Количество тепловой энергии, получаемой в любой точке земного шара, напрямую зависит от угла падения солнечных лучей на климат , поскольку угол , под которым солнечный свет падает на Землю, зависит от местоположения, времени суток и сезона из-за орбиты Земли вокруг Солнца и вращения Земли вокруг своей наклонной оси . Сезонное изменение угла падения солнечных лучей, вызванное наклоном земной оси , является основным механизмом, который приводит к более теплой погоде летом, чем зимой. [1] [2] [3] Изменение продолжительности дня является еще одним фактором (хотя и меньшим). [2] [3]
На рисунке 1 представлен случай, когда солнечный свет падает на Землю под меньшим углом (Солнце ближе к горизонту), энергия солнечного света распространяется на большую площадь и, следовательно, слабее, чем в случае, когда Солнце находится выше над головой и энергия концентрируется на меньшей площади.
На рисунке 2 изображен солнечный луч шириной в одну милю (1,6 км), падающий на землю прямо сверху, и другой, падающий на землю под углом 30°. Тригонометрия говорит нам, что синус угла в 30° равен 1/2, тогда как синус угла в 90° равен 1. Таким образом, солнечный луч, падающий на землю под углом 30°, распространяет то же количество света на вдвое большую площадь (если представить, что Солнце светит с юга в полдень , ширина с севера на юг удваивается; ширина с востока на запад — нет). Следовательно, количество света, падающего на каждую квадратную милю, составляет всего лишь половину.
На рисунке 3 показан угол падения солнечного света на Землю в Северном и Южном полушариях, когда северная ось Земли наклонена в сторону от Солнца, когда на севере зима, а на юге лето.
Различный угол падения солнечных лучей приводит к разным температурам в более низких и более высоких широтах , а также между зимой и летом на одной и той же широте (хотя в тропиках понятия «зима» и «лето» более сложны) . [a] [4]
На фиксированной широте размер сезонной разницы в угле падения солнечных лучей (и, следовательно, сезонных колебаний температуры) равен удвоенному наклону оси Земли . Например, при наклоне оси 23° и широте 45° максимальный угол падения солнечных лучей летом составляет 68° (что дает sin(68°) = 93% инсоляции на поверхности), тогда как минимальный угол падения солнечных лучей зимой составляет 22° (что дает sin(22°) = 37% инсоляции на поверхности). Таким образом, чем больше наклон оси, тем сильнее сезонные колебания на данной широте. [4]
.jpg/1280px-Solargraph_from_Sashegy_-_Budapest,_2014.01.01_-_2014.12.31_(1).jpg)
В дополнение к сезонным колебаниям на фиксированной широте, общая годовая инсоляция поверхности как функция широты также зависит от осевого наклона. На экваторе (широта 0°), в равноденствия угол наклона Солнца всегда равен 90° независимо от осевого наклона, в то время как в солнцестояния минимальный угол наклона Солнца равен 90° минус наклон. Следовательно, больший наклон означает меньший минимум для того же максимума: меньшая общая годовая инсоляция поверхности на экваторе. На полюсах (широта 90°), в равноденствия и во время полярной ночи угол наклона Солнца всегда равен 0° или меньше независимо от осевого наклона, в то время как в летнее солнцестояние максимальный угол равен наклону. Следовательно, больший наклон означает более высокий максимум для того же минимума: больше общая годовая инсоляция поверхности на полюсах. Следовательно, меньший наклон означает больший годовой температурный разрыв между экватором и полюсами, в то время как больший наклон означает меньший годовой температурный разрыв между экватором и полюсами. [4] (При экстремальном наклоне, таком как у Урана , полюса могут получать такую же годовую поверхностную инсоляцию, как и экватор.) В частности, при температурах Земли и прочих равных условиях больший наклон нагревает полюса и, таким образом, уменьшает полярный ледяной покров, в то время как меньший наклон охлаждает полюса и, таким образом, увеличивает полярный ледяной покров. [4]
Одним из первых, кто опубликовал эти эффекты, был Милутин Миланкович ; циклические эффекты наклона оси, эксцентриситета и других орбитальных параметров на глобальный климат были названы циклами Миланковича . Хотя считается, что отдельные механизмы (такие как наклон оси и угол наклона Солнца) поняты, общее воздействие орбитального воздействия на глобальный климат остается плохо изученным.
За последний миллион лет он варьировался от 22,1 до 24,5 градусов. ... Чем больше угол наклона оси Земли, тем экстремальнее наши времена года .... Большие углы наклона благоприятствуют периодам дегляциации (таяния и отступления ледников и ледяных щитов). Эти эффекты не являются однородными в глобальном масштабе — более высокие широты получают большее изменение общей солнечной радиации, чем районы, расположенные ближе к экватору. ... Ось Земли в настоящее время наклонена на 23,4 градуса, ... По мере увеличения ледяного покрова он отражает больше энергии Солнца обратно в космос, способствуя еще большему охлаждению.Примечание: см . Наклон оси . Нулевой наклон приводит к минимальной (нулевой) непрерывной инсоляции на полюсах и максимальной непрерывной инсоляции на экваторе. Любое увеличение наклона (до 90 градусов) вызывает сезонное увеличение инсоляции на полюсах и уменьшение инсоляции на экваторе в любой день года, кроме равноденствия .