Орбітальний рух Землі й зміна пір року

Земля не стоїть на місці — вона рухається навколо Сонця. Цей рух називають орбітальним, а траєкторію, якою планета обертається, — орбітою. Саме орбітальний рух разом із незмінним нахилом земної осі спричиняє зміну пір року, яку ми відчуваємо щороку.

Форма орбіти та відстань до Сонця

Орбіта Землі — це еліпс, дуже близький до кола. Сонце розташоване в одному з фокусів цього еліпса. Середня відстань від Землі до Сонця становить приблизно 150 мільйонів кілометрів (одна астрономічна одиниця). Однак через еліптичну форму орбіти ця відстань змінюється протягом року:

• Перигелій — найближча до Сонця точка орбіти, приблизно 147 млн км. Земля проходить її на початку січня.

• Афелій — найдальша точка орбіти, приблизно 152 млн км. Земля перебуває в ній на початку липня.

Різниця між перигелієм і афелієм становить лише близько 5 млн км, що становить приблизно 3 % від середньої відстані. Тому вплив цієї різниці на температуру на Землі незначний.

Тривалість року й орбітальна швидкість

Повний оберт навколо Сонця Земля робить за 365 діб 5 годин 48 хвилин (приблизно 365 діб 6 годин). Саме цей проміжок часу називають роком. Оскільки календарний рік триває 365 діб, то за чотири роки накопичується майже доба (6 год × 4 = 24 год). Тому кожен четвертий рік — високосний, він має 366 діб (додатковий день — 29 лютого).

Орбітальна швидкість Землі становить приблизно 30 км/с. Це величезна швидкість: за одну секунду Земля долає ≈ 30 км, а відстань, рівну діаметру Землі (≈ 12 740 км), — приблизно за 7 хвилин. Рухається планета із заходу на схід — у тому самому напрямку, в якому вона обертається навколо своєї осі.

Нахил земної осі — головна причина зміни пір року

Земна вісь нахилена до площини орбіти під кутом 66,5°. Це означає, що кут між віссю та перпендикуляром до площини орбіти становить 23,5°. Найважливіше те, що під час руху Землі навколо Сонця вісь зберігає свій нахил і напрямок — вона залишається паралельною сама собі. Це явище називають паралельністю осі.

Саме незмінний нахил осі, а не відстань до Сонця, спричиняє зміну пір року. Ось найпереконливіший доказ: у перигелії (на початку січня) Земля перебуває найближче до Сонця, але в Північній півкулі в цей час зима. Якби пори року залежали від відстані, то в обох півкулях вони були б однаковими — у січні скрізь було б літо. Насправді ж у січні в Південній півкулі літо, а в Північній — зима.

Запам'ятай: саме нахил осі (66,5°) і її незмінне положення в просторі, а не відстань до Сонця, визначають, під яким кутом сонячні промені падають на поверхню Землі в різні пори року. Чим більший кут падіння, тим більше енергії отримує територія — отже, тим тепліше.

Протягом року Земля займає чотири ключові положення на орбіті, які визначають початок астрономічних пір року. Це дні рівнодень і сонцестоянь. Їхні дати можуть зміщуватися на добу через високосні роки, але для НМТ запам'ятовують чотири опорні дати: 21 березня, 22 червня, 23 вересня й 22 грудня.

Рівнодення: 21 березня й 23 вересня

У дні рівнодень Сонце перебуває в зеніті над екватором (δ = 0°). Лінія світлоподілу (термінатор) проходить через обидва полюси Землі, тому день і ніч тривають по 12 годин на всіх широтах. Саме тому ці дні називають рівноденнями.

21 березня — весняне рівнодення в Північній півкулі. З цього дня в Північній півкулі день стає довшим за ніч, починається астрономічна весна. У Південній півкулі, навпаки, починається астрономічна осінь.

23 вересня — осіннє рівнодення в Північній півкулі. Після нього день стає коротшим за ніч, починається астрономічна осінь. У Південній півкулі в цей час починається астрономічна весна.

