Если да, то почему, а если нет, то почему так кажется?
«Чем вы умнее, тем большему вы должны научиться». - Дон Герольд
Времена года приближаются к своему апогею - лето в северном полушарии и зима в южном - скорее всего вы с нетерпением ждете одного из двух:
- Теплые, длинные, яркие, солнечные дни или
- холодные, короткие, тоскливые дни, которые хорошо проводить в помещении.
Но что же делает дни такими? И действительно ли они такие, или часть этого просто мы обманываем себя? Вы продолжаете присылать свои вопросы и предложения, и на этой неделе «Спросите Итана» любезно предоставлен Джимом Джойсом, который спрашивает:
Летом всегда «кажется», что интенсивность солнечного света ярче. […] Однако, учитывая относительное изменение расстояния от места до солнца в течение года, есть ли какая-либо значимая разница в интенсивности? А как насчет изменения расстояния вдоль нашей орбитальной эллиптической траектории?
Без сомнения, разница между тем, что делает Солнце во время летнего и зимнего солнцестояния, невероятно заметна.
Для тех из нас, кто живет за пределами тропиков - с широтами выше 23,4° - мы привыкли к летнему солнцестоянию как к одному дню в году, когда Солнце проходит ближе к прямо над головой, чем любой другой день. другой. С другой стороны, в день зимнего солнцестояния максимальная высота Солнца над горизонтом на целых 46,8° ниже, чем в день летнего солнцестояния.
Это не только разница, которую вы можете увидеть, но и разница, которую вы можете ясно почувствовать с точки зрения тепла!
Нет никаких сомнений в том, что Солнце, когда оно находится прямо над головой, кажется более интенсивным, чем когда оно находится ниже. Вот почему - несмотря на отставание по мере нагревания атмосферы - почти всегда ближе к полудню и после полудня теплее, чем утром или после захода Солнца.
Но действительно ли свет от Солнца интенсивнее?
Едва ли. Скорее всего, вы очень много слышали об изменчивости Солнца и изменениях солнечной радиации с течением времени. Чего большинство людей не осознает, так это того, что это правда: яркость Солнца меняется со временем, но эти изменения ничтожно малы! В среднем в верхней части земной атмосферы энергия на единицу площади, которую мы получаем от Солнца, составляет 1 365,5 Вт/м^2, когда Солнце излучает минимальную энергию, и 1 366,5 Вт/м^. 2, когда Солнце в максимуме.
Другими словами, выход энергии Солнца действительно меняется, но всего на ~0,1%! Это слишком мало, чтобы вызвать какие-либо изменения в наших чувствах.
С другой стороны, вы можете начать задаваться вопросом о близости Земли к Солнцу. Наша орбита не идеальный круг; напротив, мы эллипс! Возможно ли, что, когда Земля находится ближе к Солнцу, это дополнительное излучение из-за нашей близости заставляет нас чувствовать эту дополнительную солнечную интенсивность?
Это тоже очень небольшой эффект. Когда мы максимально приближаемся к Солнцу, мы получаем свет, который примерно на 6% интенсивнее (поскольку интенсивность масштабируется как обратный квадрат расстояния), чем когда мы находимся дальше всего. Это правда, что 6 % - это гораздо большее число, чем 0,1 %, но им можно пренебречь; Земля находится почти в самой дальней точке от Солнца, но Северное полушарие так же тепло, как и весь год!
Вместо этого преобладают два эффекта, и они не только очень тесно связаны, но и возникают из-за одного и того же явления: осевого наклона!
Это правда, что независимо от того, когда мы говорим, свет Солнца, падающий на Землю, составляет около 1366 Вт/метр^2, с этим отклонением в 0,1% благодаря внутренним свойствам Солнца и тому, что 6 % изменчивости из-за расстояния до Земли. Но подумайте вот о чем: когда свет Солнца падает на Землю, если Солнце прямо подслушано, все эти 1366 ватт на квадратный метр ударят в атмосферу Земли там, где вы находитесь. Но если Солнце находится под углом, вам придется бороться с тем, что эта энергия распространяется на еще большую площадь.
Для тех из вас, кто помнит свою тригонометрию, количество солнечного света на единицу площади, падающего на верхнюю часть атмосферы Земли, где вы сейчас находитесь, составляет исходное число - 1366 ± 0,1% ± 6% - умножается на косинус угла наклона Солнца от зенита!
Эта вариация в 6,1% эквивалентна разнице не более чем в 3,5°, когда вы говорите об угле наклона Солнца в небе. На сегодняшний день это доминирующий эффект: осевой наклон означает, что энергия Солнца распространяется по большей части земной поверхности, и поэтому на вас попадает меньшая ее часть.
Этого недостаточно, чтобы Солнце выглядело значительно тусклее, но насколько это ощущается? Это легко заметить.
Но я сказал, что было два эффекта, а распространение солнечной энергии на большую площадь поверхности Земли - только один. Другое происходит каждый раз, когда Солнце находится в небе: оно должно пройти сквозь атмосферу!
Атмосфера не просто эффективно рассеивает радиацию, она становится еще более эффективной, поскольку свет проходит через нее все больше и больше! Когда Солнце слышно прямо (под углом 90°), оно «всего лишь» должно пройти через наши примерно 62 мили (100 км) атмосферы. Но если Солнце опускается только под углом 45°, оно проходит через 88 миль (141 км) атмосферы, еще больше уменьшая интенсивность.
На самом деле, на моей среднесеверной широте примерно 45° солнечный свет проходит через атмосферу только 67 миль (108 км) в полдень в день летнего солнцестояния, но колоссальные 168 миль (272 км)) в полдень зимнего солнцестояния: почти в три раза больше!
Это та же самая причина, по которой восход и закат могут быть красивыми, яркими зрелищами, но паршивыми для ощущения солнечного тепла. Таким образом, не наша близость к Солнцу и не вариации в самой нашей родительской звезде заставляют свет ощущаться иначе, а то, насколько направлены солнечные лучи, когда они поразить нашу часть Земли, а также через какую часть нашей атмосферы они должны пройти.
Спасибо за отличный вопрос, Джим, и не забудьте прислать сюда свои вопросы и предложения; следующий Спроси Итана может быть из-за тебя!