Autorem poniższego tekstu jest dr Piotr A. Dybczyński z Instytutu Obserwatorium Astronomiczne UAM w Poznaniu.
Często w informacjach prasowych lub telewizyjnych słyszymy o początku astronomicznej wiosny czy innej pory roku. Nie każdy zapewne pamięta ze szkoły, jak określone są astronomiczne pory roku i co w ogóle astronomia ma z tym wspólnego.
Potoczne rozumienie pór roku to podział na cztery części, z których lato to trzy najcieplejsze miesiące, zima to trzy najzimniejsze a wiosna i jesień to dwa okresy przejściowe. Gdyby jednak zapytać kogoś jakie to trzy miesiące tworzą np. lato, to pojawiają się problemy. Z własnych obserwacji wiemy, że lato zwykle zaczyna się gdzieś w czerwcu a kończy w sierpniu lub wrześniu. Mówiąc o własnych obserwacjach mamy zwykle na myśli występowanie podstawowych zjawisk kojarzących się nam ze zmianami pór roku: ocieplenie lub ochłodzenie, większa lub mniejsza ilość opadów, rzucające się w oczy zmiany w wegetacji roślin czy określone zachowania zwierząt.
Ktoś dokładniejszy będzie próbował odwołać się do takich pojęć jak lato klimatyczne lub lato kalendarzowe czyli astronomiczne właśnie.
Pozycje Ziemi na orbicie w początkach pór roku.
Jaki jest więc związek astronomii ze zmianami klimatu w danym miejscu na Ziemi ?
Odpowiedź jest prosta i skomplikowana zarazem. Przyczyną zmian klimatu jest zmiana ilości energii cieplnej jaką w ciągu doby otrzymuje od Słońca dany rejon Ziemi. Złożoność pojawia się gdy próbujemy opisać wszystkie zjawiska astronomiczne, które składają się na tę zmianę ilości otrzymywanego ciepła. Od razu też trzeba powiedzieć, że nie ma to nic wspólnego ze zmianami ilości energii wysyłanej przez Słońce. Ilość ta jest praktycznie stała i ewentualne zmiany mogłyby być zauważalne w skali milionów lat.
Jakie są więc przyczyny zmian w stopniu ogrzania określonego miejsca na Ziemi przez Słońce ?
Otóż jest to spowodowane nachyleniem osi dobowej rotacji Ziemi do płaszczyzny jej ruchu orbitalnego wokół Słońca. Oś ta tworzy z płaszczyzną orbity Ziemi, zwaną płaszczyzną ekliptyki, kąt ok. 66.5 stopnia. Jeśli pominiemy na razie wszelkie zewnętrzne oddziaływania na wirującą Ziemię to z zasady zachowania momentu pędu wynika, że orientacja osi rotacji w przestrzeni musi być stała. W trakcie ruchu rocznego po orbicie Ziemia jest więc raz nachylona półkulą północną do Słońca (najsilniej pod koniec czerwca ), raz półkulą południową ( pod koniec grudnia ) a dwa razy do roku ustawia się "bokiem" ( w marcu i wrześniu ).
Jaki to ma związek z ilością energii otrzymywaną przez dany punkt na powierzchni Ziemi ? Jak być może pamiętamy ze szkoły, ilość energii padającej na jednostkę powierzchni zależy od cosinusa kąta jaki tworzy strumień energii z prostą prostopadłą do tej powierzchni w interesującym nas miejscu. Można się o tym łatwo przekonać na własnej skórze ( i to dosłownie ! ) przebywając dłużej w słoneczny dzień na plaży w stroju kąpielowym. Miejsca oparzeń słonecznych ( zwykle na ramionach ) to właśnie miejsca gdzie promienie słoneczne najczęściej tworzyły kąt prosty z powierzchnią naszej skóry.
Oświetlenie Ziemi przez Słońce w dniu
przesilenia letniego na półkuli północnej.
