ارتفاع خورشید در آسمان و پیدایش فصل‌ها
تغییر ارتفاع خورشید در آسمان در زمان‌های مختلف سال
تا کنون می‌دانیم به سبب چرخش زمین به دور خودش به نظر می‌رسد که خورشید هر روز مسیری را از شرق به غرب در آسمان می‌پیماید، و اگر ما می‌توانستیم در طول روز ستارگان را در آسمان مشاهده کنیم، به نظر می‌رسید هر روز خورشید نسبت به ستارگانی که در پس‌زمینه‌ی آسمان قرار گرفته‌اند کمی جابه‌جا شده است و این به علت گردش زمین به دور خورشید است. اما پرسش دیگری که می‌توانیم مطرح کنیم این است که:
آیا مسیر ظاهری خورشید در آسمان در طول سال تغییر می‌کند؟
ماه‌های تیر و دی را در نظر بگیرید. درباره‌ی مشاهده‌ی خورشید در آسمان در فصل تابستان و زمستان فکر کنید. در عرض جغرافیایی که ما در ایران قرار داریم (برای مشاهداتی که مد نظر ماست عرض جغرافیایی مناطق شمالی و جنوبی ایران اختلاف محسوسی ندارند)، در اواخر آذر و ابتدای دی ماه خورشید خیلی بالاتر از سطح افق مشاهده نمی‌شود، در حالی که در آخر خرداد و ابتدای تیر ماه می‌توانید خورشید را به طور تقریبی (و نه به طور دقیق) بالای سرتان مشاهده کنید. بنابراین مسیر ظاهری خورشید در آسمان در فصل‌های مختلف سال تغییر می‌کند. این موضوع را می‌توانید در تصاویر و ویدئوهای مطلب قبلی هم ببینید. خورشید در اول تیر ماه در بالاترین ارتفاع از افق قرار دارد، در ابتدای مهر و فروردین کمی پایین‌تر و در اول دی ماه در پایین‌ترین ارتفاع از افق قرار دارد.
دلیل اختلاف ارتفاع خورشید در آسمان در فصل‌های مختلف سال، انحراف محور چرخش زمین به دور خودش به اندازه ۲۳٫۴۵ درجه نسبت به محور گردش زمین به دور خورشید است. محور چرخش زمین به دور خودش خطی فرضی است که از قطب شمال زمین به جنوب آن کشیده شده است. زمین هر روز یک دور کامل به دور این محور می‌چرخد. اما این محور بر خط فرضی که بر صفحه‌ی مدار حرکت زمین به دور خورشید عمود است منطبق نیست. این انحراف ۲۳٫۴۵ درجه‌ای موجب می‌شود ما در فصل‌های مختلف که زمین در بخش‌های متفاوتی از مدار خود به دور خورشید قرار دارد، خورشید را در ارتفاع‌های متفاوتی در آسمان مشاهده کنیم. این انحراف زاویه‌ای را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
انحراف زاویه‌ی چرخش زمین به دور خود در قسمت‌های مختلف از مدار گردش به دور خورشید
زمانی که زمین به دور خورشید می‌چرخد، جهت‌گیری محور زمین ثابت باقی می‌ماند. بنابراین همان طور که در تصویر مشخص است، در دی ماه نیم‌کره‌ی شمالی در طول روز به سمت خارج از مدار مِیل می‌کند و در در تیر ماه درست برعکس، به سمت داخل مدار مِیل می‌کند. به این ترتیب انحراف محور چرخش زمین دو نتیجه‌ی مهم دربردارد:
- زمانی که انحراف محور چرخش زمین به دور خودش رو به خورشید میل می‌کند، مسیر خورشید در آسمان طولانی‌تر از زمان است که محور چرخش زمین به دور خودش به سوی مخالف خورشید منحرف شده است. به همین دلیل است که در فصل تابستان روزها بلندتر از فصل زمستان است.
- زمانی که محور چرخش زمین به دور خودش رو به خورشید منحرف شده است، نوری که از خورشید به سمت زمین می‌تابد مستقیم است و زمانی که زمین در سوی مخالف قرار می‌گیرد و محور چرخش آن رو به بیرون میل می‌کند، خورشید به صورت مایل به زمین می‌تابد. بنابراین در طول تابستان مقدار گرمایی که زمین به ازای هر مترمربع از مساحت خود از سوی خورشید دریافت می‌کند، بیش از زمستان است؛ و به همین دلیل روزهای تابستان گرم‌تر از زمستان است.
همان‌طور که در تصویر بالا هم مشخص است در فصل‌های بهار و پاییز (فروردین و مهر) محور چرخش زمین به دور خودش نه به سوی خورشید و نه در جهت عکس آن متمایل نیست. بنابراین مسیر خورشید در آسمان و نیز زاویه‌ی تابش نور خورشید به زمین در این دو فصل شبیه به هم است، و به همین ترتیب بلندی روزها و شب‌ها نیز در این دو فصل به هم شبیه است. در دو صفحه زیر که مربوط به دانشگاه‌های نبراسکا-لینکلن و ایلینویس است، می‌توانید انیمیشنی از چگونگی گردش زمین به دور خورشید و پدید آمدن فصل‌ها را ببینید.
