День и ночь. Времена года

Совершенно иное получается, когда Солнце стоит высоко над горизонтом. Тогда солнечные лучи проходят через сравнительно тонкий слой воздуха и падают на земную поверхность почти отвесно. Благодаря этому они сильно согревают почву.

Рис. 6. Путь солнечных лучей при низком и при высоком положениях Солнца

Посмотрите на рис. 6. В левой части рисунка показано, как падает на Землю пучок солнечных лучей, когда Солнце находится низко на небе. В правой части рисунка показан падающий на Землю пучок лучей от Солнца, когда оно стоит высоко в небе. Один и тот же пучок лучей в первом случае (когда Солнце низко) освещает значительно большую площадь на земной поверхности и проходит более толстый слой воздуха, чем во втором случае. Отсюда понятно, почему зимнее Солнце почти не греет, а летнее, наоборот, греет очень сильно.

Таким образом, мы видим, что зимние холода объясняются тем, что зимой Солнце бывает недолго над горизонтом и его лучи почти не согревают поверхность Земли. Летом же, наоборот, Солнце бывает над горизонтом долго, и его лучи сильно греют Землю. Поэтому-то летом и бывает тепло.

7. Отчего летом Солнце бывает над горизонтом выше, чем зимой?

Как мы уже говорили, в результате вращения Земли вокруг своей оси с запада на восток нам кажется, что Солнце перемещается по небу в обратном направлении, то есть с востока на запад, и все другие светила — Луна, звёзды — движутся по небу в том же направлении по той же причине.

Но вот оказывается, что, кроме этого кажущегося общего для всех небесных светил движения, Солнце имеет ещё второе движение, значительно менее заметное. Благодаря именно этому движению Солнце в различные времена года согревает Землю по-разному.

Ещё древним учёным удалось выяснить, что Солнце медленно перемещается по небу, переходя от одного созвездия к другому, и совершает в течение одного года один полный круг, приходя на то же место, где было ровно год назад.

Вы можете спросить, как можно наблюдать перемещение Солнца между звёздами, когда звёзды не видны на небе одновременно с Солнцем?

Оказывается, для того чтобы судить о движении Солнца между звёзд, видеть его одновременно со звёздами вовсе не обязательно.

Прежде чем объяснять, как это можно сделать, заметим, что сами звёзды (кроме особых небесных тел, похожих на звёзды — планет, о которых мы расскажем ниже) не меняют заметно своего положения друг относительно друга, то есть каждая звезда находится всегда на одних и тех же расстояниях от других звёзд. Поэтому взаимное расположение звёзд на небе остаётся постоянным в течение многих лет, и учёным только с помощью точных инструментов удалось обнаружить незначительные изменения в положении звёзд.

Убедиться же в том, что Солнце действительно движется между звёзд, можно различными способами. Например, можно отмечать изо дня в день, какие звёзды видны в вечерние часы в западной части неба после захода Солнца. Очевидно, что это будут как раз те звёзды, вблизи которых находится Солнце. И вот оказывается, что в различные дни года в вечерние часы на западе бывают видны различные звёзды. При этом, конечно, бывает неодинаков и вид всего звёздного неба.

Так, например, те звёзды, которые весной видны в западной части неба, осенью будут видны на востоке. Звёзды, которые весной мы видим на юге, осенью или совсем не будут видны на небе, или же будут видны на севере. Всё это с очевидностью говорит о том, что положение Солнца между звёзд в течение года изменяется.

Для того чтобы изучить годовой путь Солнца между звёзд, учёные не только наблюдали за изменением вида ночного неба, то есть за расположением звёзд, но и производили также тщательные определения положения Солнца на небе днём. В результате всего этого удалось точно установить, около каких звёзд проходит по небу годовой путь Солнца весной, летом, осенью и зимой.

И вот оказалось, что летом Солнце находится около звёзд, которые высоко поднимаются над горизонтом в южной части неба и совершают над горизонтом длинный путь. Зимой, наоборот, Солнце находится около звёзд, совершающих короткий путь над горизонтом и низко расположенных даже тогда, когда они видны на юге. Этим и объясняются особенности изменений суточного пути Солнца над горизонтом в течение года. Ведь если бы Солнце не перемещалось так между звёзд, оно бы в течение всего года каждый день совершало над горизонтом одинаковый путь.

8. Отчего происходит годовое движение Солнца между звёзд?

Древние учёные, открывшие, что Солнце движется между звёзд, считали, что Солнце действительно обходит Землю кругом в течение года. Рассматривая Землю как середину и основу всего мира, они думали, что вокруг Земли движутся вообще все небесные светила. При этом Солнце, по их представлениям, совершало два движения: первое — суточное, вместе со всем звёздным небом, второе — годовое по звёздному небу.