Dla uproszczenia ograniczmy się do ogrzewania określonego miejsca na Ziemi w południe, czyli w chwili najwyższego położenia Słońca nad horyzontem. Na przykład w Poznaniu, leżącym na szerokości geograficznej ok 52 stopnie ( na półkuli północnej ) wysokość Słońca nad horyzontem w południe zmienia się w ciągu roku od ok. 61 stopni ( w czerwcu, gdy półkula północna jest najbardziej nachylona do Słońca ) do zaledwie 15 stopni ( w grudniu, gdy do Słońca nachylona jest półkula południowa ). Kąt padania promieni słonecznych ( kąt z prostopadłą do powierzchni ) można wyliczyć odejmując podane wartości od 90 stopni. Dostaniemy odpowiednio 29 stopni i 75 stopni. Cosinusy tych kątów wynoszą odpowiednio: cos 29° = 0.8746 oraz cos 75° = 0.2588. Łatwo obliczyć ( dzieląc te dwie liczby przez siebie ), że w czerwcu, na jednostkę powierzchni Ziemi w Poznaniu pada ponad trzykrotnie więcej energii słonecznej niż w grudniu. Efekt ten jest dodatkowo wzmocniony, ponieważ w okresie lata dni są dłuższe ( co też wynika z położenia osi rotacji względem Słońca ), co wydłuża dobowy okres nagrzewania.
Wynik ten zmienia się oczywiście wraz ze zmianą szerokości geograficznej, jednakże wszystkie punkty półkuli północnej otrzymują najwięcej ciepła pod koniec czerwca a najmniej w grudniu. Na półkuli południowej jest oczywiście dokładnie na odwrót. To, że w Polsce najcieplejszym miesiącem jest zwykle lipiec wynika już tylko ze zniekształcenia omawianego efektu przez opóźnienie w nagrzewaniu się powierzchni Ziemi i atmosfery, wpływ wiatrów i inne czynniki klimatyczne.
A co z eliptycznością orbity Ziemi?
Jest jeszcze jedno zjawisko czysto astronomiczne, które ma wpływ na ilość ciepła otrzymywaną od Słońca przez Ziemię. Wszyscy zapewne pamiętają, że orbita Ziemi nie jest okręgiem ale elipsą a Słońce nie znajduje się w jej środku tylko w nieco przesuniętym punkcie, zwanym ogniskiem. Wynika to bezpośrednio z praw ruchu planet. Słońce leży na dłuższej osi tej elipsy w odległości ok 2.5 miliona km od jej środka. W ciągu rocznego ruchu Ziemi po tej orbicie, jej odległość od Słońca zmienia się więc. Jeżeli średnia odległość Ziemi od Słońca wynosi ok. 149.5 mln km to oznacza to, że najmniejsza odległość wynosi 147 mln km a największa 152 mln km. Ponieważ ilość otrzymywanej ze Słońca energii maleje z kwadratem odległości więc gdy jesteśmy dalej od Słońca powinno być zimniej. Ziemia przechodzi przez punkt najbliższy Słońcu na początku stycznia a przez najdalszy na początku lipca. Ze zdziwieniem stwierdzamy, że najbliżej Słońca jesteśmy w zimie !
Oświetlenie Ziemi przez Słońce w dniu
przesilenia zimowego na półkuli północnej.
Wyjaśnienie jest proste. Z podanych wyżej wartości odległości można wyliczyć, że zmiana ilości energii jest niewielka. Będąc najdalej od Słońca Ziemia nadal otrzymuje ok. 94% tej ilości energii jaką otrzymywała będąc najbliżej. Zmiana wynikająca z eliptyczności orbity Ziemi jest więc ( dla Poznania ) dziesięciokrotnie mniejsza niż ta wynikająca ze zmiany kąta padania promieni słonecznych (czyli z nachylenia jej orbity). Dla mieszkańców półkuli północnej jest więc prawdą paradoksalne z pozoru zdanie: im dalej od Słońca tym cieplej.
