Zimy so zimne, lata gorące

Zimy so zimne, lata gorące. (Edward Redliński, „Konopielka”)

Na ilustracjach w podręcznikach i w rozmaitych modelach Ziemia krąży wokół Słońca po prostu po okręgu. W rzeczywistości jej orbita jest okręgiem odrobinkę spłaszczonym, elipsą, która wzdłuż mierzy 299,20 mln km, a w poprzek 299,15 mln km. Słońce nie znajduje się jednak pośrodku, ale w jednym z dwóch tzw. ognisk elipsy, rozłożonych symetrycznie po obu stronach środka. Gdyby orbitę Ziemi przedstawić na kartce papieru jako niemal okrągły kształt o średnicy około 15 cm, różnica pomiędzy jego długością (w poziomie) a szerokością (w pionie) powinna wynosić zaledwie dwie setne milimetra, ale miejsce zajmowane przez Słońce byłoby przesunięte o 3 milimetry od środka. Odległość Ziemi od Słońca zmienia się więc w ciągu roku, jest trochę inna w lecie, a inna w zimie, średnio wynosi prawie 150 mln km, w najdalszym punkcie orbity jest to 152 mln km, a w najbliższym 147 mln km.

Zupełnie inaczej wygląda sprawa osi, wokół której Ziemia obraca się w ciągu doby. Nie jest ona prostopadła do płaszczyzny obiegu naszej planety wokół Słońca, ale odchylona od „pionu” o całkiem spory kąt, ponad 23°. Co najważniejsze, mimo że podczas okrążania Słońca w ciągu roku Ziemia zmienia swoje położenie, ta oś zachowuje stały kierunek w przestrzeni, pozostaje skierowana mniej więcej w stronę Gwiazdy Polarnej. Wskutek tego w lecie kula ziemska nachylona jest biegunem północnym w kierunku Słońca, a w zimie odchylona.

Do zgrubnego oszacowania wpływu jednej i drugiej cechy ruchu Ziemi na zmiany ilości ciepła słonecznego, jakie dociera do konkretnego regionu, wystarczą szkolne rachunki.

Cała energia wypromieniowywana przez Słońce w ciągu doby (E), rozpatrywana w pewnej odległości (R) od niego, przypada koncepcyjnie na otaczającą je sferę (powierzchnię kuli) o promieniu R, więc na każdą jednostkę powierzchni takiej sfery, np. 1 km², wypadnie E/4πR² energii. Zatem ilości energii słonecznej trafiającej na Ziemię w jej najdalszym i najbliższym od Słońca punkcie orbity mają się do siebie jak:

[1/152²] : [1/147²] = 147² : 152² = 0,935

Czyli, z powodu niekołowej orbity, kiedy Ziemia jest najdalej od Słońca, otrzymuje około 93% ciepła w porównaniu z tym, kiedy jest najbliżej Słońca.

Wyobraźmy sobie teraz budynek z prostokątnym, płaskim dachem, stojący gdzieś w Kenii, w okolicach równikowych. Z dachem pokrytym panelami fotowoltaicznymi. Kiedy w południe promienie słońca padają pionowo na dach o powierzchni P, na każdy 1 m² przypada ilość energii słonecznej równa E/P. Jeśli w sąsiedztwie stoi taki sam budynek, ale o dachu spadzistym, nachylonym pod kątem α, to taki spadzisty dach ma większą powierzchnię niż płaski, tym większą, im większy kąt jego nachylenia. Panele takiego dachu mają powierzchnię wynoszącą P/cos(α), ale ilość energii od Słońca na cały dach jest taka sama. Zatem na każdy 1 m² paneli tego drugiego budynku przypada mniej energii niż w przypadku paneli pierwszego budynku, w proporcji [E/P] : [E/(P/cos(α))] = 1 : cos(α). Najwięcej energii na metr kwadratowy otrzymuje się, kiedy dana powierzchnia jest ustawiona prostopadle do promieni słonecznych.

W Polsce promienie słoneczne nigdy nie padają na ziemię pionowo, jesteśmy zbyt daleko od równika. Nasz kraj leży pomiędzy 49°00' a 54°50' szerokości geograficznej północnej, uśredniając, ok. 52° na północ od równika. Podczas przesilenia letniego, kiedy dzień jest najdłuższy w ciągu roku, a noc najkrótsza, Słońce w południe wznosi się najwyżej na niebie i widnieje pod kątem 52°−23° = 29° od linii pionu. Z innego punktu widzenia można powiedzieć, że wówczas spadzista płaszczyzna kraju obserwatora (dach) jest nachylona o 29° w stosunku do optymalnej energetycznie płaszczyzny prostopadłej do promieni Słońca. Podczas przesilenia zimowego, kiedy dzień jest najkrótszy, a Słońce w południe wznosi się najniżej w ciągu roku, ten kąt wynosi 52°+23° = 75°. Zatem ilości energii słonecznej trafiającej na teren Polski w południe najkrótszego i najdłuższego dnia w roku mają się do siebie jak:

[1/cos(29°)] : [1/cos(75°)] = cos(75°) : cos(29°) = 0,296

Czyli, z powodu nachylenia osi ziemskiej, w środku zimy na powierzchnię Polski przypada trzy razy mniej energii od Słońca niż w środku lata.

Jak widać, cykliczne zmiany pór roku, ciepłe lata i zimne zimy, są spowodowane przede wszystkim stałym nachyleniem osi Ziemi podczas jej rocznego obiegu wokół Słońca. Odległość Ziemi od Słońca w danym dniu roku ma marginalne znaczenie dla ilości ciepła słonecznego, jaka przypada na konkretny obszar.

Pozostaje pytanie: kiedy w takim razie Ziemia znajduje się najbliżej Słońca w ciągu roku? Na początku stycznia.