Статья: Космические воздействия на землю и их влияние на Арктику

Следует также отметить световое воздействие Луны на ночную сторону Земли. Это влияние существенно для биологической жизни Земли.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЛАНЕТ

Главное влияние планет на Землю заключается в изменении ее орбиты. Параметры орбиты Земли колеблются с периодом десятки и сотни тысяч лет. Они играют существенную роль в долгопериодических изменениях климата Земли [8].

Рис. 6. Движение центра Солнца вокруг центра масс C с начала 1950 г. по начало 2050 г.: yCx - плоскость экватора Земли 2000.0 года: начальная эпоха - 30.12.1949 г.; расстояние между точками 0.5 года; S - положение наружной поверхности Солнца 30.12.1949 г.

Воздействие планет приводит к движению Солнца по орбите вокруг центра масс C (рис. 6). Его орбита имеет вид двух овалов: малого и большого, обращение по каждому из которых происходит за 11.3 года. Периодичность Солнечных пятен: 2 одиннадцатилетних цикла, которые входят в 22-летний цикл, совпадет с периодичностью орбитального движения Солнца. Отмеченная ранее модель активности Солнца [13] основывается на его орбитальном движении. В связи с этим, авторы работы [13] считают, что существует планетарно-солнечно-земное взаимодействие, в результате которого через Солнце происходит воздействие планет на Землю. Его результатом, как уже упоминалось ранее, являются короткопериодические изменения климата и различные погодные явления.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСВЕЩЕННОСТИ ЗЕМЛИ СОЛНЦЕМ

1. Смена времен года и долготы дня. Смена времен года обусловлена движением Земли по орбите вокруг Солнца и наклоном её оси вращения к плоскости орбиты под углом 66°34? (рис. 1). Наклон оси и постоянство её направления в пространстве приводят к тому, что в один период года Солнце освещает больше Северное полушарие, в другой - Южное (рис. 7). Так происходит смена времен года. Астрономическая длительность времен года (рис. 1): весны - 92.8 суток, лета - 93.7, осени - 89.8, зимы - 89.0. Кроме астрономических различают еще климатические времена года или сезоны: в тропиках - сухой и дождливый, на полюсе два сезона: полярный день и полярная ночь. На других широтах, особенно в арктических, переход зимы к лету, например, может быть не четыре месяца, а несколько недель, т.е. длительность климатических сезон будет другой.

Рис. 7. Продолжительность дня в дни сонцестояний

Из-за изменения освещенности Земли продолжительность дня изменяется как в течение года, так и в один и тот же день на разных широтах [8] - [9]. На рис. 7 видно, что в день летнего солнцестояния с Северного полюса до Северного полярного круга стоит полярный день. Затем с уменьшением широты день уменьшается и на экваторе достигает 12 часов, а ниже южного полярного круга стоит полярная ночь. В день зимнего солнцестояния, наоборот, до Северного полярного круга стоит полярная ночь, затем день начинает увеличиваться. На экваторе он равен 12 часам, а ниже южного полярного круга наступает полярный день. Далее рассмотрим эти вопросы более детально.

2. Годовое и суточное движение Солнца в средних широтах. На рис. 8 представлена картина прохождение Солнца на широте г. Тобольска в 16 часов местного астрономического времени. В центре небесной сферы 1 находится наблюдатель M. Его горизонт пересекает небесную сферу 1 по кругу HH. Перпендикуляр к плоскости горизонта пересекает небесную сферу в точке зенита Z. Ось вращения Земли, обозначенная вектором угловой скорости Земли , пересекает небесную сферу в точке Северного полюса N. Угол = NMN_rd между и плоскостью горизонта HH является широтой наблюдателя, для г. Тобольска - 58°11?53? с.ш. Плоскость AA экватора Земли, перпендикулярная угловой скорости Земли , пересекает горизонт HH в точках E_st - Востока и W_st - Запада. Точки Севера и Юга обозначены как N_rd и S_th, соответственно. Так как Северный полюс находится вблизи Полярной звезды, то стороны света легко определяются ночью на местности: вертикальная проекция Полярной звезды на линию горизонта является точкой Севера N_rd, а противоположная ей - точкой Юга S_th; перпендикулярно линии N_rdS_th справа находится Восток E_st, а слева - Запад W_st. А днем точка Севера легко определяется по тени полуденного Солнца от вертикального указателя. При этом полуденная точка Солнца - наивысшая точка его дневной траектории на небесной сфере, т.е. на небосводе. По этой точке определяется астрономический полдень, с которым связано местное астрономическое время.

