Per què tenim estacions

La Terra és més a prop del Sol a principis de gener, just enmig de l’hivern septentrional. Així que la distància no pot ser el que fa l’estiu calent. La raó real és una inclinació d’uns 23 graus, i ho canvia tot.

Les estacions vénen d’una inclinació, no de la distància.

Mira

Endevina primer: en quin mes la Terra és més a prop del Sol?

A principis de gener, enmig de l’hivern del nord. Així que la distància no pot ser el que fa l’estiu.

Molta gent pensa que l’estiu passa quan la Terra està més a prop del Sol. No és cert. La Terra és més a prop del Sol al principi Gener, que és l’hivern a Europa, Amèrica del Nord i la major part d’Àsia.

La raó real és que la Terra està inclinada. El seu eix de rotació s’inclina aproximadament 23,4 graus. L’eix continua apuntant en la mateixa direcció a l’espai (cap a l’Estrella del Nord) tot l’any. So:

• En de juny, la meitat nord de la Terra es recolza cap al Sol. Els dies són llargs, el sol puja alt i al nord hi ha estiu. El sud té hivern.
• En de desembreÉs al revés.
• En març i setembre, cap de les meitats no s’inclina cap al Sol. El dia i la nit són aproximadament iguals a tot arreu. Aquests són els equinocis.

Prova l’ explorador de estacions. Mou la data i la latitud i mira com canvien dues coses: quant d’ alt està el Sol al migdia, i quantes hores de llum hi ha.

Entesos

Dos efectes fan que l’ estiu sigui càlid:

1. Alçada del Sol. Quan el Sol està alt, la seva llum colpeja el terra més directament i cada metre quadrat rep més energia. Quan és baix, el mateix feix s’estén sobre una àrea més gran.
2. Durada del dia. Més hores de llum solar significa més temps per escalfar-se i menys nit per refrescar-se.

La posició del Sol al nord o sud de l’equador s’anomena la seva declinació. oscil·la entre +23,44° (solstici de juny) i −23,44° (solstici de desembre) i creua 0° als equinoccis.

Al migdia, l’ alçada del Sol sobre l’ horitzó és:

Alçada del migdia = 90° − |latitud − declinació|

Per a Londres (51.5° N) al juny: 90 − |51.5 − 23.44| = 61.9°. Al desembre: 90 − |51.5 + 23.44| = 15.1°. És una gran diferència en la força amb què la llum del sol escalfa el terra.

Prop dels pols passa alguna cosa més estranya. Al nord del cercle polar àrtic (66,56° N) hi ha almenys un dia cada any en què el Sol mai no es posa i un altre en què mai no surt.

Mestre

La longitud de la llum del dia prové de l’ angle horari H₀ de la posta de sol, on el centre del Sol es troba amb un horitzó pla:

cos H₀ = −tan φ · tan δ,   llum del dia = 2H₀ / 15 hores

amb latitud φ i declinació δ, H₀ en graus. Si −tan φ · tan δ ≤ −1 el Sol mai no es posa; si és ≥ 1 mai no surt. A l’equador (φ = 0) la fórmula dóna 12 hores en cada dia de l’any.

Aquest és el dia geomètric. La llum del dia real és més llarga en diversos minuts perquè l’atmosfera flexiona la llum sobre l’horitzó (refracció, al voltant de 0,57 °) i perquè l’alba es defineix per la vora superior del Sol, no pel seu centre (al voltant de 0,27 °). Les taules oficials de l’alba utilitzen −0,833° en lloc de 0°.

La declinació en si prové de la longitud eclíptica del Sol λ i l’obliqüitat terrestre ε: sin δ = sin ε · sin λ. L’eina utilitza el sistema de classificació La fórmula aproximada de l’Observatori Naval per a λ, precisa fins a uns 0,01° d’aquest segle.

L’efecte de distància és real però petit. Entre el periheli (147,1 milions de km) i l’afeli (152,1 milions de km) la llum solar que arriba a la Terra canvia en (152,1/147,1)² ≈ 1,069, al voltant del 7%. La inclinació canvia la llum del sol del migdia per metre quadrat a Londres en un factor de sin 61,9 ° / sin 15,1 ° ≈ 3,4, i la longitud del dia en un factor de més de dos.