Літнє сонцестояння: 22 червня

22 червня — день літнього сонцестояння в Північній півкулі. У цей день Сонце перебуває в зеніті над Північним тропіком (23,5° пн. ш.). Північний полюс Землі нахилений до Сонця, тому:

• У Північній півкулі — найдовший день і найкоротша ніч у році.

• На північ від Північного полярного кола (66,5° пн. ш.) — полярний день: Сонце не заходить за горизонт.

• На південь від Південного полярного кола (66,5° пд. ш.) — полярна ніч: Сонце не з'являється над горизонтом.

• У Південній півкулі — найкоротший день і найдовша ніч, початок астрономічної зими.

Зимове сонцестояння: 22 грудня

22 грудня — день зимового сонцестояння в Північній півкулі. Сонце в зеніті над Південним тропіком (23,5° пд. ш.). Північний полюс нахилений від Сонця, тому:

• У Північній півкулі — найкоротший день і найдовша ніч у році.

• На північ від Північного полярного кола — полярна ніч.

• На південь від Південного полярного кола — полярний день.

• У Південній півкулі — найдовший день, початок астрономічного літа.

Як розпізнати положення Землі на схемі орбіти

На схемах орбіти Землю зображують у чотирьох положеннях. Щоб визначити дату, подивися, куди нахилений Північний полюс:

• Північний полюс нахилений до Сонця → 22 червня (літнє сонцестояння Північної півкулі).

• Північний полюс нахилений від Сонця → 22 грудня (зимове сонцестояння Північної півкулі).

• Вісь Землі «боком» до Сонця (не нахилена ні до, ні від) → рівнодення: 21 березня або 23 вересня.

Пам'ятай: пори року в Північній і Південній півкулях протилежні. Коли в Києві літо (22 червня), в Австралії — зима (зимове сонцестояння). Коли в Києві зима (22 грудня), в Австралії — літо.

Астрономічні пори року починаються саме в дні рівнодень і сонцестоянь. Календарні пори року починаються 1-го числа відповідного місяця (1 березня, 1 червня, 1 вересня, 1 грудня) і не збігаються з астрономічними.

Тривалість світлового дня — один із найнаочніших наслідків орбітального руху Землі. Вона змінюється залежно від пори року та широти місцевості. Розуміння цих закономірностей допомагає пояснити, чому влітку день довгий, а взимку короткий, і чому за полярним колом бувають полярний день і полярна ніч.

Екватор — зона сталої тривалості дня

На екваторі день і ніч цілий рік тривають приблизно по 12 годин. Це тому, що лінія світлоподілу завжди ділить екватор на дві приблизно рівні половини, незалежно від пори року. Коливання тривалості дня на екваторі не перевищує кількох хвилин.

Як змінюється день у Північній півкулі

Чим далі від екватора, тим більша різниця між тривалістю дня влітку та взимку. У Північній півкулі діє така закономірність:

• З 21 березня до 23 вересня день довший за ніч.

• Найдовший день у році — 22 червня (літнє сонцестояння). Наприклад, у Києві (≈ 50,5° пн. ш.) 22 червня день триває понад 16 годин.

• Найкоротший день — 22 грудня (зимове сонцестояння). У Києві 22 грудня день триває менш ніж 8 годин.

• З 23 вересня до 21 березня день коротший за ніч.

Правило порівняння широт

Щоб порівняти тривалість дня на різних широтах в одну й ту саму дату, запам'ятай просте правило:

• 22 червня день найдовший у найпівнічнішої точки (чим північніше, тим довший день).

• 22 грудня день найдовший у найпівденнішої точки (чим південніше, тим довший день).

• У дні рівнодень (21 березня й 23 вересня) тривалість дня однакова на всіх широтах — приблизно 12 годин.

Полярний день і полярна ніч

За полярними колами (66,5° пн. ш. і 66,5° пд. ш.) відбуваються унікальні явища — полярний день і полярна ніч.

• На полярному колі полярний день і полярна ніч тривають по одній добі.

• Чим ближче до полюса, тим довші ці періоди. На полюсі полярний день триває приблизно 6 місяців (з 21 березня до 23 вересня на Північному полюсі), і стільки ж триває полярна ніч.

• Полярний день — це період, коли Сонце не опускається за горизонт протягом доби й більше.

