4.2: Nyakati

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi tilt ya mhimili wa Dunia husababisha misimu
• Eleza jinsi tofauti za msimu duniani zinatofautiana na latitude

Moja ya mambo ya msingi ya maisha katika latitudo katikati ya Dunia, ambapo wengi wa wasomaji wa kitabu hiki wanaishi, ni kwamba kuna tofauti kubwa katika joto tunayopokea kutoka Jua wakati wa mwaka. Kwa hiyo tunagawanya mwaka katika misimu, kila mmoja na kiasi chake tofauti cha jua. Tofauti kati ya misimu inapata kutamkwa zaidi kaskazini au kusini mbali na ikweta tunayosafiri, na misimu katika Nusutufe ya Kusini ni kinyume cha kile tunachopata kwenye nusutufe ya kaskazini ya Dunia. Kwa ukweli huu uliozingatiwa katika akili, hebu tuulize nini kinachosababisha misimu.

Watu wengi wameamini ya kwamba misimu hiyo ilikuwa tokeo la umbali unaobadilika kati ya Dunia na Jua. Hii inaonekana ya busara kwa mara ya kwanza: inapaswa kuwa baridi wakati Dunia iko mbali na Jua. Lakini ukweli hauna kubeba hypothesis hii. Ingawa obiti ya Dunia inayozunguka Jua ni duaradufu, umbali wake kutoka Jua unatofautiana kwa asilimia 3 tu. Hiyo haitoshi kusababisha tofauti kubwa katika joto la Jua. Kufanya mambo mabaya zaidi kwa watu wa Amerika ya Kaskazini ambao wanashikilia hypothesis hii, Dunia ni karibu sana na jua mwezi Januari, wakati ulimwengu wa Kaskazini ulipo katikati ya majira ya baridi. Na kama umbali ulikuwa sababu inayoongoza, kwa nini hemispheres mbili zina misimu tofauti? Kama tutakavyoonyesha, misimu ni kweli unasababishwa na tilt 23.5° ya mhimili wa Dunia.

Nyakati na jua

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha njia ya kila mwaka ya Dunia inayozunguka Jua, huku mhimili wa Dunia unaelekezwa na 23.5°. Kumbuka kwamba mhimili wetu unaendelea kuelekeza mwelekeo huo angani mwaka mzima. Wakati Dunia inavyozunguka Jua, mwezi wa Juni ulimwengu wa Kaskazini “hutegemea” Jua na inaangazwa moja kwa moja. Mnamo Desemba, hali hiyo inabadilishwa: Ulimwengu wa Kusini hutegemea Jua, na Hifadhi ya Kaskazini hutegemea. Mnamo Septemba na Machi, Dunia hutegemea “upande” -wala ndani ya Jua wala mbali nayo-hivyo hemispheres mbili zinapendekezwa sawa na jua.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Seasons. Tunaona Dunia kwa misimu tofauti kama inavyozunguka Jua. Mnamo Juni, Ulimwengu wa Kaskazini “hutegemea” Jua, na wale walio katika Kaskazini hupata majira ya joto na wana siku ndefu. Mnamo Desemba, wakati wa majira ya baridi katika Hifadhi ya Kaskazini, Ulimwengu wa Kusini “hutegemea” Jua na inaangazwa zaidi moja kwa moja. Katika spring na vuli, hemispheres mbili hupokea hisa sawa za jua. ¹

Jinsi gani Jua la kupendelea ulimwengu mmoja linatafsiri katika kuifanya joto kwa ajili yetu chini ya uso wa Dunia? Kuna madhara mawili tunayohitaji kufikiria. Tunapotegemea jua, jua hutupiga kwa pembe moja kwa moja na inafaa zaidi inapokanzwa uso wa Dunia (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Unaweza kupata athari sawa kwa kuangaza tochi kwenye ukuta. Kama uangaze tochi moja kwa moja juu ya, kupata doa makali ya mwanga juu ya ukuta. Lakini ikiwa unashikilia tochi kwa pembe (ikiwa ukuta “unatoka nje” ya boriti), basi doa ya mwanga inaenea zaidi. Kama mwanga wa moja kwa moja, jua mwezi Juni ni moja kwa moja na kali zaidi katika Hifadhi ya Kaskazini, na hivyo inafaa zaidi inapokanzwa.

