4.2: الفصول
- Page ID
- 197517
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف كيف يتسبب ميل محور الأرض في الفصول
- اشرح كيف تختلف الاختلافات الموسمية على الأرض باختلاف خطوط العرض
تتمثل إحدى الحقائق الأساسية للحياة في خطوط العرض الوسطى للأرض، حيث يعيش معظم قراء هذا الكتاب، في وجود اختلافات كبيرة في الحرارة التي نتلقاها من الشمس خلال العام. وهكذا نقسم السنة إلى فصول، ولكل منها كمية مختلفة من ضوء الشمس. يصبح الفرق بين الفصول أكثر وضوحًا كلما ابتعدنا شمالًا أو جنوبًا عن خط الاستواء الذي نقطعه، والمواسم في نصف الكرة الجنوبي هي عكس ما نجده في النصف الشمالي من الأرض. مع وضع هذه الحقائق الملاحظة في الاعتبار، دعونا نسأل عن أسباب الفصول.
يعتقد الكثير من الناس أن الفصول كانت نتيجة المسافة المتغيرة بين الأرض والشمس. يبدو هذا معقولًا في البداية: يجب أن يكون الجو أكثر برودة عندما تكون الأرض بعيدة عن الشمس. لكن الحقائق لا تدعم هذه الفرضية. على الرغم من أن مدار الأرض حول الشمس عبارة عن شكل بيضاوي، إلا أن المسافة بينها وبين الشمس تختلف بحوالي 3٪ فقط. هذا لا يكفي لإحداث اختلافات كبيرة في حرارة الشمس. ومما زاد الطين بلة بالنسبة للأشخاص في أمريكا الشمالية الذين يتبنون هذه الفرضية، أن الأرض هي في الواقع الأقرب إلى الشمس في يناير، عندما يكون نصف الكرة الشمالي في منتصف الشتاء. وإذا كانت المسافة هي العامل الحاكم، فلماذا يكون لنصفي الكرة الأرضية مواسم متقابلة؟ كما سنوضح، فإن الفصول ناتجة بالفعل عن ميل محور الأرض بمقدار 23.5 درجة.
الفصول والشمس المشرقة
\(\PageIndex{1}\)يوضح الشكل مسار الأرض السنوي حول الشمس، مع ميل محور الأرض بمقدار 23.5 درجة. لاحظ أن محورنا يستمر في توجيه نفس الاتجاه في السماء على مدار العام. أثناء انتقال الأرض حول الشمس، في شهر يونيو، «يميل نصف الكرة الشمالي إلى» الشمس ويتم إضاءته بشكل مباشر. في ديسمبر، انعكس الوضع: يميل نصف الكرة الجنوبي إلى الشمس، ويميل نصف الكرة الشمالي بعيدًا. في شهري سبتمبر ومارس، تميل الأرض «جانبيًا» - لا نحو الشمس ولا بعيدًا عنها - لذلك يفضل نصفي الكرة الأرضية بالتساوي مع أشعة الشمس.
كيف يُترجم تفضيل الشمس لنصف الكرة الأرضية إلى جعله أكثر دفئًا بالنسبة لنا على سطح الأرض؟ هناك تأثيران نحتاج إلى مراعاتهما. عندما نميل إلى الشمس، تضربنا أشعة الشمس بزاوية أكثر مباشرة وتكون أكثر فعالية في تسخين سطح الأرض (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يمكنك الحصول على تأثير مماثل من خلال تسليط مصباح يدوي على الحائط. إذا قمت بتسليط المصباح مباشرة، ستحصل على بقعة ضوء مكثفة على الحائط. ولكن إذا كنت تحمل المصباح بزاوية (إذا كان الجدار «يميل» إلى الخارج من الشعاع)، فإن بقعة الضوء تكون أكثر انتشارًا. مثل الضوء المباشر، يكون ضوء الشمس في يونيو أكثر مباشرة وكثافة في نصف الكرة الشمالي، وبالتالي أكثر فعالية في التدفئة.
التأثير الثاني يتعلق بطول الوقت الذي تقضيه الشمس فوق الأفق (الشكل\(\PageIndex{3}\)). حتى لو لم تفكر في علم الفلك من قبل، فنحن على يقين من أنك لاحظت أن ساعات النهار تزداد في الصيف وتنخفض في الشتاء. دعونا نرى لماذا يحدث هذا.