Годовое движение Солнца (рис. 8) против часовой стрелки прочерчивает на небесной сфере 1 круг эклиптики EE. Он пересекает круг экватора AA под углом в точке г. В этой точке Солнце находится 22 марта (момент времени 3m). 22-ые числа остальных месяцев: апреля, мая, января и февраля отмечены на рис. 8 ромбами 4m, 5m,,, 1m, 2m, соответственно. В рассматриваемую дату 15 мая Солнце находится на эклиптике EE между ромбами месяцев 4m и 5m. Через эту точку 15 мая проходит круг 2 суточного движения Солнца.

Характеристики небесной сферы 1: AA - плоскость экватора; ЕЕ - плоскость орбиты Земли (по-другому, плоскость эклиптики), а - угол между плоскостями AA и ЕЕ; N - северный полюс; Характеристики плоскости горизонта НН: = NMN_rd - географическая широта наблюдателя M; Z - зенит точки M; N_rd, E_st, S_th и W_st - точки Севера, Востока, Юга и Запада, соответственно. Характеристики годового движения Солнца по кругу эклиптики ЕЕ: точки нахождения Солнца в дни весеннего равноденствия - (или 3m), летнего солнцестояния - 6m, осеннего равноденствия - (9m) и зимнего солнцестояния - 12m; Характеристики суточного движения Солнца 15 мая 2025 г. по кругу 2: точки S_r, M_d, S_s и M_n - положения центра Солнца в моменты восхода, полудня, захода и полуночи, соответственно; 3 - круг суточного движения Солнца 7 декабря 2025 г.

Рис. 8. Основные геометрические характеристики Солнца S и наблюдателя M на широте г. Тобольска в 16 часов астрономического времени.

Вокруг оси MN Земля вращается против часовой стрелки. А небесная сфера совместно с Солнцем вокруг этой оси совершает суточное вращение за часовой стрелкой. Поэтому суточное движение Солнца проходит по кругу 2, который параллелен кругу экватора AA. В точке S_r Солнце поднимается над горизонтом, в точку M_d оно приходит в полдень, а в т. S_s заходит за горизонт. В точку M_n невидимое для наблюдателя Солнце приходит в полночь. Часовой угол Солнца отсчитывается от точки полночи M_n и на рис. 8 обозначен кружками 1h, 2h, 3h, 23h, 24h.

В рассматриваемое в г. Тобольске 15 мая в 16 часов местного времени Солнце S находится в точке 16h (рис. 8). Зайдет оно в т. S_s почти в 20 часов. Так как восход Солнца в т. S_r был почти в 4 часа утра, то длительность дня, или долгота дня, составляет 16 часов. Движение Солнца от т. S_s до т. S_r происходит под горизонтом НН, т.е. ночью. Поэтому длительность ночи составляет 8 часов.

Так как круг эклиптики EE проходит через Солнце, то положение эклиптики среди звезд можно наметить только на ночном небе. На местности перед рассветом можно на фоне звезд зафиксировать точку восхода Солнца S_r, а после заката - т. S_s захода Солнца. В средине между ними определится положение Солнца между звезд. Через это положение можно провести круг эклиптики EE под углом к экватору AA (рис. 8). Положение Солнца между звезд может быть определено также в местную полночь по т. M_n. На карте звездного неба Солнце находится в диаметрально противоположной ей точке.