Kielelezo Mionzi\(\PageIndex{2}\) ya jua katika Majira ya joto na Majira ya baridi. (a) Katika majira ya joto, Jua linaonekana juu angani na mionzi yake inapiga Dunia moja kwa moja zaidi, ikisambaa chini. (b) Katika majira ya baridi, Jua ni ndogo mbinguni na mionzi yake imeenea juu ya eneo pana sana, na kuwa na ufanisi zaidi inapokanzwa ardhi.

Athari ya pili inahusiana na urefu wa muda Jua hutumia juu ya upeo wa macho (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hata kama hujawahi kufikiria kuhusu astronomia kabla, tuna hakika umeona kwamba masaa ya mchana yanaongezeka katika majira ya joto na kupungua kwa majira ya baridi. Hebu tuone kwa nini hii inatokea.

\(\PageIndex{3}\)Kielelezo Njia ya Jua Mbinguni kwa misimu tofauti. Tarehe 21 Juni Jua linatoka kaskazini mwa mashariki na kuweka kaskazini mwa magharibi. Kwa waangalizi katika Nusutufe ya Kaskazini ya Dunia, Jua linatumia muda wa masaa 15 juu ya upeo wa macho nchini Marekani, maana yake ni masaa zaidi ya mchana. Tarehe 21 Desemba Jua linatoka kusini mwa mashariki na kuweka kusini mwa magharibi. Inatumia masaa 9 juu ya upeo wa macho nchini Marekani, ambayo ina maana masaa machache ya mchana na masaa zaidi ya usiku katika nchi za kaskazini (na haja kubwa ya watu kushikilia maadhimisho ili kujifurahisha wenyewe). Mnamo Machi 21 na Septemba 21, Jua hutumia kiasi sawa cha muda juu na chini ya upeo wa macho katika hemispheres zote mbili.

Kama tulivyoona katika Kuchunguza Anga: Kuzaliwa kwa Astronomia, njia sawa ya kuangalia njia yetu kuzunguka Jua kila mwaka ni kujifanya kuwa Jua linazunguka Dunia (kwenye mduara unaoitwa ecliptic). Kwa sababu mhimili wa Dunia unaelekezwa, ekliptiki inaelekezwa na takriban 23.5° ikilinganishwa na ikweta ya mbinguni (angalia Kielelezo\(2.1.6\)). Matokeo yake, ambapo tunaona Jua angani linabadilika kama mwaka unavyovaa.

Mnamo Juni, Jua ni kaskazini ya ikweta ya mbinguni na hutumia muda zaidi na wale wanaoishi katika Hifadhi ya Kaskazini. Inapanda juu angani na iko juu ya upeo wa macho nchini Marekani kwa muda mrefu kama masaa 15. Kwa hiyo, Jua hutuponya tu kwa mionzi ya moja kwa moja, lakini pia ina muda mwingi wa kufanya kila siku. (Angalia katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kwamba faida ya Hifadhi ya Kaskazini ni hasara ya Kusini mwa Hifadhi ya. Hapo Jua la Juni liko chini angani, maana yake ni saa chache za mchana. Katika Chile, kwa mfano, Juni ni wakati wa baridi, mweusi wa mwaka.) Mnamo Desemba, wakati Jua liko kusini mwa ikweta ya mbinguni, hali hiyo inabadilishwa.