كما رأينا في «رصد السماء: ولادة علم الفلك»، فإن الطريقة المماثلة للنظر إلى مسارنا حول الشمس كل عام هي التظاهر بأن الشمس تتحرك حول الأرض (على دائرة تسمى مسير الشمس). نظرًا لإمالة محور الأرض، يميل مسير الشمس بحوالي 23.5 درجة بالنسبة إلى خط الاستواء السماوي (راجع الشكل\(2.1.6\)). ونتيجة لذلك، يتغير المكان الذي نرى فيه الشمس في السماء مع مرور العام.
في شهر يونيو، تقع الشمس شمال خط الاستواء السماوي وتقضي المزيد من الوقت مع أولئك الذين يعيشون في نصف الكرة الشمالي. ترتفع عالياً في السماء وهي فوق الأفق في الولايات المتحدة لمدة تصل إلى 15 ساعة. وبالتالي، فإن الشمس لا تسخننا بمزيد من الأشعة المباشرة فحسب، بل لديها أيضًا المزيد من الوقت للقيام بذلك كل يوم. (لاحظ في الشكل\(\PageIndex{3}\) أن مكاسب نصف الكرة الشمالي هي خسارة نصف الكرة الجنوبي. هناك تكون شمس يونيو منخفضة في السماء، مما يعني تقليل ساعات النهار. في تشيلي، على سبيل المثال، يكون شهر يونيو أكثر برودة وأكثر ظلامًا من العام.) في ديسمبر، عندما تكون الشمس جنوب خط الاستواء السماوي، يتم عكس الوضع.
دعونا ننظر إلى كيف تبدو إضاءة الشمس على الأرض في بعض التواريخ المحددة من السنة، عندما تكون هذه التأثيرات في أقصى مستوياتها. في أو حوالي 21 يونيو (التاريخ الذي نسميه نحن الذين نعيش في نصف الكرة الشمالي الانقلاب الصيفي أو أحيانًا اليوم الأول من الصيف)، تشرق الشمس بشكل مباشر على نصف الكرة الشمالي من الأرض. تظهر حوالي 23 درجة شمال خط الاستواء، وبالتالي، في ذلك التاريخ، تمر عبر ذروة الأماكن على الأرض التي تقع عند خط عرض 23 درجة شمالًا. يتم عرض الموقف بالتفصيل في الشكل\(\PageIndex{4}\). بالنسبة لشخص عند 23 درجة شمالًا (بالقرب من هاواي، على سبيل المثال)، تكون الشمس فوق السماء مباشرة عند الظهر. يُطلق على خط العرض هذا، حيث يمكن أن تظهر الشمس في ذروتها ظهرًا في اليوم الأول من الصيف، اسم مدار السرطان.
نرى أيضًا في الشكل\(\PageIndex{4}\) أن أشعة الشمس تلمع في جميع أنحاء القطب الشمالي عند الانقلاب الشمسي. عندما تدور الأرض حول محورها، تضيء الشمس القطب الشمالي باستمرار؛ وتتعرض جميع الأماكن الواقعة ضمن 23 درجة من القطب لأشعة الشمس لمدة 24 ساعة. تقع الشمس في أقصى الشمال في هذا التاريخ؛ وبالتالي، فإن 90° - 23° (أو 67° شمالًا) هي أقصى خط عرض في الجنوب حيث يمكن رؤية الشمس لمدة 24 ساعة كاملة (تسمى أحيانًا «أرض شمس منتصف الليل»). تسمى دائرة العرض هذه الدائرة القطبية الشمالية.
حددت العديد من الثقافات المبكرة أحداثًا خاصة حول الانقلاب الصيفي للاحتفال بأطول الأيام وشكر آلهتها على جعل الطقس دافئًا. تطلب ذلك من الناس تتبع أطوال الأيام ورحلة الشمس شمالًا لمعرفة اليوم المناسب لـ «الحفلة». (يمكنك القيام بنفس الشيء من خلال المشاهدة لعدة أسابيع، من نفس نقطة المراقبة، حيث تشرق الشمس أو تغرب نسبة إلى معلم ثابت. وفي فصل الربيع، ستشرق الشمس أكثر فأكثر شمال الشرق، وتتجه أبعد نحو الشمال من الغرب، لتصل إلى أقصى درجة عند الانقلاب الصيفي.)
انظر الآن إلى القطب الجنوبي في الشكل\(\PageIndex{4}\). في 21 يونيو، لا ترى جميع الأماكن الواقعة على بعد 23 درجة من القطب الجنوبي - أي جنوب ما نسميه الدائرة القطبية الجنوبية - الشمس على الإطلاق لمدة 24 ساعة.
