1. Розділимо обертання Землі та нахил її осі
Чому той самий майданчик улітку світлий до вечора, а взимку тіні довшають уже після полудня? Спочатку розділімо добове обертання Землі та її рух навколо Сонця приблизно за рік. Обертання по черзі повертає місце до освітленої й темної сторін, створюючи день і ніч. Водночас вісь обертання нахилена приблизно на 23,4° від перпендикуляра до площини орбіти. Це кут не із самою площиною, а з нормальною до неї лінією. Приблизно протягом року напрям осі в просторі майже зберігається. Отже, Земля не змінює сильно нахил кожного сезону: вона лишається подібно нахиленою, а змінюється її розташування щодо Сонця. Якщо рухати глобус навколо ліхтарика, постійно повертаючи вісь до світла, модель неправильно відтворить пори року.
Через це приблизно в червні Північна півкуля нахилена до Сонця, а Південна — від нього; у грудні все навпаки. Тому під час північного літа в середніх широтах півдня зима. В один момент обидві півкулі майже однаково віддалені від Сонця, отже наближення всієї Землі не пояснює протилежних сезонів. NASA Space Place теж наголошує, що нахил змінює спосіб отримання світла. Це не означає, що весь північний світ одного дня нагріється, а весь південний водночас охолоне. Екватор, полярні райони, гори й моря відрізняються навіть у межах півкулі. Орбітальна модель показує основу розподілу енергії; для місцевих температур і дощів треба додатково розглядати реакцію атмосфери та океану.
2. Високе Сонце спрямовує те саме світло на меншу площу
Висота Сонця — кут від горизонту спостерігача до Сонця: прямо над головою 90°, у напрямку горизонту 0°. Коли Сонце високе, пучок певної товщини падає на меншу площу горизонтальної землі. При низькому куті те саме світло розподіляється ширше, і енергія на одиницю площі меншає. Якщо, наприклад, однакова енергія рівномірно потрапляє на вдвічі більшу площу, частка одиниці площі зменшується удвічі. Це розрізняє зникнення світла загалом і зменшення його концентрації в одному місці. Посвітіть ліхтариком на папір прямо, а потім навскіс: пляма розшириться. Для порівняння кута за можливості не змінюйте яскравість і відстань до паперу. Ліхтарик не настільки віддалений, як Сонце, тому яскравість плями не слід переводити в реальну сонячну радіацію поверхні. Низькі промені можуть довше йти крізь атмосферу, проте їхня кількість на землі залежить і від хмар, частинок та водяної пари.
Для навчального розрахунку уявімо горизонтальне місце на 37° північної широти. Землю вважаємо кулею, атмосферне заломлення й рельєф ігноруємо, нахил задаємо 23,4°. Біля верхньої кульмінації, коли Сонце найвище за день, його висота близько червневого сонцестояння становить 76,4°, грудневого — 29,6°, рівнодення — 53,0°. Це геометричні приклади з широти та північно-південного положення Сонця, а не станційні вимірювання. Однаковий вертикальний стрижень має давати коротшу тінь під високим Сонцем і довшу під низьким. Однак ділення 76,4 на 29,6 не дає співвідношення літньої та зимової температур. Кут і енергія не мають простої пропорції; різняться добові зміни кута, погода й поверхня. Розрахунок пояснює, чому полуденний вигляд у двох сезонах відрізняється.
3. Разом з інтенсивністю змінюється тривалість дня
Сезонна різниця енергії визначається не лише одним значенням висоти опівдні. Улітку в північних середніх широтах шлях Сонця небом довший і воно зазвичай довше над горизонтом. Узимку в тому самому місці шлях нижчий і коротший, а час отримання енергії скорочується. Для порівняння світла за добу враховують потік у кожну мить та тривалість його надходження разом. Це схоже на порівняння яскравої лампи, увімкненої ненадовго, і слабшої, яка світить довго: важливі і сила, і час. Аналогія не є формулою нагрівання землі. Час перебування Сонця над горизонтом відрізняється від часу прямого світла між хмарами; проміжок від сходу до заходу не дорівнює ясній погоді чи метеорологічній тривалості сонячного сяйва.
Сонцестояння — астрономічні орієнтири крайніх значень цієї річної зміни. У північних середніх широтах близько червня день найдовший, близько грудня — найкоротший; у південній півкулі зв'язок із назвами сезонів протилежний. У вищих широтах є місця з літнім полярним днем без заходу та зимовою полярною ніччю без сходу Сонця. Це не означає, що скрізь у полярних районах рівно пів року світло, а наступні пів року цілковита темрява. Тривалість залежить від широти; навіть під горизонтом Сонце створює сутінкове світло через розсіяння в атмосфері. Відсутність заходу не означає й того, що полярне літо завжди спекотніше за середньоширотне. Відрізняються низький кут променів, відбиття снігом і льодом та перенесення тепла. Біля екватора річна зміна дня мала, тож довгі літні вечори не є спільним досвідом усіх країв. Порівнюючи міста в один місяць, спочатку перевірте півкулю й широту.
4. Чи зовсім не впливає відстань до Сонця?