7 декабря суточное движение Солнца S₁ проходит по кругу 3 (рис. 8). На круге эклиптики EE момент 7 декабря расположен между ромбами месяцев 11m и 12m. Солнце поднимается над горизонтом чуть раньше 9 часов утра (т. 9h) и заходит после 15 часов (т. 15h). Таким образом, 7 декабря день длится немного больше 6 часов, а ночь - больше 17 часов.

Годовое и суточное движение Солнца в полярных широтах. На рис. 9 в эти же даты показано движение Солнца на широтах г. Салехарда (а) и острова Рудольфа (б). 15 мая в г. Салехарде Солнце восходит перед тремя часами утра (круг 2) и заходит после 21 часа. То есть долгота дня больше 18 часов, а ночи - меньше 6. Из рис. 9 а видно, что при положении Солнца на эклиптике EE в день летнего солнцестояния 22 июня (т. 6m) долгота дня приблизится к 24 часам, т.е. наступит полярный день.

7 декабря Солнце восходит перед 11 часами (круг 3), а заходит после 13 часов. В этом случае день длится больше двух часов, а ночь - меньше 22 часов. При положении Солнца на эклиптике EE в день зимнего солнцестояния 22 декабря (т. 12m) долгота ночи приблизится к 24 часам, т.е. наступит полярная ночь.

На острове Рудольфа, в архипелаге Франца-Иосифа, (рис. 9. б) 15 мая суточное движение Солнца по кругу 2 проходит над горизонтом НН, т.е. имеет место полярный день. А 7 декабря имеет место полярная ночь, так как Солнце движется по кругу 3 под горизонтом НН.

Рис. 9. Положения центра Солнца в 16 часов астрономического времени на круге 2 суточного движения Солнца 15 мая 2025 г. и на круге 3 7 декабря 2025 г. на широтах г. Салехарда = 66.53° (а) и острова Рудольфа = 81.8167° (б). Остальные обозначения см. на рис. 8.

Приведенные на рис. 8 и рис. 9 картины движения Солнца для 2025 г зависят от угла наклона е эклиптики EE' к экватору AA', который изменяется с 1975 г по 2075г. с 23.44° до 23.43°. Эти изменения не отразятся на рис. 8 и рис. 9. Однако изменение угла е за десятки тысяч лет приведут к существенным изменениям картины движения Солнца [8] - [9]. Например, 15.3 тыс. лет назад е = 19.04°, и Северный полярный круг будет на широте 70.96°, т.е. г. Салехард уже будет южнее Северного полярного круга на 4.6°. В другую эпоху, 31 тыс. лет назад, угол е = 32.01°, и Северный полярный круг будет на широте 57.99°, т.е. г. Тобольск будет входить в зону Арктики, и в нем будут наблюдаться полярные дни и ночи.

На рис. 8 и рис. 9 приведена картина движения центра Солнца. Однако заход и восход Солнца фиксируется не по его центру, а по верхнему краю. Кроме того, происходит преломление луча света, если он распространяется в атмосфере с изменяющейся плотностью. Поэтому верхний край Солнца мы видим, когда он еще находится, например, во время восхода под горизонтом. Это приводит к тому, что в действительности, долгота дня и количество полярных дней увеличиваются, а долгота ночи и количество полярных ночей уменьшаются по сравнению с расчетами по центру Солнца.

На рис. 8 и рис. 9 прохождение центра Солнца по эклиптике в дни равноденствий и солнцестояний приурочены к 22 числу соответствующих месяцев. Однако, эти даты изменяются в пределах ±1.5 дня. Это обусловлено тем, что период обращения Земли вокруг Солнца, т.е. тропический год (365.24219879 дней) и период суточного вращения Земли (1 день) не кратны. Поэтому момент весеннего равноденствия (т. г на рис. 8) каждый год смещается на 0.2422 дня, а в високосный год календарный счет дней скачком изменяется на 1 день.

