Co mění teplotu?

Nadpis tohoto článku může být mírně zavádějící. Následující text se nevěnuje globálnímu oteplování ani ničemu podobnému, ale pravidelným a běžným změnám teploty v průběhu kalendářního roku. Vzdálenost mezi Zemí a Sluncem pochopitelně není konstantní. Již první Keplerův zákon říká, že planety obíhají kolem Slunce po různě výstředných elipsách, přičemž Slunce je v jednom z ohnisek elipsy. Na první pohled by se tak mohlo zdát, že pravidelné změny teplot, resp. střídání období zim a lét, jsou způsobené změnami vzdálenosti Země od Slunce. Ve skutečnosti však změny vzdálenosti Země od Slunce na změny teploty příliš velký vliv nemají.

Ale od začátku. Střední vzdálenost mezi Sluncem a Zemí je 1 AU (1 astronomická jednotka), která přibližně odpovídá vzdálenosti 150 milionů kilometrů. Přesné vyjádření je však

1 AU = 149 597 870 691 ± 6 m.

Jak již bylo zmíněno, Země okolo Slunce neobíhá po kružnici, ale po elipse. Excentricita (výstřednost) oběžné dráhy Země je 0,0167. Excentricitu získáme tak, že odmocníme rozdíl druhých mocnin velké a malé poloosy dráhy (více viz elipsa).

V praxi to znamená, že je-li Slunce v jednom z ohnisek elipsy, která představuje oběžnou dráhu Země, pak se po jistou část roku Země ke Slunci přibližuje a naopak v jiné části roku se od Slunce vzdaluje. Když je Země ke Slunci nejblíže, astronomové hovoří o tzv. přísluní (nebo též perihéliu). Když je Země od Slunce naopak vůbec nejdále, jde o tzv. odsluní (nebo též afélium).

Vzdálenost mezi Zemí v přísluní a Sluncem (r_p) popisuje vztah

r_p = a(1-e),

kde a je velká poloosa, tedy střední vzdálenost mezi Zemí a Sluncem (viz hodnota 1AU) a e je hodnota excentricity dráhy.

Naopak vzdálenost mezi Zemí v odsluní a Sluncem (r_a) popisuje vztah

r_p = a(1+e).

Z řečeného tedy vyplývá, že je-li Země v přísluní, její vzdálenost od Slunce je 147 099 586 km. Naopak v době, kdy je Země v odsluní, je její vzdálenost od Slunce 152 096 155 km. Rozdíl pak činí plných 4 996 569 km (o tuto vzdálenost je Země ke Slunci blíž v době přísluní než v době odsluní).

Nasnadě může být jednoduchá úvaha. Je-li v nějakou dobu Země blíže ke Slunci (které vydává teplo) než jindy, pak zřejmě bude více ohřívána. Naopak, je-li Země od Slunce v nějakém období od Slunce vzdálenější než kdykoliv jindy, pak jistě musí teplo Ze Slunce urazit delší cestu vesmírem, takže by Země měla být zahřívána méně (podle analogie blízko u ohně je větší teplo než dál od ohně). Když se ale podíváme do libovolného astronomického kalendáře, zjistím, že naše úvaha má přinejmenším trhlinu. V období léta (tedy v nejteplejším období roku) je totiž Země od Slunce vůbec nejdál. Naopak v nejchladnějším období roku, tedy v zimě, je Země Slunci vůbec nejblíže. Je tedy zřejmé, že musí existovat silnější faktor, který roční změny teploty vysvětluje. Tím faktorem je sklon osy zemské rotace.

Základní informací je, že osa zemské rotace není kolmá k rovině oběhu kolem Slunce (k tzv. ekliptice). Pokud by tomu tak bylo, Slunce by se po celý rok promítalo pouze na d rovník a všechny dny a noci v roce by byly stejně dlouhé. Osa zemské rotace je však vůči kolmici k rovině oběhu kolem Slunce mírně skloněna. Tento sklon si zaokrouhleme na 23,5°.

V důsledku sklonu zemské rotační osy se slunce po celý rok nepromítá přímo nad rovník (nad rovníkem je pouze dvakrát za rok - při jarní a podzimní rovnodennosti), ale zdánlivě se promítá nad oblasti vymezené obratníkem Kozoroha (na zeměpisné šířce -23,5°) a obratníkem Raka (na zeměpisné šířce +23,5°).

