Zmiany oświetlenia Ziemi w ciągu roku są konsekwencją ruchu obiegowego Ziemi wokół Słońca, który odbywa się po orbicie eliptycznej w okresie jednego roku gwiazdowego wynoszącego 365 dni 6 godzin 9 minut i 9,54 sekundy. Odległość Ziemi od Słońca w jej położeniach skrajnych różni się o 5 mln km, bowiem w peryheliumperyheliumperyhelium Ziemia jest oddalona od Słońca o 147 mln km, a w apheliumapheliumaphelium o 152 mln km. W rezultacie w peryhelium Ziemia otrzymuje od Słońca więcej energii niż w aphelium. Szacuje się, że różnica ta wynosi około 6,5%.

REyOwfhlK3i28

Ilustracja przedstawia żółtą półsferę symbolizującą Słońce umieszczoną w środku schematu, wokół niej znajduje się elipsa oznaczająca tor ruchu Ziemi. Na elipsie w czterech przeciwległych pozycjach znajdują się kule ziemskie z oświetloną półkulą znajdującą się po wewnętrznej stronie elipsy. Każda kula ziemska ma zaznaczoną oś obrotu, która jest ustawiona pod pewnym kątem w stosunku do płaszczyzny elipsy. Przeciwległe pozycje odpowiadają położeniu Ziemi w danych dniach. Dni są następujące: 21 marca, na półkuli północnej jest równonoc wiosenna, na półkuli południowej równonoc jesienna. 23 września na półkuli północnej jest równonoc jesienna, a na południowej wiosenna. 22 grudnia na półkuli północnej jest przesilenie zimowe, a na półkuli południowej przesilenie letnie. 22 czerwca na półkuli północnej jest przesilenie letnie, a na południowej zimowe. Nieznacznie przesuniętą na elipsie względem kuli ziemskiej ukazanej 22 czerwca pokazano Ziemię w aphelium 3‑7 lipca, kiedy Ziemia jest najbardziej oddalona od Słońca, o 152 miliony kilometrów. Nieznacznie przesunięta względem kuli ziemskiej ukazanej 22 grudnia ukazano kulę ziemską w peryhelium 2‑5 stycznia, kiedy Ziemia jest najbliżej Słońca,147 milionów kilometrów.

Nachylenie osi ziemskiej do ekliptykiekliptykaekliptyki wynosi 66°33’, czego następstwem jest m.in. zmienna ilość energii otrzymywanej od Słońca w różnych porach roku na różnych szerokościach geograficznych. W okresie letnim kąt padania promieni słonecznych jest największy, a dni są długie, dzięki czemu ilość energii słonecznej dostarczanej do Ziemi jest największa w ciągu roku. Przeciwieństwem jest okres zimowy, gdy promienie słoneczne padają pod małym kątem, a dni są krótkie.

RUtXi4uHm06YB

Na ilustracji są trzy kule ziemskie przedstawiające oświetlenie Ziemi w dniach przesileń i równonocy. Opisano kolejne pozycje Ziemi. 1. Oświetlenie Ziemi w dniu równonocy wiosennej 21 marca i jesiennej 23 września: Słońce góruje w zenicie nad równikiem; obie półkule są identycznie oświetlone; dzień i noc trwają wszędzie po 12 godzin., 2. Oświetlenie Ziemi w dniu przesilenia letniego 21 czerwca: Słońce góruje w zenicie nad Zwrotnikiem Raka; półkula północna jest bardziej oświetlona; na półkuli północnej następuje najdłuższy dzień w roku, a na południowej najkrótszy; na północ od koła podbiegunowego północnego trwa dzień polarny, a na południe od koła podbiegunowego południowego jest noc polarna., 3. Oświetlenie Ziemi w dniu przesilenia zimowego 22 grudnia: Słońce góruje w zenicie nad Zwrotnikiem Koziorożca; półkula południowa jest bardziej oświetlona; na półkuli północnej następuje najkrótszy dzień w roku, a na południowej najdłuższy; na północ od koła podbiegunowego północnego trwa noc polarna, a na południe od koła podbiegunowego południowego dzień polarny.

