16 июля 2018, 17:29

Смена времён года

Фотобиология

Как уже говорилось ранее, существует значение солнечной постоянной — 1361 Вт/м2. Это количество энергии, получаемой нашей планетой от солнца на границе земной атмосферы. Солнце излучает энергию практически равномерно, но Земля на протяжении года испытывает значительные перепады в доходящем до поверхности объёме энергии. Эти перепады в количестве получаемой энергии проявляются в виде смены времён года.

Эллиптический путь Земли вокруг Солнца (иллюстрация значительно схематизирована) подводит Землю слегка ближе к Солнцу в январе, чем в июле.

Земля совершает полный оборот вокруг Солнца примерно за 365 дней и шесть часов (плюс один високосный день в феврале каждые четыре года). Орбита вращения нашей планеты не является строго круговой, а представляет собой малорастянутый эллипс. Ближе всего к Солнцу Земля находится 4 января (около 147,000,000 км), эта точка называется «перигелий», а дальше всего — 4 июля (152,000,000 км), эту точку называют «афелий». Таким образом, в перигелии Земля на 3% ближе к Солнцу, чем в афелии. Термины перигелий и афелий приходят от имени греческого бога солнца Гелиоса, «пери» по-гречески «рядом», а «афо» — «далеко». Однако лето сменяется зимой не потому что наша планета приближается и отдаляется от Солнца в течении года, как это ещё нередко можно услышать. Если бы это было так, то январь был бы самым жарким месяцем в году. В реальности количество падающей на земную поверхность энергии зависит от наклона земной оси.

Ось вращения Земли наклонена на 23.4 градуса относительно нормали (перпендикуляра) к поверхности планеты. Считается, что это произошло на раннем этапе формирования Земли, около 4,5 миллиардов лет назад, когда она подверглась массированному воздействию космических тел. В частности, предполагается что столкновение с планетой Тейя привело к образованию Луны из земных и космических обломков. Сила столкновения была так велика, что была способна нарушить выравнивание Земли, а образовавшееся на земной орбите облако частиц, позже под действием гравитации «слепившихся» в Луну, закрепило эффект. Сейчас Луна выступает как стабилизатор, без неё осевой наклон Земли был бы больше.

Влияние наклона оси вращения планеты на климат можно проиллюстрировать на примере планеты Уран. Ось вращения этой планеты наклонена на угол 98° относительно солнечной орбиты, т.е. Уран на Солнце смотрит полюсом. В результате половина планеты погружена во тьму, а на другой половине постоянный день, и половины планеты не поменяются местами, пока не пройдут половину своего пути вокруг Солнца, что в случае Урана занимает 42 года. День/ночь на Уране появляется только во время солнцестояний, и только на экваторе.

Земная же ось всегда наклонена в одном направлении, и северный её отрезок указывает на Полярную звезду. Ось вращения пересекает земную поверхность в точках, называемых полюсами, на равном удалении от них проходит окружность нулевой широты — экватор. От оси вращения отсчитывается общепринятая система координат на земной поверхности: географические широта и долгота.

Стабильный наклон земной оси имеет решающее значение для климата: в полушарии, получающем в результате наклона оси больше прямой солнечной энергии наступает весна и лето. В противоположном полушарии в это же время осень и зима.

Интенсивность солнечной энергии, падающей на земную поверхность перпендикулярно (прямо) гораздо выше, чем энергии, падающей на ту же поверхность под углом. Если направить луч света от фонарика прямо в стену - получится небольшое, круглое пятно света. Но если постепенно двигать фонарик и изменять угол, световое пятно будет принимать эллиптическую форму и распространяться по большей площади. Этот же пример справедлив и в отношении солнечного света - падая под углом, он распространяется на гораздо большую поверхность, и пропорционально уменьшается количество излучения.

Благодаря наклону земной оси шесть месяцев — с марта по сентябрь - на каждой широте в Северном полушарии количество прямого солнечного излучения существенно выше, чем Южном полушарии, что приводит большему прогреву поверхности. Следующие полгода всё будет наоборот, Южное полушарие будет получать больше прямого солнечного света. Помимо этого, чем больше угол падения солнечных лучей, тем большую массу атмосферы они должны пройти. В толще воздуха солнечное излучение ослабляется, например, рассеивается и поглощается. В результате через большую массу атмосферы до поверхности доходит только небольшая часть солнечной энергии. Таким образом, когда солнце высоко над горизонтом, оно способно сильно нагреть поверхность, поскольку на единицу площади приходится большое количество нерассеянного атмосферой солнечного излучения. Когда солнце низко, большая часть солнечного излучения рассеивается атмосферой, а оставшаяся часть излучения распределяется по большей площади. Высота Солнца над горизонтом зависит от положения Земли на её орбите вращения вокруг Солнца.

