Por qué tenemos estaciones

La Tierra está más cerca del Sol a principios de enero, justo en medio del invierno del norte. Así que la distancia no puede ser lo que hace el verano caliente. La verdadera razón es una inclinación de unos 23 grados, y eso lo cambia todo.

Las estaciones vienen de una inclinación, no de la distancia.

Mira.

Muchas personas piensan que el verano ocurre cuando la Tierra está más cerca del Sol. No es verdad. Earth is closest to the Sun in early January, which is winter in Europe, North America and most of Asia.

La verdadera razón es que la Tierra está inclinada. Su eje de rotación se inclina unos 23,4 grados. El eje sigue apuntando a la misma dirección en el espacio (hacia la Estrella Polar) todo el año. Por lo tanto:

• In June, the northern half of Earth leans towards the Sun. Los días son largos, el sol sube alto y el norte tiene verano. El sur tiene invierno.
• En diciembre, es al revés.
• En marzo y septiembre, ninguna mitad se inclina hacia el Sol. El día y la noche son casi iguales en todas partes. Estos son los equinoccios.

Pruebe el Explorador de estaciones arriba. Mueve la fecha y la latitud y observa dos cosas que cambian: qué tan alto está el sol al mediodía, y cuántas horas de luz hay.

Entender

Dos efectos hacen que el verano sea cálido:

1. Altura del Sol. Cuando el Sol está alto, su luz incide más directamente en el suelo y cada metro cuadrado recibe más energía. Cuando es bajo, el mismo haz se extiende sobre un área más grande.
2. Duración del día. Más horas de luz solar significa más tiempo para calentarse y menos noche para enfriarse.

La posición del Sol al norte o al sur del ecuador se llama su declinación. Se mueve entre +23,44° (solsticio de junio) y −23,44° (solsticio de diciembre) y cruza 0° en los equinoccios.

Al mediodía, la altura del Sol sobre el horizonte es:

noon height = 90° − |latitude − declination|

Para Londres (51,5° N) en junio: 90 − |51,5 − 23,44| = 61,9°. En diciembre: 90 − |51.5 + 23.44| = 15.1°. Esa es una gran diferencia en la intensidad con que la luz solar calienta el suelo.

Cerca de los polos sucede algo más extraño. Al norte del Círculo Polar Ártico (66.56° N) hay al menos un día cada año en el que el Sol nunca se pone, y uno en el que nunca sale.

Master

La longitud de la luz del día viene del ángulo horario H₀ de la puesta del sol, donde el centro del Sol se encuentra con un horizonte plano:

cos H₀ = −tan φ · tan δ,   daylight = 2H₀ / 15 hours

con latitud φ y declinación δ, H₀ en grados. Si −tan φ · tan δ ≤ −1 el Sol nunca se pone; si es ≥ 1 nunca sale. En el ecuador (φ = 0) la fórmula da 12 horas en cada día del año.

Este es el día geométrico. La luz diurna real es más larga en varios minutos porque la atmósfera dobla la luz sobre el horizonte (refracción, alrededor de 0.57°) y porque el amanecer se define por el borde superior del Sol, no su centro (alrededor de 0.27°). Las tablas oficiales de salida del sol usan −0.833° en lugar de 0°.

La declinación en sí misma proviene de la longitud eclíptica del Sol λ y la oblicuidad de la Tierra ε: sin δ = sin ε · sin λ. La herramienta utiliza el estándar de EE. La fórmula aproximada del Observatorio Naval para λ, con una precisión de alrededor de 0.01° este siglo.

El efecto de la distancia es real pero pequeño. Entre el perihelio (147,1 millones de km) y el afelio (152,1 millones de km), la luz solar que llega a la Tierra cambia en (152,1/147,1)² ≈ 1,069, alrededor del 7%. La inclinación cambia la luz solar del mediodía por metro cuadrado en Londres en un factor de sin 61.9° / sin 15.1° ≈ 3.4, y la duración del día en un factor de más de dos.