Hebu tuangalie kile mwanga wa Jua duniani unaonekana kama tarehe maalum za mwaka, wakati madhara haya yana kiwango cha juu. Mnamo au juu ya Juni 21 (tarehe tunayoishi katika ulimwengu wa Kaskazini huita solstice ya majira ya joto au wakati mwingine siku ya kwanza ya majira ya joto), Jua huangaza zaidi moja kwa moja kwenye Ulimwengu wa Kaskazini wa Dunia. Inaonekana takriban 23° kaskazini ya ikweta, na hivyo, katika tarehe hiyo, inapita katika zenith ya maeneo duniani yaliyo kwenye latitude 23° N. Hali inavyoonyeshwa kwa undani katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Kwa mtu mwenye 23° N (karibu na Hawaii, kwa mfano), Jua linaelekea moja kwa moja saa sita mchana. Latitude hii, ambapo Jua linaweza kuonekana saa sita mchana siku ya kwanza ya majira ya joto, inaitwa Tropic ya Saratani.

Pia tunaona katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) kwamba mionzi ya jua huangaza chini pande zote za Ncha ya Kaskazini kwenye solstice. Wakati Dunia inavyogeuka kwenye mhimili wake, Ncha ya Kaskazini inaendelea kuangazwa na Jua; maeneo yote ndani ya 23° ya pole yana jua kwa masaa 24. Jua liko mbali kaskazini katika tarehe hii kadiri inavyoweza kupata; hivyo, 90° — 23° (au 67° N) ni latitude ya kusini kabisa ambako Jua linaweza kuonekana kwa muda kamili wa saa 24 (wakati mwingine huitwa “nchi ya usiku wa manane Jua”). Mduara huo wa latitudo huitwa Mduara wa Aktiki

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Dunia Juni 21. Hii ni tarehe ya solstice ya majira ya joto katika Hifadhi ya Kaskazini. Kumbuka kwamba kama Dunia inavyogeuka kwenye mhimili wake (mstari unaounganisha Poles ya Kaskazini na Kusini), Ncha ya Kaskazini iko katika jua mara kwa mara ilhali Ncha ya Kusini inafunikwa katika masaa 24 ya giza. Jua ni katika zenith kwa waangalizi juu ya Tropic ya Saratani.

Tamaduni nyingi za mwanzo zimepanga matukio maalum karibu na msimu wa majira ya joto kusherehekea siku ndefu zaidi na kuwashukuru miungu yao kwa kufanya hali ya hewa ya joto. Hii ilihitaji watu kuweka wimbo wa urefu wa siku na safari ya kaskazini ya Jua ili kujua siku sahihi kwa “chama.” (Unaweza kufanya kitu kimoja kwa kuangalia kwa wiki kadhaa, kutoka kwenye hatua hiyo ya uchunguzi, ambapo Jua linainuka au linaweka jamaa na alama ya kudumu. Katika chemchemi, Jua litafufuliwa mbali na kaskazini zaidi ya mashariki, na kuweka mbali zaidi na kaskazini ya magharibi, kufikia kiwango cha juu karibu na msimu wa majira ya joto.)

Sasa angalia Pole ya Kusini katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Mnamo tarehe 21 Juni, maeneo yote ndani ya 23° ya Pole ya Kusini—yaani kusini ya kile tunachokiita Mzunguko wa Antarctic —hazioni Jua kabisa kwa masaa 24.

Hali hiyo inabadilishwa miezi 6 baadaye, Desemba 21 (tarehe ya msimu wa baridi, au siku ya kwanza ya majira ya baridi katika Ulimwengu wa Kaskazini), kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{5}\). Sasa ni Mzunguko wa Aktiki ambao una usiku wa saa 24 na Mzunguko wa Antarctic ambao una Jua la usiku wa manane. Katika latitude 23° S, inayoitwa Tropic ya Capricorn, Jua hupita kupitia zenith saa sita mchana. Siku ni ndefu katika Nusutufe ya Kusini na fupi upande wa kaskazini. Nchini Marekani na Ulaya ya Kusini, kunaweza kuwa na masaa 9 au 10 tu ya jua wakati wa mchana. Ni baridi katika Hifadhi ya Kaskazini na majira ya joto katika Ulimwengu wa Kusini.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Dunia Desemba 21. Hii ni tarehe ya solstice ya majira ya baridi katika Hifadhi ya Kaskazini. Sasa Ncha ya Kaskazini iko katika giza kwa masaa 24 na Pole ya Kusini inaangazwa. Jua liko kwenye kilele cha waangalizi kwenye Tropic ya Capricorn na hivyo ni chini mbinguni kwa wakazi wa Ulimwengu wa Kaskazini.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Tofauti za msimu