Продолжительность светового дня является ещё одним важным фактором, определяющим количество солнечной энергии, получаемой нашей планетой. Долгие летние дни, конечно, означают больший объём энергии, доступной из солнечного света. Продолжительность дня также зависит от положения Земли на орбите вращения вокруг Солнца, и при движении по орбите Земля проходит четыре важные точки.

  • Летнее солнцестояние. Летнее солнцестояние приходится приблизительно на 21 июня, и в северном полушарии его связывают с первым астрономическим днём лета. Астрономически в этот день северное полушарие получает максимальное за полгода дневное количество солнечной энергии. В наивысшей позиции в полуденном небе, прямо над головой наблюдателя (90 градусов), Солнце находится на Тропике Рака — 23,5° северной широты. Точку, в которой солнечные лучи падают прямо перпендикулярно поверхности называют «субсолярной точкой». В летнее солнцестояние самый длинный день и самая короткая ночь.
  • Зимнее солнцестояние. Зимнее солнцестояние происходит через полгода, приблизительно 21 декабря, и означает противоположное. Северное полушарие получает минимальное за полгода дневное количество солнечной энергии, солнце в полдень находится на наименьшем возвышении над горизонтом, и наблюдается самый короткий день и самая длинная ночь. 21 декабря — первый астрономический день зимы. Но в Южном полушарии 21 декабря — первый день лета, и солнце находится прямо над Тропиком Козерога, 23,5° южной широты. Субсолярная точка, таким образом, мигрировала на 47 градусов за шесть месяцев.
  • Весеннее равноденствие. Весеннее равноденствие приходится на 20 марта, и считается астрономическим началом весны. В этот день солнце в полдень находится прямо над экватором (0 градус). Оба полушария Земли освещены солнцем равномерно, одинаковы так же продолжительность дня и ночи — 12 часов.
  • Осеннее равноденствие. Приходится на 21 сентября и считается астрономическим началом осени. Положение солнца идентично весеннему равноденствию.

Происхождение термина «солнцестояние» связано с тем, что точки восхода и захода Солнца на горизонте и его высота в полдень почти не меняются в течение нескольких дней, близких к летнему и зимнему солнцестояниям. Термин «тропик» происходит от греческого «тропос» — «поворот». Во время солнцестояний происходит как бы разворот Солнца над тропиками. Именование северного тропика «тропиком Рака» являет собой дань традиции, ведь в реальности сейчас Солнце находится в созвездии Близнецов. Та же ситуация с южным «тропиком Козерога» — сейчас 22 декабря Солнце пребывает в созвездии Стрельца.

Прецессия заставляет ось вращения Земли медленно вращаться по кругу.

Поскольку наша планета не является идеально сферической, а из-за вращения слегка сплюснута у экватора, то гравитационное воздействие Солнца и Луны заставляют земную ось слегка менять направление вращения. В этом она похожа на волчок, который изменяет направление вращения, когда к нему приложили силу. Это движение называют «прецессией». Прецессия земной оси происходит крайне медленно – требуется 26 000 лет для прохождения полного оборота. Результатом прецессии является изменение положения Солнца и созвездий на небесной сфере. Сейчас Северный Полюс указывает на Полярную звезду, но 14 000 лет назад Северный полюс указывал на звезду Вега. Звезда Тубан была полярной звездой во время постройки египетских пирамид, и проход в Великой Пирамиде в Гизе указывал на неё. В силу своей длительности прецессия имеет второстепенное значение, но позволяет прояснить некоторые исторические факты. В созвездиях Рака и Козерога Солнце находилось около 300 г. до н.э., а это значит, что тропики получили свои сегодняшние названия около этого времени.

Как говорилось вначале, Земля находится ближе всего к Солнцу во время зимы в Северном полушарии. По мере прецессии земной оси ситуация изменится, и через 13 000 лет зимой в Северном полушарии Земля будет максимально удалена от Солнца. Это несомненно повлияет на климат, изменит баланс нагрева и охлаждения планеты, и может даже вызвать новый ледниковый период. Тем не менее, никого из нас это абсолютно точно не будет волновать.

Итак, причиной плавной смены времён года является наклон земной оси, и действует он через следующие три механизма:

  1. продолжительность светлого времени суток;
  2. угол, под которым солнечные лучи падают на поверхность;
  3. масса атмосферы, которую солнечные лучи должны преодолеть, прежде чем достичь поверхности.

