День и ночь. Времена года

1. Отчего?

Ко многому, что окружает нас в природе, мы привыкли с детских лет. Каждый из нас, например, привык к тому, что временами идёт дождь. Нам это кажется настолько простым и обычным, что мы не задумываемся над тем: а почему так бывает? И если вас, например, спросят: отчего идёт дождь? что вы на это ответите?

Конечно, вы скажете, что дождь падает из дождевых туч, что сами тучи образуются от испарения воды рек, морей и океанов, состоят из мелких водяных капелек, что эти капельки, собираясь вместе, делаются более тяжёлыми и дождём падают на землю.

Всё это правильно. Но ведь, говоря о тучах, надо объяснить: как они образовались из бесцветных и лёгких паров воды? Отчего мелкие водяные капельки сразу не падают на землю, а носятся в виде облаков и туч по воздуху? Что заставляет пары воды собираться в воздухе в крупные капли и отчего эти капли иногда бывают больше, а иногда меньше?

Для того чтобы ответить на все такие вопросы, придётся, пожалуй, прочитать подходящую книжку. Из неё вы узнаете, что только недавно учёные правильно объяснили, отчего происходит дождь.

А раньше люди думали, что небо твёрдое и что над ним всегда имеется много воды. И вот, когда открываются небесные заслонки, эта вода падает на землю в виде дождя. В библии, например, говорится и о «тверди» (то есть о твёрдом небе), отделившей воды небесные от вод земных, и о всемирном потопе, наступившем потому, что были открыты «хляби небесные» (то есть — отверстия в небе).

Можно было бы привести немало и других примеров, из которых видно, что как будто самые простые, привычные явления объясняются часто совсем неправильно.

В этой небольшой книжке мы постараемся ответить на два вопроса — почему день сменяется ночью, а ночь днём и почему изменяются времена года. Попутно придётся ответить и на некоторые другие вопросы.

2. Отчего бывают сумерки?

Всякий знает, что светает задолго до восхода Солнца.

Бывает так, что Солнце должно показаться только через час, а то и больше, а небо уже начинает светиться. В чём тут причина? Само ли небо светится, или его Солнце освещает? И можно ли осветить небо, если в действительности твёрдого неба нет?

Оказывается, можно. Ведь наша Земля окружена толстым слоем воздуха — воздушной оболочкой. Вот эта оболочка и светится перед восходом и после захода Солнца, а от этого и бывают на Земле рассвет и сумерки. Светится же воздушная оболочка или, как её называют, атмосфера потому, что её освещают лучи ещё не взошедшего или уже закатившегося Солнца. Люди долгое время этого не понимали, давая сумеркам неверное объяснение.

Люди думали, что дневной свет существует сам по себе, а солнечный — сам по себе. Считали, что когда Солнце восходит, то дневной свет только усиливается солнечным светом, но не целиком происходит от него. Так неправильно рассуждали и люди, написавшие библию. Например, в библейском рассказе о сотворении богом мира в шесть дней говорится, что уже в первый день, сотворив небо и Землю, бог отделил свет от тьмы, и начали сменяться дни и ночи. Солнце же было сотворено только на четвёртый день, то есть тогда, когда смена дня и ночи должна была произойти уже три раза.

Теперь мы знаем, что небо светится и перед восходом Солнца и после его захода только от солнечного света. И не будь Солнца — не было бы ни дня, ни сумерек.

Для того чтобы ясно представить себе причину происхождения сумерек, надо вспомнить, что Земля представляет собой огромный шар. Раз это так, то ясно, что лучи Солнца могут освещать одновременно только половину шарообразной Земли. На этой освещённой половине земного шара будет день, а на другой, неосвещённой половине, — ночь. Люди, находясь на неосвещённой половине Земли, не увидят Солнца потому, что оно будет закрыто от них выпуклостью Земли. Солнце для них будет находиться, как говорят, «под горизонтом», то есть ниже той линии, где, как нам кажется, небо сходится с Землёй.

