchy własne gwiazd.
  • Krzywe Milankovicia są schematem o poprawnych okresach i zakresach, a nie rozwiązaniem orbitalnym (np. Laskara).
  • Dla Jowisza, Urana i Wenus kierunek perihelium względem pór roku przyjęto w przybliżeniu lub umownie.

Czy wiesz, że…?

  1. Najbliżej Słońca jesteśmy w styczniu. Perihelium wypada ok. 2–5 stycznia (ok. 147,1 mln km), aphelium ok. 3–6 lipca (ok. 152,1 mln km). Dokładny dzień zmienia się z roku na rok także przez Księżyc.
  2. W styczniu Ziemia pędzi o ok. 1 km/s szybciej niż w lipcu: ok. 30,3 km/s wobec 29,3 km/s. Dlatego zima na północy jest najkrótszą porą roku — trwa ok. 89 dni, a lato ok. 93,7.
  3. Latem na półkuli południowej do górnej granicy atmosfery dociera ok. 7 % więcej światła niż latem na półkuli północnej, bo Ziemia jest wtedy bliżej Słońca. Upałów to jednak nie potęguje tak bardzo: ok. 81 % półkuli południowej to ocean, który łagodzi klimat.
  4. Gwiazda Polarna nie zawsze była i nie zawsze będzie polarna. Ok. 2800 lat p.n.e., w epoce budowy piramid, biegun nieba leżał przy Thubanie w Smoku, a za ok. 12 tys. lat będzie ok. 5° od Wegi.

Wyzwania 0/6

  • Ustaw datę perihelium

    Znajdź dzień, w którym Ziemia jest najbliżej Słońca (tryby 1–4, Ziemia, bez odtwarzania).

    nie zaliczone
  • Ustaw nachylenie tak, żeby zniknęły pory roku

    Przy jakim nachyleniu osi Słońce co dzień wędruje tak samo?

    nie zaliczone
  • Znajdź szerokość, na której 21 czerwca Słońce nie zachodzi

    Ustaw datę ok. 21 czerwca i szerokość, na której trwa dzień polarny (z refrakcją).

    nie zaliczone
  • Wywołaj prawdziwe białe noce

    Słońce ma zajść, ale przez całą noc nie zejść niżej niż 6° pod horyzont.

    nie zaliczone
  • Znajdź dzień, w którym w Warszawie Słońce stoi w południe najwyżej

    Wybierz Warszawę i szukaj dnia z największą wysokością Słońca w południe.

    nie zaliczone
  • Przesuń czas tak, żeby perihelium wypadło latem

    W trybie Wielki Rok znajdź epokę, w której Ziemia jest najbliżej Słońca latem na półkuli północnej.

    nie zaliczone

Daty zdarzeń podajemy w czasie polskim. Model liczy położenia z dokładnością do kilku godzin, więc zdarzenie tuż przed północą może wypaść w tabelach dzień później lub wcześniej.