Все три механизма можно рассмотреть на примере экстремальных климатических условий - Арктики.

21 июня, во время летнего солнцестояния, на каждой широте в Северном полушарии день длится не меньше 12 часов. Чем дальше на север, тем дольше продолжается день, пока на Северном полярном круге (66.5 градусов северной широты) ночь не исчезает совсем, и не остаётся только день. Из иллюстраций видно, что регион выше 66.5 градусов северной широты никогда не попадает в «теневую» зону вращения Земли. На Северном полюсе солнце восходит над горизонтом 20 марта, и заходит только 21 сентября, начинается полярный день. «Белые ночи» наблюдаемые во всех северных городах (а не только в СПб) имеют ту же природу: солнце летом не уходит глубоко за линию горизонта, и настоящая ночь не настаёт. Чем дальше к северу, тем дольше длятся белые ночи: например, в Санкт-Петербурге они длятся с 11 июня по 2 июля, а в Архангельске — с 13 мая по 30 июля.

Теперь можно объяснить, как математически узнать наклон земной оси. Если бы наша планета была наклонена к солнцу под углом 90 градусов (полюсами, как Уран), то на одной половине планеты был бы постоянный день, а на другой — ночь. Мы знаем, что это не так, а кроме того, знаем точные широты, на которых день перестаёт сменяться ночью за 24 часа.

90° - 66.5° = 23,5°

Хотя солнце и светит за полярным кругом шесть месяцев без перерыва, Арктика не славится комфортными температурами. В июне за пределами земной атмосферы над полярным кругом уровень солнечной энергии выше, чем над экватором, но до земли её доходит гораздо меньше.

Даже в июне на Северном полюсе солнце не поднимается выше 23,5 градусов над горизонтом, и путь солнечного света до поверхности планеты лежит через гораздо большую массу атмосферы, чем над экватором. Некоторые атмосферные газы частично поглощают солнечную радиацию, часть её рассеивается частицами пыли и молекулами воздуха, а часть отражается облаками обратно в космос. Достигший поверхности объём солнечного излучения оказывается распространён по большой площади из-за большого угла падения света. В итоге арктическое солнце способно только светить, на «греть» его уже не хватает.

Суммируем: на экваторе 12 часов день и 12 часов ночь, утро и вечер очень короткие, ночь наступает очень быстро, «падет стеной». Солнце находится почти над головой, (около 90), прямой свет проходит через минимальную толщу атмосферы, и за день греет землю очень сильно. По мере продвижения на север длительность летнего дня увеличивается, появляются долгие вечера, ярко выраженные предрассветные и закатные сумерки. В то же время большее количество солнечной энергии рассеивается в атмосфере, земля дольше нагревается днём и быстрее остывает ночью. Несмотря на более долгий день общая температура по мере продвижения к северу значительно понижается.

Флэш-демонстрация создана в Университете Небраски-Линкольна, оригинал находится здесь: http://astro.unl.edu/naap/motion1/animations/seasons_ecliptic.html. На ней можно увидеть движение планеты, изменение количества получаемой ею солнечного излучения по месяцам, и угол падения солнечных лучей (кнопка «start animation»). Фигурку человека на планете можно двигать, что изменяет географическую широту (observers’s latitude). Широта Москвы = 55.5°, Петербурга = 59.5°, и наглядно можно увидеть, как далеко от тепла мы забрались.

Пока разговор шёл только о Северном полушарии, что не удивительно, именно в нём мы живём. Процессы, происходящие в Южном полушарии, в целом являются зеркальным отображением: 21 июня там первый астрономический день зимы; 21 декабря начинается астрономическое лето; за Южным полярным кругом (66.5 градусов южной широты) 20 марта солнце садится, чтобы взойти только 21 сентября — в Антарктике начинается полярная ночь. Но, тем не менее, существует разница в температурах между полушариями. Как уже упоминалось, ближе всего к Солнцу Земля находится 4 января, а это как раз разгар лета в Южном полушарии. И хотя дистанция между Солнцем и Землёй меньше только на 3%, на границе земной атмосферы в январе солнечной энергии почти на 7% больше, чем июне. Можно было бы ожидать что в Южном полушарии лето будет жарче, но этого не происходит. Орбита вращения Земли вокруг Солнца является эллипсом, что означает, что Солнце находится не в самом её центре. По этой причине от весеннего до осеннего равноденствий проходит на 7 дней больше, чем от осеннего до весеннего (186 дней март-сентябрь, и 179 дней сентябрь-март). Таким образом, в Северном полушарии астрономические весна и лето на неделю длиннее астрономических осени и зимы, а в Южном — весна и лето на неделю короче, чем Северном. Более короткие весна и лето несколько сглаживают эффект от увеличенного объема солнечной радиации. Но главное — 81% Южного полушария покрыто водой, а Северного — только 61%. Большая часть солнечного излучения, включая «дополнительное» поглощается огромной массой воды, в результате чего средняя летняя температура в Южном полушарии ниже, чем в Северном. С другой стороны, вода обладает большой теплоёмкостью, поэтому зимы в Южном полушарии теплее, чем можно было бы ожидать.

