День и ночь на полюсах. Ф. Шевяков

Художник В. ЛОГИНОВ

Мы хорошо помним, что написано в школьных учебниках географии о продолжительности дня и ночи на полюсах: там полгода светит солнце и полгода тянется ночь. То же самое говорится и в большинстве вузовских пособий по общему землеведению.

Почему такое упрощенное объяснение чередования дня и ночи на Северном и Южном полюсах дается школьникам-пятиклассникам, вполне понятно: детям еще трудно разобраться в сложных закономерностях движения Земли как планеты и их следствиях. Но обучающимся старших возрастов, как и всем интересующимся этим вопросом, следует, на наш взгляд, точнее и на более высоком научном уровне объяснять это явление.

Чтобы разобраться в этом вопросе, вспомним некоторые закономерности движения Земли, уточним необходимые астрономические понятия и фактические цифровые показатели, хотя все это, безусловно, известно многим.

Часто говорят и пишут, что от Земли до Солнца 150 млн. км. Но в действительности это расстояние все время изменяется: Земля во время движения по своей орбите то удаляется от Солнца, то приближается к нему. Ближе всего к Солнцу (147 млн. км) Земля бывает в начале января. Эта самая близкая к Солнцу точка на орбите Земли называется перигелием. Дальше всего отходит наша планета от Солнца в афелии (на 152 млн. км) в начале июля. Примерно так же движутся по своей орбите искусственные спутники Земли: они то удаляются, то приближаются к ней.

Какое отношение имеет изменение расстояния от Земли до Солнца к нашему вопросу, мы сейчас увидим, ознакомившись со вторым законом Кеплера.

Немецкий астроном Иоган Кеплер (1571-1630 гг.), развивая гелиоцентрическую теорию Николая Коперника, открыл законы движения планет. Законы Кеплера утверждают, что каждая планета движется по эллипсу в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь секторов орбиты, описываемых радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Второй закон Кеплера кратко можно выразить так: радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади.

Следовательно, когда Земля удаляется от Солнца, ее радиус-вектор увеличивается, а скорость движения уменьшается, и Земля в равный промежуток времени проходит меньший отрезок пути по своей орбите. Действительно, если средняя скорость Земли равняется 29,8 км/сек, то в афелии она уменьшается до 29,3 км/сек, а в перигелии достигает 30,3 км/сек (рис. на стр. 54).

Мы видим, что Земля в летнее полугодие движется медленнее, чем в другое полугодие, и половину своей орбиты должна пройти не в полгода, а больше.

Теперь вычислим продолжительность времени, затрачиваемого Землей на прохождение половины орбиты в летнее полугодие, т. е. того времени, которое соответствует полярному дню на Северном полюсе.

Астрономическая весна начинается с весеннего равноденствия - с этого времени Солнце на полюсе не заходит до осеннего равноденствия. Уточним понятие равноденствия. Равноденствие - это тот момент времени, когда центр солнечного диска при своем видимом годовом перемещении по эклиптике (большой круг на небесной сфере, по которому в течение года перемещается центр Солнца) пересекает небесный экватор (большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира). При переходе Солнца через точку равноденствия из южного полушария в северное наступает весеннее равноденствие, а из северного полушария в южное - осеннее равноденствие.

В период равноденствий продолжительность дня на всей Земле, исключая районы земных полюсов, почти равна ночи и удлиняется от нескольких минут до десятков минут вследствие рефракции света и величины радиуса солнечного диска, о чем мы скажем дальше.

Так как календарный год не соответствует точно году астрономическому, то момент весеннего и осеннего равноденствия в различные годы перемещается не только на несколько часов, но и переходит с 21 марта на 20 марта и с 23 сентября на 22 сентября.

Так, весеннее равноденствие было в Москве (дается московское время, секунды не указываются):

1968 г. - 20 марта в 16 час. 22 мин.

1969 г. - 20 марта в 22 час. 08 мин.

1970 г. - 21 марта в 3 час. 56 мин.

1971 г. - 21 марта в 9 час. 38 мин.

1972 г. - 20 марта в 15 час. 22 мин.

В 1973 г. оно будет 20 марта в 21 час. 13 мин.