Однако, если Солнце, находясь под горизонтом, не может осветить людей, находящихся на Земле, то оно всё-таки сможет осветить воздух, находящийся у них над головой и высоко поднимающийся над земной поверхностью. Конечно, это может произойти только в тех случаях, когда Солнце находится не очень низко под  горизонтом, то есть когда оно скоро должно взойти, или только недавно зашло. Совершенно так же объясняется то, что люди, которым приходится жить недалеко от гор, нередко могут наблюдать, как в ясную погоду, после того как Солнце спрячется под горизонт, верхушки гор ещё некоторое время бывают освещены солнечными лучами.

Рис. 1. Объяснение происхождения сумерек. Стрелки в левой части рисунка показывают направление солнечных лучей

Чтобы лучше разобраться в том, как всё это происходит, посмотрите на рис. 1. На нём изображена часть земного шара, левая сторона которого освещена солнечными лучами; лучи изображены на рисунке девятью стрелками (в действительности их падает на Землю бесчисленное количество). Земной шар окружён атмосферой, верхняя граница атмосферы тоже показана на рисунке.

На рисунке видно, что не все лучи, идущие от Солнца, освещают Землю. Так, все солнечные лучи, которые идут между первой и второй стрелками, не освещают ни Землю, ни её воздушную оболочку — атмосферу. Лучи, идущие от Солнца между второй и третьей стрелками, Землю тоже не освещают, но зато освещают земную атмосферу. А вот лучи, которые идут от Солнца ниже третьей стрелки, уже освещают Землю.

Если вы находитесь на освещённой стороне Земли, то вы можете видеть само Солнце. Но, предположим теперь, что Солнце уже закатилось, и место А (на рис. 1), где вы сейчас находитесь, уже не освещается Солнцем. Но воздух вверху, освещённый лучами Солнца, идущими между второй и третьей стрелками, вы ещё можете видеть, и поэтому часть неба вам будет казаться освещённой; это и будут сумерки (из места А вы можете видеть всё, что находится выше прямой пунктирной линии, проведённой на рисунке через это место).

Другое дело, если вы будете находиться несколько дальше от освещённой солнечными лучами земной поверхности, например в месте Б (на рис. 1). В этом случае вы также сможете увидеть только то, что находится выше прямой пунктирной линии, проведённой через это место. Но на этот раз ни один солнечный луч не попадает в ту часть земной атмосферы, которую вы можете видеть. Поэтому, находясь в месте Б, вы увидите всё небо тёмным; вас будет окружать ночь.

Вот как теперь объясняются вечерние и утренние сумерки.

3. Как узнали, что Земля — шар?

Говоря о происхождении сумерек, мы упомянули о шарообразности Земли. Что Земля — шар, все, конечно, слышали, но далеко не все смогут ответить на вопрос: а как это можно доказать? Если действительно Земля круглая, то как люди живут на ней со всех её сторон и никуда с неё не падают?

Ответим сначала на вопрос, почему люди не падают с Земли.

Земля очень велика. Её поперечник немногим меньше 13 000 километров. Она с большой силой притягивает к себе (как магнит — железо) все предметы, находящиеся как на её поверхности, так и над ней. Все мы хорошо знаем, как опасно упасть с крыши дома или с высокого дерева. Земля притягивает нас к себе с такой большой силой, что, падая на неё даже с небольшой высоты, можно расшибиться.

Бросьте кверху камень, он всё равно упадёт вниз. Даже пуля, выпущенная из ружья с огромной скоростью снизу вверх, обязательно упадёт на земную поверхность, хотя и удалится сначала от неё на большое расстояние. А чтобы пуля (или какой-либо другой предмет) действительно могла улететь прочь с Земли, нужно заставить её двигаться с огромной скоростью — пролетать в одну минуту около 700 километров. Иначе притяжение Земли всё равно заставит пулю снова упасть на земную поверхность.

Вот почему люди могут жить на шарообразной Земле со всех её сторон и никуда с Земли не падать.

Попробуем теперь доказать, что Земля действительно представляет собой шар. Это можно доказать различными способами.

Одно из первых явлений, подмеченных людьми в древности и заставивших их заподозрить, что Земля шарообразна, состоит в следующем. Если плыть по морю или итти по совершенно ровной местности, приближаясь к какому-нибудь городу, то сперва на горизонте становятся видны только верхушки самых высоких городских строений, а затем понемногу, постепенно из-под горизонта показываются остальные городские постройки. А это может быть только в том случае, если Земля выпукла.