Pokud se Slunce promítá nad obratník Kozoroha (na 23,5° jižní zeměpisné délky, např. z Austrálie, lze v ten okamžik vidět Slunce v nadhlavníku), při pozorování ze severní polokoule (tedy i z České republiky) je Slunce jen nízko nad obzorem a jeho paprsky dopadají pod velmi ostrým úhlem, díky čemuž vznikají dlouhé stíny předmětů. Tou dobou je na severní polokouli zima. Naopak v době, kdy se Slunce promítá nad obratník Raka (na 23,5° severní zeměpisné délky, např. ze severní Afriky, lze v ten okamžik vidět Slunce v nadhlavníku), při pozorování ze severní polokoule vystupuje Slunce vysoko nad obzor a jeho paprsky dopadají pod méně ostrým úhlem, díky čemuž vznikají jen kratší stíny předmětů. Tou dobou je na severní polokouli léto.

Předpokládejme, že se budeme nacházet přibližně na 50° severní zeměpisné šířky (což skutečně přibližně odpovídá České republice).

Již jsme si řekli, že v době zimního slunovratu (v době zimy) se Slunce nachází nad 23,5° jižní zeměpisné šířky. Budeme-li jej tedy tou dobou pozorovat z České republiky, pak jej uvidíme ve vzdálenosti od zenitu:

50° + 23,5° = 73,5°.

Ovšem pozor, oněch 73,5° je hodnota udávající úhlovou odchylku od kolmice, resp. od zenitu.  V době letního slunovratu (v době léta), kdy se Slunce nachází nad 23,5° severní zeměpisné šířky - při pozorování z České republiky jej uvidíme ve vzdálenosti od zenitu:

50° - 23,5° = 26,5°.

Hodnota 26,5° je opět vyjádřením úhlové vzdálenosti od zenitu.

Nutno ještě zmínit, že pokud sluneční paprsky na zemi dopadají pod větším úhlem, pak zemi předávají větší část své energie, resp. ji více zahřívají.

Nyní tedy máme k dispozici dvě skutečnosti, které mohou nějakým způsobem ovlivňovat teplotu. Zkusme tedy provést jednoduchou analýzu.

Nejprve uvažujme změnu teploty způsobenou změnou vzdálenosti Země od Slunce.

V rámci rozdílu perihélia a afélia se vzdálenosti změní o 4 996 569 km, což představuje změnu asi o 3,3%, což lze vyjádřit jako procentuální změnu ze 100% na 96,7%. Uvažujme tedy změnu energii dopadající na 1m2 za 1 sekundu.

(0,967 x a)^-2 / a^-2,

kde a opět představuje velikost velké poloosy, resp. střední vzdálenost Země - Slunce, což je 1 astronomická jednotka. Pokud do vztahu dosadíme správné hodnoty, pak nám vyjde číslo 1,07. Tento koeficient si zapamatujme.

Nyní uvažujme změnu úhlu, pod kterým na zemi dopadají sluneční paprsky. Výše jsme si již vyjádřili, že v létě je jejich odklon od kolmice 26,5°, naopak v zimě je tato hodnota 73,5°. Změnu energie získáme tak, že vyjádříme poměr mezi cosinusy obou úhlů, tedy

cos 26,5° / cos 73,5°.

Výsledkem tohoto výpočtu je koeficient přibližně 3,15.

Porovnáme-li koeficient změny energie způsobené změnou vzdálenosti (1,07) a koeficient změny energie způsobené změnou úhlu dopadajících parsků (3,15), zjistíme, že jednoznačně větší vliv na zemskou teplotu má změna úhlu, pod kterým dopadají sluneční paprsky (3,15 je větší než 1,07).

Změna vzdálenosti Země od Slunce tedy na teplotu na Zemi působí jen nepatrně, avšak neznamená to, že nepůsobí vůbec. Můžeme si totiž všimnout jedné zdánlivé maličkosti. V době, kdy je na severní polokouli léto, je na jižní polokouli zima. A naopak. Při létě na severní polokouli je Země v odsluní, naopak při létě na jižní polokouli je Země v přísluní. Tato skutečnost je částečně podílí na tom, že léta na jižní polokouli jsou teplejší než na severní polokouli a zimy na jižní polokouli jsou mírnější než na severní.

Dalším faktorem, který se podílí na rozdílu teplot v létě a zimě je i doba, po kterou Slunce zahřívá zemský povrch. V průběhu léta je Slunce nad obzorem výrazně delší dobu a země pomaleji chladne.  I toto je však jev, který způsobuje sklon osy zemské rotace. Roční změny teploty tedy primárně způsobuje sklon osy zemské rotace. Ostatní faktory sice existují, avšak jejich vliv je výrazně menší.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web