• Полярна ніч — період, коли Сонце не піднімається над горизонтом.

Наприклад, 22 червня на 70° пн. ш. триває полярний день — Сонце не заходить. На 70° пд. ш. у цей самий день — полярна ніч, Сонця не видно.

Висота полуденного Сонця — це кут між напрямком на Сонце опівдні та лінією горизонту. Її позначають літерою h. Цей кут показує, наскільки високо піднімається Сонце над горизонтом у найвищій точці свого денного шляху. Що більша висота, то більше сонячної енергії отримує поверхня.

Формула та її складники

Висоту полуденного Сонця обчислюють за формулою:

$$h=90^{\circ }-|\phi -\delta |$$

де:

• h — висота полуденного Сонця (у градусах);

• φ — географічна широта точки спостереження (північна широта — зі знаком «+», південна — зі знаком «−»);

• δ — схилення Сонця, тобто широта, над якою Сонце в зеніті в цей день.

Значення δ для ключових дат:

Приклад для Києва (50,5° пн. ш.)

Розрахуємо висоту полуденного Сонця для Києва (φ = 50,5°) в різні дні:

• 22 червня: h = 90° − |50,5° − 23,5°| = 90° − 27° = 63°.

• У рівнодення: h = 90° − |50,5° − 0°| = 90° − 50,5° = 39,5°.

• 22 грудня: h = 90° − |50,5° − (−23,5°)| = 90° − |50,5° + 23,5°| = 90° − 74° = 16°.

Бачиш, як сильно змінюється висота Сонця: від 63° у червні до всього 16° у грудні. Саме тому взимку Сонце низько над горизонтом і гріє слабко.

Приклад для Південної півкулі

Візьмемо точку на 30° пд. ш. (φ = −30°):

• 22 грудня: h = 90° − |−30° − (−23,5°)| = 90° − |−30° + 23,5°| = 90° − 6,5° = 83,5°.

• 22 червня: h = 90° − |−30° − 23,5°| = 90° − |−53,5°| = 90° − 53,5° = 36,5°.

Зверни увагу: 22 грудня Сонце майже в зеніті на 30° пд. ш. (h = 83,5°), тому що δ = −23,5° близька до широти точки. Висота h = 90° буває лише на тій паралелі, де φ = δ.

Від'ємна висота — полярна ніч

Якщо результат за формулою виявився від'ємним, це означає, що Сонце опівдні перебуває під горизонтом — тобто триває полярна ніч. Наприклад, для точки на 70° пн. ш. 22 грудня:

$$h=90^{\circ }-|70^{\circ }-(-23,5^{\circ })|=90^{\circ }-93,5^{\circ }=-3,5^{\circ }$$

Від'ємне значення (−3,5°) підтверджує, що на 70° пн. ш. 22 грудня — полярна ніч: Сонце навіть опівдні не піднімається над горизонтом.

Обернена задача: знайти широту за висотою Сонця

Іноді в завданні дають висоту полуденного Сонця в рівнодення (δ = 0°) і просять визначити широту. Тоді формула спрощується:

$$h=90^{\circ }-|\phi -0^{\circ }|=90^{\circ }-|\phi |$$

Звідси |φ| = 90° − h. Півкулю визначають за додатковою умовою в завданні. Наприклад, якщо в рівнодення h = 35°, а точка в Північній півкулі, то φ = 90° − 35° = 55° пн. ш.

У цьому розділі розглянемо типові завдання НМТ на тему орбітального руху Землі. Кожен приклад містить задачу, покроковий розв'язок і пояснення, чому інші варіанти відповідей неправильні.

Приклад 1. Найдовший день 22 грудня

Завдання: У якій із зазначених точок 22 грудня тривалість дня найбільша?

• 60° пн. ш.

• 20° пн. ш.

• 0° (екватор)

• 40° пд. ш.

Розв'язок: 22 грудня — зимове сонцестояння в Північній півкулі. Сонце в зеніті над Південним тропіком (23,5° пд. ш.). У цей день найдовший день у Південній півкулі, причому чим південніше, тим день довший. Із запропонованих варіантів найпівденніша точка — 40° пд. ш.

