Oświetlenie Ziemi w ciągu roku

Punkt podsłoneczny jest to punkt na powierzchni Ziemi, nad którym w danym momencie słońce góruje w zenicie. Na każdym równoleżniku obserwujemy inną wysokość Słońca. Na półkuli północnej dzień 21 marca jest początkiem kalendarzowej wiosny, na półkuli południowej w tym dniu rozpoczyna się kalendarzowa jesień. 23 września na odwrót, na półkuli północnej rozpoczyna się kalendarzowa jesień, natomiast na półkuli południowej obserwujemy początek kalendarzowej wiosny. W przeciągu trzech kolejnych miesięcy począwszy od równonocy punkt podsłoneczny przesuwa się na północ. W dni równonocy (21 marzec i 23 wrzesień) Słońce znajduje się w płaszczyźnie równika. Jeżeli więc znamy wysokość Słońca mad horyzontem (h) to h= 90°-φ, gdzie φ oznacza szerokość geograficzną, która po przekształceniu wynosi φ = 90°-h, ponieważ w dniach 21 marca i 23 września wysokość Słońca w czasie górowania na równiku wynosi 90°. Dnia 22 czerwca szerokość geograficzną w której Słońce góruje ze znaną wysokością oblicza się ze wzoru: φ= 90°-h+ 23°27’, natomiast dnia 22 grudnia na półkuli północnej stosuje się wzór: φ= 90°-h- 23°27’. Wartość 23°27’ jest to szerokość geograficzna równoleżników, nad którymi w dniach 22 czerwca i 22 grudnia Słońce góruje w zenicie, czyli zwrotnika Raka i zwrotnika Koziorożca. Dla wyznaczenia szerokości geograficznej na półkuli południowej w tych dniach stosuje się następujące wzory: dla 22 czerwca: φ= 90°-h- 23°27, natomiast dla 22 grudnia: φ= 90°-h+ 23°27’. Zmiana szerokości geograficznej, w której Słońce góruje w zenicie powoduje zmianę warunków oświetlenia na Ziemi. W poszczególnych szerokościach geograficznych zmienia się ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi. Wysokość górowania Słońca wzrasta, lub maleje. Zmiany te są przyczyną występowania astronomicznych pór roku, którym towarzyszą zmiany długości trwania dnia i nocy na Ziemi.

Tab. 1 Wysokość górowania Słońca nad horyzontem w pierwsze dni pór roku dla Krakowa. (φ= 50°N)

Daty                  Wzory dla półkuli północnej              Obliczenia

21 III i 23 IX         h= 90°-φ                                        h= 90°-50°= 40°

22 VI                    h= 90°-φ+ 23°27’                           h= 90°-50°+23°27’= 63°27’

22 XII                   h= 90°-φ- 23°27’                            h= 90°-50°-23°27’= 16°33’

Na półkuli północnej astronomiczne pory roku pokrywają się z kalendarzowymi. Natomiast na półkuli południowej kalendarzowe przesunięte są o 6 miesięcy w stosunku do astronomicznych. Znaczy to że astronomicznej zimie na półkuli północnej odpowiada kalendarzowe lato na półkuli południowej. Kalendarzowe pory roku zaznaczają się najwyraźniej w umiarkowanych szerokościach geograficznych. Dzień polarny jest to zjawisko występujące w strefach polarnych tj. na obszarach ograniczonych kołami podbiegunowymi. Jest to okres, w którym Słońce znajduje się nad horyzontem dłużej niż 24 godziny. Długość dnia polarnego jest różna. Dzień polarny trwa najkrócej 24 godziny na terenach położonych na szerokościach geograficznych wyznaczających koła podbiegunowe. Zjawisko to obserwowane jest najdłużej na biegunach- 6 miesięcy. Noc polarna natomiast to okres, w którym Słońce pozostaje ukryte pod horyzontem przez okres dłuższy, niż 24 godziny. Wiosną latem w strefach podbiegunowych, oraz częściach stref umiarkowanych położonych w pobliżu kół podbiegunowych występuje zjawisko białych nocy. Tarcza słoneczna nie chowa się wtedy głęboko pod horyzontem, przez co zmierzch przechodzi bezpośrednio w świt. Pomimo tego, że Słońce znajduje się  pod horyzontem nie zapada typowa noc, gdyż dochodzi do rozproszenia promieni słonecznych.

21 marca

Wysokość Słońca w czasie górowania na równiku wynosi 90°. Kula Ziemska oświetlona jest równomiernie, lecz wysokość Słońca nad horyzontem zależy od szerokości geograficznej: maleje ona wraz odległością od równika. Na biegunach wysokość Słońca nad horyzontem wynosi tego dnia 0°. Równomierne oświetlenie kuli ziemskiej powoduje, że dzień jest równy nocy, i trwa 12 godzin.  Dzień ten nazwano dniem równonocy wiosennej. Poczynając od 21 marca półkula północna jest coraz bardziej ogrzana i oświetlona a punkt podsłoneczny zaczyna przesuwać się w kierunku Zwrotnika Raka. Na biegunie północnym rozpoczyna się dzień polarny, a kończy noc polarna. Na półkuli południowej rozpoczyna się tego dnia astronomiczna jesień, a na biegunie południowym obserwuje się początek nocy polarnej wraz z końcem dnia polarnego.