Kama unaweza kuona katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\), Tropic ya Saratani ni latitude ambayo Sun ni moja kwa moja juu ya solstice ya majira ya joto. Kwa wakati huu, Jua liko katika kupungua kwa 23° N ya ikweta ya mbinguni, na latitude inayofanana duniani ni 23° N ya ikweta. Ikiwa Dunia ilipigwa kidogo, basi Tropic ya Saratani ingekuwa kwenye latitude ya chini, karibu na ikweta.

Mzunguko wa Arctic unaonyesha latitude ya kusini ambayo urefu wa siku ni masaa 24 siku ya msimu wa majira ya joto. Hii iko kwenye 90° — 23° = 67° N ya ikweta ya Dunia. Ikiwa Dunia ilipigwa kidogo, basi Circle ya Arctic ingeenda mbali zaidi Kaskazini. Katika kikomo ambacho Dunia haipatikani kabisa (mhimili wake ni perpendicular kwa ecliptic), Tropic ya Saratani itakuwa sawa juu ya equator ya Dunia, na Circle ya Arctic ingekuwa tu Ncha ya Kaskazini. Tuseme tilt ya mhimili wa Dunia ilielekezwa 5° tu. Je, itakuwa athari gani juu ya misimu na maeneo ya Tropic ya Saratani na Arctic Circle?

Suluhisho

Kama Dunia ingekuwa tilted chini, misimu itakuwa chini uliokithiri. Tofauti katika urefu wa mchana na jua moja kwa moja ingekuwa ndogo sana katika kipindi cha mwaka, na njia ya kila siku ya Jua angani haikutofautiana sana. Ikiwa Dunia ingeelekezwa na 5°, nafasi ya Jua siku ya solstisi ya majira ya joto ingekuwa 5° N ya ikweta ya mbinguni, hivyo Tropic ya Saratani ingekuwa kwenye latitude inayofanana Duniani ya 5° N ya ikweta. Mzunguko wa Aktiki ungekuwa kwenye 90° — 5° = 85° N ya ikweta.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Tuseme tilt ya mhimili wa Dunia ilikuwa 16°. Nini, basi, itakuwa tofauti katika latitude kati ya Circle Arctic na Tropic ya Saratani? Je, ingekuwa athari kwa misimu ikilinganishwa na ile iliyotengenezwa na tilt halisi ya 23°?

Jibu

Tropic ya Saratani iko kwenye latitude sawa na tilt ya Dunia, hivyo katika kesi hii, itakuwa saa 16° N latitude. Mzunguko wa Aktiki uko kwenye latitudo sawa na 90° bala tilt ya Dunia, au 90° — 16° = 74°. Tofauti kati ya latitudo hizi mbili ni 74° — 16° = 58°. Kwa kuwa kutembea kwa Dunia ni ndogo, kutakuwa na tofauti ndogo katika mwelekeo wa Dunia na tofauti ndogo katika njia za Jua kila mwaka, kwa hiyo kutakuwa na mabadiliko mabaya ya msimu.

Unaweza kuona uhuishaji wa njia ya Sun wakati wa misimu pamoja na mtazamo wa muda wa mwanga na kivuli kutoka kamera iliyoanzishwa kwenye Chuo Kikuu cha Nebraska chuo kikuu.

