Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku Udostępnij materiał

Ziemia obiega Słońce w odległości ok. 150 mln km, ale dystans ten waha się od ok. 147 mln km do ponad 152 mln km, ponieważ orbita naszej planety ma kształt elipsy. Lato na półkuli północnej wypada akurat wtedy, gdy Ziemia w swej wędrówce jest bardziej oddalona od Słońca, a zima, gdy znajduje się bliżej. Jeśli chcesz wiedzieć, jak to jest możliwe, zapoznaj się z lekcją o ruchu obiegowym Ziemi.

Ruch Ziemi wykonywany przez nią po orbicie wokół Słońca w ciągu roku. Ruch obiegowy Ziemi sprawia, że Słońce pojawia się na tle coraz to innych gwiazdozbiorów
Już wiesz
  • jakie rozmiary i kształt ma Ziemia;

  • że Ziemia obraca się wokół własnej osi, która jest nachylona pod kątem ok. 66°33' w stosunku do płaszczyzny jej orbity;

  • jakie są konsekwencje ruchu obrotowego Ziemi.

Nauczysz się
  • wykazywać związek między nachyleniem osi ziemskiej a oświetleniem naszej planety;

  • interpretować zależność pomiędzy zróżnicowaniem oświetlenia poszczególnych części Ziemi a porami roku;

  • określać pory roku na podstawie obserwacji pozornej wędrówki Słońca po sferze niebieskiej;

  • określać szerokość geograficzną na podstawie obserwacji pozornej wędrówki Słońca po sferze niebieskiej.

Przygotuj przed lekcją:
  • globus,

  • tellurium.

1. Jakie są konsekwencje stałego nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki?

Ziemia obiega Słońce po nieznacznie wydłużonej orbicie eliptycznej zbliżonej kształtem do okręgu. Ruch ten nazywamy ruchem obiegowym Ziemi. Ruch Ziemi wokół Słońca odbywa się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (patrząc na układ Ziemia‑Słońce od strony półkuli północnej).
Czas obiegu minimalnie się zmienia w kolejnych latach, więc możemy podawać go tylko w przybliżeniu. Zwykle przyjmuje się, że rok słoneczny trwa 365 dni 5 godzin i 49 minut. Oznacza to, że po tym czasie Ziemia wraca do pozycji wyjściowej względem Słońca. Nieco dłuższy jest rok gwiazdowy, który trwa ok. 365 dni 6 godzin 9 minut i nieco ponad 9 sekund. Po upłynięciu tego czasu Ziemia wraca do miejsca, z którego Słońce jest widoczne w tym samym położeniu względem odległych gwiazd. Zwróć uwagę, że żadna z tych miar czasu nie składa się z równej liczby dni, co ma konsekwencje przy określaniu, kiedy właściwie upływa rok, i przy konstrukcji kalendarza.

Wiesz już, że nachylenie osi ziemskiej w stosunku do płaszczyzny obiegu Ziemi wokół Słońca wynosi ok. 66°33'. Astronomowie mówią o nachyleniu osi dopłaszczyzny ekliptyki, czyli płaszczyzny zawierającej orbitę, po której Ziemia obiega Słońce. Niezwykle ważne znaczenie dla Ziemi ma fakt, że nachylenie jej osi w stosunku do płaszczyzny orbity nie ulega zmianie w ciągu całego obiegu wokół Słońca, czyli w ciągu roku. Oznacza to, że przez część roku oś swoim północnym końcem skierowana jest w stronę Słońca, przez co półkula północna jest silniej przez nie oświetlana. Przez drugą część roku oś ziemska skierowana jest ku Słońcu końcem południowym, co powoduje, że bardziej oświetlona jest półkula południowa. Natomiast dwukrotnie w ciągu roku oś ziemska ustawia się w stosunku do Słońca tak, że obie półkule oświetlane są identycznie.

