Γιατί έχουμε εποχές

Η Γη βρίσκεται πιο κοντά στον Ήλιο στις αρχές Ιανουαρίου, ακριβώς στη μέση του βόρειου χειμώνα. Έτσι η απόσταση δεν μπορεί να είναι αυτό που κάνει το καλοκαίρι ζεστό. Ο πραγματικός λόγος είναι μια κλίση περίπου 23 μοιρών, και αλλάζει τα πάντα.

Οι εποχές έρχονται από την κλίση, όχι από την απόσταση.

Κοίτα.

Μαντέψτε πρώτα: σε ποιο μήνα η Γη είναι πιο κοντά στον Ήλιο;

Στις αρχές Ιανουαρίου, στη μέση του βόρειου χειμώνα. Έτσι η απόσταση δεν μπορεί να είναι αυτό που κάνει το καλοκαίρι.

Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι το καλοκαίρι συμβαίνει όταν η Γη είναι πιο κοντά στον Ήλιο. Δεν είναι αλήθεια. Η Γη είναι πιο κοντά στον Ήλιο στις αρχές του Ιανουάριος, το οποίο είναι χειμώνας στην Ευρώπη, τη Βόρεια Αμερική και το μεγαλύτερο μέρος της Ασίας.

Ο πραγματικός λόγος είναι ότι η Γη με κλίση. Ο άξονας περιστροφής του έχει κλίση περίπου 23,4 μοίρες. Ο άξονας δείχνει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση στο διάστημα (προς το Βόρειο Αστέρα) όλο το χρόνο. Έτσι:

• Εντός Ιούνιος, το βόρειο μισό της Γης κλίνει προς τον Ήλιο. Οι μέρες είναι μεγάλες, ο ήλιος ανεβαίνει ψηλά και το βορρά έχει καλοκαίρι. Ο νότος έχει χειμώνα.
• Εντός Δεκέμβριος, είναι το αντίστροφο.
• Εντός Μάρτιος και Σεπτέμβριος, ούτε το μισό κλίνει προς τον ήλιο. Ημέρα και νύχτα είναι περίπου ίσες παντού. Αυτές είναι οι ισημερίες.

Δοκιμάστε τον Εξερευνητή Εποχών παραπάνω. Μετακινήστε την ημερομηνία και το γεωγραφικό πλάτος και δείτε δύο πράγματα να αλλάζουν: πόσο ψηλά βρίσκεται ο Ήλιος το μεσημέρι, και πόσες ώρες φωτός της ημέρας υπάρχουν.

Καταλάβετε

Δύο αποτελέσματα κάνουν το καλοκαίρι ζεστό:

1. Ύψος του Ήλιου. Όταν ο Ήλιος είναι ψηλά, το φως του χτυπάει πιο άμεσα στο έδαφος και κάθε τετραγωνικό μέτρο παίρνει περισσότερη ενέργεια. Όταν είναι χαμηλό, η ίδια δέσμη εξαπλώνεται σε μεγαλύτερη περιοχή.
2. Διάρκεια της ημέρας. Περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας σημαίνει περισσότερος χρόνος για να ζεσταθεί και λιγότερη νύχτα για να κρυώσει.

Η θέση του Ήλιου βόρεια ή νότια του Ισημερινού λέγεται η θέση του απόκλιση. Η γωνιακή του απόσταση κυμαίνεται μεταξύ +23,44° (ηλιοστάσιο Ιουνίου) και −23,44° (ηλιοστάσιο Δεκεμβρίου) και διασχίζει τη 0° στις ισημερίες.

Το μεσημέρι, το ύψος του Ήλιου πάνω από τον ορίζοντα είναι:

μεσημέρι ύψος = 90° − |γεωγραφικό πλάτος − απόκλιση|

Για το Λονδίνο (51,5° Β) τον Ιούνιο: 90 − |51,5 − 23,44| = 61,9°. Τον Δεκέμβριο: 90 − |51.5 + 23.44| = 15.1°. Αυτή είναι μια τεράστια διαφορά στο πόσο έντονα το φως του ήλιου θερμαίνει το έδαφος.

Κοντά στους πόλους συμβαίνει κάτι πιο περίεργο. Βόρεια του Αρκτικού Κύκλου (66,56° Β) υπάρχει τουλάχιστον μία ημέρα κάθε χρόνο που ο Ήλιος δεν δύει ποτέ και μια ημέρα που δεν ανατέλλει ποτέ.

Κύριε.

Η διάρκεια του φωτός της ημέρας προέρχεται από την ωριαία γωνία Η₀ της δύση του ηλίου, όπου το κέντρο του Ήλιου συναντά έναν επίπεδο ορίζοντα:

cos H₀ = −tan φ · tan δ,   φως της ημέρας = 2H₀ / 15 ώρες

με γεωγραφικό πλάτος φ και απόκλιση δ, H₀ σε μοίρες. Αν −tan φ · tan δ ≤ −1 ο Ήλιος δεν δύει ποτέ, αν είναι ≥ 1 δεν ανατέλλει ποτέ. Στον Ισημερινό (φ = 0) ο τύπος δίνει 12 ώρες σε κάθε ημέρα του έτους.

Αυτή είναι η γεωμετρική μέρα. Το πραγματικό φως της ημέρας είναι μεγαλύτερο κατά αρκετά λεπτά επειδή η ατμόσφαιρα κάμπτεται πάνω από τον ορίζοντα (διάθλαση, περίπου 0,57°) και επειδή η ανατολή του ήλιου ορίζεται από το πάνω άκρο του Ήλιου, όχι το κέντρο του (περίπου 0,27°). Οι επίσημοι πίνακες ανατολής χρησιμοποιούν −0,833° αντί για 0°.

Η απόκλιση προέρχεται από το εκλειπτικό γεωγραφικό μήκος του Ήλιου λ και την κλίση της Γης ε: sin δ = sin ε · sin λ. Το εργαλείο χρησιμοποιεί το πρότυπο των ΗΠΑ. Ο κατά προσέγγιση τύπος του Ναυτικού Αστεροσκοπείου για το λ, με ακρίβεια περίπου 0,01° αυτόν τον αιώνα.

Η επίδραση της απόστασης είναι πραγματική αλλά μικρή. Μεταξύ του περιηλίου (147,1 εκατομμύρια χιλιόμετρα) και του αφελούς (152,1 εκατομμύρια χιλιόμετρα), το ηλιακό φως που φτάνει στη Γη αλλάζει κατά (152,1/147,1)² ≈ 1,069, περίπου 7%. Η κλίση αλλάζει το μεσημεριανό φως του ήλιου ανά τετραγωνικό μέτρο στο Λονδίνο κατά συντελεστή σίν 61,9° / σίν 15,1° ≈ 3,4 και τη διάρκεια της ημέρας κατά συντελεστή μεγαλύτερο από δύο.