Oświetlenie Ziemi

Cele:
Uczeń:
- wymienia astronomiczne i klimatogeniczne pory roku dla Polski;
- zna i wykorzystuje do obliczeń wzory na wysokość Słońca nad horyzontem w momencie górowania;
- potrafi narysować pozorny ruch Słońca wykorzystując układ horyzontalny;
- wymienia elementy układu horyzontalnego;
- zna strefy oświetlenia Ziemi i wymienia ich charakterystyczne cechy;
- zna różnicę między kalendarzem juliańskim i gregoriańskim.

Treści przedstawiane na lekcji:
Oświetlenie Ziemi w poszczególnych dniach roku jest różne z uwagi na kąt nachylenia osi ziemskiej do orbity ziemskiej. Ten kąt wynosi 66⁰34’. Ziemia zmienia więc ciągle swoje położenie w stosunku do Słońca i tym samym miejsca na niej są w zróżnicowany sposób ogrzewane.
Biorąc pod uwagę górowanie Słońca w zenicie nad równikiem i zwrotnikami wyróżnia się cztery astronomiczne pory roku: wiosnę, lato, jesień i zimę.
Gdy jednak podstawowym wyróżnikiem są średnie temperatury w danym miejscu w ciągu roku, to pory roku nazywa się termicznymi lub klimatogenicznymi.
W Polsce według różnych klasyfikacji wyróżnia się 6 lub 7 pór roku:
- wg Romera: przedwiośnie, wiosna, lato, jesień, przedzimie i zima;
- wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej: przedwiośnie, wiosna, lato, polecie, jesień, przedzimie i zima.
W różnych porach roku i miejscach na Ziemi, Słońce ma swój moment górowania na różnej wysokości. Łatwo można obliczyć tę wysokość w pierwszych dniach astronomicznych pór roku, wykorzystując zależność wysokości Słońca od szerokości geograficznej miejsca obserwacji.
21 III i 23 IX promienie słoneczne padają na równiku prostopadle do płaszczyzny horyzontu (Słońce góruje tam w zenicie). Są to dni równonocy - dzień trwa tak samo długo jak noc we wszystkich miejscach na Ziemi. 21 III na półkuli północnej rozpoczyna się astronomiczna wiosna, a 23 IX astronomiczna jesień. Poza kołem podbiegunowym północnym od 21 III do 23 IX występują dni polarne, a na półkuli południowej poza kołem podbiegunowym - noce polarne.
Od 23 IX do 21 III sytuacja jest odwrotna - dni polarne występują w strefach podbiegunowych na półkuli południowej, a noce polarne na północy.
W pierwszych dniach astronomicznej wiosny i jesieni szerokość geograficzna miejsca obserwacji jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości Słońca nad horyzontem, dlatego wzór na obliczenie szerokości geograficznej jest prosty:
φ = 90⁰– h
21 VI promienie słoneczne padają na zwrotniku Raka prostopadle do płaszczyzny horyzontu. Na półkuli północnej jest to najdłuższy dzień w roku - dzień przesilenia letniego. Data ta rozpoczyna astronomiczne lato na półkuli północnej.
W pierwszym dniu astronomicznego lata, szerokość geograficzną na półkuli północnej oblicza się wg wzoru:
φ = 90⁰ – h + 23⁰26’
22 XII promienie słoneczne padają na zwrotniku Koziorożca pionowo na płaszczyznę horyzontu. Data ta rozpoczyna astronomiczną zimę dla półkuli północnej. Jest to najkrótszy dzień w roku dla tej półkuli.
W pierwszym dniu astronomicznej zimy, szerokość geograficzną na półkuli północnej oblicza się wg wzoru:
φ = 90⁰ – h - 23⁰26’
Znając szerokość geograficzną, można odpowiednio przekształcić wzór, tak, aby móc obliczyć wysokość Słońca nad horyzontem w pierwsze dni pór roku.
Wysokość Słońca w momencie górowania w danym miejscu na Ziemi można przedstawić wykorzystując układ horyzontalny. Elementami tego układu są:
- sfera niebieska otaczająca Ziemię;
- oś główna, którą stanowi kierunek pionu;
- zenit i nadir, będące biegunami tego układu;
- płaszczyzna horyzontu prostopadła do osi głównej;
- oś niebieska, będąca przedłużeniem osi ziemskiej;
- północny i południowy biegun niebieski, będące na przecięciu osi niebieskiej ze sferą niebieską;
- równik niebieski, którego płaszczyzna pokrywa się z płaszczyzną równika ziemskiego;
- południk niebieski, czyli koło wielkie na sferze niebieskiej, przechodzące przez bieguny świata i zenit.
W tym układzie, położenie ciała niebieskiego, także Słońca, określa się podając współrzędne: azymut astronomiczny i wysokość astronomiczną.
Układ horyzontalny można wykorzystać do przedstawienia pozornej wędrówki Słońca nad horyzontem i wysokości jego górowania.