يتم عكس الوضع بعد 6 أشهر، حوالي 21 ديسمبر (تاريخ الانقلاب الشتوي، أو اليوم الأول من الشتاء في نصف الكرة الشمالي)، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{5}\). الآن هي الدائرة القطبية الشمالية التي تتمتع بالليل على مدار 24 ساعة والدائرة القطبية الجنوبية التي تطل على شمس منتصف الليل. عند خط العرض 23 درجة جنوبًا، المسمى مدار الجدي، تمر الشمس عبر الذروة عند الظهر. الأيام أطول في نصف الكرة الجنوبي وأقصر في الشمال. في الولايات المتحدة وجنوب أوروبا، قد يكون هناك 9 أو 10 ساعات فقط من أشعة الشمس خلال النهار. إنه الشتاء في نصف الكرة الشمالي والصيف في نصف الكرة الجنوبي.
مثال\(\PageIndex{1}\): الاختلافات الموسمية
كما ترى في الشكل\(\PageIndex{4}\)، فإن مدار السرطان هو خط العرض الذي تعلقه الشمس مباشرة في الانقلاب الصيفي. في هذا الوقت، تكون الشمس عند انحراف قدره 23 درجة شمالًا عن خط الاستواء السماوي، وخط العرض المقابل على الأرض هو 23 درجة شمالًا من خط الاستواء. إذا كان ميل الأرض أقل قليلاً، فسيكون مدار السرطان عند خط عرض منخفض، أقرب إلى خط الاستواء.
تمثل الدائرة القطبية الشمالية أقصى خط عرض في الجنوب حيث يبلغ طول اليوم 24 ساعة في يوم الانقلاب الصيفي. يقع هذا عند 90 درجة - 23 درجة = 67 درجة شمالًا من خط استواء الأرض. إذا كان ميل الأرض أقل قليلاً، فإن الدائرة القطبية الشمالية ستتحرك شمالًا. في الحد الذي لا تميل فيه الأرض على الإطلاق (يكون محورها عموديًا على مسير الشمس)، سيكون مدار السرطان على خط استواء الأرض مباشرة، وستكون الدائرة القطبية ببساطة القطب الشمالي. لنفترض أن ميل محور الأرض كان مائلًا بمقدار 5 درجات فقط. ماذا سيكون التأثير على المواسم ومواقع مدار السرطان والدائرة القطبية الشمالية؟
الحل
إذا كانت الأرض تميل بدرجة أقل، فستكون الفصول أقل تطرفًا. سيكون الاختلاف في طول اليوم وضوء الشمس المباشر صغيرًا جدًا على مدار العام، ولن يختلف مسار الشمس اليومي في السماء كثيرًا. إذا كانت الأرض مائلة بمقدار 5 درجات، فإن موقع الشمس في يوم الانقلاب الصيفي سيكون 5 درجات شمالًا من خط الاستواء السماوي، لذلك سيكون مدار السرطان عند خط العرض المقابل على الأرض عند 5 درجات شمالًا من خط الاستواء. تقع الدائرة القطبية الشمالية عند 90° - 5° = 85° شمالاً من خط الاستواء.
التمارين\(\PageIndex{1}\)
لنفترض أن ميل محور الأرض كان 16 درجة. ماذا سيكون إذن الفرق في خط العرض بين الدائرة القطبية الشمالية ومدار السرطان؟ ماذا سيكون التأثير على الفصول مقارنة بالتأثير الناتج عن الميل الفعلي بمقدار 23 درجة؟
إجابة-
يقع مدار السرطان عند خط عرض يساوي ميل الأرض، لذلك في هذه الحالة، سيكون عند خط عرض 16 درجة شمالًا. تقع الدائرة القطبية الشمالية عند خط عرض يساوي 90 درجة ناقص ميل الأرض، أو 90 درجة - 16 درجة = 74 درجة. الفرق بين خطي العرض هذين هو 74 درجة - 16 درجة = 58 درجة. نظرًا لانخفاض ميل الأرض، سيكون هناك اختلاف أقل في ميل الأرض واختلاف أقل في مسارات الشمس على مدار العام، لذلك ستكون هناك تغييرات موسمية أكثر اعتدالًا.
يمكنك مشاهدة رسم متحرك لمسار الشمس خلال الفصول جنبًا إلى جنب مع عرض بفاصل زمني للضوء والظل من كاميرا تم إعدادها في حرم جامعة نبراسكا.