Jakkolwiek efekt związany z eliptycznością orbity ziemi jest niewielki, to jest on wyraźnie zauważalny. To właśnie ten efekt powoduje, że na półkuli południowej lata są cieplejsze a zimy ostrzejsze. Na półkuli południowej bowiem efekt ten wzmacnia skutki zmiany kąta padania promieni słonecznych podczas gdy u nas je osłabia.
Oświetlenie Ziemi przez Słońce w dniu
równonocy wiosennej lub jesiennej.
Kiedy więc zaczyna się wiosna?
Powróćmy na koniec do definicji pór roku. Ponieważ to zjawiska astronomiczne są przyczyną ich występowania to również przy pomocy astronomii definiuje się ich początki i końce. Astronomowie wyróżniają na orbicie Ziemi cztery punkty, opisujące położenie osi rotacji Ziemi względem Słońca, dwa tzw. punkty przesilenia ( Raka i Koziorożca ) oraz dwa punkty równonocy ( Barana i Wagi ). Znajdując się w punkcie Koziorożca (ok 22 września) Ziemia jest nachylona do Słońca półkulą północną. Mamy lato na półkuli północnej a z Ziemi Słońce widzimy w punkcie Raka. Gdy Ziemia po pół roku znajdzie się w tym punkcie ( Raka ) to będzie nachylona do Słońca biegunem południowym, u nas będzie zima a Słońce będziemy widzieć w punkcie Koziorożca. W punktach Barana i Wagi oś rotacji Ziemi jest ustawiona do Słońca "bokiem", co między innymi powoduje zrównanie długości dnia z nocą ( stąd nazwa punkty równonocy ). Oczywiście Słońce widzimy w punkcie Barana gdy Ziemia znajduje się w punkcie Wagi i na odwrót. Nazwy punktów Barana, Raka, Wagi i Koziorożca pochodzą od nazw gwiazdozbiorów, w których kiedyś się one znajdowały. Na skutek oddziaływania na ruch wirowy i orbitalny Ziemi innych ciał ( głównie Słońca, Księżyca i w mniejszym stopniu planet ) oś rotacji Ziemi wykonuje powolny ruch zwany precesją. Ruch ten powoduje stopniowe przesuwanie się opisanych punktów na orbicie Ziemi ( o ok. 1.4 stopnia na sto lat ). Dlatego dziś te punkty leżą już w sąsiednich gwiazdozbiorach. Ruch ten, w połączeniu z innymi drobniejszymi jeszcze efektami oraz z niejednostajnością ruchu Ziemi po orbicie eliptycznej powoduje, że nie jest sprawą prostą przewidzieć dokładnie w którym momencie Ziemia znajdzie się w poszczególnym punkcie na swej orbicie a właśnie pojawienie się Ziemi w opisanych czterech punktach oznacza początek kolejnej astronomicznej ( a więc i kalendarzowej ) pory roku. Gdy Ziemia znajduje się w punkcie Wagi ( Słońce w punkcie Barana ) to mamy początek wiosny. Dzieje się to zwykle ok 20 marca, jednakże co roku w trochę innym momencie.
Na przykład w roku 1992 wiosna rozpoczęła się 20 marca o godzinie 8 minut 48, a w roku 1993 również 20 marca ale o godzinie 14 minut 41. Pozostałe pory roku rozpoczęły się: lato 21 czerwca o 9:00, jesień 23 września o 0:22 a zima 21 grudnia o 20:26.
Notka redakcyjna
Tekst ten napisałem na prośbę jakiejś gazety wiosną 1993 roku. O ile dobrze pamiętam nigdy się nie ukazał. Zamieszczam go tu bez zmian, poprawiłem jedynie drobne literówki oraz dodałem ilustracje zaczerpnięte z Wikimedia Commons.
O roku bieżącym, czyli 2024, można poczytać TU!.
