Zaczęło się lato. Jest bardzo ciepło, a przecież Ziemia jest najdalej od Słońca na orbicie

Ten tekst należy potraktować z przymrużeniem oka. Poruszam tu kwestię, która jest oczywista, tak jak przy zaćmieniu Słońca, ale gdy trzeba ją wyjaśnić brakuje nam często argumentów. A więc do dzieła.

Pozycja Ziemi względem Słońca

Najpierw ustalmy status quo dotyczące ruchu Ziemi wokół Słońca w Układzie Słonecznym. Ziemia obiega Słońce w ciągu roku po orbicie, która jest eliptyczna. Oznacza to, że Słońce znajduje się w jednym z ognisk tej elipsy, a Ziemia zmienia odległość od niego w trakcie obiegu. Różnicę tę często pomijamy zakładając, że odległość Ziemia Słońce jest stała i wynosi 149 600 000 km czyli 1 AU (jednostka astronomiczna), tak jakby Ziemia poruszała się po orbicie kołowej.

Odległości zostały wyolbrzymione dla uwidocznienia różnic, które w praktyce są niewielkie

Najmniejsza odległość Ziemia Słońce to około 147 milionów kilometrów. Osiągana jest na początku stycznia. Największą około 152 milionów kilometrów Ziemia osiąga z kolei na początku lipca. Trzeba zauważyć, że nie są to momenty dokładnie zgodne z chwilami przesilenia zimowego i letniego, ale dla naszych potrzeb ich utożsamienie nie będzie dużym błędem.

W 2022 roku Ziemia najdalej od Słońca, w odległości 152 098 455 km, znajdzie się 4 lipca o godzinie 09:10. W przyszłym roku taki moment będzie miał miejsce ponad dwa dni później

To jednak nie wszystko. Oś obrotu Ziemi jest nachylona względem płaszczyzny, w której występuje obieg wokół Słońca. Tę płaszczyznę astronomowie nazywają ekliptyką. Nachylenie wynosi około 23,5 stopnia i również podlega zmianom, ale w skali naszego życia można te zmiany pominąć. Co istotne, tego nachylenia nie można utożsamiać z nachyleniem osi łączącej bieguny magnetyczne Ziemi. Ta zmienia swoje położenie w znacznym stopniu już w ciągu życia człowieka, a teoretycznie może nawet dość do jej odwrócenia czyli przebiegunowania się Ziemi.

Oświetlenie danego rejonu Ziemi zmienia się z dnia na dzień na przestrzeni roku

Wracając jednak do osi obrotu Ziemi. To nachylenie sprawia, że dany rejon Ziemi nie jest w ciągu roku oświetlony stale w ten sam sposób. Kąt padania promieni słonecznych zmienia się, a my postrzegamy te zmiany jako pory roku. I tak gdy u nas jest początek lata, jak teraz, w Australii mamy początek zimy. Trudniej zdefiniować te pory roku w okolicach równika, gdyż tam temperatury jak i wysokość Słońca nad horyzontem przez cały rok są podobne.

Diagram, który ilustruje zmianę oświetlenia Ziemi, a przede wszystkim zjawisko dnia i nocy polarnej na biegunie północnym. Widać, że naszym latem (Summer) okolice bieguna północnego przec całą dobę są oświetlone, zimą (Winter) całą dobę pozostają w cieniu

Zmiana kąta padania promieni słonecznych ma związek ze zmianą wysokości Słońca na naszym niebie. Pod tym względem wyróżniają się miejsca leżące na tak zwanych zwrotnikach (Raka i Koziorożca, od nazw gwiazdozbiorów). Tam Słońce w jeden szczególny dzień roku znajduje się w zenicie, czyli dokładnie nad naszymi głowami. Przez resztę roku jest niżej, a w momencie przesilenia zimowego dla danej półkuli, najniżej.

Momenty przesileń zimowego i letniego oraz równonocy wiosennej i jesiennej widziane z orbity

Regiony pomiędzy zwrotnikami (wokół równika) to również miejsca gdzie Słońce pojawia się w zenicie. Przez część roku jest na północnej, przez cześć na południowej części sfery niebieskiej. Tam też mówienie o porach roku w takim sensie jak w Polsce nie ma większego sensu. Mówi się raczej o porze deszczowej lub suchej, ale i tak w obu przypadkach temperatury potrafią być tak wysokie jak u nas latem.

