1. מפרידים את סיבוב כדור הארץ מנטיית הציר
מדוע אותו מגרש מואר בקיץ עד הערב ובחורף הצללים בו מתארכים כבר אחר הצוהריים? להבנת העונות יש להפריד קודם בין סיבוב כדור הארץ סביב עצמו פעם ביום לבין הקפת השמש בערך פעם בשנה. הסיבוב מפנה מקום לסירוגין לצד המואר והחשוך ויוצר יום ולילה. ציר הסיבוב נטוי בכ־23.4° ביחס לכיוון המאונך למישור המסלול. הזווית נמדדת לא מול המישור עצמו, אלא מול האנך לו. במהלך כשנה נשמר כיוון הציר בחלל כמעט ללא שינוי. לכן הארץ אינה משנה מאוד את נטייתה בכל עונה; מיקומה ביחס לשמש משתנה כשהיא נשארת נטויה באופן דומה. גם במודל של גלובוס סביב פנס, הפניית הציר כל הזמן אל הפנס תשחזר את העונות לא נכון.
בגלל הסידור הזה בסביבות יוני חצי הכדור הצפוני נטוי אל השמש והדרומי הרחק ממנה, ובסביבות דצמבר המצב מתהפך. לכן בחגורות הרוחב הבינוניות בדרום יש חורף כשבצפון קיץ. שני חצאי הכדור נמצאים באותו רגע כמעט באותו מרחק מהשמש, ולכן התקרבות הארץ כולה אינה מסבירה לבדה עונות מנוגדות. גם NASA Space Place מדגיש שהנטייה משנה את אופן קבלת האור. אך אין פירוש הדבר שכל הצפון מתחמם ביום אחד וכל הדרום מתקרר בו־זמנית. אזורי קו המשווה והקטבים, הרים וימים שונים גם באותו חצי כדור. מודל ההקפה מסביר את בסיס חלוקת האנרגיה; להבנת חום וגשם באזור מסוים יש לבחון גם את תגובת האטמוספרה והאוקיינוס.
2. שמש גבוהה מפזרת אותו אור על שטח קטן יותר
גובה השמש הוא הזווית שבה הצופה רואה אותה מעל האופק: ממש מעל הראש 90°, ובכיוון האופק 0°. כשהשמש גבוהה, אלומת אור בעובי נתון מגיעה לשטח קטן יחסית של קרקע אופקית. בזווית נמוכה אותו אור מתפזר על שטח גדול יותר, והאנרגיה ליחידת שטח קטנה. למשל, בהנחה שאותה אנרגיה מפוזרת באופן אחיד על שטח כפול, חלקה של יחידת שטח קטן לחצי. הדוגמה מפרידה בין היעלמות האור כולו לבין ירידה בריכוזו במקום אחד. אפשר להאיר בפנס ישר על נייר ואז להטות אותו ולראות את כתם האור מתרחב. כדי להשוות את השפעת הזווית כדאי לשמור ככל האפשר על העוצמה והמרחק לנייר. הפנס אינו מקור רחוק כמו השמש, ולכן אין להמיר את בהירות הכתם לקרינה שמשית אמיתית על הקרקע. גם המסלול באטמוספרה עשוי להתארך באור נמוך, אך הכמות שמגיעה לפני השטח תלויה גם בעננים, בחלקיקים ובאדי מים.
לדוגמת חישוב ניקח מקום אופקי בקו רוחב 37° צפון. נניח שהארץ כדורית, נתעלם משבירה אטמוספרית ומטופוגרפיה ונקבע נטייה של 23.4°. סביב מעבר השמש העליון במרידיאן, כשהיא בשיאה היומי, גובהה ביום ההיפוך של יוני הוא כ־76.4°, בדצמבר כ־29.6°, ובקרבת יום השוויון כ־53.0°. אלה אינם רישומי מדידה בתחנה אלא דוגמה גאומטרית הנגזרת מקו הרוחב וממיקום השמש בצפון ובדרום. אפשר לצפות שמוט אנכי בגובה קבוע יטיל צל קצר בשמש גבוהה וארוך בשמש נמוכה. אך חלוקת 76.4 ב־29.6 אינה נותנת יחס של טמפרטורת קיץ לחורף. הקשר בין זווית לאנרגיה אינו יחס ישר פשוט, וגם שינוי הזווית במהלך היום, מזג האוויר והקרקע שונים. החישוב מסייע להבין מדוע מראה הצוהריים משתנה בין העונות.