Відповідь: 40° пд. ш.

Чому інші варіанти неправильні: 60° пн. ш. — у Північній півкулі 22 грудня найкоротший день; 0° — на екваторі день завжди ≈ 12 год, але це не найбільше значення; 20° пн. ш. — у Північній півкулі день коротший, ніж у Південній.

Приклад 2. Висота полуденного Сонця 22 червня

Завдання: Визначте висоту полуденного Сонця 22 червня в місті, розташованому на 40° пн. ш.

• 50°

• 73,5°

• 26,5°

• 63,5°

Розв'язок: За формулою h = 90° − |φ − δ|. Для 22 червня δ = +23,5°. Підставляємо: h = 90° − |40° − 23,5°| = 90° − 16,5° = 73,5°.

Відповідь: 73,5°.

Чому інші варіанти неправильні: 50° — це значення для рівнодення (90° − 40° = 50°); 26,5° — це значення для 22 грудня (90° − |40° + 23,5°| = 26,5°); 63,5° — помилковий результат, якщо просто додати φ + δ (40° + 23,5° = 63,5°) замість застосування формули.

Приклад 3. Явища 22 червня

Завдання: Виберіть три явища, які відбуваються 22 червня.

• Сонце в зеніті над Північним тропіком

• Полярний день на 70° пн. ш.

• Найкоротший день у Південній півкулі

• День дорівнює ночі на всіх широтах

• Полярний день в Антарктиді

• Сонце в зеніті над екватором

• Найдовший день у Південній півкулі

Розв'язок: 22 червня — літнє сонцестояння Північної півкулі. Сонце в зеніті над Північним тропіком (23,5° пн. ш.). За Північним полярним колом — полярний день (70° пн. ш. лежить за Північним полярним колом). У Південній півкулі — найкоротший день.

Відповідь: Сонце в зеніті над Північним тропіком; полярний день на 70° пн. ш.; найкоротший день у Південній півкулі.

Чому інші варіанти неправильні: день дорівнює ночі — це в рівнодення; полярний день в Антарктиді — 22 червня в Антарктиді полярна ніч; Сонце в зеніті над екватором — це в рівнодення; найдовший день у Південній півкулі — 22 червня в Південній півкулі найкоротший день.

Приклад 4. Схема орбіти

Завдання: На схемі орбіти Землі зображено чотири положення планети. Визначте положення, у якому Південний полюс нахилений до Сонця.

• 22 червня

• 21 березня

• 23 вересня

• 22 грудня

Розв'язок: Якщо Південний полюс нахилений до Сонця, то Північний полюс нахилений від Сонця. Це відбувається 22 грудня — зимового сонцестояння в Північній півкулі. У цей день Сонце в зеніті над Південним тропіком, у Південній півкулі літо.

Відповідь: 22 грудня.

Чому інші варіанти неправильні: 22 червня — до Сонця нахилений Північний полюс; 21 березня й 23 вересня — вісь Землі «боком» до Сонця, жоден полюс не нахилений до Сонця.

Приклад 5. Широта за висотою Сонця в рівнодення

Завдання: У день рівнодення полуденна висота Сонця над точкою Північної півкулі становить 35°. Визначте широту цієї точки.

• 35° пн. ш.

• 58,5° пн. ш.

• 55° пн. ш.

• 31,5° пн. ш.

Розв'язок: У рівнодення δ = 0°, тому формула спрощується: h = 90° − |φ|. Звідси |φ| = 90° − h = 90° − 35° = 55°. Оскільки точка в Північній півкулі, широта — 55° пн. ш.

Відповідь: 55° пн. ш.

Чому інші варіанти неправильні: 35° пн. ш. — помилка, коли вважають, що широта дорівнює висоті Сонця; 58,5° пн. ш. — помилка, якщо до висоти Сонця додати 23,5° (35° + 23,5°); 31,5° пн. ш. — помилка, якщо від правильної відповіді 55° відняти 23,5°, ніби δ = 23,5°. У рівнодення δ = 0°, тому φ = 90° − 35° = 55°.