Первое из этих движений, как мы уже видели, кажущееся и объясняется оно вращением Земли вокруг оси; о причинах второго движения будет сказано несколько дальше.

Другим небесным светилам древние учёные приписывали свои особые, отличные от Солнца движения. Так, они думали, что звёзды имеют только одно движение вокруг Земли: раз в сутки они обходят Землю кругом. Луне же и нескольким особенным звёздам, заметно изменяющим своё положение на звёздном небе и названным планетами, они, кроме суточного движения вокруг Земли, приписывали ещё другие, более медленные движения, подобные годовому движению Солнца. Считалось, что Луна обходит вокруг Земли немного меньше, чем в один месяц, а планеты в различные промежутки времени от одного года до 30 лет.

Разнообразие и сложность движений небесных тел заставили древних учёных придумать для них очень запутанные объяснения. Особенно много трудностей было с объяснением движения планет, которые движутся по звёздному небу (как это кажется с Земли) по очень замысловатым петлеобразным путям. А так как было важно (главным образом для нужд мореплавания) знать наперёд, где будут расположены на небе Солнце, Луна и планеты, древним учёным пришлось составлять таблицы движений этих небесных тел. Это было делом чрезвычайно сложным, но всё-таки учёные с такой работой справились, чем сильно помогли мореплавателям определять своё местоположение в морях и океанах.

Однако, с течением времени обнаружилось, что составленные таблицы стали давать ошибочные положения планет на небе. Пришлось снова делать огромную работу и пересоставлять планетные таблицы заново. Но и эти новые таблицы вскоре потеряли требуемую от них точность.

И вот тот же великий учёный Николай Коперник, который объяснил суточное движение Солнца вращением Земли вокруг земной оси, дал правильное, совершенно новое объяснение годовому движению Солнца между звёзд и запутанным движениям планет. В своей книге Коперник показал убедительно и ясно, что все расчёты движений небесных светил станут значительно проще, если считать, что планеты движутся не вокруг Земли, а вокруг Солнца и что сама Земля тоже движется вокруг Солнца.

Таким образом, оказывается, что и второе движение Солнца — годичное между звёзд — также только кажущееся. На самом деле, это Земля обходит в течение года кругом Солнца, и поэтому мы видим Солнце в разное время около различных звёзд.

Это новое учение Коперника о движении Земли христианская церковь встретила чрезвычайно враждебно. Ведь Коперник считал Землю не за основу и середину мира, вокруг которой движутся все небесные светила, а за одну из планет, движущихся вокруг Солнца. Только Луну Коперник считал движущейся вокруг Земли. Таким образом, по учению Коперника, Земля теряла своё исключительное положение в мире. А ведь не только христианская религия, но и все другие религии всегда рассматривали Землю как жилище человека, специально для него созданное богом. Все же небесные тела созданы только для того, чтобы обслуживать человека: Солнце — освещать и согревать почву, Луна — светить ночью, звёзды — главным образом для того, чтобы в ночное время помогать путешественникам находить правильное направление.

Когда учение Коперника о движении Земли вокруг Солнца стало распространяться, среди учёных того времени нашлось довольно много сторонников этого учения, но христианская церковь начала ожесточённую борьбу с новым учением. Коперника в это время уже не было в живых и с ним ничего нельзя было сделать, но зато один из самых выдающихся людей того времени — Джордано Бруно, как и Коперник, учивший о движении Земли и считавший, что жизнь существует не только на ней, но и на других небесных телах, был в 1600 году по постановлению католического церковного суда сожжён живым на костре в Риме.

Другой последователь Коперника — великий учёный Галилей — был в 1633 году осуждён римским папой на пожизненное тюремное заключение.

9. Как доказать, что Земля движется вокруг Солнца?

Было бы очень трудно решить вопрос, что вокруг чего движется — Земля вокруг Солнца, или Солнце вокруг Земли, если бы с Земли не было видно звёзд и планет, ну, положим, если бы небо по ночам всегда было пасмурным. Коперник жил в те времена, когда ещё не существовало точных инструментов. Поэтому ни он сам, ни его современники не могли обнаружить ничтожно малые изменения в положении звёзд на небе, вызываемые движением Земли. Но современная нам наука хорошо знает, что такие изменения действительно существуют, и считает их за основное доказательство движения Земли вокруг Солнца.

Проделайте следующий опыт, который поможет вам разобраться в этом доказательстве движения Земли.