تحتفل العديد من الثقافات التي تطورت على مسافة ما شمال خط الاستواء في 21 ديسمبر لمساعدة الناس على التعامل مع النقص المحبط في ضوء الشمس ودرجات الحرارة الباردة بشكل خطير في كثير من الأحيان. في الأصل، كان هذا غالبًا وقتًا للتجمع مع العائلة والأصدقاء، لتقاسم احتياطيات الطعام والشراب، والطقوس التي تطلب من الآلهة إعادة الضوء والحرارة وتحويل دورة الفصول. قامت العديد من الثقافات ببناء أجهزة متقنة لتوقع موعد أقصر يوم في السنة. من المحتمل أن يكون ستونهنج في إنجلترا، الذي تم بناؤه قبل اختراع الكتابة بفترة طويلة، أحد هذه الأجهزة. في وقتنا الخاص، نواصل تقليد الانقلاب الشتوي باحتفالات الأعياد المختلفة في تاريخ ديسمبر.
في منتصف الطريق بين الانقلابات، في حوالي 21 مارس و 21 سبتمبر، تكون الشمس على خط الاستواء السماوي. من الأرض، يظهر فوق خط استواء كوكبنا ولا يفضل أي من نصفي الكرة الأرضية. ثم يتلقى كل مكان على وجه الأرض ما يقرب من 12 ساعة من أشعة الشمس و 12 ساعة من الليل. تسمى النقاط التي تعبر فيها الشمس خط الاستواء السماوي بالاعتدالات الربيعية (الربيعية) والخريفية (الخريفية).
المواسم على خطوط عرض مختلفة
تختلف التأثيرات الموسمية عند خطوط العرض المختلفة على الأرض. بالقرب من خط الاستواء، على سبيل المثال، تتشابه جميع الفصول إلى حد كبير. في كل يوم من أيام السنة، تشرق الشمس نصف الوقت، لذلك هناك ما يقرب من 12 ساعة من أشعة الشمس و 12 ساعة من الليل. يحدد السكان المحليون الفصول بكمية الأمطار (موسم الأمطار وموسم الجفاف) بدلاً من كمية ضوء الشمس. عندما نسافر شمالًا أو جنوبًا، تصبح الفصول أكثر وضوحًا، حتى نصل إلى الحالات القصوى في القطب الشمالي وأنتاركتيكا.
في القطب الشمالي، تكون جميع الأجرام السماوية الواقعة شمال خط الاستواء السماوي دائمًا فوق الأفق، وعندما تدور الأرض، تدور حولها بالتوازي. تقع الشمس شمال خط الاستواء السماوي من حوالي 21 مارس إلى 21 سبتمبر، لذلك في القطب الشمالي، تشرق الشمس عندما تصل إلى الاعتدال الربيعي وتغرب عندما تصل إلى الاعتدال الخريفي. كل عام هناك 6 أشهر من أشعة الشمس في كل عمود، تليها 6 أشهر من الظلام.
مثال\(\PageIndex{2}\): موقع الشمس في السماء
تتراوح إحداثيات الشمس على الكرة السماوية من انحراف قدره 23 درجة شمالًا عن خط الاستواء السماوي (أو +23 درجة) إلى انحراف 23 درجة جنوبًا عن خط الاستواء السماوي (أو -23 درجة). لذلك، يختلف ارتفاع الشمس عند الظهيرة، عندما تعبر خط الطول، بإجمالي 46 درجة. ما هو ارتفاع الشمس عند ظهر يوم 21 مارس، كما يُرى من مكان على خط استواء الأرض؟ ما هو ارتفاعه في 21 يونيو، كما يُرى من مكان على خط استواء الأرض؟
الحل
على خط استواء الأرض، يمر خط الاستواء السماوي عبر الذروة. في 21 مارس، تعبر الشمس خط الاستواء السماوي، لذلك يجب العثور عليها في ذروتها (90 درجة) عند الظهر. في 21 يونيو، تكون الشمس 23 درجة شمالًا من خط الاستواء السماوي، لذلك ستكون على بعد 23 درجة من الذروة عند الظهر. سيكون الارتفاع فوق الأفق أقل بـ 23 درجة من ارتفاع الذروة (90 درجة)، لذلك يكون 90 درجة - 23 درجة = 67 درجة فوق الأفق.