W regionach leżących pomiędzy zwrotnikami i biegunami Słońce nie osiąga zenitu. Im dalej na północ, tym niższa jest jego maksymalna wysokość w dniu przesilenia letniego. W Polsce jest to około 61,5 stopnia i dlatego teraz jest u nas tak ciepło w dzień. Taki sam dzień zimą, mimo mocno świecącego Słońca nie byłby tak upalny. W Polsce pod koniec grudnia, wysokość Słońca nad horyzontem w południe to około 14,5 stopnia.

Tak zmienia się kąt padania promieni słonecznych w ciągu roku na szerokościach geograficznych podobnych jak w Polsce. Strzałki oznaczają kierunek od Słońca ku płaszczyźnie horyzontu (fot: Karol Żebruń)

Wspomniane nachylenie sprawia także, że część Ziemi, ta leżąca na północ od koła podbiegunowego przez cześć roku pozostaje nieoświetlona, nawet pomimo dziennego ruchu obrotowego naszej planety. Przez inną część roku jest oświetlona całymi dniami. Stąd biorą się zjawiska nocy i dnia polarnego. Ze względu na zjawisko refrakcji atmosferycznej, która zwiększa zawsze wysokość obserwowaną Słońca, szczególnie gdy jest ono blisko horyzontu, dzień polarny jest dłuższy od nocy polarnej.

Polska jest na tyle blisko bieguna północnego, że latem Słońce nocą znajduje się stosunkowo niewiele poniżej horyzontu. I choć mamy noc administracyjną, to z perspektywy astronomicznej taka noc nie następuje, a jest ciągły zmrok (od końca maja do początku sierpnia).

Wróćmy jednak do głównego tematu, czyli tego że odległość Ziemia - Słońce nie ma większego wpływu na ziemskie temperatury.

Ile energii ze Słońca dociera do Ziemi?

Energię docierającą od Słońca do powierzchni prostopadłej do kierunku padania promieni Słonecznych w odległości Ziemi od Słońca nauka definiuje jako stałą słoneczną. Nie jest to idealna stała, bo zmienia się w ciągu roku, a także ze względu na różną aktywność Słońca, ale uśrednia się ją do 1366 W/m2.

Średnio na metr kwadratowy powierzchni Ziemi oświetlony przez Słońce w zenicie, czyli znajdujące się na wysokości 90 stopni nad horyzontem, przy zaniedbaniu absorpcji energii w atmosferze, pada energia słoneczna odpowiadająca 1366 W

To ważny wskaźnik, który pokazuje jak ważnym źródłem energii jest Słońce. W dzień pochmurny poziom docierającej do ziemi energii spada kilku a nawet kilkunastokrotnie, podobnie o poranku jak i o zachodzie Słońca jest to dużo mniej niż w południe, ale wciąż energia, którą możemy pozyskać z naszej gwiazdy jest bardzo duża.

Zimą, śnieg ze względu na większy współczynnik odbijalności światła, w porównaniu choćby z trawą, potrafi oszukać nasze zmysły co do prawdziwej jasności otoczenia w porównaniu z latem (fot: Karol Żebruń)

I teraz najważniejsze. Ta średnia, w czerwcu, gdy Ziemia jest najbliżej Słońca wynosi 1321 W/m2. W grudniu gdy Ziemia osiąga najbliższy Słońcu punkt orbity ta średnia wynosi 1421 W/m2. Jednak skoro promienie słoneczne w ciągu roku padają pod różnym kątem na Ziemię, to jednostkowa powierzchnia oświetlana jest w różnym stopniu. Mówiąc inaczej, ta sama energia docierająca od Słońca jest inaczej dystrybuowana.

Jak energia słoneczna rozkłada się na powierzchni Ziemi

Ważniejsza jest zatem nie stała słoneczna, ale to jak ta energia rozkłada się na powierzchni Ziemi. I tak w Polsce metr kwadratowy powierzchni w dniu przesilenia w południe otrzymuje około 1200W, a w dniu przesilenia zimowego jedynie 355 W. Dla porównania, na południu Włoch w czerwcu metr kwadratowy powierzchni otrzymuje 1312 W, a w grudniu aż 683 W.