Ruch Ziemi wykonywany przez nią po orbicie wokół Słońca w ciągu roku. Ruch obiegowy Ziemi sprawia, że Słońce pojawia się na tle coraz to innych gwiazdozbiorów
Polecenie 1

Za pomocą globusa i dowolnego obiektu, któremu chwilowo nadasz rolę Słońca, odtwórz roczną wędrówkę Ziemi.

Tellurium to model umożliwiający prezentację wzajemnego ruchu Ziemi i Księżyca względem siebie oraz względem Słońca. Służy do pokazania oświetlenia Ziemi w różnych porach zarówno dnia, jak i roku, faz Księżyca oraz zaćmień Słońca i Księżyca
Polecenie 2

Wpraw tellurium w ruch i prześledź roczny obieg Ziemi i Księżyca wokół Słońca. Zauważ, że ruch Ziemi dookoła własnej osi, ruch Księżyca wokół Ziemi i ruch Ziemi (wraz z Księżycem) wokół Słońca zachodzą równocześnie.

Ciekawostka

Ruch wokół Słońca nasza planeta wykonuje z nieznacznie zmieniającą się prędkością liniową wynoszącą 29,3‑30,3 km/s (średnio przyjmuje się 29,783 km/s). Odpowiada to niewyobrażalnie wielkiej prędkości 107 210 km/h.

Ważne!

Nachylenie osi ziemskiej do powierzchni ekliptyki jest jednakowe w ciągu roku. Fakt stałego nachylenia osi ziemskiej ma zasadnicze znaczenie dla zmienności pór roku na Ziemi, klimatu, długości dnia i nocy oraz zmian miejsc wschodu, górowania i zachodu Słońca.

Ciekawostka

Na przestrzeni setek i tysięcy lat nachylenie osi ziemskiej podlega zjawisku tzw. precesji, czyli nieznacznej zmianie kierunku wskazywanego przez oś.

Animacja przedstawia, jak zmienia się nachylenie osi ziemskiej w stosunku do płaszczyzny orbity Ziemi wokół Słońca. Pokazana jest kula ziemska przebita długą osią w miejscach biegunów. Końce osi na górze i na dole zakreślają okręgi.

2. Czy astronomiczne pory roku wynikają ze zmian oświetlenia Ziemi?

Roczny ruch Ziemi wokół Słońca powoduje, że w sposób powtarzalny zmienia się oświetlenie różnych części Ziemi. W rezultacie występują cykliczne zmiany pór roku. Z astronomicznego punktu widzenia momentami granicznymi pór roku są tzw. równonoce i przesilenia.

Źródło: Olga Mikos, TUBS (http://commons.wikimedia.org), Shahid Parvez (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

Równonoc wiosenna występuje w chwili, gdy promienie słoneczne padają pionowo na równik, a pod coraz mniejszym kątem na resztę kuli ziemskiej aż do obu biegunów. Na całej Ziemi dzień i noc trwają wtedy po 12 godzin.

Źródło: Olga Mikos, TUBS (http://commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Przesilenie letnie (nazywane tak na półkuli północnej) to moment, gdy promienie słoneczne padają pionowo na zwrotnik Raka. Lepiej oświetlona jest wtedy półkula północna, na której dzień jest dłuższy od nocy. Za kołem podbiegunowym północnym panuje wówczas dzień polarny, a za południowym noc polarna.

Źródło: Olga Mikos, TUBS (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

Równonoc jesienna ma miejsce wtedy, gdy Słońce ponownie góruje w zenicie nad równikiem, a więc promienie słoneczne padają pionowo na równik, a pod coraz mniejszym kątem na resztę kuli ziemskiej aż do obu biegunów. Na całej Ziemi dzień i noc ponownie trwają po 12 godzin.

