Эксперимент: Как наклон земной оси влияет на смену времен года?

Исследуйте, как температура наружного воздуха зависит от наклона Земли, а не от ее расстояния от Солнца

Цель: Исследовать, как наклон земной оси определяет смену времен года

Области науки: Экология

Сложность: Легкая, продвинутая

Необходимое время: 2-5 дней

Предварительные требования: Нет

Наличие материалов: Вам понадобится пара специальных предметов: глобус Земли и тепловая лампа (при отсутствии тепловой лампы можно использовать солнечный свет)

Стоимость: $50 – $100

Безопасность: Возможны незначительные травмы, поэтому будьте осторожны при использовании тепловой лампы

Кредиты: Дэвид Б. Уайт, доктор философии, коллеги по науке

Земля совершает оборот вокруг своей оси каждые 24 часа. Он также совершает оборот вокруг Солнца каждые 365,25 дней. Ось вращения Земли отклонена на 23,5 градуса от плоскости, образованной ее орбитой вокруг Солнца. Ось вращения Земли отклонена на 23,5 градуса от плоскости, образованной ее орбитой вокруг Солнца. На рисунке 1 показан наклон оси Земли относительно ее орбиты.

Одно из существенных последствий осевого наклона— это создание самых разных сезонов. Посмотрите на рисунок 1. Представьте, что солнце находится слева от Земли. Из-за наклона оси Солнце находится непосредственно над областью в южном полушарии. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, солнце остается прямо над южным полушарием. Это выравнивание для зимы в Северной Америке и лета в Австралии.

Давайте пропустим вперед шесть месяцев. Представьте, что Земля прошла половину своего оборота по орбите. На рисунке 1 Солнце находится справа от Земли. Вы можете себе представить, что Солнце находится теперь прямо над региона в северном полушарии, то есть летом, в Северной Америке и в Австралии зима.

<п>том полушарии, которое обращено к Солнцу опытом более часов солнечного света каждый день, что способствует тепло летнего сезона. Другой фактор, о котором говорилось выше, заключается в том, что солнечный свет в полдень падает на землю под углом, близким к вертикали, и, таким образом, вырабатывает больше энергии на единицу площади поверхности.

На рисунке 2 количество солнечного света одинаково для обоих “a” и “b,” обозначенные красными линиями. Но площадь поверхности Земли, на которую попадает «а», больше, чем площадь, на которую попадает «в». Несмотря на то, что два столбца линий содержат одинаковое количество солнечной энергии, энергия, приходящаяся на единицу площади, на полюсе меньше, чем на экваторе.

В этом проекте вы измерите температуру на земном шаре, нагреваемом тепловой лампой («солнцем»), и исследуете, как она меняется в зависимости от широты и относительного положения глобуса и лампы.

Термины и понятия

• Вращать ось
• Вращаться
• в плоскости
• Орбиты
• Наклона оси
• Солнечной энергии
• Энергии на единицу площади
• широты
• Тропик Рака
• Тропик Козерога
• Долгота
• Продольная линия

Вопросы

• Как получилось, что Земля имеет осевой наклон? (Подсказка: Это связано с тем, почему у нас есть Луна.)
• Где находятся тропик Рака и тропик Козерога  на вашем глобусе? Что особенного в этих линиях?
• Где находятся линии широты и долготы?
• Как меняется угол наклона оси на протяжении тысяч лет?лет?
• Что обеспечивает относительную стабильность осевого наклона?

Ресурсы

• Участники Википедии. (2009, 10 февраля). Осевой наклон. Википедия: Свободная энциклопедия. Проверено 4 марта 2009 года.
• Участники Википедии. (2009, 26 февраля). Сезон. Википедия: Свободная энциклопедия. Проверено 4 марта 2009 г.

Материалы и оборудование

• Глобус Земли
• A нагревательная лампа с подставкой. Подставку можно приобрести в любом хозяйственном магазине. Тепловые лампы можно приобрести в некоторых хозяйственных магазинах или в Интернете на таких сайтах, как Amazon.com. Вы также можете использовать просто солнечный свет.
• Инфракрасный термометр. Большинство версий должны работать, включая те, что продаются в аптеках. Если вам нужна версия, которая использует лазер для точного определения области сканирования, вы можете купить их онлайн на таких сайтах, как Amazon.com.
• Транспортир
• Линейка
• Лабораторный блокнот