4. Суточное движение Солнца на местности. На рис. 10 движение верхнего края Солнца представлено для широты г. Тобольска в проекции на плоскость горизонта HH'. Ось S_N направлена на север N_rd и ось S_E - на восток E_st. На концах проекций траекторий Солнца точками отмечены с правой стороны восходы верхнего края Солнца и с левой стороны - его заходы. Числами 2h, 4h,…,20h, 24h отмечены часовые углы.

Рис. 10. Проекция дневного пути верхнего края Солнца S на плоскость горизонта на широте г. Тобольска ( = 58.198056°) в 2025 г.: 1 - в дни весеннего равноденствия; 2 - летнего и 3 - зимнего солнцестояний. Ось S_N направлена на Север (N_rd), а ось S_E - на восток (E_st).

Положение наблюдателя (M) в начале координат отмечено крестиком. Точками на линиях отмечены восходы верхнего края Солнца (с правой стороны) и его заходы (с левой стороны).

В день весеннего равноденствия, как показано линией 1, Солнце восходит в 5.86 часа чуть севернее т. востока E_st. В т. Юга оно приходит в 12 часов и заходит в 18.14 часов чуть севернее т. Запада. В день летнего солнцестояния, линия 2, Солнце восходит на Северо-востоке в 2.64 часа и заходит на Северо-западе в 21.36 часов. Путь движения Солнца в день осеннего равноденствия такой же, как отмечено линией 1. В день зимнего солнцестояния, линия 3, Солнце восходит на Юго-востоке в 9.18 часов, а заходит на Юго-западе в 14.82 часов.

На рис. 11 показана проекция дневного пути Солнца для г. Салехарда и острова Рудольфа. В г. Салехарде (рис. 11а) летнее движение Солнца (линия 2) происходит почти по полному кругу: Восход Солнца в 0.08 часа, а заход - в 23.92 часа, а зимнее движение (линия 3) происходит на Юге чуть больше получаса: с 11.66 до 12.34 часов. На острове Рудольфа (рис. 11б) в день летнего солнцестояния движение Солнца проходит по кругу 2. При этом, как следует из графика, на Севере Солнце даже не касается горизонта. В день зимнего солнцестояния линией 4 показано движение Солнца под горизонтом. В противоположной острову Рудольфа точке, в Южном полушарии, в это время стоит полярный день. По графикам рис. 10 и рис. 11 с помощью часового круга можно определить положение Солнца в любой час дня.

Рис. 11. Проекция дневного пути Солнца S на плоскости горизонта на широтах г. Салехарда (а) и острова Рудольфа (б): 4 - движение Солнца в день зимнего солнцестояния под горизонтом. Остальные обозначения см. на рис. 10.

5. Продолжительность полярной ночи и полярного дня. На рис. 12 на секторе Арктики приведены продолжительности полярной ночи (на темном фоне) и полярного дня (на светлом фоне) для разных широт [8] - [9]. В первых двух столбцах данные соответствуют 2025 г. Для этого года слева представлены данные также для отдельных географических пунктов.

Рис. 12. Продолжительность полярной ночи и полярного дня в Северном полушарии в три эпохи: 2025 г., 15.9 и 31.3 тыс. лет назад. Широты с 90° до 66° показаны слева от графика, а с 68° до 58° - справа от графика.

Для сравнения в остальных столбцах справа от сектора Арктики даны полярные ночи и дни для эпох 15.9 и 31.3 тысяч лет назад (т.л.н.), которые соответствуют экстремумам последнего ледникового периода и очень теплого периода, соответственно [7]. Как видно из рис. 12, в ледниковый период 15.9 т.л.н. полярные ночи и дни наблюдаются до широты 72°, т.е. такой поселок как Амдерма не входил в зону Арктики. С другой стороны, в очень теплый период 31.3 т.л.н. полярные дни наступают на широте 58°. Поэтому г. Тобольск с широтой 58.198056° в эту эпоху входил в арктическую зону.