1. Distinguir rotação, translação e eixo inclinado
Por que o mesmo campo esportivo permanece claro até a noite no verão, mas apresenta sombras compridas já à tarde no inverno? É preciso separar a rotação aproximadamente diária da Terra e sua translação ao redor do Sol, de cerca de um ano. A rotação faz um lugar se voltar alternadamente para o lado iluminado e o escuro, produzindo dia e noite. O eixo terrestre está inclinado aproximadamente 23,4° em relação à perpendicular ao plano orbital. Esse número não é o ângulo com o próprio plano, mas com uma linha perpendicular a ele. Ao longo de um ano orbital, o eixo mantém quase a mesma direção no espaço. Assim, a Terra não muda muito sua inclinação a cada estação: muda de posição em relação ao Sol mantendo orientação semelhante. Em um modelo com um globo ao redor de uma lanterna, apontar continuamente o eixo para a luz representa incorretamente a disposição real das estações.
Essa configuração inclina o hemisfério norte em direção ao Sol por volta de junho e o sul na direção oposta. Por volta de dezembro, a situação se inverte. Por isso o verão do norte coincide com o inverno das latitudes médias do sul. Em um mesmo instante, os hemisférios estão quase à mesma distância do Sol; aproximar toda a Terra não explica estações opostas. A explicação de NASA Space Place também destaca que a inclinação altera como a luz é recebida. Isso não significa que todo o norte fique quente ao mesmo tempo e todo o sul frio em um dia específico. Equador, polos, montanhas e mares possuem condições diferentes no mesmo hemisfério. O modelo orbital mostra a base da distribuição de energia; temperaturas e chuvas locais exigem observar também a resposta da atmosfera e dos oceanos.
2. Sol mais alto concentra a mesma luz em menos área
A altura solar expressa em graus quanto o Sol está acima do horizonte do observador. Diretamente sobre a cabeça são 90° e no horizonte 0°. Com o Sol alto, um feixe de largura fixa alcança uma área horizontal relativamente pequena. Com incidência baixa, a mesma luz se espalha por uma área maior e a energia por unidade de área diminui. Supondo, por exemplo, a mesma energia distribuída uniformemente pelo dobro da superfície, cada unidade recebe a metade. É diferente dizer que a luz total desapareceu e que uma região recebe menor concentração. Uma lanterna apontada primeiro perpendicularmente e depois de forma inclinada ao papel mostra essa geometria pelo alargamento da mancha. Mantenha, sempre que possível, a potência e a distância ao papel constantes. Como uma lanterna não é uma fonte distante como o Sol, o brilho da mancha não deve ser convertido em irradiação real no solo. Raios baixos também podem percorrer mais atmosfera, mas a quantidade que chega depende ainda de nuvens, partículas e vapor d’água.
Para um cálculo ilustrativo, considere um terreno horizontal a 37° de latitude norte. As condições ideais supõem Terra esférica, ausência de refração atmosférica e relevo, e inclinação de 23,4°. A altura máxima do Sol, próxima da passagem pelo meridiano local, é de cerca de 76,4° no solstício de junho e 29,6° no de dezembro. Nos equinócios, fica em aproximadamente 53,0°. Não são medições de um observatório, mas um exemplo geométrico calculado com latitude e posição norte-sul do Sol. Uma haste vertical de altura constante deve produzir sombra mais curta com Sol alto e mais longa com Sol baixo. Entretanto, dividir 76,4 por 29,6 não fornece a razão entre temperaturas de verão e inverno. Ângulo e energia não são simplesmente proporcionais; também mudam o percurso diário, o tempo e as condições do solo. O cálculo serve para entender por que a paisagem ao meio-dia muda entre as estações.
3. A duração da luz também se modifica
A diferença sazonal de energia não depende apenas da altura do Sol em um instante ao meio-dia. No verão das latitudes médias do norte, o percurso solar é mais longo e o Sol geralmente passa mais tempo acima do horizonte. No inverno do mesmo lugar, a trajetória é mais baixa e curta, reduzindo o tempo de entrada de energia. Para comparar a radiação diária, é necessário reunir sua intensidade em cada instante e a duração da exposição. É parecido com comparar uma lâmpada forte acesa brevemente e outra mais fraca acesa por muito tempo: intensidade e tempo importam. Essa analogia também não é uma fórmula para o aquecimento real do solo. O tempo em que o Sol está sobre o horizonte difere do intervalo em que raios diretos atravessam as nuvens. Portanto, a duração entre nascer e pôr do Sol não deve ser registrada como se fosse necessariamente tempo de céu limpo ou duração de insolação meteorologicamente observada.
Os solstícios são referências astronômicas dos extremos dessa variação anual. Nas latitudes médias do hemisfério norte, os dias são mais longos perto do solstício de junho e mais curtos perto do de dezembro; no sul, as estações correspondentes se invertem. Em latitudes maiores, há regiões com Sol da meia-noite no verão e noite polar no inverno. Isso não significa que todo local polar tenha exatamente seis meses claros e seis de escuridão completa. A duração depende da latitude, e a dispersão na atmosfera produz crepúsculo mesmo com o Sol abaixo do horizonte. A ausência de pôr do Sol também não garante verão polar sempre mais quente que em latitudes médias: ângulo baixo, reflexão de neve e gelo e transporte de calor são diferentes. Perto do equador, a duração do dia varia pouco ao longo do ano, e tardes longas de verão não são uma experiência universal. Ao comparar duas cidades no mesmo mês, verifique primeiro hemisfério e latitude.
