Чому змінюються пори року

Протягом століть пори року на планеті залишалися незмінними та передбачуваними. 

Але, останнім часом, дедалі частіше спостерігаються зміни в їхній тривалості та характері. Ці коливання суттєво впливають на всі структурні елементи біосфери Землі:

• змінюються цикли росту і розвитку рослин, неприродно змінюються міграція і поведінка тварин, зростають загрози вимирання окремих видів;
• нехарактерні раніше для місцевості посухи та повені негативно позначаються на врожайності сільськогосподарських культур, що загрожує продовольчій безпеці для населення;
• серед жителів планети зростає кількість захворювань, пов’язаних із різкими змінами температури та вологості повітря, якістю та кількістю питної води.

Усі ці чинники негативно впливають на економіку окремих країн та соціально-політичний стан світової спільноти загалом.

Чому на Землі відбувається зміна пір року

Широко поширена хибна думка, що взимку температура атмосфери падає, а влітку зростає через еліптичну форму орбіти, мовляв, влітку Земля перебуває ближче до Сонця, взимку — далі. Насправді найближче до небесного світила Земля опиняється в січні, різниця між максимальною і мінімальною відстанню становить лише 3%.

Справжньою причиною зміни сезонів є нахил земної осі (уявної лінії, що проходить від північного до південного полюса) по відношенню до орбітальної площини. Вчені пояснюють виникнення цього крену кількома факторами:

• на ранньому етапі формування планети протопланетний диск, що обертається, набув початкового кута нахилу своєї осі через неоднорідність його щільності та температури;
• свій внесок у зміну положення земної осі в просторі внесли і зіткнення з більшими астрономічними об’єктами;
• незначно впливають на ці процеси припливні сили Місяця, внутрішні геологічні механізми і сили взаємодії з навколишніми астрономічними тілами.

Цей кут (23,5⁰ ) і відповідає за ступінь освітленості Сонцем різних ділянок земної поверхні протягом року. 

Скільки триває день і ніч у різні пори року

У кожен момент часу Сонце освітлює приблизно половину площі планети. Довготою дня прийнято вважати часовий інтервал між сходом (появою Сонця над обрієм) і заходом сонця (відходом його за межі видимості).

Тривалість світлового дня залежить від географічної широти точки спостереження. У Північній півкулі світлий час доби триває понад 12 годин від початку весни до кінця літа, та збільшується зі зростанням широти до значень полярного дня (24 години на полярному колі та 6 місяців на полюсі). У решту року тривалість світлового дня становить менш як 12 годин і в полярних широтах день переходить у полярну ніч, коли Сонце може взагалі не показуватися на горизонті.

У Південній півкулі все відбувається навпаки.

Найдовший світловий день у році — день літнього сонцестояння (22 червня для Північної півкулі та 22 грудня для Південної). Найкоротший — момент зимового сонцестояння (22 грудня на півночі та 22 червня на півдні).

Двічі на рік (близько 21 березня і 23 вересня — дні весняного та осіннього рівнодення) на всіх широтах тривалість дня і ночі однакова. У ці дні сонячні промені падають на екватор під прямим кутом, і нахил Земної кулі щодо Сонця відсутній. Ці дати вважаються початком астрономічної весни та астрономічної зими відповідно.

Як відрізняються пори року в різних півкулях 

Пори року, або як їх ще називають«сезони» розрізняються такими кліматичними характеристиками:

• середньодобова температура;
• рівень опадів;
• протяжність світлового дня.

Для помірних і приполярних широт весь рік заведено ділити на 4 сезони: весна, літо, осінь і зима.

Для країн Південної Азії характерна 6-ти сезонна класифікація. Так, наприклад, календар Індії включає в себе: весну, літо, сезон дощів, осінь, ранню зиму і пізню зиму.

Жителям тропіків достатньо двох пір року: сезон дощів і сухий сезон.

Для визначення часу початку чергового сезону синоптики використовують три підходи: метеорологічний, астрономічний і кліматичний.

Метеорологічний — кожен сезон у Північній півкулі складається з 3-х місяців, і настає разом із першим числом: 1 березня, 1 червня, 1 вересня, 1 грудня. 

Для Південної півкулі все навпаки: 1 вересня настає весна, з 1 грудня — розпал літа, осінь розпочинається з 1-го березня, зима вступає у свої права з першого червня.

За астрономічного підходу, ключовими моментами таких переходів вважаються осіннє і весняне рівнодення та літнє і зимове сонцестояння.