Stałe nachylenie osi obrotu Ziemi do ekliptyki powoduje, że podczas jej obiegu wokół Słońca jej powierzchnia oświetlana jest w różny sposób. Wyróżnia się pięć stref oświetlenia Ziemi, ograniczonych zwrotnikami i kołami podbiegunowymi.

RjOlcoCBtW34A

Na ilustracji jest koło reprezentujące kulę ziemską. Zaznaczono poziomo strefy oświetlenia Ziemi. Od góry kuli ziemskiej: strefa okołobiegunowa do szerokości geograficznej 66 stopni i 33 minut, następnie od szerokości geograficznej 66 stopni i 33 minut do szerokości 23 stopni i 27 minut jest strefa umiarkowana. Od 23 stopni i 27 minut do 23 stopni i 27 minut poniżej równika jest strefa międzyzwrotnikowa. Od szerokości geograficznej 23 stopni i 27 minut do 66 stopni i 33 minut na półkuli południowej - analogicznie jak na półkuli północnej - jest strefa umiarkowana. Poniżej niej leży strefa okołobiegunowa.

Najsilniej oświetlona i nagrzewana przez Słońce jest strefa międzyzwrotnikowa ograniczona przez dwa równoleżniki – Raka (półkula północna) i Koziorożca (półkula południowa) o szerokości geograficznej równej najwyższej wartości deklinacji Słońca (23°26′16″ na półkuli północnej i -23°26′16″ na półkuli południowej). Strefa ta obejmuje centralnie położony równik. Silne oświetlanie i zarazem nagrzewanie wynika z faktu, że Słońce dwukrotnie góruje w zenicie w ciągu roku. Dzień i noc na równiku trwają zawsze po 12 godzin. Natomiast na ograniczających strefę zwrotnikach Raka i Koziorożca Słońce tylko raz w roku góruje w zenicie, w dniach przesileń letniego i zimowego.

Strefy umiarkowane zajmują obszar ograniczony z jednej strony przez wspomniane Zwrotniki Raka i Koziorożca, a z drugiej przez koła podbiegunowe, północne (szer. geogr. 66°33′N) i południowe (szer. geogr. 66°33′S). W strefie tej nie występuje zjawisko górowania Słońca w zenicie, a każdej doby zmienia się czas trwania dnia i nocy. Im bliżej kół podbiegunowych, tym wysokość górowania Słońca jest niższa, a różnice w długości trwania dnia i nocy większe.

Najsłabiej oświetlane i nagrzewane są strefy okołobiegunowe ograniczone kołami podbiegunowymi, w których występują zjawiska dni i nocy polarnych. Im bliżej biegunów, tym większe są różnice w długości trwania dnia i nocy dochodzące maksymalnie do pół roku na biegunach.

Rfy7FfJTkP0Ma

Grafika przedstawia górowanie Słońca w różnych szerokościach geograficznych. Dzienne łuki Słońca nad równikiem w czasie równonocy 21 marca oraz 23 września promienie słoneczne dochodzą do powierzchni Ziemi prostopadle pod kątem 90 stopni; w trakcie przesilenia letniego 22 czerwca cały układ przesuwa się o 23 stopnie i 26 minut na północ, promienie słoneczne dochodzą na równiku pod kątem 66 stopni i 34 minut; natomiast w trakcie przesilenia zimowego układ oświetlenia Ziemi przesuwa się o kąt 23 stopni i 26 minut na południe w stosunku do dni równonocy padając na równik równiku pod kątem 66 stopni i 34 minut. Nad zwrotnikiem koziorożca w dniach równonocy promienie słoneczne docierają pod kątem 66 stopni i 34 minut, w okresie przesilenia letniego również pod kątem 66 stopni i 34 minut, zaś w dniu przesilenia zimowego pod kątem 43 stopni i 8 minut. Nad zwrotnikiem raka w dniach równonocy promienie słoneczne docierają pod kątem 66 stopni i 34 minut, w dniu przesilenia letniego pod kątem 90 stopni, zaś podczas przesilenia zimowego pod kątem 43 stopni i 8 minut. Nad kołem podbiegunowym północnym w dniach równonocy promienie słoneczne docierają pod kątem 23 stopni i 26 minut, w okresie przesilenia letniego również pod kątem 23 stopni i 26 minut (dzień polarny), zaś w dniu przesilenia zimowego promienie słoneczne nie docierają do powierzchni Ziemi (noc polarna). Nad kołem podbiegunowym południowym w dniach równonocy promienie słoneczne docierają pod kątem 23 stopni i 26 minut, w okresie przesilenia letniego panuje noc polarna i promienie słoneczne nie docierają do powierzchni Ziemi, zaś w dniu przesilenia zimowego promienie słoneczne docierają pod kątem 23 stopni i 26 minut (dzień polarny).