Выйдите на открытое место и разыщите удалённое дерево, фабричную трубу или телеграфный столб.

Обернитесь к дереву лицом и вытяните перед собой правую руку с поднятым вверх указательным пальцем.

Закройте левый глаз и, смотря одним правым глазом, передвиньте правую руку так, чтобы палец закрыл собой дерево.

Не изменяя положения правой руки, закройте правый глаз и смотрите одним левым.

Что при этом произойдёт?

Оказывается, что если вначале, когда вы смотрели правым глазом, ваш палец закрывал дерево, то после того, как вы стали смотреть левым глазом, палец перестал закрывать дерево и сместился от него вправо. Почему же это случилось? Ведь и вы сами, и ваш палец, и дерево всё время не изменяли своего положения.

Ответ ясен: первый раз вы смотрели правым глазом, второй раз — левым. Следовательно, вы смотрели не из одного и того же места, а из разных мест. Поэтому вам и показалось, что палец переместился.

Таких опытов с более близкими и более далёкими предметами вы можете проделать сколько угодно как под открытым небом, так и в комнате. Во всех случаях вы убедитесь, что когда вы будете смотреть поочерёдно то правым, то левым глазом, более близкие предметы будут перемещаться относительно далёких предметов, то есть более далёкие предметы будут как бы оставаться на месте, а более близкие — смещаться в сторону.

Посмотрим теперь, как все эти опыты смогут нам помочь понять то основное доказательство движения Земли, о котором мы говорили.

Звёзды находятся от Земли и от Солнца на огромных расстояниях. Эти расстояния во много раз больше расстояния, отделяющего Землю от Солнца. Но есть звёзды более близкие и более далёкие. И нередко на небе можно найти две такие неподалёку расположенные друг от друга звезды, из которых одна значительно дальше от нас, чем другая. Если бы Солнце двигалось вокруг Земли, а Земля неподвижно покоилась на одном месте, мы никогда бы не наблюдали, что более близкие звёзды смещаются в течение года относительно более далёких. Но так как в действительности движется Земля вокруг Солнца, мы в различные времена года смотрим на звёзды не из одного и того же места, а из различных мест. Поэтому нам кажется, что более близкие к нам звёзды перемещаются относительно более далёких звёзд. Эти перемещения совершаются с очень большой правильностью и каждое из них заканчивается и вновь начинает повторяться через один год, то есть тогда, когда Земля, обойдя Солнце кругом, возвращается на прежнее место.

Сравним теперь это перемещение звёзд с перемещением пальца относительно дерева.

Почему палец перемещался? По двум причинам. Во-первых, потому, что вы меняли глаз: смотрели то правым, то левым глазом, то есть смотрели из разных мест. Во-вторых, потому, что палец был ближе к вам, чем дерево.

Почему при движении Земли вокруг Солнца звёзды смещаются друг относительно друга? Тоже по двум причинам. Во-первых, потому, что мы находимся на движущейся вокруг Солнца Земле и в разные дни года смотрим на звёзды из разных мест. Во-вторых, потому, что есть более близкие и более далёкие звёзды.

Рис. 7. Объяснение смещения звёзд, происходящего от движения Земли вокруг Солнца

Посмотрите на рис. 7. Большой круг на этом рисунке изображает путь, который Земля проходит вокруг Солнца в течение года. Маленький кружок в центре этого круга изображает Солнце. В правой части рисунка видны две звезды: более близкая и более далёкая. Если Земля находится в месте, обозначенном на рисунке буквой А, мы, глядя с Земли на звёзды, должны увидеть более близкую звезду левее более далёкой звезды. Но когда Земля переместится в место, обозначенное буквой Б, более близкая звезда будет видна нам правее более далекой звёзды. Таким образом, из-за движения Земли вокруг Солнца нам будет казаться, что более близкая звезда изменяет своё положение относительно более далёкой звезды.

Наблюдаются ли такие смещения звёзд на самом деле? Мы уже говорили, что наблюдаются. Только обнаружить эти смещения оказалось делом очень трудным, так как они из-за большой удалённости звёзд очень малы. Первый раз такое смещение удалось открыть и измерить всего лишь 100 с небольшим лет тому назад, то есть спустя, приблизительно, 300 лет после смерти Коперника. Но за последнее время такие смещения были обнаружены и измерены уже у нескольких тысяч звёзд.

Существуют и другие убедительные доказательства того, что Земля действительно движется вокруг Солнца.

10. Отчего происходит смена времён года?

Итак, Земля имеет два различных движения. Во-первых, она поворачивается вокруг своей оси один раз в сутки. Во-вторых, она обходит вокруг Солнца в течение одного года. В результате первого движения Земли происходит смена дня и ночи; в результате второго, как это вы сейчас увидите, происходит смена времён года.