З останньої декади вересня до останньої декади березня північна половина земної кулі освітлюється Сонцем слабкіше, тому північні широти отримують тепло і світло меншою мірою, ніж південні, де цей період припадає на літо. Через 6 місяців Земля переходить на протилежну частину своєї орбіти — опівдні Сонце виявляється нижче і температура навколишнього повітря знижується. У Північній півкулі настає літо. Через теплову інерцію атмосфери, головним чином спричинену наявністю океанів, різкі добові перепади температури згладжуються.

Еліптична форма земної орбіти суттєво не впливає на тривалість сезонів. У Північній півкулі осінь триває 90 діб, у Південній — 93, зима — 89 та 94, весна — 93 та 90, літо — 94 та 89 відповідно.

Кількість сонячної енергії, що надходить на Землю в дні рівнодення і сонцестояння має позиціонувати ці дати як середину відповідної пори року. Але через фізичні властивості води і ґрунту та залежно від кліматичної зони кліматичні сезони настають з деяким зсувом від астрономічних.

Щодо кліматичних поясів картина виглядає наступним чином:

• на екваторі зима і літо є сезонами дощів, тоді як весна і осінь набувають посушливого характеру;
• у тропіках сезон дощів (хоча в пустельних областях дощі можуть не випадати взагалі) — найхолодніша пора, посуху вирізняє істотне підвищення температури;
• для помірних широт з океанічним характером клімату (Західна Європа та узбережжя океану біля Північної Америки) основний рівень опадів припадає на осінь і початок зими. На деякій частині території випадає сніг. Весну і літо разом зі зниженням атмосферного тиску характеризують рідкісні дощі;
• у країнах, розташованих у помірно-континентальній та континентальній зонах (схід Європи, південь Сибіру) осінь і зима вирізняються посушливістю, для літнього періоду характерні рясні дощі;
• основна ознака зміни пір року в Арктиці та Антарктиці — завершення полярного дня і полярної ночі, через знижену середньорічну температуру рівень опадів протягом усього року є незначним.

Протягом століть більшість народів, що населяли планету, використовували власні календарі. Відомі Мусульманський, Китайський, Єврейський, Індуїстський і В’єтнамський календарі, календар індіанців майя.

Найпоширенішими у світі на сучасному етапі є Григоріанський і Юліанський календарі.

Чому на екваторі немає зміни пір року 

Екваторіальна зона розташовується приблизно на однаковій відстані від полюсів, Сонце піднімається над поверхнею планети під кутом близьким до 90⁰ тому тривалість світлового дня там практично незмінна протягом усього року — 12 годин 7 хвилин. Атмосфера постійно перебуває в добре прогрітому стані й цілий рік спостерігається літо.

Вплив зміни пір року на життя на Землі

Життя і людини, і живої природи нерозривно пов’язане зі змінами клімату. 

З настанням холодів рослини скидають листя, обмін речовин сповільнюється, багаторічні культури запасають поживні речовини, у деяких представників флори відмирають надземні паростки. 

Представники тваринного світу линяють, вирощуючи густе тепле підшерстя, створюють запаси кормової бази та збільшують запас жирової тканини. Деякі з них впадають у зимову сплячку.

Уповільнюються процеси життєзабезпечення у мешканців прісних водойм — вода замерзає і в ній знижується вміст кисню.

Птахи мігрують у райони з більш теплим кліматом. 

Збільшення кількості світла є сигналом про зміну сезону. Помічено, що пернаті, які проживають поблизу штучних джерел світла, розпочинають ритуали із приваблення самок, в’ють гнізда та відкладають яйця раніше, ніж їхні родичі, що живуть у дикій природі.

Період весна-літо для більшості живих організмів є часом, оптимально придатним для розмноження. У цей проміжок часу, що характеризується сприятливими погодними умовами, у рослин із бруньок виростають листки, з насіння — паростки, з лялечок розвиваються метелики, ссавці приносять потомство, у птахів вилуплюються пташенята.

Осінь — пора активної підготовки до настання зимових холодів, момент міграції та час створювати запаси.

Людина пристосувалася переживати всі пори року однаково — наявність одягу та утеплених помешкань нівелюють вплив погодних умов, однак, і в її організмі відбуваються сезонні зміни. Тривалість світлового дня, сезонний раціон харчування та безліч психологічних чинників впливають на загальний стан організму.