3. גם אורך היום משתנה לצד עוצמת האור
הבדלי האנרגיה בין העונות אינם נקבעים מגובה השמש ברגע אחד בצוהריים בלבד. בקיץ בקווי הרוחב הבינוניים בצפון מסלול השמש בשמיים ארוך יותר וזמן שהייתה מעל האופק בדרך כלל רב יותר. בחורף באותו מקום המסלול נמוך וקצר יותר וזמן קבלת האנרגיה קטן. כדי להשוות אור של יום שלם יש לצרף את הקרינה בכל רגע למשך קבלתה. זה דומה להשוואת מנורה חזקה שמופעלת לזמן קצר עם חלשה יותר שפועלת זמן ארוך: נחוצים גם עוצמה וגם זמן. גם הדימוי הזה אינו נוסחה לחימום הקרקע. זמן השמש מעל האופק שונה ממשך האור הישיר שבין העננים; אין לרשום את פרק הזריחה־שקיעה כאילו הוא זמן שמיים בהירים או משך שמש ישירה במדידה מטאורולוגית.
ימי ההיפוך הם נקודות ייחוס אסטרונומיות לערכי הקיצון של השינוי השנתי. ברוחבים הבינוניים בצפון היום סמוך להיפוך יוני הוא הארוך ביותר וסמוך לדצמבר הקצר ביותר, ובדרום הקשר לשמות העונות הפוך. ברוחבים גבוהים יותר יש אזורים שבהם השמש אינה שוקעת בקיץ או אינה זורחת בחורף. אין פירוש הדבר שכל מקום קוטבי מואר בדיוק חצי שנה וחשוך לחלוטין בחצי השנה האחרת. המשך תלוי ברוחב, וגם כשהשמש מתחת לאופק אור מפוזר באטמוספרה יוצר דמדומים. אי־שקיעה גם אינה מבטיחה שקיץ קוטבי תמיד חם יותר מקיץ ברוחב בינוני; שונים זווית השמש הנמוכה, החזרת האור משלג וקרח והעברת החום. בקרבת קו המשווה השינוי השנתי באורך היום קטן, ולכן אין להפוך ערבי קיץ ארוכים לחוויה אוניברסלית. בהשוואת ערים באותו חודש בדקו קודם חצי כדור וקו רוחב.
4. האם למרחק מהשמש אין שום השפעה?
מסלול הארץ אינו מעגל מושלם, ולכן המרחק מהשמש אכן משתנה. כיום הארץ עוברת בדרך כלל בתחילת ינואר בפריהליון, הנקודה הקרובה, ובתחילת יולי באפהליון, הרחוקה. בצפון קרוב בחורף ורחוק בקיץ, בניגוד להסבר העונות באמצעות מרחק בלבד. אבל גם שלילה מוחלטת של השפעת המרחק תוך תיקון הטעות אינה מדויקת. NASA StarChild מסביר שאור השמש המגיע לארץ בינואר עז בכ־7% מזה של יולי. זה הבדל בקרינה הנכנסת בגלל המרחק, ולא טענה שכל עיר חמה ב־7%. יש להפריד בין האור מחוץ לאטמוספרה לבין התוצאה לאחר ספיגתו בקרקע. גם הבדלי הטמפרטורה באותו יום בין קרקע תחת ענן לשטח בהיר מראים שמרחק אינו קובע לבדו חום מקומי. מפרידים את הגורם העיקרי לעונות המנוגדות מהבדל הקרינה הנוסף. אם המסלול מצויר מאורך מאוד, בדקו אם הוא מייצג את האקסצנטריות האמיתית בקנה מידה.
גם שיא קבלת האור ושיא הטמפרטורה אינם חייבים להתלכד. לקרקע ולמים נדרש זמן לאגור חום ולפלוט אותו, ולכן אחרי יום ההיפוך הימים יכולים להתקצר והחום עדיין לעלות. שירות מזג האוויר הלאומי של ארצות הברית מתאר פיגור כזה בין היום הארוך לשיא הממוצע באזורים רבים ברוחבים בינוניים וגבוהים. אין זה כלל של אותו מספר שבועות בכל מקום. חוף ופנים הארץ, רוחות וזרמים, עננים ולחות הקרקע משנים גם הם מעבר והחלפת חום. טמפרטורות קיץ שונות בשתי ערים באותו רוחב אינן מפריכות את הסבר הציר. הנטייה מסבירה את הרקע העונתי של האנרגיה הנכנסת, והחום בפועל כולל גם אגירה וחילוף. אין להסיק מיום קריר בודד שהעונה כולה נעלמה; הפרידו את התצפית היומית מממוצע רב־שנתי.
5. האם היום והלילה שווים בדיוק ביום השוויון?
