Jak na naszej Ziemi powstają pory roku

Pora roku to okres czasu charakteryzujący się określonym klimatem. Zmiany sezonowe wynikają głównie ze zmian położenia osi ziemskiej względem Słońca. To powoduje zmianę położenia Słońca na niebie w dowolnym punkcie Ziemi.

Orbita Ziemi znajduje się wokół Słońca i wyznacza w przestrzeni płaszczyznę, którą astronomowie nazywają ekliptyką. Ekliptyka jest zrzutowana na rozgwieżdżone niebo i przecina trzynaście gwiazdozbiorów którymi są: Konstelację Dwunastu Gwiazd i słynna Konstelacja Węża. W obrębie tych 13 ułożonych konstelacji możemy obserwować Słońce przez cały rok.

W ciągu całego roku Ziemia wykonuje jeden obrót wokół Słońca, poruszając się w płaszczyźnie wyznaczonej przez ekliptykę. Ten obrót powoduje, że na Ziemi zmieniają się pory roku. Ponieważ oś obrotu Ziemi jest nachylona do płaszczyzny ekliptyki i tworzy kątem  23,5 stopnia z równikiem niebieskim (rzut równika na sferę niebieską).  Dlatego Słońce może znajdować się wszędzie od 23,5 stopnia poniżej do 23,5 stopnia powyżej równika. Jednak gdyby oś obrotu Ziemi była nachylona o 90 stopni do ekliptyki, nie występowałyby pory roku. To powodowałoby że długość dnia byłaby taka sama na wszystkich szerokościach geograficznych, a Słońce zawsze znajdowałoby się na stałej wysokości. Na szczęście oś obrotu Ziemi tworzy z ekliptyką kąt 66,5 stopnia, więc długość dnia się zmienia i zmieniają się pory roku.

Słońce przez połowę roku znajduje się na półkuli południowej, a przez drugą połowę na półkuli północnej. Słońce znajdując się na półkuli południowej, na tej półkuli panuje lato, a na półkuli północnej jest zima. Zatem, kiedy Słońce znajduje się na półkuli północnej, jest odwrotnie.

Latem Słońce wznosi się w południe wyżej na niebie niż zimą. Zatem w zimie Słońce jest niżej na niebie, a jego promienie padają pod kątem i pokonują większą odległość, by się ogrzać.
Obrót Ziemi ma stałe nachylenie osi obrotu względem płaszczyzny obrotu, dlatego warunki oświetlenia Ziemi zmieniają się w tempie rocznym. Ze względu na położenie osi Ziemi względem Słońca, istnieją strefy w których występuje specyficzna różnica w oświetleniu. 

Ziemia posiada kształt kulisty, światło słoneczne uderza w jej powierzchnię pod różnymi kątami i nie równomiernie ją ogrzewa. Światło słoneczne padające pionowo lub prawie pionowo może ogrzewać powierzchnię Ziemi intensywniej niż światło słoneczne padające pod kątem i jest cieplejsze w regionach podzwrotnikowych niż w regionach umiarkowanych i polarnych. Wyróżniamy pięć stref charakteryzujących się wahaniami oświetlenia w ciągu roku.

V Strefa zwrotnikowa tutaj Słońce osiąga swoje maksimum. Minimalna wysokość Słońca w tej strefie waha się od 66^o33′ na równiku do 43^o w tropikach. Występuje tu również niewielka różnica między godzinami dnia i nocy. Na równiku dzień i noc są takie same przez cały rok, ale w tropikach różnica ta wzrasta do dwóch godzin. Natomiast w regionach międzyzwrotnikowych, takich jak Afryka, pora deszczowa zależy od szerokości równikowej Słońca. 

Deszcze zenitalne występują z niewielkim opóźnieniem w stosunku do okresu, gdy Słońce znajduje się w danym regionie w zenicie. Jest to spowodowane silnymi zawilgoconymi prądami od przemieszczających się na południe układów niskiego ciśnienia i ochładzaniem się tych mas gazu. Dlatego też na równiku występują tylko dwa monsuny, a w tropikach jeden.
W V Strefie umiarkowanej szerokości geograficznych całoroczna różnica wysokości Słońca wynosi 47° w całej strefie. Wraz ze wzrostem szerokości geograficznej zwiększa się różnica między dniem a nocą. Zawsze zachowana jest dzienna prędkość światła, a pory roku są tu wyraźnie zaznaczone. Tylko w V Strefie polarnej (podbiegunowej) nie ma światła dziennego. 