W ciągu dnia polarnego Słońce nie zachodzi, a środek tarczy słonecznej w czasie jej pozornej wędrówki utrzymuje się powyżej linii horyzontu przez co najmniej 24 godziny. Czas, w którym dowolna część tarczy słonecznej znajduje się nad horyzontem wynosi średnio na biegunach 186 dni (189 na biegunie północnym i 183 na południowym). Różnica w długości trwania dnia polarnego na biegunach wynika z eliptycznego kształtu orbity Ziemi.

RHyht9BKqImpo

Zdjęcie przedstawia słońce znajdujące się nieco powyżej horyzontu nad morzem. Na brzegu, przy barierce stoją jeden obok drugiego ludzie, którzy obserwują słońce.

Zjawisko dnia polarnego występuje naprzemiennie ze zjawiskiem nocy polarnej, kiedy to Słońce nie wschodzi, a środek tarczy słonecznej utrzymuje się poniżej linii widnokręgu przez co najmniej 24 godziny.

RLgrDINfzJJQC

Na zdjęciu jest miasto położone nad fiordem. W mieście w budynkach palą się liczne światła. Za budynkami są ośnieżone wzniesienia. Panuje półmrok.

Jednak myli się ten, kto sądzi, że nadejście nocy polarnej oznacza całkowitą ciemność w strefach okołobiegunowych. Panuje ona tylko w miejscach położonych w odległości około 5,5° od biegunów i tylko wtedy, gdy Księżyc znajduje się znacznie poniżej horyzontu. Pozostała część strefy podbiegunowej doświadcza zamiast polarnej nocy tzw. polarnego zmierzchu. Dzieje się tak, ponieważ promienie Słońca znajdującego się poniżej linii horyzontu docierają do górnych warstw atmosfery, gdzie ulegają rozproszeniu i odbiciu w kierunku powierzchni Ziemi. Intensywność tego zjawiska zależy od pozycji Słońca poniżej horyzontu. Na tej podstawie wyróżnia się:

• zmierzch cywilny – gdy Słońce znajduje się pomiędzy 0° a 6° poniżej horyzontu (w tych warunkach jest dostatecznie dużo rozproszonego światła słonecznego, wystarczającego do podejmowania na otwartej przestrzeni różnych działań bez konieczności użycia sztucznych źródeł światła),

• zmierzch nawigacyjny – gdy Słońce znajduje się między 6° a 12° poniżej horyzontu (w tych warunkach możliwe jest wyraźne obserwowanie linii horyzontu, co umożliwia nawigację),

• zmierzch astronomiczny – gdy Słońce znajduje się między 12° a 18° poniżej horyzontu.

Gdy Słońce znajduje się poniżej 18° poniżej horyzontu światło dzienne nie dociera do powierzchni Ziemi.

R1aqvB7ppc42S

Grafika przedstawia występowanie różnych rodzajów zmierzchu w zależności od położenia środka tarczy słonecznej poniżej linii horyzontu. Pozioma linia - horyzont - oddziela dzień oznaczony błękitnym kolorem od kolejno wymienionych rodzajów zmierzchu, ułożonych coraz niżej i oznaczonych coraz ciemniejszym odcieniem niebieskiego.Gdy Słońce znajduje się 6 stopni poniżej horyzontu występuje cywilny zmierzch, gdy 12 stopni - nawigacyjny zmierzch, w przypadku 18 stopni astronomiczny zmierzch. Gdy Słońce znajduje się poniżej 18 stopni poniżej horyzontu, światło dzienne nie dociera do powierzchni Ziemi - zapada noc.