Źródło: Olga Mikos, TUBS (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

Przesilenie zimowe (nazywane tak na półkuli północnej) następuje w chwili, gdy promienie słoneczne padają pionowo na zwrotnik Koziorożca. W tym czasie lepiej oświetlona jest półkula południowa, na której dzień jest dłuższy od nocy. Za kołem podbiegunowym południowym panuje dzień polarny, a za północnym noc polarna.

Źródło: Olga Mikos, TUBS (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

Daty zmian astronomicznych pór roku są dla całej Ziemi takie same, ale ich nazwy zależą od półkuli. Gdy na półkuli północnej trwa lato, na półkuli południowej jest zima. Na północnej półkuli Ziemi pory roku zaczynają się w następujących terminach:

  • wiosna – 21 marca w momencie równonocy wiosennej,

  • lato – 22 czerwca w momencie przesilenia letniego,

  • jesień – 23 września w momencie równonocy jesiennej,

  • zima – 22 grudnia wraz z momentem przesilenia zimowego.

Ciekawostka

Pierwsi angielscy osadnicy w Australii cierpieli głód, ponieważ siali i sadzili rośliny uprawne w tym samym czasie, co w Europie, czyli w okresie od marca do maja. Rośliny nie chciały rosnąć i prawie nie było plonów. Osadnicy nie wzięli pod uwagę faktu, że w tym czasie na półkuli południowej trwa jesień i zbliża się zima.

Ważne!

Moment zmiany astronomicznych pór roku jest niezależny od obowiązującego kalendarza i urzędowo zatwierdzonego czasu. Jest on wyznaczany za pomocą specjalnych obliczeń i obserwacji astronomicznych i w rzeczywistości co roku wypada o innej porze dnia, a nawet innego dnia – czasami dzień wcześniej albo dzień później niż powszechnie przyjęte daty. Wiosna zaczyna się 20‑21 marca, lato – 22‑23 czerwca, jesień – 22‑23 września, natomiast zima – 21‑22 grudnia.

3. Dlaczego w różnych porach roku i na różnych szerokościach geograficznych Słońce obserwujemy w innych częściach nieba?

Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej jest konsekwencją ruchu obrotowego Ziemi wokół własnej osi. Nachylenie tej osi i ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca przyczyniają się do zmiany miejsc wschodu i zachodu Słońca oraz jego wysokości nad horyzontem w południe. W rezultacie tylko dwa razy w roku (w dniach równonocy) Słońce wschodzi dokładnie na wschodzie i zachodzi dokładnie na zachodzie. W pozostałe dni wschody i zachody Słońca występują codziennie w innych miejscach i są coraz bardziej przesunięte – na północ (na północnej półkuli latem, na południowej półkuli zimą) albo na południe (na północnej półkuli zimą, na południowej półkuli latem).
Dalszą konsekwencją zmiany miejsc wschodu i zachodu Słońca jest zmiana długości dnia i nocy. Im większe szerokości geograficzne, tym większe przesunięcia miejsc wschodu i zachodu oraz większe zróżnicowanie długości dnia i nocy. Na równiku te różnice są minimalne. Dzień i noc trwają niemal tyle samo (po ok. 12 godzin), miejsca wschodu i zachodu Słońca zawsze są bliskie kierunkom E i W, a górowanie Słońca wypada albo w zenicie (dwukrotnie), albo nieznacznie bardziej na północ lub na południe.
Na obu zwrotnikach Słońce w zenicie góruje tylko raz, a za pół roku w południe wznosi się już tylko na ok. 43°. Na kołach podbiegunowych najkrótszy dzień trwa zaledwie kilka minut, Słońce pojawia się wówczas na linii horyzontu i za chwilę znika. Najdłuższy dzień natomiast panuje niemal całą dobę: Słońce wschodzi tuż po północy, po ok. 12 godzinach góruje na wysokości 23°27' i zachodzi tuż przed północą w tym samym niemal miejscu, gdzie wzeszło.