Рис. 2. Как можно заметить, что Земля выпуклая

Посмотрите на рис. 2. Если человек стоит на поверхности Земли в месте А и смотрит на высокую постройку, находящуюся в месте В, то из-за выпуклости Земли он видит только самую верхнюю часть постройки. Но если он пойдёт по направлению к постройке и приблизится к месту Б, он увидит постройку почти до самого её основания. Ничего подобного не случилось бы на плоской Земле: на любом расстоянии мы увидели бы всю постройку от вершины до основания. Земля кажется нам плоской только потому, что она очень велика, а отчасти и потому, что мы редко плаваем по морю и ещё реже ходим по совершенно ровной местности, где нам не мешали бы холмы, деревья и ближние здания, которые обычно закрывают от нас горизонт.

Вторым доказательством шарообразности Земли является то, что вокруг Земли можно объехать — совершить кругосветное путешествие.

В наше время объехать Землю кругом довольно легко. В последнее время такие путешествия удалось сделать несколько раз даже по воздуху — на самолётах.

Но 500 лет назад, когда великий мореплаватель Христофор Колумб, открывший Америку, считая Землю шаром, собрался оплыть её кругом, он был высмеян католическими монахами.

Понятно, что раз можно объехать Землю кругом, то она должна иметь круглую форму.

Явление сумерек, о происхождении которого мы уже говорили, тоже по сути дела может служить доказательством шарообразности Земли. Ведь если бы Земля была плоской, то тотчас же после захода Солнца наступала бы темнота, сразу без сумерек.

Наконец, есть ещё одно, правда, редко происходящее явление природы, которое уже древние учёные, жившие больше 2000 лет тому назад, правильно считали неопровержимым доказательством шарообразности Земли. Это — лунные затмения.

Случается так, что в ясную ночь, когда Луна видна в виде полного круга (то есть, во время полнолуния), левый край Луны вдруг начинает темнеть. Спустя немного времени можно уже ясно различить, что на яркий лунный диск слева надвигается тёмное пятно с круглым краем. Это пятно постепенно закрывает всё большую и большую часть Луны. При этом край пятна всё время остаётся круглым (рис. 3).

Отчего же темнеет Луна и что представляет собой пятно, закрывающее её поверхность?

Невежественные люди во все времена смотрели со страхом на лунные затмения. Они думали, что в природе происходит какая-то катастрофа, в результате которой Луна может исчезнуть, а может быть, случится что-нибудь и ещё худшее. Правда, их страх скоро проходил, потому что тёмное пятно, закрывшее всю поверхность Луны или только её часть, начинало постепенно уменьшаться, и спустя часа три после начала затмения Луна снова сияла на небе.

Учёные уже давно поняли, что происходит с Луной во время затмений. Они знали, что Луна движется вокруг Земли на расстоянии, которое приблизительно в 30 раз больше поперечника Земли. И вот время от времени Луна попадает в земную тень, которую Земля отбрасывает в сторону, противоположную Солнцу.

Рис. 3. Затмение Луны. На лунном диске виден край земной тени

Сама Луна невелика. Её поперечник почти в четыре раза меньше земного. Поэтому Луна может полностью может полностью погрузиться в земную тень; вот тогда и происходит так называемое полное лунное затмение.

Иногда же Луна только задевает край земной тени. В этом случае она полностью не темнеет, и лунное затмение называется частным.

Однако, во всех случаях в то время, когда Луна входит в земную тень и выходит из неё, можно по форме земной тени судить о форме самой Земли. И вот, как уже указывалось, край тёмного пятна, то есть край земной тени, всегда оказывается круглым. А это значит, что Земля должна обязательно иметь форму шара, потому что только шар может отбрасывать тень, края которой всегда круглые.

Как ни редко происходят лунные затмения, но в среднем в одном и том же месте Земли их можно видеть почти ежегодно.

4. Отчего происходит смена дня и ночи?

Мы часто говорим: Солнце взошло, Солнце высоко поднялось на небе, Солнце село. Что же, действительно Солнце движется по небу, в утренние часы поднимаясь вверх, а в вечерние — спускаясь к горизонту, или это только нам кажется, что оно движется, а в действительности движется наша Земля и с ней вместе мы?