Экспериментальная процедура

Настройка и запись ваших данных

1. Установите нагревательную лампу на твердую плоскую поверхность, которую никто не потревожит.
   1. Используйте поверхность пола или большого стола.
   2. В качестве альтернативы вы можете использовать солнечный свет для обогрева шара.
2. Отрегулируйте тепловую лампу так, чтобы она была направлена горизонтально.
   1. Лампа будет находиться в горизонтальном положении (параллельно полу) на протяжении всего эксперимента.
   2. Убедитесь, что шар лампа не перегревает поверхность и окружающие предметы.
3. Поместите шар рядом с нагревательной лампой.
4. Отрегулируйте расстояние таким образом, чтобы лампа равномерно и мягко нагревала шар.
   1. Будьте осторожны, чтобы не перегреть глобус.
5. Теперь вы расположите Землю так, как она расположена летом в южном полушарии. (Если смотреть на рисунок 1, лампа должна находиться слева от земного шара.) На следующих этапах лампу и глобус следует расположить таким образом, чтобы солнечный свет (лампа) падал на южное полушарие прямо над головой.
6. Расположите лампу и глобус так, чтобы свет от лампы падал на глобус прямо над Тропиком Козерога (перпендикулярно к нему).
7. Поскольку темные цвета поглощают больше света от лампы, поверните глобус так, чтобы область, в которой находится лампа, была видна. рядом с лампой находится южная часть Тихого океана.
8. Подождите около пяти минут, чтобы температура на земном шаре стабилизировалась.
   1. Вы можете измерять температуру, пока ждете, чтобы увидеть, как быстро нагревается земной шар и когда температура станет стабильной.
9. Вы будете использовать инфракрасный термометр для измерения температуры поверхности земного шара в следующих точках. Приблизительный угол наклона солнца показан в круглых скобках, и вы будете использовать эти углы в своих графиках.
   1. Южный полюс (23 градуса)
   2. Тропик Козерога (90 градусов)
   3. Экватор (66 градусов)
   4. Тропик Рака (44 градуса)
   5. Северный полюс (0 градусов)
      • Летом на Северном полюсе 24 часа в сутки темно. южное полушарие. Используйте 0 градусов для точек, на которые не попадает свет. Температура во всех местах, куда не попадает свет, должна быть одинаковой.
10. Поднесите термометр близко к глобусу, на расстоянии примерно 2 сантиметров (0,8 дюйма). Поэкспериментируйте, чтобы определить оптимальное расстояние.
11. Обратите внимание на угол и дистанцию (относительно земного шара), под которыми вы держите термометр. Запишите это в таблицу данных в своем лабораторном блокноте. Соблюдайте постоянство угла и расстояния при всех показаниях. Точки, в которых вы снимаете показания, должны располагаться вдоль продольной линии (то есть вдоль линии север-юг).
12. Снимите не менее трех показаний с каждой широты.
13. Усредните свои показания и запишите результаты в свой лабораторный блокнот.

Построение графика ваших результатов

1. Вычтите температуру на Северном полюсе из всех значений температуры.
   1. Это покажет вам изменение температуры из-за индикатора нагрева.
2. График изменения температуры в зависимости от угол наклона солнца.
   1. Отложите угол наклона солнца по оси x.
   2. Название местоположения (Южный полюс, и т.д.) на диаграмме.
   3. Отложите изменение температуры по оси y.
   4. Обозначьте диаграмму как «Лето в Южном полушарии»/»Зима в Северном полушарии».
3. Повторите процедуру для других сезонов, включая лето, осень и весну в северном полушарии (зиму, весну и осень в южном полушарии).

Варианты

• Повторите процедуру, используя вместо этого сферу однородного цвета (например, мяч из магазина игрушек). в виде земного шара. Нарисуйте линии широты с интервалом в 15 градусов. Это позволит избежать ошибок, связанных с различиями в цвете на глобусе.Используйте транспортир для измерения угла наклона лампы к различным точкам на глобусе.
• Повторите процедуру, но укажите больше точек, в которых вы измеряете температуру, например, Арктический и Антарктический круги.
• Рассчитайте относительную энергию на единицу площади для каждой точки. Используйте точку, расположенную непосредственно под солнцем, как «100 процентов» и соотнесите остальные точки с этой точкой. Как энергия на единицу площади соотносится с температурой?
• Посмотрите, как меняется расстояние между Землей и Солнцем в течение года. Используйте тепловую лампу и глобус, чтобы смоделировать влияние различных расстояний на температуру на Земле (измените расстояние на тот же процент). Сравните величину этого эффекта с эффектом, вызванным наклоном оси.
• Используйте кусок картона темного цвета, чтобы более точно измерить зависимость угла падения света от температуры и энергии на единицу площади. Поднесите его к лампе под разными углами (используйте транспортир), сохраняя расстояние постоянным.

Это упражнение предлагается вам в сотрудничестве с  Science Buddies. Найдите оригинальное упражнение на веб-сайте Science Buddies.

<загрузка изображения="ленивое" декодирование="асинхронное" width="680" height="173" src="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2023/01/680_science_buddies_banner.png " alt="Баннер с надписью "ДРУЗЬЯ ПО НАУКЕ"" class="wp-image-214358" />