Przy wskazywaniu kierunków wschodu i zachodu Słońca przydatna jest znajomość oznaczania stron świata
Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej w dniu równonocy wiosennej i jesiennej na różnych szerokościach geograficznych

Około 21 marca
Około 23 września

Kierunek wschodu Słońca

Kierunek zachodu Słońca

Kąt, pod jakim Słońce góruje nad horyzontem

Biegun północny

cały dzień na linii horyzontu

cały dzień na linii horyzontu

Koło podbiegunowe północne

E

W

23°27'

Zwrotnik Raka

E

W

66°33'

Równik

E

W

90°

Zwrotnik Koziorożca

E

W

66°33'

Koło podbiegunowe południowe

E

W

23°27'

Biegun południowy

cały dzień na linii horyzontu

cały dzień na linii horyzontu

Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej w dniu przesilenia letniego (nazywanego tak na półkuli północnej) na różnych szerokościach geograficznych

Około 22 czerwca

Kierunek wschodu Słońca (w przybliżeniu)

Kierunek zachodu Słońca (w przybliżeniu)

Kąt, pod jakim Słońce góruje nad horyzontem

Biegun północny

Słońce widoczne przez całą dobę na 23°27'

Słońce widoczne przez całą dobę na 23°27'

23°27'

Koło podbiegunowe północne

N

N

46°54'

Zwrotnik Raka

NE

NW

90°

Równik

ENE

WNW

66°33'

Zwrotnik Koziorożca

NE

NW

43°06'

Koło podbiegunowe południowe

N

N

Biegun południowy

noc polarna

noc polarna

noc polarna

Pozorna wędrówka Słońca po sferze niebieskiej w dniu przesilenia zimowego na różnych szerokościach geograficznych

Około 22 grudnia

Kierunek wschodu Słońca (w przybliżeniu)

Kierunek zachodu Słońca (w przybliżeniu)

Kąt, pod jakim Słońce góruje nad horyzontem

Biegun północny

noc polarna

noc polarna

noc polarna

Koło podbiegunowe północne

S

S

Zwrotnik Raka

SE

SW

43°06'

Równik

ESE

WSW

66°33'

Zwrotnik Koziorożca

SE

SW

90°

Koło podbiegunowe południowe

S

S

46°54'

Biegun południowy

Słońce widoczne przez całą dobę na 23°27'

Słońce widoczne przez całą dobę na 23°27'

23°27'

(A) W ciągu roku Słońce na równiku dwukrotnie góruje w zenicie. (B) Na zwrotniku Raka Słońce góruje w zenicie 22 czerwca. (C) W Warszawie (52°15'N) Słońce góruje 22 czerwca, a maksymalna wartość kątowa górowania wynosi wówczas 61°12'. (D) Na biegunie północnym od 21 marca do 23 września Słońce nie schodzi poniżej linii horyzontu, trwa dzień polarny. W dniu przesilenia letniego (22 czerwca) krąży najwyżej nad horyzontem – 23°27'
Ważne!

W momentach równonocy łatwo obliczyć wysokość górowania Słońca na każdej szerokości geograficznej. Wystarczy od 90° odjąć wartość szerokości geograficznej. Uzyskany wynik to poszukiwana wysokość Słońca w południe nad horyzontem.

Polecenie 3

Oblicz, pod jakim kątem w stosunku do linii horyzontu obserwujemy Słońce w momencie górowania na zwrotniku Raka w dniu równonocy wiosennej, a pod jakim obserwują Słońce w tej samej chwili ludzie na zwrotniku Koziorożca.

Ważne!

Już wiesz, jak obliczyć wysokość górowania Słońca na każdej szerokości geograficznej w momentach równonocy. Dla szerokości geograficznych, w których znajduje się Polska, wysokość górowania Słońca w dniu przesilenia letniego możemy obliczyć w następujący sposób: do wyniku uzyskanego dla równonocy należy dodać 23°27'. Natomiast, żeby obliczyć wysokość górowania Słońca w dniu przesilenia zimowego, należy taką samą wartość odjąć.