Okres, w którym Słońce przechodzi z gwiazdozbioru Barana do gwiazdozbioru Raka, to astronomiczna wiosna na półkuli północnej i jesień na półkuli południowej. Kiedy Słońce osiąga 90 stopni długości geograficznej w gwiazdozbiorze Raka, oznacza to początek astronomicznego lata na półkuli północnej. Gdy Słońce przechodzi z gwiazdozbioru Raka do gwiazdozbioru Wagi, na półkuli północnej jest lato, a na południowej zima. Jednak gdy Słońce przechodzi przez równonoc jesienną (180° długości geograficznej – gwiazdozbioru Wagi), oznacza początek astronomicznej jesieni na półkuli północnej.

Słońce przechodząc z gwiazdozbioru Wagi do gwiazdozbioru Koziorożca, na półkuli północnej jest jesień, a na półkuli południowej wiosna. W pozycji Koziorożca (270° długości zodiakalnej) oznacza to początek astronomicznej zimy na półkuli północnej. Tymczasem, gdy Słońce przesuwa się z gwiazdozbioru Koziorożca do gwiazdozbioru Barana, następuje zima na półkuli północnej i lato na półkuli południowej.

Astronomiczne pory roku są obliczane w następujący sposób: wiosna: od równonocy wiosennej (21 marca) do letniego położenia Słońca (22 czerwca); lato: od położenia letniego do równonocy jesiennej (23 września); jesień: od równonocy jesiennej do zimowego położenia Słońca (22 grudnia); zima: od położenia zimowego do równonocy wiosennej. Ten cykl zmian pór roku określa się mianem roku zwrotnikowego, który jest równy odstępowi czasu między kolejnymi godzinami dnia i nocy w momencie równonocy wiosennej.

Aby wyjaśnić zmieniające się pory roku, wystarczy przyjrzeć się położeniu Ziemi względem Słońca w dniach 22 czerwca, 22 grudnia, 21 marca i 23 września. Położenie Ziemi w dniu 22 czerwca wynika z faktu, że biegun północny jest skierowany w stronę słońca, a promienie słoneczne padają prostopadle na tropikalny region gwiazdozbioru Raka i wszystkie równoleżniki na półkuli północnej są w znacznym stopniu oświetlone, a także wszystkie linie równoległe, od koła podbiegunowego do bieguna północnego, znajdują się w pełni w zasięgu światła słonecznego. Innymi słowy, dni są dłuższe niż noce gdziekolwiek na półkuli północnej, a poza kołem podbiegunowym Słońce w ogóle nie zachodzi w tym okresie. W rezultacie półkula północna ma więcej ciepła niż południowa, która od tego momentu wchodzi w zimę.

Z kolei 22 grudnia biegun północny jest zwrócony w stronę słońca i światło słoneczne uderza w Zwrotnik Raka prostopadle do Zwrotnika Raka na półkuli południowej. Wszystkie linie równoległe na półkuli północnej znajdują się w większości w cieniu Ziemi, natomiast linie równoległe na północ od koła podbiegunowego są całkowicie w cieniu. Oznacza to, że wszędzie na tej półkuli dni są krótsze, a noce dłuższe, a dopływ ciepła jest mniejszy niż oddawanie. Na półkuli północnej zaczyna się zima, a na południowej lato.

21 marca i 23 września granica między światłem a ciemnością przekracza oba bieguny. Długość dnia i nocy nie jest już taka sama na całym świecie, a Słońce znajduje się w zenicie na równiku. Następuje wtedy przejście z zimy do lata i z wiosny do jesieni. Tak właśnie powstają na Ziemi pory roku.

