Anotimpurile

Figura 4.5 arată traseul anual al Pământului în jurul Soarelui, cu axa Pământului înclinată cu 23,5°. Rețineți că axa noastră continuă să indice aceeași direcție pe cer pe tot parcursul anului. Pe măsură ce Pământul călătorește în jurul Soarelui, în iunie, emisfera nordică „se apropie” de Soare și este mai direct iluminată. În decembrie, situația se inversează: emisfera sudică se înclină spre Soare, iar emisfera nordică se înclină. În septembrie și martie, Pământul se înclină „în lateral” – nici spre Soare, nici departe de acesta – astfel încât cele două emisfere sunt la fel de favorizate de soare.

Figura 4.5 Anotimpuri. Vedem Pământul în diferite anotimpuri în timp ce înconjoară Soarele. În iunie, emisfera nordică „se înclină” spre Soare, iar cei din nord experimentează vara și au zile mai lungi. În decembrie, în timpul iernii în emisfera nordică, emisfera sudică „se întoarce” spre Soare și este iluminată mai direct. Primăvara si toamna cele doua emisfere primesc cote mai egale de lumina solara[1].

Cum favorizarea de către Soare a unei emisfere se traduce prin faptul că aceasta este mai caldă pentru noi pe suprafața Pământului? Sunt două efecte pe care trebuie să le luăm în considerare. Când ne întoarcem spre Soare, lumina soarelui ne lovește într-un unghi mai direct și este mai eficientă la încălzirea suprafeței Pământului (Figura 4.6). Puteți obține un efect similar luminând o lanternă pe un perete. Dacă lanterna luminează direct, obțineți o pată intensă de lumină pe perete. Dar dacă țineți lanterna într-un unghi (dacă peretele „se înclină” față de fascicul), atunci punctul de lumină este mai răspândit. La fel ca lumina directă, lumina soarelui în iunie este mai directă și mai intensă în emisfera nordică și, prin urmare, mai eficientă la încălzire.

Figura 4.6 Razele Soarelui vara și iarna. (a) Vara, Soarele apare sus pe cer, iar razele lui lovesc Pământul mai direct, răspândindu-se mai puțin. (b) În timpul iernii, Soarele este jos pe cer și razele sale se răspândesc pe o zonă mult mai largă, devenind mai puțin eficiente la încălzirea solului.

Al doilea efect are de-a face cu durata de timp pe care Soarele o petrece deasupra orizontului (Figura 4.7). Chiar dacă nu te-ai gândit niciodată la astronomie până acum, suntem siguri că ai observat că orele de lumină cresc vara și scad iarna. Să vedem de ce se întâmplă asta.

Figura 4.7 Calea Soarelui pe cer pentru diferite anotimpuri. Pe 21 iunie, Soarele răsare la nord de est și apune la nord de vest. Pentru observatorii din emisfera nordică a Pământului, Soarele petrece aproximativ 15 ore deasupra orizontului în Statele Unite, ceea ce înseamnă mai multe ore de lumină. Pe 21 decembrie, Soarele răsare la sud de est și apune la sud de vest. Petrece 9 ore deasupra orizontului în Statele Unite, ceea ce înseamnă mai puține ore de lumină și mai multe ore de noapte în țările nordice (și o nevoie puternică pentru oamenii să organizeze sărbători pentru a se înveseli). Pe 21 martie și 21 septembrie, Soarele petrece cantități egale de timp deasupra și sub orizont în ambele emisfere.

După cum am văzut în Observarea cerului: Nașterea astronomiei, un mod echivalent de a ne uita la drumul nostru în jurul Soarelui în fiecare an este să pretindem că Soarele se mișcă în jurul Pământului (pe un cerc numit ecliptică). Deoarece axa Pământului este înclinată, ecliptica este înclinată cu aproximativ 23,5° față de ecuatorul ceresc (vedeți Figura 2.7). Ca rezultat, locul în care vedem Soarele de pe cer se schimbă pe măsură ce anul trece.