Ещё не так давно (лет 400 тому назад) люди считали, что Земля неподвижна, а Солнце движется. Но теперь мы знаем, что это не так.

Действительно, трудно допустить, чтобы огромное Солнце, которое по объёму в миллион с лишним раз больше Земли, двигалось вокруг неё.

Если мы изобразим Землю размером с крупинку пшена, то Солнце представится нам шаром величиной с человеческую голову. Вот как велико Солнце. При этом оно так горячо, что даже тугоплавкие вещества (например, железо) находятся на нём в газообразном состоянии. Только благодаря тому, что Земля отстоит от Солнца на огромном расстоянии (почти 150 миллионов километров), лучи Солнца лишь согревают земную поверхность, а не испепеляют её.

А для того чтобы в течение суток успеть обойти Землю кругом, огромное Солнце должно было бы двигаться с колоссальной скоростью, пролетая более 10 000 километров в одну секунду. Не разумнее ли предположить, что не Солнце, а Земля, вращаясь вокруг своей оси, поворачивается к Солнцу различными своими сторонами. Все те, кто ездил по железным дорогам, хорошо знают, что когда глядишь из вагона движущегося поезда, то кажется, что деревья, постройки и все другие предметы быстро бегут назад в направлении, обратном движению поезда. Никто из нас, конечно, не ошибётся и не подумает, что поезд стоит на месте, а движутся деревья и достройки. Но когда мы вертимся вместе с Землёй и смотрим на Солнце, которое из-за своей удалённости вовсе не кажется нам большим, мы можем ошибиться и принять движение Земли за движение Солнца.

Когда 400 лет тому назад великий учёный Николай Коперник написал книгу, в которой доказывал, что видимое движение Солнца по небу происходит от вращения Земли, ему почти никто не хотел верить, а римский папа даже запретил его книгу, как противоречащую христианской религии.

В библии есть рассказ о том, как еврейский вождь Иисус Навин, видя, что до наступления темноты он не успеет разбить своих врагов, велел Солнцу остановиться на небосводе и тем отсрочил наступление ночи. Вот на эту библейскую легенду католическое духовенство ссылалось, как на опровержение учения Коперника о вращении Земли. Ведь согласно этой легенде Иисус Навин приказал остановиться не Земле, а Солнцу.

По учению Коперника, правильность которого наука подтвердила в дальнейшем неопровержимыми доказательствами, Земля раз в сутки поворачивается вокруг своей оси, проходящей через северный и южный земные полюсы. Эта ось, конечно, воображаемая.

Если вы возьмёте мяч или, ещё лучше, биллиардный шар и с силой закрутите его на столе, он будет некоторое время вертеться. Ось вращения мяча, как и ось вращения Земли, будет воображаемая, но, глядя на вращающийся мяч, нетрудно заметить точку в верхней части его поверхности, через которую эта ось проходит. Мяч, конечно, скоро остановится из-за трения о поверхность стола. Земля же вращается в мировом пространстве, не соприкасаясь ни с какими другими телами. Поэтому её вращение происходит без трения и нет причин для того, чтобы оно прекратилось.

Если бы в мировом пространстве, окружающем Землю, не было небесных светил — Солнца, звёзд и Луны, мы бы не замечали вращения Земли. Теперь же, хотя мы не чувствуем, что Земля вертится, мы видим, что по небу перемещаются в одном и том же направлении — с востока на запад — все небесные светила. В действительности же это сама Земля вращается в противоположном направлении — с запада на восток.

Таким образом, смена дня и ночи происходит потому, что из-за вращения Земли вокруг своей оси одно и то же место на земной поверхности то бывает обращено к Солнцу и освещается его лучами, то оказывается повёрнутым прочь от Солнца. Посмотрите на рис. 1, на котором солнечные лучи падают на земной шар слева. Благодаря этому на левой, освещённой солнечными лучами половине земного шара — день, а на правой, неосвещённой половине — ночь.

5. Как доказали, что Земля вертится?

Что, что Земля действительно вращается вокруг своей оси, можно доказать разными способами.

