1. Phân biệt chuyển động của Trái Đất và trục nghiêng
Tại sao cùng một sân chơi vẫn sáng đến chiều muộn vào mùa hè, nhưng mùa đông bóng đã dài từ buổi chiều? Để hiểu mùa, trước hết phải tách việc Trái Đất tự quay mỗi ngày một vòng với chuyển động quanh Mặt Trời khoảng một năm một vòng. Tự quay khiến một địa điểm luân phiên hướng về phía sáng và tối, tạo ngày và đêm. Trục tự quay của Trái Đất còn nghiêng khoảng 23.4° so với phương vuông góc mặt phẳng quỹ đạo. Con số này đo với đường thẳng dựng vuông góc mặt phẳng, không phải với chính mặt phẳng quỹ đạo. Trong thời gian khoảng một năm chuyển động quanh Mặt Trời, hướng trục trong không gian gần như được giữ nguyên. Vì vậy, không phải mỗi mùa Trái Đất lại đổi mạnh độ nghiêng, mà vị trí tương đối với Mặt Trời thay đổi trong khi vẫn giữ độ nghiêng gần như vậy. Nếu dùng quả địa cầu di chuyển quanh đèn pin mà liên tục xoay trục về phía đèn, mô hình cũng sẽ tái hiện sai bố trí thực tế của các mùa.
Do bố trí này, khoảng tháng 6 bán cầu Bắc nghiêng về Mặt Trời, còn bán cầu Nam nghiêng ngược lại; đến khoảng tháng 12 tình thế đảo chiều. Đó là lý do khi bán cầu Bắc là mùa hè thì vùng vĩ độ trung bình bán cầu Nam là mùa đông. Ở cùng thời điểm, hai bán cầu gần như cách Mặt Trời như nhau, nên chỉ nói cả Trái Đất đến gần Mặt Trời không giải thích được các mùa trái ngược. Hướng dẫn của NASA Space Place cũng nhấn mạnh độ nghiêng làm đổi cách nhận ánh sáng. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa toàn bán cầu Bắc cùng nóng lên một ngày, toàn bán cầu Nam cùng lạnh đi. Vùng gần xích đạo và cực, núi và biển, có môi trường khác nhau ngay trong một bán cầu. Mô hình quỹ đạo cho thấy nguyên lý phân bố năng lượng; muốn hiểu nhiệt độ và mưa từng vùng còn phải xem phản ứng của khí quyển và đại dương.
2. Mặt Trời càng cao, cùng ánh sáng tập trung vào diện tích càng nhỏ
Độ cao Mặt Trời là góc cho biết nó cao bao nhiêu so với chân trời của người quan sát. Ngay trên đỉnh đầu là 90°, hướng chân trời là 0°. Khi Mặt Trời cao, một chùm sáng có bề rộng cố định chiếu lên vùng mặt đất nằm ngang tương đối nhỏ. Khi chiếu xiên, cùng ánh sáng trải trên diện tích lớn hơn, làm năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích giảm. Ví dụ, giả sử cùng năng lượng phân bố đều trên diện tích gấp đôi thì phần nhận được trên mỗi đơn vị diện tích giảm một nửa. Ví dụ giúp phân biệt toàn bộ ánh sáng biến mất với lượng tập trung vào một chỗ giảm đi. Chiếu đèn pin vuông góc rồi nghiêng lên tờ giấy để thấy vệt sáng rộng ra và quan sát hình học này. Cố giữ mức sáng và khoảng cách đến giấy để so sánh tác động của góc. Đèn pin không xa như Mặt Trời nên không thể đổi độ sáng vệt đó thành bức xạ thực tế trên mặt đất. Tia thấp cũng có thể đi qua khí quyển dài hơn, nhưng lượng tới đất còn chịu ảnh hưởng của mây, hạt và hơi nước.
Để tính minh họa có số, hãy xét một nơi nằm ngang ở vĩ độ 37° Bắc. Điều kiện lý tưởng coi Trái Đất là hình cầu, bỏ qua khúc xạ khí quyển và địa hình, đặt độ nghiêng trục là 23.4°. Gần lúc Mặt Trời qua kinh tuyến địa phương và đạt cao nhất ngày, độ cao vào hạ chí tháng 6 xấp xỉ 76.4°, đông chí tháng 12 khoảng 29.6°, còn gần các điểm phân khoảng 53.0°. Đây là ví dụ hình học từ vĩ độ và vị trí bắc-nam của Mặt Trời, không phải số đo tại trạm quan trắc. Với cùng thanh thẳng đứng và cùng chiều cao, ta dự đoán bóng ngắn khi Mặt Trời cao, bóng dài khi thấp. Nhưng lấy 76.4 chia 29.6 không cho tỷ lệ nhiệt độ hè-đông. Góc và năng lượng không tỷ lệ thuận đơn giản; thay đổi góc trong ngày, thời tiết và trạng thái bề mặt cũng khác nhau. Phép tính phù hợp để kiểm tra lý do cảnh giữa trưa khác nhau giữa hai mùa.