Орбіта не є ідеальним колом, тому відстань справді змінюється. Нині Земля зазвичай проходить найближчу точку — перигелій — на початку січня, а найдальшу — афелій — на початку липня. На півночі близьке положення припадає на зиму, далеке — на літо; це суперечить поясненню лише відстанню. Але виправляючи помилку, теж неточно заперечувати будь-який її вплив. NASA StarChild пояснює, що сонячне світло, яке отримує Земля в січні, приблизно на 7% інтенсивніше за липневе. Це різниця вхідної радіації через відстань, а не твердження, що кожне місто тепліше на 7%. Розрізняйте світло поза атмосферою та результат після поглинання поверхнею. Різні температури під хмарою і на ясній землі одного дня також показують, чому відстань не визначає місцеве тепло сама. Треба відділяти головну причину протилежних сезонів від додаткової різниці радіації. Якщо орбіту на схемі сильно витягнуто, перевірте, чи реальний ексцентриситет показано в масштабі.
Найбільша кількість світла не обов'язково збігається з найвищою температурою. Землі й воді потрібен час, щоб накопичити та віддати тепло; після сонцестояння дні можуть коротшати, а спека — зростати. Національна метеослужба США описує таке запізнення між найдовшим днем і максимумом середньої температури для багатьох середніх та високих широт. Це не правило з однаковою кількістю тижнів скрізь. Узбережжя й внутрішні райони суходолу, вітри, течії, хмари та вологість ґрунту теж змінюють тепловий обмін і перенесення. Різні літні температури міст на одній широті не спростовують роль осі. Нахил задає сезонне тло надходження енергії, а фактична температура містить також її зберігання й обмін. Один прохолодний день не означає зникнення сезону: відрізняйте денний запис від багаторічного середнього.
5. Чи рівні день і ніч у рівнодення точно?
Березневе й вересневе рівнодення визначають моментом, коли центр Сонця перетинає небесний екватор. У Кореї березневе називають весняним, вересневе — осіннім; у Південній півкулі це відповідно осінь і весна. Нахил осі в цю мить не стає 0°. Вісь лишається нахиленою, а положення півкуль щодо Сонця проходить між літнім і зимовим крайніми станами. Шкільна модель дванадцяти годин дня й ночі допомагає зрозуміти основу, але реальний проміжок від сходу до заходу не становить точно 12 годин у кожному місці. Морська обсерваторія США визначає ці події не центром Сонця, а появою та зникненням верхнього краю диска на горизонті. Атмосферне заломлення додатково робить Сонце вищим за геометричне положення. Тому день біля рівнодення зазвичай трохи довший за простий дванадцятигодинний розрахунок; дата, коли тривалість дня й ночі майже однакова, залежить від широти.
Зникнення Сонця за горою чи будівлею раніше офіційного заходу — інше питання: розрахунковий горизонт відрізняється від перешкод реального огляду. Чи включати післязахідні сутінки до дня, теж треба вирішувати окремо за метою. Астрономічні та метеорологічні сезони мають різні межі дат. Астрономія може спиратися на рівнодення й сонцестояння, а погодна статистика — групувати місяці для зручного порівняння. NOAA пояснює різницю між положенням Землі щодо Сонця та річним температурним циклом із календарем. Тож календарний початок сезону не обіцяє раптової зміни температури того дня. Переписуючи час рівнодення певного року, перевірте часовий пояс, інакше можна неправильно позначити місцеву дату.
6. Записуйте тіні й зберігайте регіональні відмінності
Замість погляду на Сонце встановіть вертикальний стрижень на безпечному рівному місці та записуйте тінь. Зберігайте місце й висоту стрижня, визначайте час верхньої кульмінації та порівнюйте довжини за датами. Кульмінація не завжди збігається з 12:00 на годиннику: скористайтеся астрономічними даними з регіоном і часовим поясом або знайдіть найкоротшу тінь протягом дня. Запишіть дату, широту, час і пояс, висоту стрижня, довжину тіні, хмари та перешкоди. Для країв із літнім часом позначте день переведення годинника: це відділяє раптову зміну часу сходу від астрономії. Нахил стрижня чи інший схил землі змішує зміну сонячної висоти з похибкою установки. Якщо через хмари межа нечітка, залиште «спостереження неможливе», а не вигадуйте точне число. В іншій графі запишіть тривалість дня з офіційних місцевих сходу й заходу; кілька місяців порівнюйте, коли коротка тінь поєднується з довгим днем.
Мета такого журналу — не оголосити за кількома спостереженнями точне вимірювання нахилу чи довгострокової зміни клімату. Потрібно з'ясувати, як очікувані зміни кута й дня проявляються в записі та що походить від хмар чи рельєфу. Додаючи інші регіони, не вважайте єдиною правильною схемою весну-літо-осінь-зиму середніх широт. У тропіках сезонність дощів може відчуватися в житті сильніше за зміну температури. За поясненням NOAA про міжтропічну зону конвергенції, сезонний рух дощового циркуляційного поясу важливий для розуміння вологого й сухого сезонів, але не всім екваторіальним районам можна приписати однакову кількість вологих періодів у ті самі місяці. Ураховуйте розподіл моря й суші, мусони та місцеве середовище. Якщо розділити геометрію всієї Землі, сонячні умови одного місця і фактичну погоду та клімат, менше спокуси впевнено пояснити всі відмінності однією причиною.