În iunie, Soarele se află la nord de ecuatorul ceresc și petrece mai mult timp cu cei care locuiesc în emisfera nordică. Se ridică sus pe cer și se află deasupra orizontului în Statele Unite pentru până la 15 ore. Astfel, Soarele nu numai că ne încălzește cu mai multe raze directe, dar are și mai mult timp să o facă în fiecare zi. (Observați în Figura 4.7 că câștigul emisferei nordice este pierderea emisferei sudice. Acolo Soarele din iunie este jos pe cer, ceea ce înseamnă mai puține ore de lumină. În Chile, de exemplu, iunie este o perioadă mai rece și mai întunecată a anului.) În decembrie, când Soarele se află la sud de ecuatorul ceresc, situația este inversată.

Să ne uităm la cum arată iluminarea Soarelui pe Pământ în anumite date specifice ale anului, când aceste efecte sunt la maxim. La sau în jurul datei de 21 iunie (data pe care noi cei care trăim în emisfera nordică o numim solstițiul de vară sau uneori prima zi de vară), Soarele strălucește cel mai direct asupra emisferei nordice a Pământului. Apare la aproximativ 23° nord de ecuator și astfel, la acea dată, trece prin zenitul locurilor de pe Pământ care se află la 23° N latitudine. Situația este prezentată în detaliu în Figura 4.8. Pentru o persoană la 23° N (lângă Hawai, de exemplu), Soarele este direct deasupra capului la prânz. Această latitudine, unde Soarele poate apărea la zenit la prânz în prima zi de vară, este numită Tropicul Racului.

Vedem, de asemenea, în Figura 4.8 că razele Soarelui strălucesc în jurul Polului Nord la solstițiu. Pe măsură ce Pământul se întoarce pe axa sa, Polul Nord este iluminat continuu de Soare; toate locurile aflate la 23° de pol au soare timp de 24 de ore. Soarele se află cât mai mult spre nord la această dată; astfel, 90° – 23° (sau 67° N) este cea mai sudică latitudine unde Soarele poate fi văzut pentru o perioadă completă de 24 de ore (numit uneori „Țara Soarelui de la miezul nopții”). Acest cerc de latitudine se numește Cercul Arctic.

Figura 4.8 Pământul pe 21 iunie. Aceasta este data solstițiului de vară în emisfera nordică. Rețineți că, pe măsură ce Pământul se întoarce pe axa sa (linia care leagă Polul Nord și Polul Sud), Polul Nord este în lumina constantă a Soarelui, în timp ce Polul Sud este 24 de ore în întuneric. Soarele este la zenit pentru observatorii de pe Tropicul Racului.

Multe culturi timpurii au programat evenimente speciale în jurul solstițiului de vară pentru a sărbători cele mai lungi zile și pentru a mulțumi zeilor lor pentru că au făcut vremea caldă. Acest lucru le-a cerut oamenilor să țină evidența lungimii zilelor și a drumului spre nord a Soarelui pentru a ști ziua potrivită pentru „petrecere”. (Puteți face același lucru urmărind timp de câteva săptămâni, din același punct de observare, unde Soarele răsare sau apune în raport cu un reper fix. Primăvara, Soarele va răsări din ce în ce mai mult la nord de est și va apune din ce în ce mai mult la nord de vest, atingând maximul în jurul solstițiului de vară.)

Acum uitați-vă la Polul Sud din Figura 4.8. Pe 21 iunie, toate locurile aflate la 23° de Polul Sud, adică la sud de ceea ce numim Cercul Antarctic, nu văd deloc Soarele timp de 24 de ore.

Situația este inversată 6 luni mai târziu, în jurul datei de 21 decembrie (data solstițiului de iarnă sau prima zi de iarnă în emisfera nordică), așa cum se arată în Figura 4.9. Acum, Cercul Arctic are noaptea de 24 de ore și Cercul Antarctic are Soarele de la miezul nopții. La 23° latitudine S, numită Tropicul Capricornului, Soarele trece prin zenit la amiază. Zilele sunt mai lungi în emisfera sudică și mai scurte în nord. În Statele Unite și Europa de Sud, pot exista doar 9 sau 10 ore de soare în timpul zilei. Este iarnă în emisfera nordică și vară în emisfera sudică.

Figura 4.9 Pământul pe 21 decembrie. Aceasta este data solstițiului de iarnă în emisfera nordică. Acum Polul Nord este în întuneric timp de 24 de ore, iar Polul Sud este iluminat. Soarele se află la zenit pentru observatorii de pe Tropicul Capricornului și, prin urmare, este jos pe cer pentru locuitorii emisferei nordice.