W zależności od położenia Słońca względem horyzontu rozróżnia się także trzy rodzaje świtu (cywilny, nawigacyjny, astronomiczny) oraz trzy typy nocy polarnej:

• cywilną noc polarną, kiedy nie występuje zmierzch cywilny; ma to miejsce na obszarach o szerokości geograficznej powyżej 72°33',

• nawigacyjną noc polarną, kiedy nie występuje zmierzch nawigacyjny; ma to miejsce na obszarach o szerokości geograficznej powyżej 78°33',

• astronomiczną noc polarną, kiedy nie występuje zmierzch astronomiczny; ma to miejsce na obszarach o szerokości geograficznej powyżej 84°33'.

Ciekawostka

Białe noce to powtarzalne zjawisko astronomiczne występujące wiosną i latem w strefie okołobiegunowej i północnej części strefy umiarkowanej, polegające na tym, że zmierzch przechodzi bezpośrednio w świt a całkowita ciemność nie zapada, mimo że tarcza słoneczna znajduje się poniżej horyzontu. Przyczyną tego zjawiska jest rozpraszanie światła w górnych warstwach atmosfery powodujące to, że niebo pozostaje jasne. Białe noce w pełnej okazałości można obserwować np. w Sankt Petersburgu (11.06–2.07) czy Trondheim (20.05–20.07). Zjawisko to występuje także w Polsce. Widoczne jest ono jako jasna linia horyzontu. Na północy kraju trwa od około 10 maja do początku sierpnia, w centrum od około 20 maja do 20 lipca, zaś na południu od początku czerwca do około 10 lipca. Nie występuje wtedy astronomiczna noc, bowiem Słońce nie schodzi poniżej linii horyzontu o więcej niż 18°, a zmierzch astronomiczny przechodzi w świt astronomiczny. Szczególnie dobrze białe noce widoczne są około 20 czerwca w najdalej na północ wysuniętej części wybrzeża, w rejonie Władysławowa, Rozewia i Jastrzębiej Góry. Okres ich trwania jest jednak dość krótki (13–30 czerwca) i nie są one zbyt jasne.

RIkRHJkuI5eLm

Na zdjęciu jest rzeka, na której brzegu stoi oświetlony długi budynek z wieżą. To Muzeum Ermitażu. Na zdjęciu panuje zmierzch.

Zmienna długość dnia w ciągu roku powoduje, że działalność człowieka w niektórych rejonach świata jest mocno ograniczona i uzależniona od sztucznego oświetlenia (obszary polarne). Dotyczy to także roślinności, która potrzebuje energii słonecznej w procesie fotosyntezy i ma decydujący wpływ na możliwości rozwoju rolnictwa, a także innych gałęzi gospodarki.

Analizując warunki życia i gospodarczej działalności człowieka na Ziemi, można zauważyć, że mimo niewątpliwego postępu technicznego i naukowego ciągle jeszcze są one podporządkowane uwarunkowaniom środowiskowym. Świadczy o tym chociażby nakładanie się zasięgów anekumeny (częściowo także subekumeny) z zasięgiem obszarów o skrajnie niekorzystnych warunkach przyrodniczych, w których produkcja biomasy i życie zwierząt (a tym samym biologiczna egzystencja człowieka) napotykają trudne do przezwyciężenia bariery. Jedną z nich jest bariera świetlna związana z deficytem i nadmiarem światła oraz często z nią powiązana bariera termiczna. Występują one w różnych częściach świata, w których sezonowo występują znaczące różnice w dopływie promieniowania słonecznego. W najbardziej spektakularnej formie są one obecne na obszarach podbiegunowych, gdzie występuje zjawisko dnia i nocy polarnej z czym związany jest długotrwały deficyt i nadmiar światła.

U mieszkańców może powodować to zakłócenie naturalnego rytmu nocy i dnia, a w konsekwencji pracy i snu, znane pod nazwą depresji sezonowej lub choroby afektywnej sezonowej. Objawia się ona m.in. obniżeniem nastroju, przewlekłym zmęczeniem, problemami z wykonywaniem codziennych czynności czy wzmożoną sennością, współistniejącą z pogorszeniem jakości snu. Poprawę w tych dolegliwościach może przynieść terapia sztucznym światłem (fototerapia).

RdqCTUrAGdeA2

Zdjęcie przedstawia starszego mężczyznę czytającego książkę przy dużej płaskiej lampie, świecącej w twarz mężczyzny, stojącej na niskim stole. Za oknem jest jasno.

