Времена года: оборот, вращение, наклон

О временах года я решил поговорить лишь в самом конце этой главы, поскольку во многом понять их сложнее всего. Задайте кому-нибудь вопрос, как происходит смена сезонов, и вам, возможно, ответят, что это как-то связано с наклоном земной оси. Хорошо, пусть так. Действительно, мы уже упоминали, что земная ось наклонена на 23,5° к плоскости орбиты нашей планеты. Помимо прочего, этот ответ означает, что ваш собеседник отверг идею, согласно которой расстояние от Земли до Солнца меняется настолько сильно, чтобы вызвать смену сезонов. Земная орбита — почти круговая, и перемены в расстоянии до Солнца, на котором оказывается Земля в своем годичном пути, настолько несущественны, что на характер времен года они не влияют. И даже если бы это расстояние изменилось серьезно, это отразилось бы на обоих полушариях, — но все свидетельствует об ином. Большинству людей известно: когда в Северном полушарии зима, в Южном царит лето, и наоборот. Но если мы продолжим задавать вопросы, то выяснится вот что: оказывается, многие часто полагают, что именно из-за наклона оси вращения Земли одно полушарие оказывается значительно ближе к Солнцу и поэтому нагревается сильнее, чем другое. Вот здесь и пригодятся некоторые простые вычисления. Учитывая наклон земной оси в 23,5°, максимальное смещение земной поверхности по направлению к Солнцу или от него составляет всего 2543 км. Сравните это с расстоянием в 150 млн км от Земли до Солнца, и наибольшая величина эффекта, полученная при расчетах, составит 0,01695 %. Видимо, у столь ярко выраженных изменений климата при переходе между зимой и летом все же иная причина.

Рассмотрим ситуацию, представленную на рис. 2.10. Земля находится в той части своей орбиты, где Северное полушарие максимально отклонено от Солнца, а Южное максимально наклонено к нашей звезде. Теперь посмотрите на солнечные лучи, направленные к земной поверхности. В Северном полушарии они падают под малым углом к горизонту, и «северяне», посмотрев на Солнце, увидели бы, что оно располагается низко на южном небе. Если уподобить лучи параллельным световым потокам, то мы увидим, что каждый из них распространится по значительной площади Земли, и поэтому его способность освещать Землю будет соразмерно слабее. Тусклое освещение земной поверхности приводит к наступлению зимы, причем чем севернее широта, тем суровее условия. А на Южное полушарие солнечные лучи падают одновременно, под большими углами к горизонту, и в небе «южан» солнце стоит высоко. И поскольку угол падения солнечных лучей по отношению к горизонту в данном случае больше, их способность освещать земную поверхность гораздо выше, поэтому и возникают условия лета.

В конечном итоге угловая высота Солнца над горизонтом зависит от местной широты и от угла наклона земной оси к Солнцу или от него. В день летнего солнцестояния угловая высота полуденного Солнца высчитывается так: 90° — широта места + 23,5°, а в день зимнего — так: 90° — широта места — 23,5°. Например, мой дом в Рокпорте, штат Массачусетс, располагается на широте + 42,5°. В день летнего солнцестояния угловая высота Солнца в наивысшей точке полуденного неба составляет 71°, и полученного солнечного излучения хватает, чтобы ходить в шортах и футболке. Подождите полгода, когда полуденное Солнце поднимется над южным горизонтом всего на 24° — и настанет время утепляться!

В дни весеннего и осеннего равноденствий Земля, идущая по орбите, достигает такого положения, когда ее ось не наклонена к Солнцу и не отклонена от него. В этом случае, когда наклон оси не играет никакой роли, угловая высота Солнца зависит только от широты, так что для обоих равноденствий она высчитывается так: 90° — широта. В Рокпорте я бы видел полуденное Солнце на средней угловой высоте в 47,5° над горизонтом, и мир вокруг меня получал бы достаточно солнечного тепла, чтобы мне было комфортно в легком свитере или куртке.

Рис. 2.10. Освещение Земли солнечными лучами 21 декабря. Показаны различия на севере и юге. Разница в угловой высоте Солнца над местным горизонтом — низкое положение в небе для «северян» и высокое для «южан» — приводит к ощутимой разнице в том, как Солнце нагревает поверхность Земли. По воле случая полная Луна, расположенная напротив Солнца, кажется «северянам» самой высокой на небе, и в это время зимние полуночные прогулки по заснеженным полям могут быть особенно прекрасны.

Завершающий пассаж

Итак, мы представили наше положение на сферической поверхности родной планеты, вращающейся и вокруг себя, и вокруг своей звезды, и попытались осмыслить дневное и ночное небо в его вечном непостоянстве. Когда речь идет о звездах, планетах, Солнце и Луне, то многое из того, что мы видим, можно понять лишь в том случае, если в нашем разуме будет надежная трехмерная модель — неудивительно, что нашим далеким предкам потребовалось так много времени, чтобы во всем разобраться! Важнейший аспект этой пространственной рекогносцировки всегда состоял в том, чтобы измерить расстояния до самых разных объектов, которые в неисчислимом множестве предстают перед нами на небосводе. Если бы мы не сумели высчитать эти расстояния, то с чем бы нам пришлось остаться? Разве что с увлекательным, но непознаваемым «ассортиментом» дневных и ночных небесных светил. Поэтому первейшая задача астрономии заключается в установлении все более точных расстояний до небесных объектов, насколько бы далеко они ни находились. В следующей главе мы исследуем удивительную пространственную иерархию материи, которую мы постигали на протяжении всей нашей истории, всматриваясь в космическую даль. Потом мы кратко изучим Солнечную систему, а дальше отправимся в другие звездные миры — ко Млечному Пути, к иным галактикам, в глубины нашей вечно расширяющейся Вселенной.

3. Космические дали

Это пространство мы называем бесконечным, потому что нет основания, условия, возможности, смысла или природы, которые должны были бы его ограничить; в нем находится бесконечное множество миров, подобных нашему… ^[1]

Так прославляется совершенство Господа и проявляется величие Его царства; Он воспет не в одном, а в бесчисленных солнцах; не на одной земле, не в одном мире, но в тысяче тысяч, говорю я, в бесконечности миров.

Джордано Бруно.

О бесконечности, Вселенной и мирах

Любой учебник по астрономии для начинающих, достойный прочтения, должен в какой-то мере обрисовать картину Вселенной и всего, что находится в ней. Поставим же себе такую цель и, двигаясь от малого к большему, поговорим об известной нам пространственной иерархии вещества. Затем я предлагаю рассмотреть основные исторические этапы развития астрономии, позволившие нам прийти к современным представлениям о Солнечной системе, о Млечном Пути и о более обширной галактической Вселенной. А в завершение мы наконец сможем отправиться в некий аналог космического путешествия с помощью «Степеней десяти», в которых выразим самые разные величины — от размера ребенка до крупнейших структур, познанных в наши дни.

Космический адрес человечества

Сейчас, в мире электронных сетей, мы привыкли общаться с людьми, отправляя свои послания на личную и ведомственную почту. Но чтобы куда-нибудь поехать или отправить кому-нибудь реальную посылку, нам нужны другие адреса — с номерами улиц, с почтовыми индексами, с названиями штатов, регионов или городов, а иногда и целых стран. Такая адресация поможет нам понять, какое место в космосе и в общем расположении материи во Вселенной занимаем мы сами.

В этом смысле, вот мой космический адрес:

Рокпорт, штат Массачусетс

Соединенные Штаты Америки

Северная Америка