ימי השוויון במרץ ובספטמבר מוגדרים כרגע שבו מרכז השמש חוצה את קו המשווה השמימי. בקוריאה מרץ נקרא שוויון האביב וספטמבר שוויון הסתיו, אך בדרום הם סתיו ואביב בהתאמה. גם אז נטיית הציר אינה נעשית 0°. הציר נשאר נטוי, והיחס של הפניית חצאי הכדור לשמש עובר בין מצבי הקיצון של קיץ וחורף. לימוד של 12 שעות יום ו־12 שעות לילה הוא התחלה להבנת המבנה, אך אינו אומר שבכל מקום הזמן האמיתי בין זריחה לשקיעה הוא בדיוק 12 שעות. המצפה הימי של ארצות הברית מתאר זריחה ושקיעה כהופעת שפת הדיסקה העליונה והיעלמותה באופק, לא לפי מרכז השמש. לכך מצטרפת שבירה אטמוספרית שגורמת לשמש להיראות גבוהה ממיקומה הגאומטרי. לכן היום סמוך לשוויון בדרך כלל מעט ארוך מהחישוב הפשוט של 12 שעות, ותאריך התקרבות היום והלילה לשוויון תלוי ברוחב.
היעלמות השמש מאחורי הר או בניין בשעה שונה מהשקיעה הרשמית היא שאלה אחרת: אופק החישוב שונה מהטופוגרפיה החוסמת את המבט. יש גם להגדיר לפי המטרה אם דמדומי אחרי השקיעה כלולים באורך היום. לעונות אסטרונומיות ומטאורולוגיות יש גבולות תאריך שונים. באסטרונומיה אפשר לחלק לפי ימי השוויון וההיפוך, ואילו בסטטיסטיקת מזג אוויר אפשר לקבץ חודשים כדי להקל על ההשוואה. NOAA מסביר שזה הבדל בין מיקום הארץ ביחס לשמש לבין המחזור השנתי של הטמפרטורה והלוח. לכן תחילת עונה בלוח אינה הבטחה לשינוי חד בחום באותו יום. כשמעתיקים רגע שוויון בשנה מסוימת בדקו גם את אזור הזמן כדי לא לציין תאריך מקומי שגוי.
6. מתעדים צל ושומרים את ההבדלים בין מקומות
לתצפית אפשר להציב מוט אנכי במקום שטוח ובטוח ולרשום את הצל, במקום להביט בשמש. שמרו על אותו מקום ואותו גובה מוט, בררו מתי השמש במעבר העליון והשוו אורכי צל לפי תאריך. המעבר אינו תמיד בשעה 12:00 לפי השעון; היעזרו בנתונים אסטרונומיים המציינים אזור וזמן מקומי, או מצאו במהלך היום מתי הצל הקצר ביותר. רשמו תאריך, קו רוחב, שעה ואזור זמן, גובה מוט, אורך צל, עננים ומכשולים. בנתונים ממקום המשתמש בשעון קיץ סמנו גם את יום הזזת השעון, כדי להבדיל שינוי חד בשעת זריחה מתופעה אסטרונומית. מוט עקום או שינוי בשיפוע הקרקע מערבבים את שינוי גובה השמש עם שגיאת ההתקנה. ביום שבו הענן מטשטש את הגבול אפשר לציין שלא ניתן למדוד במקום להמציא ערך מדויק. בעמודה נפרדת רשמו אורך יום מנתוני זריחה ושקיעה רשמיים באותו אזור, והשוו במשך חודשים מתי צל קצר ויום ארוך מופיעים יחד.
מטרת היומן אינה להכריז שמכמה תצפיות מדדתם במדויק את זווית הציר או שינוי אקלים ארוך טווח. המטרה להבדיל כיצד השינוי הצפוי מזווית ומשך היום מתבטא ברישום ומה מושפע מעננים או מתוואי השטח. אם מוסיפים אזורים אחרים, אין לכפות עליהם את אביב־קיץ־סתיו־חורף של הרוחבים הבינוניים כתבנית הנכונה היחידה. באזורים טרופיים עונתיות הגשם עשויה להשפיע על החיים יותר מהבדלי החום. לפי הסבר NOAA על אזור ההתכנסות הבין־טרופי, נדידת חגורת המחזור האטמוספרי היוצרת גשם חשובה להבנת עונות רטובות ויבשות, אך לא בכל אזור משווני יש אותו מספר עונות גשם ובאותם חודשים. צריך לבחון יחד את חלוקת הים והיבשה, המונסונים והסביבה המקומית. הפרדת הגאומטריה העולמית, תנאי אור השמש במקום אחד ומזג האוויר והאקלים בפועל מפחיתה את הנטייה להסביר בוודאות כל הבדל בגורם יחיד.