Ложное восприятие положения Солнца


Как уже не раз говорилось, в Северном полушарии Солнце находится прямо над головой наблюдателя во время летнего солнцестояния, 21 июня. Приходит это на Тропике Рака, 23,5° северной широты. По мере продвижения на север угол, под которым Солнце поднимается над горизонтом, постоянно уменьшается.

Но этот тропик — он где? Что на нём находится? Находится на нём Дака, столица государства Бангладеш. Также китайский город Гуанчжоу, столица Кубы Гавана и на градус севернее — Абу-Даби, столица Объединённых Арабских Эмиратов. Тропик очень, очень далеко от Европы вообще и России в частности. Россия начинается только 43 градуса северной широты — на ней расположен Дагестан. Москва расположена на 55.5 градуса северной широты.

Несложно подсчитать, как высоко будет солнце в полдень на широте Москвы 21 июня.

(90° - 55.5°) + 23.5° = 58°

Из максимального положения солнца в зените вычли широту места и прибавили значение солнечного склонения, которое для простоты данного примера равно значению субсолярной точки на 21 июня. Угол солнечного склонения изменяется от + 23.5° в июне до - 23.5° в декабре, в марте и сентябре составляет 0 — в общем, это угол, на который субсолярная точка путешествует между тропиками.

58° — это максимум, куда может подняться солнце на широте Москвы. Даже если кажется, что солнце висит над головой, на самом деле его лучи падают на поверхность под весьма большим углом. В декабре солнце на широте Москвы поднимется только на 11° над горизонтом.

Если поразмышлять над этим фактом, то обнаруживается несколько занятных вещей.

Первый закон фотобиологии гласит: «только поглощенное излучение совершит работу». Максимальная интенсивность поглощения достигается, когда излучение (солнечный свет) падает прямо параллельно поверхности. Об этом хорошо осведомлены разработчики и установщики солнечных батарей — любая солнечная панель ставится так, чтобы солнечные лучи падали на неё под прямым углом. Самые эффективные модели изменяют угол наклона панели вслед за движением солнца.

Это значит, что в умеренных широтах летним днём на поверхности земли облучённость ниже, чем на поверхности кожи человека, стоящего вертикально. Всё оттого, что угол падения солнечных лучей на эти поверхности сильно отличается. Матёрый дачник в средней полосе России к осени загорает до черноты безо всяких пляжей — он днями СТОИТ под солнцем, а не лежит под ним.

Также, по-настоящему слепящее солнце можно увидеть только на экваторе. Дневной свет состоит из двух компонентов – прямого солнечного света, и света, рассеянного атмосферой, так называемого «небесного света». Рассеивается большей частью синий свет, что даёт небесам их цвет. Чем толще слой воздуха, через который должен пройти свет, тем больше в солнечном луче остаётся жёлтого и красного. Это известная причина красных закатов, но также причина сбоев наших биологических ритмов. В предыдущей части говорилось о том, что секреция гормона мелатонина подавляется ярким белым светом. Так вот – белого света достаточной яркости за пределами тропиков нет даже летом. Есть данные, что прямо в человеческой коже под воздействием солнечного света (преимущественно ультрафиолетового и синего) вырабатываются бета-эндорфины и опиоидные пептиды, что в целом способствует расслаблению, заживлению ран, чувству благополучия и примирения с жизнью [1]. То, что после нахождения под солнцем улучшается настроение, ни для кого, в общем, не секрет. А северяне в основном примиряются с жизнью с помощью алкоголя.

Разумеется, проходя через атмосферу свет теряет значительную долю своей интенсивности, причём в коротковолновой, энергетической части спектра. Но отчасти это падение интенсивности компенсируется более долгим световым днём, а отчасти не таким уж простым поведением света. Рассеянный коротковолновый свет никуда не исчезает, от просто меняет направление. Солидная его часть остаётся в атмосфере, но, поскольку он рассеян, то глаз не воспринимает его как луч, и от него сложно скрыться. Если на пляже спрятаться под зонтик, то всё равно получится загореть, хотя прямой свет и не падал на человека. На открытых пространствах – полях и тех же пляжах – загар «липнет» куда быстрее чем в городе, потому что там куда больше рассеянного небесного света [2].