Примерно так же перемещается календарно и момент осеннего равноденствия: в 1972 г. оно было 23 сентября в 1 час 33 мин., а в 1973 г. будет 23 сентября в 7 час. 21 мин.

Теперь можно более точно вычислить время от момента весеннего равноденствия до момента осеннего равноденствия и тем самым определить продолжительность дня на Северном полюсе. Берем для этого вычисления данные 1973 г.:

март - 11 суток 2 час. 47 мин.;

апрель, май, июнь, июль, август - 153 суток;

сентябрь - 22 суток 7 час. 21 мин.;

Всего - 186 суток 10 час. 08 мин.

Итак, продолжительность дня на Северном полюсе составляет более 186 суток (без учета рефракции и величины радиуса Солнца).

А какова продолжительность ночи на Северном полюсе? Как известно, тропический год, т. е. продолжительность времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точки весеннего равноденствия, равняется 365 суткам 5 час. 48 мин. 46 сек. Вычитая из этой величины установленную продолжительность дня, получаем 178 суток 19 час. 40 мин. - такова "длина" ночи на Северном полюсе.

Если поменять местами эти данные, полученные для Северного полюса, то они становятся действительны и для Южного полюса: 179 суток здесь продолжается день и 186 суток - ночь. При этом продолжительность дня на Южном полюсе дается без учета его высоты над уровнем моря. Как известно, Южный полюс расположен на высоте 2800 м над уровнем моря. А по мере поднятия над Землей дальность горизонта увеличивается, одновременно идет и понижение его. Угол понижения горизонта с поднятием над Землей можно приближенно вычислить по формуле: α= 1,8√h(α - угол понижения горизонта в минутах, h - высота места в метрах).

Для Южного полюса угол понижения горизонта немного более 1,5°, благодаря этому полярный день на Южном полюсе значительно удлиняется и становится на несколько суток длиннее, чем день на Северном полюсе.

Вычисленная продолжительность дня на полюсах является отрезком времени между моментом появления на горизонте центра солнечного диска до момента погружения его под горизонт. Но день в природе начинается раньше: с момента появления не центра, а края солнечного диска. Радиус солнечного диска - около 16' или около 0°,267. Солнце на полюсах поднимается медленно: чтобы ему подняться на всю высоту своего радиуса, потребуется не менее суток. При заходе Солнца эта картина повторяется: только сначала под горизонт уходит центр солнечного диска, а затем более чем через сутки скрывается все Солнце.

Еще более значительную (примерно в два раза) дает прибавку дню атмосферная рефракция. Сущность этого явления следующая: благодаря преломлению световых лучей небесные светила воспринимаются наблюдателем выше их действительного положения. Солнце при восходе и заходе наблюдается на 35' выше своего действительного положения на небосклоне.

Эти два явления соответственно увеличивают продолжительность дня на Северном полюсе более чем на 6 суток, так что общая его длительность доходит до 193 суток, а ночи - до 172 суток.

Известно, наконец, что после видимого захода Солнца ночь наступает не вдруг, а совершается плавный переход от дневного света к ночному мраку. Наступают сумерки. Освещенность, хотя и снижается, но она достаточна для любых работ на открытом воздухе. Четко видны отдельные предметы. А небесные светила (кроме Луны и в некоторых случаях Венеры) не увидишь невооруженным глазом. Сумерки также предшествуют восходу Солнца (рис. на стр. 54, внизу).

Продолжительность сумерек увеличивается от экватора по направлению к полюсам: на 46° с. ш. в декабре месяце они равны 1 час. 14 мин., на 56° с. ш. (район Москвы) - 1 час. 38 мин., на 66° с. ш. - 3 час. 18 мин., на Северном полюсе нескольким неделям до появления Солнца и после захода его.

В летнее время в северном полушарии на параллелях 60° - 66° с. ш., а в декабре на тех же широтах в южном полушарии, когда Солнце погружается под горизонт менее чем на 7°, вечерние сумерки смыкаются с утренними. Здесь всю ночь светло. Такие ночи получили название белых ночей. В Ленинграде (60° с. ш.) они длятся с 11 июня по 2 июля, в Архангельске (64° с. ш.) - с 13 мая по 30 июля.

Сумерки нельзя отнести к дневной части суток, но они уменьшают время ночного мрака, что очень важно на полюсах, где так долго тянется полярная ночь.