Varför vi har årstider

Jorden är som närmast solen i början av januari, mitt under den nordliga vintern. Så avståndet kan inte vara det som gör sommaren varm. Den verkliga orsaken är en lutning på ca 23 grader, och det förändrar allt.

Årstiderna kommer från en lutning, inte från avstånd.

Titta.

Gissa först: i vilken månad är jorden närmast solen?

I början av januari, mitt i den nordliga vintern. Så avståndet kan inte vara det som gör sommaren.

Många tror att sommaren inträffar när jorden är närmare solen. Det är inte sant. Jorden är närmast solen i början av Januari, som är vinter i Europa, Nordamerika och större delen av Asien.

Den verkliga orsaken är att jorden lutar. Dess rotationsaxel lutar med cirka 23,4 grader. Axeln fortsätter att peka åt samma håll i rymden (mot polstjärnan) året runt. Så:

• In Juni, den norra halvan av jorden lutar mot solen. Dagarna är långa, solen stiger högt och i norr är det sommar. Södern har vinter.
• I december är det tvärtom.
• In Mars och September, varken halva lutar mot solen. Dag och natt är ungefär lika överallt. Dessa är dagjämningarna.

Prova Seasons Explorer ovan. Flytta datum och latitud och se två saker förändras: hur högt solen blir vid middagstid, och hur många timmar av dagsljus det finns.

Förstå

Två effekter gör sommaren varm:

1. Solens höjd. När solen står högt träffar dess ljus marken mer direkt och varje kvadratmeter får mer energi. När den är låg sprids samma stråle över ett större område.
2. Dagens längd. Fler soltimmar innebär mer tid att värma upp och mindre natt för att svalna ner.

Solens position norr eller söder om ekvatorn kallas dess deklination. Den svänger mellan +23,44° (junisolståndet) och −23,44° (decembersolståndet) och korsar 0° vid dagjämningarna.

Vid middagstid är solens höjd över horisonten:

noon height = 90° − |latitud − deklination|

För London (51,5° N) i juni: 90 − |51,5 − 23,44| = 61,9°. I december: 90 − |51,5 + 23,44| = 15,1°. Det är en enorm skillnad i hur starkt solljuset värmer marken.

Nära polerna händer något märkligare. Norr om polcirkeln (66,56° N) finns det minst en dag varje år då solen aldrig går ner och en dag när den aldrig går upp.

Master

Dagsljusets längd kommer från solnedgångens timvinkel H₀, där solens mittpunkt möter en plan horisont:

cos H₀ = −tan φ · tan δ,   dagsljus = 2H₀ / 15 timmar

med latitud φ och deklination δ, H₀ i grader. Om −tan φ · tan δ ≤ −1 går solen aldrig ner, om den är ≥ 1 går den aldrig upp. Vid ekvatorn (φ = 0) ger formeln 12 timmar på varje dag under året.

Det här är den geometriska dagen. Det verkliga dagsljuset är flera minuter längre eftersom atmosfären böjer ljuset över horisonten (brytning, ca 0,57°) och eftersom soluppgången definieras av solens övre kant, inte dess centrum (ca 0,27°). Officiella soluppgångstabeller använder −0,833° istället för 0°.

Själva deklinationen kommer från solens ekliptiska longitud λ och jordens lutning ε: sin δ = sin ε · sin λ. Verktyget använder den amerikanska. Naval Observatory’s ungefärliga formel för λ, med en noggrannhet på ca 0,01°.

Avståndseffekten är verklig men liten. Mellan perihelium (147,1 miljoner km) och aphelium (152,1 miljoner km) ändras det solljus som når jorden med (152,1/147,1)² ≈ 1,069, ungefär 7 %. Lutningen ändrar middagssolljus per kvadratmeter i London med en faktor på sin 61,9° / sin 15,1° ≈ 3,4 och dagslängden med en faktor på mer än två.