Фото сделано в Восточной Гренландии в 1906-м году. Женщина не знает, сколько ей лет. Сообщила, что левую грудь откусил ребёнок в период голода.

Свою лепту вносит и отражение небесного света от поверхностей. Самой большой отражающей способностью (альбедо) обладает свежевыпавший снег. Исследователи Арктики буквально срастаются со своими солнцезащитными очками – иначе можно просто ослепнуть. И хотя, как говорилось выше, Арктика получает немного прямого солнечного излучения, многократное рассеяние и отражение, помноженное на полярный день, приводит к появлению неожиданно густого загара.

Но здесь всё не так. Наиболее полезен (в разумных дозах) для человека ультрафиолет Б. Он вызывает синтез витамина D из холестерина, обладает обеззараживающим действием, используется при лечении псориаза. Именно поэтому хорошо работали высокогорные клиники, так популярные в начале прошлого века. Чем выше над уровнем моря, тем больше в атмосфере остаётся нерассеянного ультрафиолета Б, и тем больше эффект от солнечной ванны.

Вызывающий загар ультрафиолет А не обладает, по-видимому, никакими эффектами. То есть только портит кожу. И именно ультрафиолет А преобладает в многократно рассеянном свете, высокоэнергетический ультрафиолет Б поглощён ещё при прохождении через атмосферу. Солнце стало вредным, уже без шуток. Дальний Север – такой природный фильтр, отсеивающий все ништяки. Плюс сбитые циркадные ритмы, плюс холод и постоянная одежда. А человек воспринимает солнце буквально кожей.

Жители Норильска свои «северные надбавки» получают не просто так – все эпидемиологические данные свидетельствуют, что чем дальше на север, тем больше смертность ото всех причин. Коренные обитатели Заполярья – одни из самых нездоровых людских популяций на планете. Только чуть-чуть цитат:

Традиционно проблемы со здоровьем у инуитов (эскимосов) выражались в хронических состояниях: артрит, травмы глаз, недостаточность образования эмали на зубах, паразиты, дефекты позвоночника и остеопороз. Пиблокто (истерический синдром) нередко поражал людей зимой. Был риск заражения солитёром и трихинеллезом от сырой рыбы и мяса моржа. Употребление в пищу ферментированного (гнилого) мяса, считающегося деликатесом, создаёт риск ботулизма со смертельным исходом.

Все проблемы с костями — это недостаток витамина D и кальция. Листовых овощей и солнечного света. Чтобы эмаль с зубов слезла – это вообще за гранью. Плюс хроническое отравление фосфатами из-за мясной монодиеты.

Показатели детоубийства среди женщин в различных популяциях инуитов составляли в среднем 21 процент. Отец, а не мать чаще всего решал, что ребенок должен умереть, и младенца выносили на холод сразу же после рождения [3].

.

А это к вопросу о «примирении с жизнью». Он отнюдь не так малозначим, как кажется.

Всё потому, что человек – дневное животное жаркого климата. Он может жить в других условиях, но жить тяжело и недолго.

Поведение света в атмосфере, как и его влияние на живые организмы заслуживают гораздо более обстоятельного обсуждения. Но для начала необходимо опредлиться — что вообще представляет собой свет.

Далее: Свет — это частица. Несогласные будут иметь дело с Ньютоном
← Ранее: День и ночь

Источники

  1. Холик М. (2015) Солнечный свет и ваше здоровье: проСВЕТляющая перспектива Видеолекция. https://babylonzoo.blog/index_post_1506188162.html
  2. Йонсен З. (2012) Оптика жизни. Руководство биолога по свету в природе. Princeton University Press. https://babylonzoo.blog/optics/sunlight-and-skylight.html
  3. McElroy, A. and Townsend, P. (2015) Medical Anthropology in Ecological Perspective 6th edn. Westview Press.

Литература

  1. Бялко А.В. (1983) Наша планета - Земля. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. (Библиотечка «Квант». Вып. 29).
  2. Aguado, E. (2015) Understanding weather and climate. 7th edn. Pearson Education, Inc.
  3. Arny, T. and Schneide, S. (2017) Explorations: an introduction to astronomy. 8th edn. McGraw-Hill Education.
Все заметки категории «Свет и фотобиология»
Комментировать заметку