Polecenie 4

Na podstawie rysunku przedstawiającego pozorne drogi Słońca na sferze niebieskiej w Warszawie (C) przerysuj i wypełnij zamieszczoną poniżej tabelę.

Tabela do polecenia

Warszawa (52°15'N)

Kierunek wschodu Słońca (w przybliżeniu)

Kierunek zachodu Słońca (w przybliżeniu)

Kąt, pod jakim Słońce góruje w południe nad horyzontem

Równonoc wiosenna

   

Przesilenie letnie

   

Równonoc jesienna

   

Przesilenie zimowe

   
Ćwiczenie 1

Dokonaj obliczeń i ustal, z jakiej szerokości geograficznej obserwator widział górujące Słońce po południowej stronie nieba w dniu równonocy wiosennej (21 marca). Słońce wtedy górowało na wysokości 40°.

Ćwiczenie 2

Dokonaj obliczeń i ustal, z jakiej szerokości geograficznej obserwator widział górujące Słońce po południowej stronie nieba w dniu przesilenia letniego (22 czerwca). Słońce górowało wówczas na wysokości 60°27'.

\*Wzory na obliczanie wysokości górowania Słońca na różnych szerokościach geograficznych pierwszego dnia każdej z astronomicznych pór roku poza strefą międzyzwrotnikową (od 23°27' do 90° N i S)

Data obserwacji

Na półkuli północnej

Na półkuli południowej

21 marca – pierwszy dzień wiosny (półkula północna),
pierwszy dzień jesieni (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ

Indeks dolny s = 90° – ϕ

22 czerwca – pierwszy dzień lata (półkula północna),
pierwszy dzień zimy (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ + 23°27'

Indeks dolny s = 90° – ϕ – 23°27'

23 września – pierwszy dzień jesieni (półkula północna),
pierwszy dzień wiosny (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ

Indeks dolny s = 90° – ϕ

22 grudnia – pierwszy dzień zimy (półkula północna),
pierwszy dzień lata (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ – 23°27'

Indeks dolny s = 90° – ϕ + 23°27'

Indeks dolny s – wysokość górowania Słońca
ϕ – szerokość geograficzna miejsca obserwacji

\*Wzory na obliczanie wysokości górowania Słońca na różnych szerokościach geograficznych pierwszego dnia każdej z astronomicznych pór roku w strefie międzyzwrotnikowej (od 23°26'S do 23°26'N)

Dzień obserwacji

Na półkuli północnej

Na półkuli południowej

21 marca – pierwszy dzień wiosny (półkula północna),
pierwszy dzień jesieni (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ

Indeks dolny s = 90° – ϕ

22 czerwca – pierwszy dzień lata (półkula północna),
pierwszy dzień zimy (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° + ϕ – 23°27'

Indeks dolny s = 90° – ϕ – 23°27'

23 września – pierwszy dzień jesieni (półkula północna),
pierwszy dzień wiosny (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ

Indeks dolny s = 90° – ϕ

22 grudnia – pierwszy dzień zimy (półkula północna),
pierwszy dzień lata (półkula południowa)

Indeks dolny s = 90° – ϕ – 23°27'

Indeks dolny s = 90° + ϕ – 23°27'

Indeks dolny s – wysokość górowania Słońca
ϕ – szerokość geograficzna miejsca obserwacji

Ciekawostka

Noc na Ziemi trwa zawsze krócej, niż by to wynikało z obliczeń astronomicznych. Nawet w dniu równonocy dzień jest dłuższy z dwóch powodów. Po pierwsze, widziane przez nas Słońce ma swoje rozmiary kątowe (ok. 32'), a nie jest punktem. W związku z tym: w chwili, gdy środek tarczy słonecznej jest na linii horyzontu i formalnie następuje wschód Słońca, to już od pewnego czasu trwa dzień, bo widać mniejszą część tarczy. Po drugie, załamanie i rozproszenie światła w atmosferze powoduje, że dociera ono do obserwatora, zanim Słońce wynurzy się zza horyzontu albo już po tym, gdy całe skryje się poniżej linii horyzontu.