• Пояснювати пори року відстанню до Сонця. Багато учнів думають: «У січні Земля найближче до Сонця, отже має бути тепло». Насправді в Північній півкулі в січні зима, тому що Північний полюс нахилений від Сонця. Пори року спричиняє нахил осі, а не відстань.

• Переносити пори року Північної півкулі на Південну. Коли в Києві зима (22 грудня), в Австралії — літо й найдовший день. Завжди пам'ятай: пори року в півкулях протилежні.

• У формулі не враховувати знак південної широти чи δ = −23,5° 22 грудня. Південна широта має знак «−». Для точки на 30° пд. ш. 22 грудня φ = −30°, δ = −23,5°. Підставляй у формулу: h = 90° − |−30° − (−23,5°)|. Не забувай, що мінус на мінус дає плюс.

• Вважати, що в рівнодення Сонце в зеніті над тропіком, а в сонцестояння — над екватором. Навпаки: у рівнодення Сонце в зеніті над екватором, у сонцестояння — над одним із тропіків.

• Вважати, що Сонце буває в зеніті в Києві. Сонце буває в зеніті лише між тропіками (від 23,5° пд. ш. до 23,5° пн. ш.). Київ на 50,5° пн. ш. — далеко за межами тропіків, тому Сонце ніколи не буває в зеніті в Україні.

• Плутати дати рівнодень і сонцестоянь. Сонцестояння — 22 червня й 22 грудня. Рівнодення — 21 березня й 23 вересня. Запам'ятай мнемонічне правило: у червні та грудні — сонцестояння (найдовший / найкоротший день), у березні та вересні — рівнодення (день дорівнює ночі).

Тема орбітального руху Землі та зміни пір року входить до теми 1.3 програми НМТ з географії «Географічні наслідки параметрів і рухів Землі як планети»: змінюваність висоти Сонця над горизонтом і тривалості світлового дня, орбітальний рух Землі, причини зміни пір року.

За програмою НМТ ти маєш уміти:

• розпізнавати на схемах орбіти положення Землі в дні сонцестоянь і рівнодень;

• пояснювати зміну пір року в обох півкулях на основі нахилу земної осі;

• обчислювати висоту полуденного Сонця за формулою.

У демонстраційному варіанті НМТ 2026 року окремого завдання, де тема 1.3 була б основною, немає. Однак її можуть перевірити в таких формах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–20, 1 бал за правильну відповідь). У таких завданнях можуть питати дати рівнодень і сонцестоянь, тривалість дня на різних широтах або висоту полуденного Сонця.

• Вибір трьох правильних відповідей із семи (завдання 25–30, 0–3 бали залежно від кількості правильних виборів). Тут можуть пропонувати перелік явищ, з яких треба обрати ті, що відповідають певній даті.

Стратегія виконання: розрахунок висоти Сонця за формулою обов'язково роби в чернетці. Перевіряй знак широти: північна — додатна, південна — від'ємна. Для 22 грудня δ = −23,5°, не забудь про мінус. Чернетку не перевіряють — зараховують лише збережену в тестовій системі відповідь.

• Пори року спричиняє незмінний нахил осі (66,5° до площини орбіти), а не відстань до Сонця. Доказ: у перигелії (січень) у Північній півкулі зима.

• 21 березня й 23 вересня — рівнодення: Сонце в зеніті над екватором, день дорівнює ночі (по 12 год) на всіх широтах.

• 22 червня — літнє сонцестояння Північної півкулі: Сонце в зеніті над Північним тропіком (23,5° пн. ш.), полярний день за Північним полярним колом.

• 22 грудня — зимове сонцестояння Північної півкулі: Сонце в зеніті над Південним тропіком (23,5° пд. ш.), полярний день за Південним полярним колом.

• Пори року в Північній і Південній півкулях протилежні: коли в Києві літо, в Австралії зима.

• Висота полуденного Сонця: h = 90° − |φ − δ|, де δ = 0° у рівнодення, +23,5° 22 червня, −23,5° 22 грудня.

• Від'ємна h означає полярну ніч — Сонце опівдні під горизонтом.

• 22 червня найдовший день у найпівнічнішої точки, 22 грудня — у найпівденнішої, у рівнодення тривалість дня однакова на всіх широтах.