1.2. Обертання Землі навколо Сонця та своєї осі

Відомо, що Земля обертається не лише навколо Сонця, а й навколо своєї осі. Основні закони обертання тіл навколо Сонця були відкрито Кеплером на початку XVII ст. Законів загалом три, з яких особливої уваги потребують перші два.

За першим законом, планети обертаються навколо Сонця по еліпсу, в одному з фокусів якого розташоване Сонце. Отже, згідно з першим законом, Земля обертається навколо Сонця не по колу, а по еліпсу. Це означає, що вона буває то ближче, то далі від Сонця. Середня відстань становить 149,6 млн км. У перигелії (найближча точка) Сонце перебуває на відстані 147,1 млн км, в афелії (найвіддаленіша точка) – на відстані 152,1 млн км. Зрозуміло, що кількість тепла, яку отримує Земля в різний час неоднакова – відмінність становить 7%. Найближче до Сонця Земля перебуває 3 січня, найдалі – 4 липня. Звернімо увагу на те, що 3 січня – це майже середина зими в північній півкулі. Це одна з причин того, що зима в північній півкулі не така холодна, як у південній.

Вартим уваги є й другий закон: радіус-вектор планети за однакові проміжки часу описує рівні площі. Це означає, що чим ближче планета (зокрема Земля) перебуває від Сонця, тим швидше вона рухається і, навпаки. Оскільки в січні Земля перебуває ближче до Сонця, ніж у липні, це означає, що зима у північній півкулі коротша, ніж у південній. Так справді і є. Це зумовлює певні відмінності у кліматі півкуль.

Земля обертається навколо Сонця, перебуваючи у певній уявній площині. Вісь її власного обертання навколо осі нахилена до площини орбіти під кутом 66⁰ 33^I (заокруглено 66,5⁰). 21–22 червня найбільше обернута до Сонця північна півкуля, за півроку – 21–22 грудня – південна. Для мешканців північної півкулі ці дати є днями літнього і зимового сонцестояння. 20–21 березня і 22–23 вересня відмінностей у кутах нахилу немає. Відповідно ці дні у північній півкулі називають днями весняного та осіннього рівнодення.

У свою чергу, існування певного нахилу вісі Землі до площини орбіти визначає різну висоту стояння Сонця над горизонтом і тривалість дня. Так, 21–22 червня, коли в північній півкулі Сонце піднімається найвище, опівдні на широті північного тропіка (23,5⁰) воно опиняється в зеніті. Півнішніше його висота меншає, але навіть на широті 66,5⁰ (полярне коло) піднімається до висоти 23,5⁰. Якщо Київ розташований на широті 50,5⁰ і відстоїть від тропіка на 27⁰, це визначає найбільшу висоту стояння Сонця – 63⁰. За півроку – 21–22 грудня найвища висота лише 16⁰.

Істотно різна висота стояння Сонця над обрієм є головною причиною змін пір року.

Якщо розрахувати час між 20–21 березня і 22–23 вересня, отримаємо, що він становить 186 діб, а від 23 вересня до 21 березня – 179 діб. Ця відмінність зумовлена дією другого закону Кеплера. У липні та в інші суміжні місяці року Земля рухається повільніше. Отже, для подолання однакової відстані їй потрібно більше часу.

Насправді земна вісь протягом 26 тис. років робить повний цикл обертання. 13 тис. років тому більше тепла в червні отримувала не північна півкуля, а південна. Різною була й кількість тепла, що отримувалася різними півкулями. Це є чинником того, що клімат на Землі зазнає періодичних змін. 13 тис. років у північній півкулі почалося значне потепління – руйнування зледеніння.

Додамо, що якщо нині вісь обертання Землі проходить біля Полярної зірки, то за кілька тисяч років люди будуть орієнтуватися зовсім на іншу зірку.

У різні сезони великою є й відмінність тривалості дня і ночі. У цілому за рік ця тривалість ніби має бути однаковою, але насправді тривалість дня всюди трохи більша. Це пояснюється тим, що Сонце не є точкою, а займає на небі певний простір (0,5⁰). Інший чинник – рефрація (заломлення) променів при їх переході з менш до більш щільного середовища.

Якщо в Києві середня за рік тривалість сонячного сяйва становить 12 годин (насправді трохи більше), то у день літнього сонцестояння вона сягає 16 год 27 хвилин, а зимового – лише 8 год. У день весняного рівнодення (21 березня) тривалість дня становить 12 год 13 хв, 23 вересня – 12 год 08 хв. В інші дні тривалість дня є такою: 1 січня – 8 год 5 хв, 1 лютого – 9 год 16 хв, 1 березня – 10 год 59 хв, 1 квітня – 12 год 57 хв., 1 травня – 14 год. 45 хв., 1 червня – 16 год, 09 хв, 1 липня – 16 год. 22 хв, 1 серпня – 15 год.16 хв, 1 вересня – 13 год, 29 хв., 1 жовтня – 11 год, 38 хв, 1 листопада – 9 год, 44 хв, 1 грудня – 8 год 20 хв.

У теплу пору року тривалість дня з наближенням до полюса зростає (є більшою, ніж у Києві), у холодну – зменшується (є меншою, ніж у Києві). Так, у Санкт-Петербурзі зимовий день дуже короткий. Натомість влітку Сонце заходить лише на кілька годин. При цьому небо залишається досить світлим.

Дехто думає, що білі ночі – явище, що спостерігається суто в місті на Неві. Насправді, це стосується будь-якої місцевості у високих широтах.

На полюсах тривалість світлового дня є трохи більшою ніж півроку. Він починається на кілька днів раніше дня весняного рівнодення і закінчується пізніше дня осіннього рівнодення. Відповідно тривалість полярної ночі менша за тривалість полярного дня (приблизно на тиждень).

Врахування цих особливостей обов'язкове у туризмі. Узимку, насамперед у високих широтах, Сонце або зовсім не сходить (за полярним колом), або сходить на короткий час. Так, пропозиція зустріти Новий рік у Лапландії (північ Фінляндії) фактично означає провести весь час у темряві. Причому тур у Лапландію не дешевий – понад тисячу євро.