22 czerwca

Promienie słoneczne tego dnia padają prostopadle na Zwrotnik Raka. W tym miejscu Słońce świeci w zenicie. W tym dniu bardziej oświetlona jest półkula północna, na której rozpoczyna się kalendarzowe lato. Na półkuli północnej także odnotowuje się najdłuższy dzień w roku, oraz najkrótszą noc. Dzień ten nazywany jest przesileniem letnim. Długość trwania dnia rośnie wraz ze wzrostem szerokości geograficznych północnych.  Na półkuli południowej obserwujemy początek kalendarzowej zimy. Promienie słoneczne w tym dniu oświetlają biegun północny, natomiast na półkuli południowej docierają tylko do koła podbiegunowego południowego. Od 22 czerwca punkt podsłoneczny zaczyn przesuwać się w kierunku równika. Za kołem podbiegunowym północnym Słońce znajduje się stale nad  horyzontem, więc trwa tam dzień polarny. Za południowym kołem podbiegunowym obserwuje noc polarną.

23 września

Tego dnia promienie słoneczne w momencie górowania padają pod kątem prostym na równik, podobnie jak 21 marca. Cała kula ziemska jest równomiernie oświetlona, dzień i noc trwają ponownie po 12 godzin. Dzień ten nazywany jest momentem równonocy jesiennej. Poczynając od dnia 23 września coraz bardziej ogrzana i oświetlona staje się półkula południowa. Na półkuli północnej rozpoczyna się kalendarzowa jesień, podczas gdy na półkuli południowej wiosna. Od 23 września punkt podsłoneczny zaczyna przesuwać się w kierunku Zwrotnika Koziorożca. Na biegunie północnym rozpoczyna się noc polarna, a na biegunie południowym obserwuje się początek dnia polarnego.

22 grudnia

Promienie słoneczne padającego dnia prostopadle na Zwrotnik Koziorożca, a więc Słońce świeci w zenicie nad tym równoleżnikiem. Bardziej oświetlona jest półkula południowa. Dzień ten nazywany jest przesileniem zimowym. Na półkuli północnej trwa wówczas najdłuższa noc i najkrótszy dzień w roku. Na półkuli północnej rozpoczyna się kalendarzowa zima, natomiast na półkuli południowej jest to pierwszy dzień kalendarzowego lata. Za północnym kołem podbiegunowym zaczyna się noc polarna. Od 22 grudnia punkt podsłoneczny zaczyna przesuwać się w kierunku równika. Poczynając od tego dnia zmniejsza się oświetlenie i ogrzanie półkuli południowej. Ziemia w swej wędrówce po orbicie zwracać się zaczyna ku Słońcu ponownie półkulą północną.

Strefowe oświetlenie Ziemi

Biorąc pod uwagę różnice w oświetleniu Ziemi w ciągu roku na  różnych szerokościach geograficznych wyróżniono pięć stref. Granicami tych stref są zwrotniki, oraz koła podbiegunowe. Pomiędzy Zwrotnikiem Raka a Zwrotnikiem Koziorożca rozciąga się strefa międzyzwrotnikowa. W strefie tej Słońce dwukrotnie góruje w zenicie, a więc promienie słoneczne padają prostopadle do powierzchni Ziemi. Tylko na zwrotnikach słońce góruje w zenicie raz w roku. W strefie tej dzień i noc trwają tyle samo, więc ok. 12 godzin. Różnice w długości trwania dnia i nocy największe są na zwrotnikach i wynoszą do dwóch godzin. Strefa ta otrzymuje najwięcej energii słonecznej, równomiernie rozłożonej. Pomiędzy zwrotnikami a kołami podbiegunowymi rozciągają się dwie strefy szerokości umiarkowanych.

W przeciągu roku zmienia się w nich długość trwania dnia i nocy. W lecie dzień  trwa dłużej, niż noc, w zimie na odwrót. Otrzymuje zmienne ilości promieniowania Słońca w ciągu roku, zdecydowanie większą ilość w półroczu letnim. Występuje tu wyraźna sezonowa zmienność przyrodnicza, a pory roku zaznaczają się wyraźnie. W strefach umiarkowanych słońce nigdy nie góruje w zenicie. Wysokość górowania  Słońca zmniejsza się od zwrotników w kierunku biegunów. W miarę wzrostu szerokości geograficznej promienie słoneczne padają pod coraz mniejszym kątem, słabiej, tym samym nagrzewając powierzchnię Ziemi. W tej strefie oświetlenia znajduje się Polska. W obszarze, który ograniczają koła podbiegunowe rozciągają się dwie strefy podbiegunowe. W strefach tych występują dni, oraz noce polarne. W miarę przybliżenia się w kierunku biegunów zarówno dni, jak i noce polarne trwają coraz dłużej. Na biegunach trwają one pół roku. Ze względu na bardzo niski kąt padania promieni słonecznych podczas lata, oraz występowanie nocy polarnych podczas zimy powierzchnia Ziemi w tych strefach jest bardzo słabo nagrzana.