Если бы Земля двигалась вокруг Солнца так, что ось её вращения всё время была расположена под прямым углом к солнечным лучам, никакой смены времён года на Земле не существовало бы. Посмотрите на рис. 4. Откуда бы Солнце ни освещало Землю — справа, слева, спереди или сзади, лишь бы его лучи падали на земную поверхность под прямым углом к земной оси, — никакой разницы не получилось бы. Во всех случаях лучи Солнца падали бы отвесно на земном экваторе и скользили бы вдоль земной поверхности у полюсов. В любом месте на Земле (кроме полюсов), из-за её вращения вокруг оси, ночь тянулась бы 12 часов и столько же продолжался бы день. Солнце всегда бы всходило на востоке и садилось на западе, совершая по небу изо дня в день всё один и тот же путь. Смены времён года на Земле не было бы.

В действительности, однако, дело обстоит не так.

Оказывается, что лучи Солнца только два раза в году — 21 марта и 23 сентября — падают на Землю под прямым углом к оси её вращения. Это значит, что только два раза в году — весной и осенью — бывает так, что день и ночь длятся по 12 часов, всю же остальную часть года либо ночь бывает длиннее дня, либо день длиннее ночи.

Рис. 8. Наклон земной оси к лучам Солнца в конце июня

Посмотрите на рис. 8. Он изображает Землю, на которую солнечные лучи падают справа. Поэтому на правой половине Земли день, а на левой — ночь. Обратите теперь внимание на то, как расположена ось вращения Земли. Она наклонена к лучам Солнца и при этом так, что её северная часть (на рисунке — верхняя) наклонена по направлению к Солнцу, а южная (на рисунке — нижняя) наклонена прочь от Солнца. Вследствие этого северная часть Земли получает значительно больше тепла и света, чем южная.

Посмотрите теперь на северный полюс Земли. Не только он сам, но и значительная часть земной поверхности вокруг него освещается солнечными лучами. Сколько бы Земля ни вертелась, ни на самом северном полюсе, ни вокруг него при таком положении земной оси ночь не может наступить: круглые сутки будет день.

В местностях, более удалённых от северного полюса, смена дня и ночи уже будет происходить, но, как это нетрудно сообразить, день будет длиннее ночи. И только на земном экваторе, то есть как раз посредине между двух полюсов Земли, продолжительность дня и ночи будет одинакова.

Совершенно иное будет происходить в южном полушарии. Как сам южный полюс Земли, так и значительная часть земной поверхности вокруг него не освещаются солнечными лучами. Это значит, что на южном полюсе и около него круглые сутки будет длиться ночь. В более удалённых от южного полюса местностях ночь уже будет сменяться днём, но её продолжительность вплоть до экватора будет больше продолжительности дня.

Из всего сказанного теперь легко понять, что при таком наклоне земной оси, как на рис. 8, в северном полушарии Земли будет лето, а в южном — зима (зимние месяцы в южном полушарии — июнь — август).

Рис. 9. Наклон земной оси к лучам Солнца в конце декабря

Посмотрите теперь на рис. 9. На нём тоже изображена Земля, освещённая справа солнечными лучами. Однако ось вращения Земли на этот раз наклонена в противоположном направлении: северный её конец от Солнца, а южный — к Солнцу. Северный полюс с окружающей его частью земной поверхности погружён в темноту. На нём и около него круглые сутки длится ночь. Несколько дальше от него смена дня и ночи происходит, но всюду день короче ночи. В северном полушарии Земли будет зима. В южном полушарии Земли в это время, очевидно, лето. Там день либо длиннее ночи, либо (на южном полюсе и поблизости от него) длится круглые сутки.

Рис. 10. Наклон земной оси к лучам Солнца в конце марта и в конце сентября

О том, как расположена ось вращения Земли относительно лучей Солнца весной и осенью, уже говорилось: солнечные лучи падают на Землю под прямым углом к земной оси. В таком положении Земля изображена на рис. 10.

Конечно, надо помнить, что в то время, когда в северном полушарии Земли бывает осень, в южном полушарии бывает весна, и наоборот.

Рuc. 11. Изменение наклона земной оси к лучам Солнца в течение года

Теперь посмотрите на рис. 11. Он даёт общую картину изменения положения земной оси относительно Солнца в течение года.

