Por que temos estações

A Terra está mais próxima do Sol no início de janeiro, bem no meio do inverno norte. Assim, a distância não pode ser o que torna o verão quente. A verdadeira razão é uma inclinação de cerca de 23 graus, e isso muda tudo.

As estações vêm de uma inclinação, não da distância.

Olha.

Adivinhe primeiro: em que mês a Terra está mais próxima do Sol?

No início de janeiro, no meio do inverno do norte. Então a distância não pode ser o que faz verão.

Muitas pessoas pensam que o verão acontece quando a Terra está mais perto do Sol. Isso não é verdade. A Terra está mais próxima do Sol no início Janeiro, que é inverno na Europa, América do Norte e maior parte da Ásia.

A verdadeira razão é que a Terra está inclinada. O seu eixo de rotação inclina-se cerca de 23,4 graus. O eixo continua apontando para a mesma direção no espaço (em direção à Estrela do Norte) durante todo o ano. Então:

• Em Junho, a metade norte da Terra inclina-se em direção ao Sol. Os dias são longos, o sol sobe alto e o norte tem verão. O sul tem inverno.
• Em dezembro, é o contrário.
• Em março e em setembro, nenhuma das metades se inclina para o Sol. Dia e noite são quase iguais em todos os lugares. Estes são os equinócios.

Experimente o Seasons Explorer acima. Mova a data e a latitude e veja duas coisas mudarem: quão alto o Sol fica ao meio-dia, e quantas horas de luz do dia há.

Entenda.

Dois efeitos tornam o verão quente:

1. Altura do Sol. Quando o Sol está alto, sua luz atinge o solo mais diretamente e cada metro quadrado recebe mais energia. Quando está baixo, o mesmo feixe é espalhado por uma área maior.
2. Duração do dia. Mais horas de luz solar significa mais tempo para aquecer e menos noite para esfriar.

A posição do Sol a norte ou sul do equador é chamada de sua declinação. Ele oscila entre +23,44° (solstício de junho) e -23,44° (solstício de dezembro) e cruza 0° nos equinócios.

Ao meio-dia, a altura do Sol acima do horizonte é:

altitude do meio-dia = 90° − |latitude − declinação|

Para Londres (51,5° N) em junho: 90 − |51,5 − 23,44| = 61,9°. Em dezembro: 90 − |51,5 + 23,44| = 15,1°. Essa é uma enorme diferença na intensidade com que a luz solar aquece o solo.

Perto dos pólos acontece algo mais estranho. Ao norte do Círculo Polar Ártico (66,56° N) há pelo menos um dia por ano em que o Sol nunca se põe e outro em que ele nunca nasce.

Mestre

A duração da luz do dia vem do ângulo horário H₀ do pôr-do-sol, onde o centro do Sol encontra um horizonte plano:

cos H₀ = −tan φ · tan δ,   luz do dia = 2H₀ / 15 horas

com latitude φ e declinação δ, H₀ em graus. Se −tan φ · tan δ ≤ −1 o Sol nunca se põe; se é ≥ 1 ele nunca nasce. No equador (φ = 0) a fórmula dá 12 horas em cada dia do ano.

Este é o dia geométrico. A luz do dia real é mais longa em vários minutos porque a atmosfera dobra a luz sobre o horizonte (refração, cerca de 0,57°) e porque o nascer do sol é definido pela borda superior do Sol, não pelo seu centro (cerca de 0,27°). As tabelas oficiais de nascer do sol usam −0,833° em vez de 0°.

A própria declinação vem da longitude eclíptica do Sol λ e da obliquidade terrestre ε: sin δ = sin ε · sin λ. A ferramenta usa o U.S. Fórmula aproximada do Observatório Naval para λ, precisa a cerca de 0,01° neste século.

O efeito da distância é real, mas pequeno. Entre o periélio (147,1 milhões de km) e o afélio (152,1 milhões de km), a luz solar que atinge a Terra muda em (152,1/147,1)² ≈ 1,069, cerca de 7%. A inclinação muda a luz solar do meio-dia por metro quadrado em Londres por um fator de sin 61,9 ° / sin 15,1 ° ≈ 3,4 e a duração do dia por um fator de mais de dois.