Rośliny, podobnie jak ludzie i zwierzęta, mają zegar biologiczny, dzięki któremu reagują na zmianę okresów światła i ciemności w ciągu doby, co określane jest mianem fotoperiodyzmu. Różnice w długościach dnia i nocy powodują u roślin m.in. zmiany w rozmnażaniu wegetatywnym, kwitnieniu czy wejściu w stan spoczynku. Zakłócenie cyklu dobowego ogranicza możliwości ich uprawy, chociaż, co trzeba przyznać, wiele gatunków uprawnych dostosowało się do zmian natężenia oświetlenia oraz rytmu dnia i nocy. Na tej podstawie rozróżnia się:

• rośliny długiego dnia – kwitną, gdy okres dopływu światła przekracza wartość krytyczną, właściwą dla poszczególnych gatunków (np. szpinak, zboże, trawy, rzodkiewka, burak pastewny i cukrowy, marchew);

• rośliny krótkiego dnia – kwitną, gdy okres dopływu światła jest krótszy niż wymagana przez gatunki wartość krytyczna (np. tytoń, kukurydza, proso, ryż, rzepak, soja);

• rośliny obojętne – kwitną bez względu na długość dnia i nocy (np. gryka, pomidor, ogórek, groch, bób, ryż).

Czynnikiem ograniczającym uprawę rolniczą i warzywną w strefach podbiegunowych o sezonowo zmiennym dopływie promieniowania słonecznego jest dodatkowo bariera termiczna polegająca na występowaniu niskich temperatur powietrza i gruntu (wieloletnia zmarzlina). Jest ona związana bezpośrednio z długością dnia i wysokością Słońca nad horyzontem. Z tego względu podstawowe znaczenie dla życia mieszkańców i funkcjonowania osiedli ma dostawa żywności (zwykle konserwowanej i drogiej) z innych obszarów oraz uprawa roślin w systemie szklarniowym, która z roku na rok jest coraz bardziej intensywna. Przykładem mogą być oświetlane sztucznym światłem i ogrzewane szklarnie w Iqaluit, stolicy i największym mieście terytorium Nunavut w północnej Kanadzie, które dostarczają warzywa dla blisko 30 tys. mieszkańców tego regionu.  Podobne formy uprawy istnieją w Longyearbyen – największym mieście archipelagu Svalbard, gdzie początkowo prowadzono (nieudane) próby uprawy ziemniaków metodą gruntową. Dziś rolnictwo ma charakter uprawy szklarniowej i zamkniętej hodowli zwierząt (drób, bydło, trzoda chlewna). Ten sposób działalności rolniczej jest także obecny w Barentsburgu, który w miesiącach zimowych jest prawie całkowicie odizolowany od dostaw żywności.

R2KCUfRqyf6Yb

Na zdjęciu znajdują się kolorowe budynki widziane z daleka. W tle są ośnieżone szczyty i stoki gór. Krajobraz jest surowy.

Mimo niekorzystnych świetlnych i termicznych warunków dla osadnictwa i rolnictwa na dalekiej północy Eurazji i Ameryki Północnej powstają miasta i osiedla pełniące różnorodne funkcje gospodarcze. Jest to możliwe dzięki temu, że człowiek nauczył się przezwyciężać, przynajmniej częściowo, niekorzystne uwarunkowania przyrodnicze poprzez dostosowanie stylu życia (wysokokaloryczna żywność, termiczna odzież, fototerapia itp.) oraz wykorzystanie odpowiednich metod uprawy i technologii budowy domów.

Ciekawostka

W Longyearbyen od 2008 roku mieści się Globalny Bank Nasion, w którym przechowywane jest obecnie ponad 750 000 ich różnych rodzajów. Są to głównie nasiona roślin jadalnych z całego świata. Bank usytuowany jest w tunelu wydrążonym w wiecznej zmarzlinie, dzięki czemu przechowywanie nasion odbywa się bez wykorzystania elektryczności.

R1H7bzTmtzirD

Zdjęcie przedstawia fragment betonowego budynku. Jest on prostokątny, wydłużony, wystaje z ziemi pokrytej śniegiem. To budynek Globalnego Banku Nasion, który ulokowany jest w tunelu wydrążonym w wiecznej zmarzlinie.

Słownik