EXEMPLUL 4.1

Variații sezoniere

După cum puteți vedea în Figura 4.8, Tropicul Racului este latitudinea pentru care Soarele se află direct deasupra capului la solstițiul de vară. În acest moment, Soarele se află la o declinare de 23° N față de ecuatorul ceresc, iar latitudinea corespunzătoare pe Pământ este de 23° N față de ecuator. Dacă Pământul ar fi înclinat puțin mai puțin, atunci Tropicul Racului ar fi la o latitudine mai mică, mai aproape de ecuator.

Cercul polar marchează cea mai sudică latitudine pentru care durata zilei este de 24 de ore în ziua solstițiului de vară. Acesta este situat la 90° – 23° = 67° N față de ecuatorul Pământului. Dacă Pământul ar fi înclinat puțin mai puțin, atunci Cercul Arctic s-ar muta mai spre nord. În limita la care Pământul nu este deloc înclinat (axa sa este perpendiculară pe ecliptică), Tropicul Racului ar fi chiar pe ecuatorul Pământului, iar Cercul Arctic ar fi pur și simplu Polul Nord. Să presupunem că înclinarea axei Pământului a fost înclinată doar cu 5°. Care ar fi efectul asupra anotimpurilor și a locațiilor Tropicului Racului și Cercul Arctic?

Soluție

Dacă Pământul ar fi înclinat mai puțin, anotimpurile ar fi mai puțin extreme. Variația în lungimea zilei și lumina directă a soarelui ar fi foarte mică pe parcursul unui an, iar calea zilnică a Soarelui pe cer nu ar varia prea mult. Dacă Pământul ar fi înclinat cu 5°, poziția Soarelui în ziua solstițiului de vară ar fi la 5° N față de ecuatorul ceresc, astfel încât Tropicul Racului s-ar afla la latitudinea corespunzătoare de pe Pământ de 5° N față de Ecuator. Cercul polar ar fi situat la 90° – 5° = 85° N față de ecuator.

EXERICIȚIU

Să presupunem că înclinarea axei Pământului este de 16°. Care ar fi, atunci, diferența de latitudine dintre Cercul Arctic și Tropicul Racului? Care ar fi efectul asupra anotimpurilor în comparație cu cel produs de înclinarea reală de 23°?

Răspuns:

Tropicul Racului se află la o latitudine egală cu înclinarea Pământului, deci, în acest caz, ar fi la 16° N latitudine. Cercul polar se află la o latitudine egală cu 90° minus înclinarea Pământului, sau 90° – 16° = 74°. Diferența dintre aceste două latitudini este de 74° – 16° = 58°. Deoarece înclinarea Pământului este mai mică, ar exista mai puține variații în înclinarea Pământului și mai puține variații în căile Soarelui de-a lungul anului, deci ar exista schimbări sezoniere mai ușoare.

Multe culturi care s-au dezvoltat la o anumită distanță la nord de ecuator au o sărbătoare în jurul datei de 21 decembrie pentru a ajuta oamenii să facă față lipsei deprimante de lumină solară și temperaturilor adesea periculos de reci. Inițial, acesta a fost adesea un timp pentru a se înghesui cu familia și prietenii, pentru a împărți rezervele de mâncare și băutură și pentru ritualuri care le cereau zeilor să returneze lumina și căldura și să schimbe ciclul anotimpurilor. Multe culturi au construit dispozitive elaborate pentru a anticipa când va veni cea mai scurtă zi a anului. Stonehenge din Anglia, construit cu mult înainte de inventarea scrisului, este probabil un astfel de dispozitiv. În timpul nostru, continuăm tradiția solstițiului de iarnă cu diverse sărbători de sărbători în jurul acelei date din decembrie.

La jumătatea distanței dintre solstiții, în aproximativ 21 martie și 21 septembrie, Soarele se află pe ecuatorul ceresc. De pe Pământ, apare deasupra ecuatorului planetei noastre și nu favorizează niciuna dintre emisfere. Fiecare loc de pe Pământ primește atunci aproximativ 12 ore de soare și 12 ore de noapte. Punctele în care Soarele traversează ecuatorul ceresc se numesc echinocțiu de primăvară și de toamnă.

Nota:

[1] Rețineți că datele indicate pentru solstiții și echinocții sunt aproximative; în funcție de an, pot apărea cu o zi sau două mai devreme sau mai târziu.