التمارين\(\PageIndex{2}\)
ما هو ارتفاع الشمس عند ظهر يوم 21 ديسمبر، كما يُرى من مكان على مدار السرطان؟
- إجابة
-
في يوم الانقلاب الشتوي، تقع الشمس على بعد حوالي 23 درجة جنوبًا من خط الاستواء السماوي. من مدار السرطان، الذي يقع على خط عرض 23 درجة شمالاً، ستكون الذروة انحرافًا بمقدار 23 درجة شمالًا، والفرق في الانحراف بين الذروة وموقع الشمس هو 46 درجة، وبالتالي ستكون الشمس على بعد 46 درجة من الذروة. هذا يعني أنه سيكون على ارتفاع 90 درجة - 46 درجة = 44 درجة.
توضيحات حول العالم الحقيقي
في مناقشاتنا حتى الآن، وصفنا شروق وغروب الشمس والنجوم كما لو كان الغلاف الجوي للأرض ضئيلًا أو معدومًا. ومع ذلك، في الواقع، فإن الغلاف الجوي له تأثير غريب يتمثل في السماح لنا برؤية طريق صغير «عبر الأفق». هذا التأثير هو نتيجة الانكسار، وانحناء الضوء الذي يمر عبر الهواء أو الماء، وهو أمر سنناقشه في الآلات الفلكية. بسبب هذا الانكسار الجوي (وحقيقة أن الشمس ليست نقطة ضوء بل قرصًا)، يبدو أن الشمس تشرق مبكرًا وتغرب متأخرًا عما لو لم يكن هناك غلاف جوي.
بالإضافة إلى ذلك، يشتت الغلاف الجوي الضوء ويوفر بعض إضاءة الشفق حتى عندما تكون الشمس تحت الأفق. يعرّف علماء الفلك الشفق الصباحي بأنه يبدأ عندما تكون الشمس 18 درجة تحت الأفق، ويمتد الشفق المسائي حتى تغرق الشمس بأكثر من 18 درجة تحت الأفق.
تتطلب هذه التأثيرات الجوية تصحيحات صغيرة في العديد من بياناتنا حول الفصول. في الاعتدالات، على سبيل المثال، تبدو الشمس فوق الأفق لبضع دقائق أطول من 12 ساعة، وتحت الأفق لأقل من 12 ساعة. تكون هذه التأثيرات أكثر إثارة في أقطاب الأرض، حيث يمكن رؤية الشمس فعليًا قبل أكثر من أسبوع من وصولها إلى خط الاستواء السماوي.
ربما تعلم أن الانقلاب الصيفي (21 يونيو) ليس أكثر أيام السنة دفئًا، حتى لو كان الأطول. الأشهر الأكثر سخونة في نصف الكرة الشمالي هي يوليو وأغسطس. هذا لأن طقسنا يشمل الهواء والماء اللذين يغطيان سطح الأرض، وهذه الخزانات الكبيرة لا تسخن على الفور. ربما لاحظت هذا التأثير بنفسك؛ على سبيل المثال، لا تصبح البركة دافئة في اللحظة التي
تشرق الشمس ولكنها تكون أكثر دفئًا في وقت متأخر من بعد الظهر، بعد أن يكون لديها الوقت لامتصاص حرارة الشمس. وبنفس الطريقة، تصبح الأرض أكثر دفئًا بعد أن تتاح لها فرصة امتصاص ضوء الشمس الإضافي الذي يمثل هدية الشمس الصيفية لنا. وأبرد أوقات الشتاء هي شهر أو أكثر بعد الانقلاب الشتوي.
المفاهيم الأساسية والملخص
تنجم الدورة المألوفة للفصول عن ميل محور دوران الأرض بمقدار 23.5 درجة. في الانقلاب الصيفي، ترتفع الشمس في السماء وتضرب أشعتها الأرض بشكل مباشر. تبقى الشمس في السماء لأكثر من نصف اليوم ويمكنها تسخين الأرض لفترة أطول. في الانقلاب الشتوي، تكون الشمس منخفضة في السماء وتأتي أشعتها بزاوية أكبر؛ بالإضافة إلى ذلك، تستمر الشمس لأقل من 12 ساعة، لذلك يكون لهذه الأشعة وقت أقل لتسخينها. في الاعتدالات الربيعية والخريفية، تكون الشمس على خط الاستواء السماوي ونحصل على حوالي 12 ساعة من النهار والليل. تختلف الفصول عند خطوط العرض المختلفة.
الحواشي
1 لاحظ أن التواريخ المشار إليها للانقلابات والاعتدالات تقريبية؛ اعتمادًا على السنة، قد تحدث قبل يوم أو يومين أو بعد ذلك.