FAQ

1. Dlaczego na Ziemi występują pory roku?
   Pory roku są wynikiem nachylenia osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny jej orbity wokół Słońca. To nachylenie sprawia, że różne części Ziemi otrzymują różne ilości światła słonecznego w ciągu roku, co prowadzi do sezonowych zmian klimatu.
2. Jakie są główne pory roku i kiedy się zaczynają?
   Główne pory roku to wiosna, lato, jesień i zima. Na półkuli północnej wiosna zaczyna się około 21 marca, lato około 21 czerwca, jesień około 23 września, a zima około 22 grudnia.
3. Dlaczego dni są dłuższe latem i krótsze zimą?
   Dni są dłuższe latem i krótsze zimą z powodu nachylenia osi Ziemi. Latem biegun północny jest skierowany w stronę Słońca, co sprawia, że Słońce wznosi się wyżej na niebie i pozostaje tam dłużej, dając więcej godzin światła dziennego. Zimą jest odwrotnie.
4. Czy pory roku są takie same na obu półkulach?
   Nie, pory roku są odwrotne na półkuli północnej i południowej. Kiedy na półkuli północnej jest lato, na półkuli południowej jest zima, i odwrotnie.
5. Co by się stało, gdyby oś Ziemi była nachylona pod kątem 90 stopni do płaszczyzny orbity?
   Gdyby oś Ziemi była nachylona pod kątem 90 stopni do płaszczyzny orbity, pory roku by nie występowały. Długość dnia byłaby taka sama na wszystkich szerokościach geograficznych, a Słońce zawsze znajdowałoby się na stałej wysokości na niebie, co spowodowałoby jednolity klimat na całym świecie.
6. Dlaczego równik ma stałą długość dnia i nocy przez cały rok?
   Równik ma stałą długość dnia i nocy przez cały rok, ponieważ światło słoneczne pada na równik niemal prostopadle, niezależnie od nachylenia osi Ziemi. Dzięki temu dzień i noc trwają tam około 12 godzin przez cały rok.
7. Co powoduje zmiany temperatury w ciągu roku?
   Zmiany temperatury w ciągu roku są wynikiem zmiany kąta padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi. Latem Słońce jest wyżej na niebie, co sprawia, że jego promienie padają bardziej pionowo i ogrzewają Ziemię bardziej efektywnie. Zimą promienie słoneczne padają pod większym kątem, co powoduje, że rozpraszają się na większej powierzchni i mniej efektywnie ogrzewają Ziemię.
8. Jakie są konsekwencje nachylenia osi Ziemi dla życia na Ziemi?
   Nachylenie osi Ziemi ma kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi, ponieważ powoduje zmiany pór roku, które wpływają na cykle roślin, zwierząt i ludzi. Sezonowe zmiany klimatu determinują wzorce migracji, rozmnażania i dostępność zasobów naturalnych.
9. Czy inne planety w Układzie Słonecznym mają pory roku?
   Tak, inne planety w Układzie Słonecznym również mają pory roku, ale ich długość i intensywność zależą od nachylenia osi obrotu i orbity danej planety. Na przykład Mars ma nachylenie osi podobne do Ziemi, więc również doświadcza pór roku, choć są one dłuższe ze względu na dłuższy rok marsjański.
10. Dlaczego na biegunach jest tak zimno przez większą część roku?
    Na biegunach jest zimno przez większą część roku, ponieważ światło słoneczne pada tam pod bardzo niskim kątem, co sprawia, że promienie słoneczne muszą pokonać większą odległość przez atmosferę i są rozpraszane na większej powierzchni. Dodatkowo, podczas zimy polarnej bieguny nie otrzymują żadnego światła słonecznego przez kilka miesięcy.
11. Jak zmieniające się pory roku wpływają na rolnictwo?
    Zmieniające się pory roku mają ogromny wpływ na rolnictwo, ponieważ sezonowe zmiany temperatury i ilości opadów determinują okresy siewu, wzrostu i zbiorów roślin. Rolnicy muszą dostosować swoje praktyki do cykli sezonowych, aby zapewnić optymalne warunki dla upraw.
12. Jakie są astronomiczne definicje pór roku?
    Astronomiczne pory roku są określane na podstawie położenia Ziemi względem Słońca. Wiosna zaczyna się od równonocy wiosennej, lato od przesilenia letniego, jesień od równonocy jesiennej, a zima od przesilenia zimowego.
13. Co to jest rok zwrotnikowy?
    Rok zwrotnikowy to czas, jaki Ziemia potrzebuje, aby przejść przez wszystkie cztery pory roku. Trwa on około 365,24 dni i jest dłuższy od roku kalendarzowego, co powoduje konieczność dodawania roku przestępnego co cztery lata.
14. Jakie są różnice między klimatem stref zwrotnikowych a umiarkowanych?
    Klimat stref zwrotnikowych charakteryzuje się niewielkimi wahaniami temperatury i długimi okresami opadów, często w formie deszczy zenitalnych. W strefach umiarkowanych występują większe różnice temperatur między latem a zimą oraz wyraźne zmiany pór roku.
15. Jak nachylenie osi Ziemi wpływa na różnice w oświetleniu na różnych szerokościach geograficznych?
    Nachylenie osi Ziemi powoduje, że różne szerokości geograficzne otrzymują różne ilości światła słonecznego w ciągu roku. Regiony bliżej równika mają bardziej stałe warunki oświetleniowe, podczas gdy regiony bliżej biegunów doświadczają dużych różnic w długości dnia i nocy oraz intensywności światła słonecznego.