Podsumowanie

  • Nachylenie osi ziemskiej ma podstawowe znaczenie dla długości dnia i nocy, wysokości górowania Słońca oraz zmienności pór roku.

  • W ciągu roku na Ziemi dwukrotnie występuje zjawisko równonocy, raz przesilenie letnie i raz przesilenie zimowe.

  • Miejsca wschodu i zachodu Słońca oraz wysokość górowania Słońca zmieniają się w ciągu roku w zależności od szerokości geograficznej.

Praca domowa
Polecenie 5.1

Odczytaj z mapy współrzędne geograficzne miejscowości, w której mieszkasz. Oblicz, na jakiej wysokości nad horyzontem góruje na tej szerokości geograficznej Słońce w dniach równonocy oraz w dniu przesilenia letniego i przesilenia zimowego.

Słowniczek

dzień polarny

zjawisko polegające na przebywaniu tarczy Słońca powyżej linii horyzontu przez czas dłuższy niż 24 godziny (na biegunach dzień polarny trwa 6 miesięcy)

noc polarna

zjawisko polegające na przebywaniu tarczy Słońca poniżej linii horyzontu przez czas dłuższy niż 24 godziny (na biegunach noc polarna trwa 6 miesięcy)

płaszczyzna ekliptyki

płaszczyzna zawierająca orbitę, po której Ziemia obiega Słońce

precesja

zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała, w naszym przypadku Ziemi; oś obrotu sama obraca się wokół pewnego kierunku w przestrzeni, zakreślając powierzchnię boczną stożka

przesilenie letnie

na półkuli północnej to moment, gdy biegun północny znajduje się najbliżej Słońca, a biegun południowy najdalej; Słońce w tym dniu góruje w zenicie nad zwrotnikiem Raka; w tym samym momencie na półkuli południowej jest przesilenie zimowe

przesilenie zimowe

na półkuli północnej to moment, gdy biegun północny jest najbardziej oddalony od Słońca, a biegun południowy znajduje się najbliżej; Słońce w tym dniu góruje nad zwrotnikiem Koziorożca; w tym samym momencie na półkuli południowej trwa przesilenie letnie

rok gwiazdowy

to czas pomiędzy dwoma kolejnymi przejściami Słońca na tle tych samych gwiazd; trwa 365 dni 6 godzin 9 minut i 9,54 sekundy

rok słoneczny

to czas pomiędzy dwoma kolejnymi przejściami Słońca przez punkt równonocy wiosennej; trwa 365 dni 5 godzin 49 minut

równonoc jesienna

na półkuli północnej to moment, gdy Ziemia osiąga punkt na swojej orbicie, w którym promienie słoneczne padają prostopadle na równik i są równocześnie styczne do jej powierzchni na biegunach; począwszy od tego momentu Słońce zaczyna bardziej oświetlać południową półkulę Ziemi

równonoc wiosenna

na półkuli północnej to moment, gdy Ziemia osiąga punkt na swojej orbicie, w którym promienie słoneczne padają prostopadle na równik i są równocześnie styczne do jej powierzchni na biegunach; począwszy od tego momentu Słońce zaczyna bardziej oświetlać północną półkulę Ziemi

tellurium

przyrząd odtwarzający wzajemny ruch Ziemi i Księżyca względem siebie oraz względem Słońca; głównym celem stosowania tellurium jest ukazanie oświetlenia Ziemi w różnych porach dnia i roku oraz zaćmień Słońca i Księżyca

Zadania

Ćwiczenie 3
Zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
Zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
Zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 9
zadanie interaktywne
Źródło: Andrzej Boczarowski, licencja: CC BY 3.0.