І якщо з погляду фізіології такі зміни, як сезонні сплески застудних захворювань, збільшення кількості алергічних реакцій, порушення в роботі серцево-судинної системи, можна пояснити зовнішніми факторами (різкі зміни середньодобової температури повітря, пора цвітіння алергенів, спека), то причини сезонних змін настрою потребують додаткового вивчення. 

Так, наприклад, літо в одних викликає асоціації з відпусткою, пляжем і морем, для інших це нескінченні поїздки на дачу, поливи, прополювання та боротьба зі шкідниками. Численні дослідження виявили зв’язок між настанням спеки і підвищенням запальності, дратівливості та збільшенням рівня агресії. Саме в країнах зі спекотним кліматом відзначається зростання кількості злочинів, пов’язаних із насильством.

З настанням осені світловий день стає коротшим, тепла все менше і навіть думки про грядущі новорічні свята не приносять бажаного задоволення. Народна назва цього стану«зимова хандра», медики використовують термін«сезонний афективний розлад» (САР). Такий стан характеризується постійним відчуттям смутку, похмурими думками, відчуттям безглуздості та марності життя, порушеннями сну та апетиту. 

Для боротьби з міжсезонними розладами ментального здоров’я лікарі рекомендують використовувати позитивне мислення, медитацію, природну терапію (лісові прогулянки, спілкування з тваринами), вести активний спосіб життя.

Чи є пори року на інших планетах

Люди сприймають циклічну зміну пір року на Землі, як беззаперечний факт, проте такий стан справ характерний далеко не для кожної планети.

Відповіді на запитання: «Чому так відбувається?», присвятив своє дослідження доцент кафедри фізики Технологічного інституту Джорджії Гунцзе Лі.

Нахил земної осі на кут 23,5⁰ забезпечує циклічну зміну сезонів на Землі. Якщо планета матиме ідеальне вирівнювання по вертикалі, відносно осі її обертання навколо Сонця, сезонних змін клімату на ній спостерігатися не буде — кількість одержаного від зірки тепла буде постійною протягом усього року.

Однак, якщо вісь нахилу планети перевищить 54⁰ , її екватор покриється льодом, а на полюсах спостерігатиметься аномальне підвищення температури. Астрономічне тіло може перетворитися на снігову грудку, що вкрита шаром льоду.

При цьому слід звернути увагу на різницю понять: «сезонність року» — зміна пір року, зумовлена обертанням астрономічного тіла навколо Сонця та «сезонність погоди» — короткочасні кліматичні зміни, які відбуваються протягом сезону. При цьому на планеті цілий рік може панувати «вічне літо» або «вічна зима».

Меркурій

Через мінімальний нахил осі обертання планети до площини її орбіти (0,01⁰ ) на Меркурії мають бути відсутні звичні нам пори року. Але його орбіта має яскраво виражений витягнутий характер, наближаючись до Сонця на 46 млн км і віддаляючись від нього на 77 млн км у крайніх орбітальних точках. У точці максимального наближення освітлений бік планети прогрівається до +300⁰ С, тоді як за найбільшого віддалення ця цифра становить лише +107⁰ С. При цьому на неосвітленому боці температура падає до -193⁰ С. На полюсах, куди сонячне світло не потрапляє ніколи, панує вічний холод, щоправда крижані шапки, доступні для спостереження, сягають завтовшки не більш як 2 метри.

Якщо прийняти за «добу» часовий інтервал, протягом якого планета здійснює повний оберт навколо власної осі, а за «рік» — навколо сонця, то «доба» на Меркурії триває 176 земних діб, а «рік» — лише 88.

Таким чином світанок на Меркурії настає один раз на два роки, але за рахунок мінімальної відстані до світила, це найспекотніший світанок у всій Сонячній системі.

Венера

Так само як і на Меркурії, на Венері відсутні пори року, що змінюються. Кут нахилу планети 177⁰ з 180⁰ можливих, а ступінь відхилення форми орбіти від кола мізерно малий. Тому на планеті цілий рік, без змін погодних умов, панує розпечене літо (+400⁰ С). 

Марс

Просторове розташування планети дуже близьке до земного: кут нахилу осі обертання 25.2⁰ , ексцентриситет орбіти лише трохи більший за земний, тому Північна півкуля отримує на 40% більше сонячного тепла. Через ці причини температурна різниця між різними сезонами на півкулях виражена сильніше. Для Південної півкулі характерні коротке спекотне літо і тривала морозна зима, кліматичні умови Північної півкулі менш контрастні: коротку зиму змінює довге прохолодне літо.