В середине рисунка находится Солнце. Путь Земли изображён несколько сбоку, поэтому он не круглый, а вытянутый. Земля показана на нём в четырёх положениях: 21 марта, 22 июня, 23 сентября и 22 декабря. На рисунке отчётливо видно, что в различные времена года ось вращения Земли сохраняет одно и то же положение, наклонённое к пути, по которому Земля движется вокруг Солнца. Именно поэтому в разные части года Солнце освещает сильнее то северное, то южное полушарие Земли, то есть именно поэтому происходит смена времён года.

Действительно, при положении Земли 21 марта и 23 сентября северное и южное полушария Земли (как и на рис. 10) расположены одинаково относительно солнечных лучей.

На всей Земле в это время день и ночь длятся по 12 часов. 21 марта в северном полушарии — весна, в южном — осень; 23 сентября, наоборот, — в северном полушарии — осень, в южном — весна (на рис. 11 21 марта видна освещённая Солнцем половина Земли, а 23 сентября — неосвещённая).

Положение Земли 22 июня такое же самое, что и на рис. 8. Северное полушарие Земли получает от Солнца больше тепла и света, чем южное. В северном полушарии — лето, в южном — зима. Наконец, положение Земли 22 декабря соответствует рис. 9. При этом положении северное полушарие Земли получает меньше тепла и света, чем южное. В северном полушарии — зима, в южном — лето.

Итак, оказывается, что смена времён года происходит на Земле потому, что ось вращения Земли наклонена к пути, по которому Земля движется вокруг Солнца. Если бы не было наклона земной оси, если бы она была расположена к пути Земли вокруг Солнца под прямым углом, в любом месте на Земле суточный путь Солнца над горизонтом оставался бы в течение года неизменным. И не было бы тогда ни весны, ни лета, ни осени, ни зимы. Весь год погода в отдельных местах на Земле была бы приблизительно одинаковая: у земных полюсов всего холоднее, на экваторе всего жарче. Но смены времён года не существовало бы.

11. Что такое планеты и звёзды?

В нашей книжке нам пришлось упомянуть о различных небесных светилах: Солнце, Луне, планетах и звёздах. О том, что представляют собой Солнце и Луна, мы в своём месте кое-что сказали, но о планетах и звёздах было упомянуто лишь мимоходом. А между тем, если об этих светилах читателю совсем ничего не известно, многое из того, о чём было здесь рассказано, может быть им неправильно понято.

Итак, что такое планеты?

Рис. 12. Сравнительные размеры планет

На рис. 12 показаны сравнительные размеры планет. Их   известно   всего   девять.  Самая   большая  из  них  — Юпитер — имеет поперечник в 11 раз больше поперечника Земли, а объём в 1345 раз больше земного объёма. Несмотря на такие огромные размеры, Юпитер всё-таки почти в 1000 раз меньше Солнца по объёму.

Все планеты, подобно нашей Земле, имеют шарообразную форму и так же, как и Земля, сами не светятся. Мы их видим только потому, что их освещают лучи Солнца.

Планеты Меркурий, Венера, Марс и Плутон по своим размерам меньше нашей Земли. О Плутоне мы почти ничего не знаем: он очень удалён от Земли, да к тому же и невелик. Венера и Марс окружены воздушными атмосферами. Марс очень напоминает Землю по характеру своего вращения вокруг оси. Ось его вращения, как и земная, значительно наклонена к пути, по которому Марс движется вокруг Солнца. И, как и на Земле, на Марсе вследствие этого происходит смена времён года. В зрительные трубы можно легко рассмотреть снеговые полярные шапки на Марсе, которые увеличиваются в том из полушарий Марса, на котором наступает зима, и одновременно уменьшаются, а то и совсем исчезают в другом полушарии, где наступает лето. Смена дня и ночи на Марсе происходит тоже почти так же, как и на Земле, так как один поворот вокруг своей оси Марс делает в 24 часа 37 минут, то есть немногим больше земных суток.

Есть много оснований предполагать, что на Марсе, как и на Земле, существует жизнь. Конечно, эта жизнь должна сильно отличаться от земной уже по одному тому, что Марс находится дальше от Солнца, чем Земля, и поэтому получает значительно меньше солнечного тепла и света. Да и атмосфера Марса во много раз реже земной атмосферы.

Очень возможно также, что жизнь существует и на Венере, но эта планета мало изучена, так как её поверхность всегда закрыта облаками, плавающими в атмосфере Венеры.

Меньше похожи на Землю четыре самые большие планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Они окружены атмосферами, в которых плавают густые облака. Эти планеты очень быстро вращаются вокруг своих осей, в особенности Юпитер, который делает один оборот меньше чем в 10 часов. Вследствие такого вращения эти планеты заметно сплюснуты у полюсов, в особенности Юпитер и Сатурн.