W Polsce zimą ta sama ilość energii słonecznej pada na prawie 4 razy większą powierzchnię gruntu niż latem. To różnica znacznie większa niż wynikająca ze zmiany ilości energii docierającej od Słońca ze względu na zmianę jego odległości od Ziemi

To oczywiście skrajne wartości, po uwzględnieniu kwestii zachmurzenia i innych czynników, które blokują światło słoneczne w atmosferze, w tym zanieczyszczeń jest to sporo mniej. Oszacowania są różne, gdyż zależą od przyjętej metodologii, ale zakładamy, że w Polsce metr kwadratowy powierzchni otrzymuje średnio w miesiącach letnich około 900 W, w zimowych 200 W. W czerwcu, lipcu i sierpniu, w Polsce ziemia otrzymuje ponad 40% całorocznego zapasu energii słonecznej. To pokazuje jak duża jest dysproporcja pomiędzy latem, a zimą.

Powyższe wartości pokazują, że nachylenie osi obrotu Ziemi w naszych szerokościach geograficznych ma znacznie większy wpływ niż zmiana odległości Ziemia-Słońce. Poza tym dzień w lecie jest dużo dłuższy niż zimą, przez co powierzchnia ma możliwość mocniej się nagrzać.

Inne czynniki, które wpływają na temperatury na Ziemi

Trzeba przy tym wszystkim pamiętać, że mówimy o sytuacji idealnej. A na temperatury na Ziemi w danym momencie wpływa „milion innych czynników”. Nie można zapomnieć o roli prądu zatokowego w przypadku Europy, ukształtowaniu terenu (wcześniej podane wartości zakładają powierzchnię płaską), bliskości zbiorników wodnych, prądach powietrznych czyli czynnikach, które regulują lokalnie klimat na Ziemi. Poniższa mapa pokazuje granice USA i Kanady przesunięte nad Europę. Można z niej sporo wywnioskować.

Europa jest relatywnie cieplejsza niż regiony Ameryki Północnej położone na tej samej szerokości geograficznej czyli odległości od równika ziemskiego (źródło: thetruesizeof.com) 

Klimat, czyli długotrwałe średnie parametry pogodowe, a nie aktualną pogodę, która może wiązać się z anomaliami - upałami w marcu, przymrozkami w sierpniu. I nie jest to nic niezwykłego, tak samo jak gwałtowne zmiany pogody w ciągu tygodnia. Za to niepokojące jest to, jeśli takie anomalie utrzymują się przez dłuższy czas, w efekcie wpływając na realną zmianę warunków klimatycznych w danym regionie Ziemi.

Człowiek też wpływa na klimat czy tego chce czy nie

Równie istotny, a nawet ważniejszy pomimo pozornie mniejszej skali, bo zaburzający porządek natury, jest wpływ człowieka. Tak, to nie pomyłka.

Takie miejsca w miastach, szczególnie latem, są na wagę złota (fot: Karol Żebruń)

Decyzje podejmowane przez człowieka, często na szczeblu państwowym, mają wpływ na zdolności retencyjne (gromadzenia wody opadowej), na to jak dobrze jest w stanie wychłodzić się nasze otoczenie (tutaj powierzchnia areałów leśnych jest bardzo istotna, ba nawet nie uzasadnione wycinanie pojedynczych drzew w miastach ma negatywny wpływ), itd.

Człowiek zapomina, że choć potrafi zastąpić naturalne mechanizmy regulacji klimatu czymś sztucznym, to efekt nie zawsze będzie taki sam, czyli neutralny dla środowiska

Dlatego takie zjawiska jak betonoza w miastach to nie tylko zarzuty stawiane przez „ekologów”. to istotny problem, który mieszkańcom wydawać się może problemem lokalnym, ale zgodnie z zasadą ziarnko do ziarnka ma wpływ w szerszej skali. W efekcie coraz więcej ludzi w naszych szerokościach geograficznych instaluje klimatyzatory, a te nie zawsze są bezpieczne dla środowiska, trudno także uznać je za estetyczny element dekoracyjny budynków, czy też pomieszczeń gdy są to wersje przenośne, ale to już inny temat i inna dyskusja.

A na koniec sonda na poprawę nastroju.

Źródło: inf.własna