Następstwem zróżnicowania oświetlenia Ziemi jest m.in. strefowy układ wielu wzajemnie ze sobą powiązanych zjawisk: temperatury, ciśnienia, klimatu, szaty roślinnej, gleb. We wszystkich tych przykładach mamy do czynienia z tzw. strefowością geograficzną.
Wyróżnia się następujące strefy oświetlenia Ziemi:
- strefa międzyzwrotnikowa – między Zwrotnikiem Raka, a Zwrotnikiem Koziorożca. W tej strefie Słońce góruje dwa razy w roku na każdej szerokości geograficznej poza zwrotnikami, gdzie góruje tylko raz w roku. Na równiku dzień i noc przez cały rok mają po 12 godzin;
- strefy umiarkowane – między zwrotnikami, a kołami podbiegunowymi. W tych strefach Słońce nigdy nie góruje w zenicie. W miarę oddalania się od równika, wysokość Słońca w momencie górowania jest coraz mniejsza. Zawsze po dniu następuje noc w ciągu 24 godzin;
- strefy podbiegunowe – od kół podbiegunowych do biegunów. W strefach tych występują dni i noce polarne.

Z uwagi na fakt, że w różnych porach roku Słońce jest widoczne z Ziemi na tle różnych gwiazdozbiorów, wyróżniono dwanaście obszarów na niebie i przypisano im znaki zodiaku: koziorożec, wodnik, ryby, baran, byk, bliźnięta, rak, lew, panna, waga, skorpion, strzelec.
Z obiegiem Ziemi wokół Słońca i ze znakami zodiaku ma związek kalendarz. Praktyczne stało się zastosowanie kalendarza, jako systemu rachuby dni.
Juliusz Cezar wprowadził 46 lat p.n.e. rachubę czasu z latami przestępnymi co cztery lata. Kalendarz ten nazywał się juliańskim. Okazało się jednak, że niewielkie różnice pomiędzy kalendarzem słonecznym, a przeciętnym rokiem powodowały różnicę 1 doby po 128 latach. Dlatego w 1582 r. papież Grzegorz XIII wprowadził poprawkę do kalendarza juliańskiego, jednorazowo dodając 10 dni i postanawiając, że lata podzielne przez 100 nie będą przestępne pomimo, że dzielą się również przez cztery, a lata podzielne przez 400 pozostaną przestępnymi. (kalendarz gregoriański).
Wprowadzono również podział na mniejsze okresy w obrębie roku: miesiące i tygodnie. Początkowo długość trwania miesiąca próbowano dostosować do czasu, w którym powtarzały się wszystkie fazy Księżyca (29 dni i 12 h – miesiąc synodyczny), jednak ich ilość nie pokrywała się całkowicie z czasem trwania roku. Postanowiono więc przyjąć umowne długości miesięcy (30 i 31 dni). Miesiące ważniejsze, których nazwy pochodziły od nazw imion bogów były dłuższe. M.in. miesiące będące nazwami uznanych za bogów cesarzy: Julius i August, miały po 31 dni. Tym samym zaistniała potrzeba skrócenia innego miesiąca: lutego.

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Co jest przyczyną powstania stref oświetlenia Ziemi?
2. Wymień elementy układu horyzontalnego.
3. Jakie znasz rodzaje pór roku?
4. Wyjaśnij różnicę między kalendarzem juliańskim i gregoriańskim.
5. Napisz wzory na obliczenie wysokości Słońca nad horyzontem w pierwszych dniach astronomicznych pór roku.
Na lepszą ocenę:
1. Oblicz kąt padania promieni słonecznych w Zakopanem w pierwszych dniach pór roku.
2. Oblicz szerokość geograficzną miejsca na półkuli północnej i południowej, jeżeli w pierwszym dniu wiosny wysokość Słońca w momencie górowania wynosi tam 34⁰.
3. Podaj najniższy i najwyższy kąt padania promieni słonecznych na równiku.
4. Dlaczego konieczna była poprawka do kalendarza juliańskiego?
5. Oblicz szerokość geograficzną miejsca obserwacji, jeśli 21 marca Słońce górowało po południowej stronie nieba na wysokości 53⁰.
6. Oblicz szerokość geograficzną miejsca obserwacji, jeśli 21 marca Słońce górowało po północnej stronie nieba na wysokości 27⁰54`.
7. 21 marca obserwator znajdował się na 35⁰02`S. Oblicz wysokość Słońca w momencie górowania i określ, po której stronie nieba widział on Słońce.
8. 22 grudnia obserwator znajdował się na 5⁰N. Oblicz wysokość Słońca w momencie górowania i określ, po której stronie nieba widział on Słońce.
9. Oblicz wysokość Słońca nad horyzontem w momencie górowania w Warszawie w pierwszych dniach pór roku.
10. Oblicz wysokość Słońca nad horyzontem w momencie jego górowania w pierwszym dniu lata na 40⁰N i 40⁰S.
11. Jeśli w pierwszym dniu jesieni Słońce znajduje się w momencie górowania na wysokości 37⁰, to jaka to szerokość geograficzna? Czy do zadania jest tylko jedna odpowiedź?

Zapis lekcji:
1. Konsekwencje nachylenia osi ziemskiej płaszczyzny orbity.
2. Obliczanie wysokości Słońca nad horyzontem w momencie górowania.
3. Strefy oświetlenia Ziemi.
4. Układ horyzontalny.
5. Kalendarz.