Когда учёные точно измерили Землю, оказалось, что она имеет не совсем правильную форму шара, а слегка сплюснута с двух противоположных сторон — у своих полюсов. Это открытие, однако, совсем не было неожиданным, так как ещё значительно раньше великий английский математик Ньютон доказал с помощью расчётов, что благодаря своему вращению Земля обязательно должна быть сплюснутой. Объясняется это действием на Землю так называемой центробежной силы.

Вы знаете, что если привязать камень к концу верёвки и, взяв верёвку за другой конец, начать её быстро вращать вместе с камнем, верёвка сильно натянется, а иногда может и разорваться. Это объясняется действием на камень центробежной силы, возникшей при его вращении. Кусочки грязи, прилипшие к колесу телеги, при вращении колеса далеко отбрасываются под действием той же центробежной силы.

Наш земной шар из-за своего вращения тоже подвергается действию центробежной силы. Правда, скорость вращения Земли не настолько велика, чтобы центробежная сила могла разорвать Землю на части. Но всё-таки, как показывают расчёты, внешний вид Земли под действием этой силы должен несколько измениться: Земля должна потерять правильную форму шара, а именно, несколько растянуться поперёк оси своего вращения и одновременно сжаться вдоль этой оси.

Рис. 4. Ось вращения земного шара проходит через северный и южный полюсы Земли

На рис. 4 изображена Земля, ось вращения которой проведена сверху вниз. Эта ось, как мы знаем, проходит через земные полюсы — северный и южный. Оба полюса неподвижны, все же остальные места земной поверхности вращаются с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от полюсов. Всего быстрее движутся места, расположенные на так называемом экваторе — круге, находящемся как раз посредине между двух полюсов и делящем Землю на два полушария: северное и южное. Места на экваторе за одну минуту перемещаются приблизительно на 30 километров. Вот именно вдоль по экватору земной шар и растянут под действием центробежной силы и сжат в то же время у полюсов.

Когда размеры Земли были точно измерены, то оказалось, что поперечник экватора на 43 километра длиннее расстояния между северным и южным полюсами Земли. Это, конечно, очень мало, и при правильном изображении Земли на рисунке, на глаз её сплюснутость незаметна. Но это вполне подтвердило правильность расчётов Ньютона о сплюснутости Земли, которые он сделал, исходя из вращения Земли вокруг оси.

Кстати, знаете ли вы, что случится, если предположить, что произойдёт невероятное событие — Земля перестанет вращаться вокруг своей оси? Центробежная сила тогда на Земле исчезнет, и вода океанов, которая при вращении Земли поддерживается этой силой на выпуклости земного экватора, стечёт к полюсам. Случись так, на Земле осталось бы только два океана: северный полярный и южный полярный, и вся промежуточная область превратилась бы в один огромный материк, опоясывающий Землю кругом.

Есть ещё несколько доказательств вращения Земли. Из них наиболее наглядное было дано около ста лет тому назад французским физиком Фуко.

В одном из высоких парижских зданий, внутренняя высота которого почти достигает 70 метров, Фуко на длинной проволоке подвесил груз весом около 30 килограммов. Получился прибор, который носит название маятника. Но этот маятник несколько отличался от всем известного маятника стенных часов. Дело в том, что маятник стенных часов может качаться только в одном направлении, а маятник, устроенный Фуко, мог качаться в разных направлениях, так как груз здесь был подвешен на проволоке.

Наукой установлено, что каждый маятник, такой ли большой, как его соорудил Фуко, или маленький, состоящий из короткой нити и небольшого груза, стремится качаться всё время в одном направлении, в том самом, в котором его первоначально толкнули. Маятник сохраняет это направление и в том случае, если подставку, на которой он подвешен, начать вращать в ту или другую сторону.

Фуко понял, что, пользуясь этим свойством маятника, можно обнаружить вращение Земли. Ведь потолок того здания, в котором Фуко подвесил свой маятник, да и всё здание в целом участвуют во вращении Земли, сам же маятник, после того как его раскачают, будет сопротивляться этому вращению и стремиться качаться в прежнем направлении. Значит, как только здание, в котором качается маятник, повернётся из-за вращения Земли на значительный угол, маятник должен изменить направление своего качания относительно здания.