Tamaduni nyingi zilizoendelea umbali fulani kaskazini ya ikweta zina sherehe karibu na Desemba 21 ili kuwasaidia watu kukabiliana na ukosefu wa kukandamiza wa jua na joto la baridi mara nyingi hatari. Mwanzoni, mara nyingi hii ilikuwa wakati wa kujishughulisha na familia na marafiki, kwa kugawana akiba ya chakula na vinywaji, na kwa ajili ya mila inayoomba miungu kurudisha nuru na joto na kugeuza mzunguko wa misimu kuzunguka. Tamaduni nyingi zilijenga vifaa vya kufafanua kwa kutarajia wakati siku fupi ya mwaka ilikuwa inakuja. Stonehenge nchini Uingereza, iliyojengwa muda mrefu kabla ya uvumbuzi wa kuandika, labda ni kifaa kimoja. Kwa wakati wetu wenyewe, tunaendelea mila ya majira ya baridi ya majira ya baridi na maadhimisho mbalimbali ya likizo karibu na tarehe hiyo ya Desemba.

Nusu kati ya solstices, tarehe 21 Machi na Septemba 21, Jua liko kwenye equator ya mbinguni. Kutoka Dunia, inaonekana juu ya equator ya sayari yetu na haipendi hemisphere. Kila mahali duniani hupokea takribani masaa 12 ya jua na masaa 12 ya usiku. Vipengele ambako Jua huvuka ikweta ya mbinguni huitwa vernal (spring) na autumnal (kuanguka) equinoxes.

Nyakati katika Latitudo tofauti

Madhara ya msimu ni tofauti katika latitudo tofauti duniani. Karibu na ikweta, kwa mfano, misimu yote ni sawa sana. Kila siku ya mwaka, Jua limeongezeka nusu wakati, kwa hiyo kuna takriban masaa 12 ya jua na masaa 12 ya usiku. Wakazi wa eneo hilo hufafanua misimu kwa kiasi cha mvua (msimu wa mvua na msimu wa kavu) badala ya kiasi cha jua. Tunaposafiri kaskazini au kusini, misimu inajulikana zaidi, mpaka tufikia hali mbaya katika Arctic na Antarctic.

Katika Ncha ya Kaskazini, vitu vyote vya mbinguni ambavyo ni kaskazini mwa ikweta ya mbinguni ni daima juu ya upeo wa macho na, kama Dunia inavyogeuka, huzunguka karibu na hilo. Jua ni kaskazini ya ikweta ya mbinguni kuanzia tarehe 21 Machi hadi Septemba 21, hivyo kwenye Ncha ya Kaskazini, Jua linaongezeka linapofikia equinox ya vernal na huweka linapofikia equinox ya autumnal. Kila mwaka kuna miezi 6 ya jua katika kila pole, ikifuatiwa na miezi 6 ya giza.

Mfano\(\PageIndex{2}\): Nafasi ya Jua Mbinguni

Kuratibu za Jua kwenye nyanja ya mbinguni zinaanzia kupunguka kwa 23° N ya ikweta ya mbinguni (au +23°) hadi kushuka kwa 23° S ya ikweta ya mbinguni (au —23°). Hivyo, urefu wa Jua saa sita mchana, unapovuka meridiani, hutofautiana kwa jumla ya 46°. Je, ni urefu gani wa jua saa sita mchana Machi 21, kama inavyoonekana kutoka mahali pa equator ya Dunia? Je, ni urefu gani Juni 21, kama inavyoonekana kutoka mahali pa equator ya Dunia?

Suluhisho

Katika equator ya Dunia, ikweta ya mbinguni inapita kupitia zenith. Mnamo Machi 21, Jua linavuka ikweta ya mbinguni, hivyo inapaswa kupatikana kwenye zenith (90°) saa sita mchana. Mnamo Juni 21, Jua ni 23° N ya ikweta ya mbinguni, hivyo litakuwa mbali na 23° kutoka zenith saa sita mchana. Urefu juu ya upeo wa macho utakuwa chini ya 23° kuliko urefu wa zenith (90°), hivyo ni 90° — 23° = 67° juu ya upeo wa macho.

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Je, ni urefu wa jua saa sita mchana Desemba 21, kama inavyoonekana kutoka mahali kwenye Tropic ya Saratani?

Jibu

Siku ya solstice ya baridi, Jua iko karibu 23° S ya ikweta ya mbinguni. Kutoka Tropic ya Saratani, latitude ya 23° N, zenith ingekuwa kupungua kwa 23° N. tofauti kati ya zenith na nafasi ya Jua ni 46°, hivyo Jua lingekuwa mbali na 46° kutoka zenith. Hiyo inamaanisha kuwa ingekuwa katika urefu wa 90° — 46° = 44°.