4. A distância ao Sol não tem efeito?
A órbita terrestre não é um círculo perfeito, e a distância ao Sol realmente muda. Atualmente, a Terra costuma atingir o periélio, ponto mais próximo, no início de janeiro e o afélio, mais distante, no início de julho. A proximidade coincidir com inverno no norte e a distância com verão contradiz uma explicação baseada apenas na distância. Mas também seria incorreto concluir que ela não tem efeito algum. NASA StarChild explica que a radiação solar recebida pela Terra em janeiro é cerca de 7% mais intensa que em julho. Esse valor descreve uma diferença de radiação incidente causada pela distância, não que todas as cidades estejam 7% mais quentes. É necessário separar a entrada fora da atmosfera dos efeitos após a absorção na superfície. Diferenças entre solo sob nuvens e céu claro no mesmo dia também mostram que a distância não determina sozinha a temperatura local. Distinga a causa principal das estações opostas desse acréscimo de variação radiativa. Se uma ilustração mostra a órbita muito alongada, confira se a excentricidade real foi representada em escala.
O momento de maior entrada de luz e a temperatura máxima nem sempre coincidem. Terra e mar levam tempo para armazenar e liberar calor; assim, pode ficar mais quente depois do solstício, mesmo com dias gradualmente menores. O serviço meteorológico dos Estados Unidos descreve esse atraso entre o dia mais longo e o pico de temperatura média em muitas regiões de latitudes médias e altas. Não é uma regra com o mesmo número de semanas em todos os lugares. Litoral e interior, ventos e correntes, nuvens e umidade do solo alteram entrada, saída e transporte de calor. Duas cidades na mesma latitude com temperaturas de verão diferentes não invalidam a explicação pelo eixo. A inclinação descreve o contexto sazonal da energia recebida, enquanto a temperatura real inclui armazenamento e trocas. Um único dia fresco não elimina uma estação: separe a observação daquele dia das médias de muitos anos.
5. Dia e noite são exatamente iguais nos equinócios?
Os equinócios de março e setembro se definem pelo instante em que o centro do Sol atravessa o equador celeste. Na Coreia, março corresponde ao equinócio de primavera e setembro ao de outono; no hemisfério sul, correspondem respectivamente a outono e primavera. A inclinação do eixo não passa então a 0°. Ele continua inclinado, enquanto a orientação dos hemisférios em relação ao Sol atravessa uma situação entre os extremos de verão e inverno. Aprender doze horas de dia e doze de noite ajuda a entender a geometria básica, mas não significa que nascer e pôr do Sol estejam separados por exatamente doze horas em qualquer lugar. O Observatório Naval dos Estados Unidos define esses eventos pela aparição e desaparecimento da borda superior do disco solar, não do centro. A refração atmosférica também faz o Sol parecer mais alto que sua posição geométrica. Por isso, o dia perto dos equinócios costuma ser um pouco maior que o cálculo simples, e a data de quase igualdade varia com a latitude.
Se o Sol some atrás de montanha ou prédio em horário diferente do pôr do Sol oficial, trata-se de outra questão: o horizonte calculado e o obstáculo real são distintos. Também é necessário definir, conforme a finalidade, se o crepúsculo após o pôr do Sol entra na contagem. Estações astronômicas e meteorológicas usam ainda limites de datas diferentes. A astronomia pode adotar equinócios e solstícios; estatísticas meteorológicas podem reunir meses completos para facilitar comparações. A NOAA distingue uma definição baseada na posição Terra-Sol de outra ligada ao ciclo anual de temperatura e ao calendário. O início da estação em um calendário, portanto, não promete uma mudança súbita de temperatura naquele dia. Ao copiar o horário de um equinócio de um ano específico, confira também o fuso para não indicar a data local errada.
6. Observar sombras e registrar diferenças regionais
Para observar diretamente, fixe uma haste vertical em um terreno plano e seguro e registre a sombra em vez de olhar para o Sol. Mantenha local e altura constantes e compare as sombras em datas diferentes, perto da passagem do Sol pelo meridiano local. Esse meio-dia solar nem sempre ocorre às 12 horas do relógio: consulte dados astronômicos com local e fuso ou identifique quando a sombra fica mais curta durante o dia. Registre data, latitude, horário e fuso, altura da haste, comprimento da sombra, nuvens e obstáculos. Em regiões com horário de verão, anotar a mudança do relógio ajuda a distinguir saltos no horário do nascer do Sol de fenômenos astronômicos. Uma haste inclinada ou uma superfície com declive diferente mistura mudança solar e erro de montagem. Se nuvens tornam a borda indefinida, pode registrar “não observável” sem forçar uma medida. Em outra coluna, acrescente a duração do dia obtida pelos horários oficiais locais de nascer e pôr do Sol e compare, ao longo de vários meses, em que épocas sombras curtas e dias longos aparecem juntos.
Esse caderno não pretende afirmar que poucas observações medem com precisão a inclinação do eixo ou mudanças climáticas de longo prazo. O objetivo é identificar como mudanças previstas de ângulo e duração aparecem nos registros e o que depende de nuvens ou relevo. Ao acrescentar outras regiões, não trate primavera, verão, outono e inverno das latitudes médias como único modelo correto. Nos trópicos, a sazonalidade das chuvas pode ser mais marcante no cotidiano que as diferenças de temperatura. Como explica a NOAA sobre a zona de convergência intertropical, o deslocamento sazonal das circulações produtoras de chuva é importante para compreender épocas úmidas e secas. Porém, não se aplicam o mesmo número de estações chuvosas e os mesmos meses a todas as regiões equatoriais. Distribuição de oceanos e continentes, monções e ambiente local também importam. Separe geometria global, condições de luz de um lugar e tempo e clima efetivos para não atribuir toda diferença a uma única causa.