Когда Фуко в 1851 году впервые поставил свой опыт, его расчёты блестяще подтвердились: спустя несколько минут после того как маятник заставили качаться, все присутствующие заметили, что направление качания маятника стало изменяться. Сомнений не было — это был результат вращения Земли.

Почему Фуко, ставя свой опыт, воспользовался маятником таких больших размеров? Во-первых, потому, что чем больше маятник, тем легче можно заметить изменение направления его качания. Во-вторых, большой маятник может качаться сравнительно долго, в то время как маленький маятник быстро перестанет качаться, главным образом потому, что на нём сильно сказывается тормозящее действие сопротивления воздуха.

Опыт Фуко повторялся много раз в различных местах Земли, и во всех случаях те, кто его ставили, своими глазами убеждались в существовании вращения Земли.

В 1931 году, то есть через 80 лет после Фуко, его опыт был поставлен в Ленинграде в бывшем Исаакиевском соборе в ещё больших размерах. Длина проволоки маятника была 98 метров, вес груза — 60 килограммов. На одно своё полное колебание этот огромный маятник тратил 20 секунд. И уже после трёх-четырёх таких колебаний большинство присутствующих (а их было около 7000 человек) смогло заметить, что маятник несколько изменил направление своего качания в сторону, противоположную вращению Земли.

6. Отчего летом теплее, чем зимой?

Мы все отлично знаем, что в различные времена года Солнце ведёт себя по-разному. Летом оно восходит рано, идёт высоко по небу и заходит поздно. Зимой, наоборот, Солнце показывается над горизонтом поздно и, совершив низкий и короткий путь по небу, рано заходит. Летом день длинный, ночь короткая; зимой день короткий, ночь длинная. Весной и осенью день и ночь по продолжительности мало отличаются друг от друга. Чем всё это объяснить? Ведь мы знаем, что смена дня и ночи, то есть восход и заход Солнца, происходит оттого, что Земля вращается вокруг своей оси. Что же она не весь год вертится одинаково? А может быть, продолжительность дня и ночи зависит ещё от какой-нибудь другой причины?

Чтобы выяснить это, разберём подробнее, как ведёт себя Солнце в различные времена года и какая существует связь между поведением Солнца и изменениями погоды.

И летом и зимой Солнце восходит в восточной части горизонта, заходит в западной, а в полдень бывает на юге выше всего над горизонтом. Но летом Солнце восходит между востоком и севером, то есть на северо-востоке, а заходит между западом и севером, то есть на северо-западе. Благодаря этому его видимый путь по небу длинен, и должно пройти много времени, чтобы Солнце могло добраться до юга; в течение этого времени Солнце успеет подняться высоко. Зимой Солнце восходит между востоком и югом, то есть на юго-востоке, а заходит между западом и югом, то есть на юго-западе. Путь его по небу короче, чем летом. До юга Солнце доходит за сравнительно недолгое время и не успевает подняться на значительную высоту (рис. 5).

Рис. 5. Видимый путь Солнца над горизонтом в различные времена года

Возьмём, для примера, Москву. Летом в Москве, в конце июня, Солнце бывает над горизонтом приблизительно 17 с половиной часов, а зимой, в конце декабря, всего только 6 с половиной. В полдень, когда Солнце на юге, летом оно бывает в 5 с лишним раз выше над горизонтом, чем зимой.

Нетрудно понять, что именно благодаря такой разнице в поведении Солнца зимой и летом, зимой бывает холодно, а летом тепло. Ведь летом Солнце значительно дольше освещает поверхность Земли, чем зимой. А солнечные лучи дают Земле не только свет, но и согревают её.

Но ещё большее значение имеет разница в высоте пути Солнца над горизонтом. Когда Солнце стоит на небе низко, его лучам приходится проходить через толстый слой воздушной оболочки, который не только ослабляет свет Солнца, но и задерживает теплоту его лучей. Кроме того, солнечные лучи падают в этом случае на земную поверхность не прямо, а вкось, как бы скользя вдоль неё. В результате всего этого при низком положении Солнца солнечные лучи очень мало согревают почву.