اگر به دیدگاه ناظر زمینی بازگردیم، مسیری که خورشید در طول آسمان می‌پیماید را «دایره‌البروج» می‌نامند؛ این مسیر را می‌توان با دایره‌ای فرضی در آسمان نمایش داد. اگر ما خط استوای زمین (خطی فرضی که کره‌ی زمین را به دو نیم‌کره‌ی شمالی و جنوبی تقسیم می‌کند) را روی کره‌ی آسمان تصویر کنیم، زاویه‌ی بین دایره‌البروج و استوای سماوی درست ۲۳٫۴۵ درجه است. این زاویه به سبب انحراف محور چرخش زمین است و ستاره‌شناسان آن را «میل دایره‌البروج» می‌نامند. این اختلاف زاویه‌ای را می‌توانید در تصویر زیر ببینید:
اختلاف زاویه‌ای دایره‌البروج و استوای سماوی و نقاط اعتدال و انقلاب
دایره‌البروج در حقیقت همان چیزی است که تاریخ روزهای سال را در تقویم ما مشخص می‌کند. هر نقطه روی این دایره‌ی بزرگ نشان‌دهنده‌ی یک روز از سال است. چهار نقطه‌ی خیلی مهم روی این دایره وجود دارد که اعتدال بهاری و پاییزی و انقلاب تابستانی و زمستانی را مشخص می‌کند.
- اعتدالین: نقاط تلاقی دایره‌البروج و استوای سماوی را نقاط اعتدالین می‌نامند. یکی در اول فروردین ماه (اعتدال بهاری) و یکی در اول مهرماه (اعتدال پاییزی) رخ می‌دهد. در این زمان‌ها بلندی روز و شب به طور تقریبی با هم برابر است.
- انقلابین: نقاطی روی دایره‌البروج که خورشید در بالاترین یا پایین‌ترین نقطه نسبت به استوای سماوی قرار دارد را نقاط انقلابین می‌گویند. انقلاب تابستانی اول تیر ماه و انقلاب زمستانی اول دی ماه رخ می‌دهد. در انقلاب تابستانی مردم نیم‌کره‌ی شمالی بلندترین روز سال و در انقلاب زمستانی بلندترین شب سال را تجربه می‌کنند.
تصاویری که در زیر آمده است اختلاف بین استوای سماوی و دایره‌البروج را در انقلاب‌ها و اعتدال‌ها از چشم‌انداز ناظر زمینی نشان می‌دهد:
اختلاف زاویه‌ای بین دایره‌البروج و استوای سماوی در انقلاب تابستانی (Image by PennState College)
اختلاف زاویه‌ای بین دایره‌البروج و استوای سماوی در انقلاب زمستانی (Image by PennState College)
اختلاف زاویه‌ای بین دایره‌البروج و استوای سماوی در اعتدال پاییزی (Image by PennState College)
پیدایش فصل‌ها
درجه حرارت هوا روی زمین به میزان نور و گرمایی وابسته است که ما از خورشید دریافت می‌کنیم. همان طور که گفته شد انحراف زاویه‌ای محور چرخش زمین به دور خودش، موجب می‌شود تابشی که ما از خورشید دریافت می‌کنیم در ماه‌ها و فصل‌های مختلف سال متفاوت باشد. از سوی دیگر به سبب همین انحراف زاویه‌ای آن‌چه مردم نیم‌کره‌ی شمالی در طول سال تجربه می‌کنند درست برعکس چیزی است که مردم نیم‌کره‌ی جنوبی تجربه می‌کنند. یعنی زمانی که در نیم‌کره‌ی شمالی تابستان است، در نیم‌کره‌ی جنوبی زمستان است و بر عکس.
همان طور که در تصویر زیر می‌بینید، زمانی که نیم‌کره‌ی شمالی به سمت خورشید متمایل شده است، در واقع نیم‌کره‌ی جنوبی به سمت دور شدن از خورشید متمایل است.
اثر زاویه‌ی میل محور چرخش زمین بر پیدایش فصل‌ها (Image from National Geographic)
یکی دیگر از نظریه‌هایی که در ابتدا برای به وجود آمدن فصل‌ها وجود داشته، فاصله‌ی زمین از خورشید بوده است. اما اگر این نظریه درست بود، هر دو نیم‌کره باید به طور هم‌زمان فصل‌های یکسانی را تجربه می‌کردند، زیرا فاصله‌ی یکسانی از خورشید داشتند. بنابراین عامل پیدایش فصل‌ها نمی‌تواند با فاصله‌ی زمین از خورشید مرتبط باشد. حتی میزان تمایل زمین به سمت خورشید یا به سمت مخالف آن نیز در برابر فاصله‌ی زمین از خورشید آن قدر ناچیز است که باز هم نمی‌توان دلیل اصلی را فاصله‌ی بیشتر یا کمتر نیم‌کره‌ها از خورشید دانست.
این که در زمستان نور خورشید به صورت مایل به زمین می‌تابد و در تابستان به صورت مستقیم، و نیز کوتاه بودن طول روز در زمستان و بلند بودن آن در تابستان، سبب می‌شود که میزان گرمایی که زمین در طول تابستان دریافت می‌کند بیشتر و این فصل گرم‌تر باشد. تابش مستقیم خورشید در طول تابستان می‌تواند سرعت گرم شدن محیط را بالا ببرد؛ و از سوی دیگر زمانی که پرتوهای نور به صورت مایل به زمین می‌تابند، بیشتر به اطراف پراکنده می‌شوند و میزان گرمایی که زمین دریافت می‌کند کمتر خواهد بود. مجموعه‌ی این دلایل موجب می‌شود که ما در طول سال چهار فصل مختلف را تجربه کنیم. در تصویر بالا می‌توانید زاویه‌ی تابش پرتوهای خورشید به سطح زمین را در تابستان و زمستان با هم مقایسه کنید.
تمرین:
شما می‌توانید با آزمایشی ساده با استفاده از یک لامپ و یک توپ که میله‌ای را به عنوان محور چرخش زمین به دور خود از آن عبور داده‌اید، بلندی شب و روز در موقعیت‌های مختلف و اثرات میل زاویه‌ای محور چرخش زمین را شبیه‌سازی کنید.
منابع و مراجع:
دیدگاه خود را بنویسید