Ufafanuzi kuhusu Ulimwengu wa Kweli

Katika majadiliano yetu hadi sasa, tumekuwa tukielezea kupanda na kuweka kwa Jua na nyota jinsi zingeonekana kama Dunia ilikuwa na angahewa kidogo au hakuna. Katika hali halisi, hata hivyo, anga ina athari curious ya kuruhusu sisi kuona njia kidogo “juu ya upeo wa macho.” Athari hii ni matokeo ya kukataa, kupigwa kwa mwanga kupita kwa njia ya hewa au maji, kitu ambacho tutajadili katika Vyombo vya Astronomical. Kwa sababu ya refraction hii ya anga (na ukweli kwamba Jua si hatua ya nuru bali disk), Jua linaonekana kuinuka mapema na kuweka baadaye kuliko ingekuwa kama hakuna anga iliyopo.

Aidha, anga hutawanya mwanga na hutoa mwanga wa jioni hata wakati Jua liko chini ya upeo wa macho. Wanaastronomia hufafanua jioni ya asubuhi kama mwanzo wakati Jua liko chini ya upeo wa macho, na jioni ya jioni inaendelea hadi Jua lianguke zaidi ya 18° chini ya upeo wa macho.

Athari hizi za anga zinahitaji marekebisho madogo katika taarifa zetu nyingi kuhusu misimu. Kwa equinoxes, kwa mfano, Jua linaonekana kuwa juu ya upeo wa macho kwa dakika chache zaidi ya masaa 12, na chini ya upeo wa macho kwa masaa chini ya 12. Madhara haya ni makubwa zaidi kwenye miti ya Dunia, ambapo Jua kweli linaweza kuonekana zaidi ya wiki moja kabla ya kufikia ikweta ya mbinguni.

Labda unajua kwamba solstice ya majira ya joto (Juni 21) sio siku ya joto zaidi ya mwaka, hata kama ni ndefu zaidi. Miezi ya moto zaidi katika Hifadhi ya Kaskazini ni Julai na Agosti. Hii ni kwa sababu hali ya hewa yetu inahusisha hewa na maji yanayofunika uso wa Dunia, na hifadhi hizi kubwa hazizidi joto mara moja. Pengine umeona athari hii kwa ajili yako mwenyewe; kwa mfano, bwawa haipati joto wakati

Jua linainuka lakini lina joto mwishoni mwa mchana, baada ya kuwa na muda wa kunyonya joto la Jua. Kwa namna hiyo, Dunia inapata joto baada ya kuwa na nafasi ya kunyonya jua ya ziada ambayo ni zawadi ya majira ya joto ya jua kwetu. Na nyakati za baridi zaidi za majira ya baridi ni mwezi au zaidi baada ya msimu wa baridi.

Dhana muhimu na Muhtasari

Mzunguko unaojulikana wa misimu unatokana na tilt ya 23.5° ya mhimili wa mzunguko wa Dunia. Katika solstice ya majira ya joto, Jua ni la juu mbinguni na mionzi yake inapiga Dunia zaidi moja kwa moja. Jua liko angani kwa zaidi ya nusu ya mchana na linaweza kuwaka dunia tena. Katika solstice ya majira ya baridi, Jua liko chini mbinguni na mionzi yake inakuja kwa pembe zaidi; kwa kuongeza, ni juu ya masaa chini ya 12, hivyo mionzi hiyo ina muda mdogo wa joto. Katika equinoxes ya vernal na autumnal, Jua liko kwenye equator ya mbinguni na tunapata masaa 12 ya mchana na usiku. Misimu ni tofauti katika latitudo tofauti.

maelezo ya chini

^{Kumbuka kwamba tarehe zilizoonyeshwa kwa solstices na equinoxes ni takriban; kulingana na mwaka, zinaweza kutokea siku moja au mbili mapema au baadaye.}