У холодний період на поверхні планети починаючи з полярних областей наростають крижані шапки, при цьому південна займає майже половину відстані полюс-екватор, північна — тільки третину. 

Юпітер

Вісь обертання газового гіганта відхилена на кут лише 3⁰ щодо площини орбіти. Форма орбіти від правильного кола практично не відрізняється — умови для виникнення кліматичних змін сезонного характеру відсутні.

Сатурн

Яскрава особливість цього велетня — крижані кільця, утворені скупченнями льоду, каміння і пилу, які обертаються навколо планети в різних площинах. Кут нахилу осі обертання Сатурна щодо орбітальної площини становить 29⁰, тому різниця в кількості сонячного тепла, що надходить, досить відчутна. 

Відстань між Сонцем і Сатурном 1.4 млрд км, через що один річний оберт планети займає 29.4 земних роки. Тривалість одного сезону становить, відповідно, близько 7 років.

Сатурн — жовтувата планета, проте залежно від пори року вона здатна змінювати забарвлення своєї поверхні. У 2004 році, коли перший штучний супутник Сатурна АМС«Кассіні» вперше наблизився до планети, її Північний полюс вкривала блакитна димка — у Північній півкулі наставала зима. Через кілька років, коли зима вступила у свої права вже в Південній півкулі, той самий блакитний туман огорнув вже Південний полюс. Астрономи пояснюють цей феномен інтенсивністю випромінювання ультрафіолету, яке знижується з приходом зимового сезону.

Уран

Вісь обертання планети нахилена на 98⁰, що робить перехід між порами року досить специфічним. 

Звична для нас зміна часу доби (схід та захід сонця) на Урані спостерігається тільки в районі екватора: у періоди сонцестояння один із полюсів майже безпосередньо звернений до Сонця, а значна частина планети перебуває під владою полярного дня або полярної ночі протяжністю 42 земних роки.

Нептун

Нахил осі обертання планети не набагато відрізняється від земного (30⁰), і сезонність могла б бути схожою, але великий вплив має відстань від планети до центру Сонячної системи.

Планетарний рік тут становить 165 земних років, тривалість одного сезону — 41.

У 2005 році в Південній півкулі Нептуна почалося літо, яке триватиме до 2046 року.

Плутон

Відкритий у 1930 році Плутон до 2006 року був дев’ятою повноцінною планетою Сонячної системи. Але з розвитком астрономічної науки, появою нових інструментів та методів вивчення небесних тіл статус цього космічного об’єкта було «знижено» до найбільшої карликової планети нашої планетарної системи.

Орбіта цього астрономічного тіла має яскраво виражену форму еліпса, водночас світило дещо зміщене щодо центру. Під час орбітального руху Плутона відстань між ним і Сонцем змінюється з 4.4 млрд км до 7.4 млрд км. Сонячному світлу, щоб досягти поверхні Плутона, потрібно близько п’яти годин, водночас його інтенсивність виявляється приблизно в 2 000 разів нижчою, ніж на поверхні Землі.

Повний оберт навколо Сонця карликова планета здійснює майже за 248 років за земними мірками.

Орбіта Плутона нахилена відносно площини орбіт інших планет Сонячної системи на кут 17⁰.^. 

Оберт навколо власної осі займає 6.4 земних діб, при цьому обертається Плутон у зворотному напрямку. Кут нахилу осі планети щодо орбіти становить 120⁰, тому прояв пір року має яскраво виражений характер.

У Плутона є два окремі періоди часу, коли один з його полюсів спрямований прямо до Сонця. Ці періоди тривають близько 124 земних років кожен і відомі як «полярне літо». Під час полярного літа Сонце постійно світить на одному з полюсів Плутона, а температура там може сягати -233⁰ С

Після закінчення полярного літа Плутон вступає в період часу, коли жоден з його полюсів не спрямований до Сонця. Цей період триває близько 124 земних років і відомий як«полярна зима». Під час полярної зими Сонце постійно світить на екваторі Плутона, а температура там становить -223⁰ С.

Таким чином, сезонні зміни клімату на планетах Сонячної системи головним чином є наслідком нахилу власної осі обертання космічного об’єкта та його орбіти, за якою він обертається навколо Сонця. Саме ці чинники визначають розподіл теплової енергії Сонця поверхнею планети, а отже й кліматичні характеристики на її поверхні.