3. Độ dài ban ngày thay đổi cùng cường độ ánh sáng
Khác biệt năng lượng theo mùa không chỉ do độ cao Mặt Trời ở một khoảnh khắc giữa trưa. Mùa hè ở vĩ độ trung bình bán cầu Bắc có đường đi biểu kiến của Mặt Trời trên trời dài, và thời gian ở trên chân trời thường cũng lâu. Mùa đông cùng địa điểm có đường thấp và ngắn hơn, nên thời gian nhận năng lượng ban ngày giảm. Muốn so sánh ánh sáng nhận cả ngày, cần kết hợp lượng bức xạ ở từng thời điểm với thời gian nhận. Điều này giống so sánh đèn sáng bật ngắn với đèn hơi tối bật lâu: phải hỏi cả cường độ lẫn thời gian. Nhưng ví dụ ấy cũng không phải công thức tính nung nóng mặt đất thực. Thời gian Mặt Trời ở trên chân trời khác với thời gian ánh sáng trực tiếp xuyên qua mây, nên không thể ghi độ dài từ mọc đến lặn là thời gian trời quang hay số giờ nắng trong quan trắc khí tượng.
Hạ chí và đông chí là các mốc thiên văn của cực trị trong thay đổi hằng năm đó. Ở vĩ độ trung bình bán cầu Bắc, ngày dài nhất gần hạ chí tháng 6, ngắn nhất gần đông chí tháng 12; tên mùa và mối quan hệ đảo ngược ở bán cầu Nam. Ở vĩ độ cao hơn có vùng Mặt Trời không lặn vào hè hoặc không mọc vào đông. Tuy nhiên, không phải mọi nơi vùng cực đều sáng đúng nửa năm rồi hoàn toàn tối suốt nửa năm còn lại. Thời gian phụ thuộc vĩ độ; dù Mặt Trời dưới chân trời, ánh sáng tán xạ trong khí quyển vẫn có thể làm trời sáng lúc chạng vạng. Chỉ vì Mặt Trời không lặn cũng không thể dự đoán hè vùng cực luôn nóng hơn vĩ độ trung bình, vì góc chiếu thấp, phản xạ của băng tuyết và vận chuyển nhiệt khác nhau. Gần xích đạo, biến thiên độ dài ngày trong năm nhỏ, nên chiều hè dài của vĩ độ trung bình không phải trải nghiệm chung toàn cầu. Khi so hai thành phố cùng tháng, trước hết cũng phải xác định bán cầu và vĩ độ.
4. Khoảng cách đến Mặt Trời có hoàn toàn vô tác dụng?
Quỹ đạo Trái Đất không phải đường tròn hoàn hảo nên khoảng cách đến Mặt Trời thật sự biến đổi. Hiện nay, Trái Đất thường qua cận nhật, điểm gần nhất, vào đầu tháng 1 và viễn nhật, điểm xa nhất, vào đầu tháng 7. Bán cầu Bắc có mùa đông khi gần và mùa hè khi xa, không phù hợp với cách giải thích mùa chỉ dựa trên khoảng cách. Nhưng sửa quan niệm đó bằng lời khẳng định khoảng cách hoàn toàn không ảnh hưởng cũng không chính xác. NASA StarChild giải thích ánh sáng Trái Đất nhận vào tháng 1 mạnh hơn tháng 7 khoảng 7%. Đây là chênh lệch bức xạ Mặt Trời tới do khoảng cách, không có nghĩa mọi thành phố trên bề mặt đều ấm hơn 7%. Cần tách chênh lệch ánh sáng ngoài khí quyển khỏi kết quả sau khi bề mặt hấp thụ. Nhiệt độ đất dưới mây và dưới trời quang khác nhau cùng một ngày cũng cho thấy khoảng cách không thể tự quyết định nhiệt độ địa phương. Phân biệt nguyên nhân chính tạo mùa trái ngược trong năm với chênh lệch bức xạ chồng lên nó là đủ. Nếu sơ đồ vẽ quỹ đạo rất dài và dẹt, cần kiểm tra có theo đúng độ lệch tâm thật không.
Thời điểm nhận nhiều ánh sáng nhất cũng không nhất thiết trùng nhiệt độ cao nhất. Đất và biển cần thời gian tích trữ, giải phóng nhiệt, nên sau hạ chí trời vẫn có thể nóng thêm dù ngày bắt đầu ngắn lại. Cơ quan Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ giải thích có độ trễ giữa ngày dài nhất và đỉnh nhiệt độ trung bình ở nhiều vùng vĩ độ trung bình và cao. Đây không phải quy tắc trễ cùng một số tuần ở mọi nơi. Khác biệt ven biển-nội địa, gió và dòng biển, mây và độ ẩm đất đều làm đổi nhiệt ra vào và vận chuyển. Hai thành phố cùng vĩ độ có nhiệt độ hè khác nhau không có nghĩa giải thích bằng trục nghiêng là sai. Độ nghiêng giải thích nền tảng mùa của năng lượng tới; nhiệt độ thực còn là kết quả tích nhiệt và trao đổi năng lượng. Đừng kết luận cả mùa biến mất chỉ vì một ngày mát, mà phải tách quan trắc hôm đó với trung bình nhiều năm.
5. Xuân phân và thu phân có thật sự ngày đêm bằng nhau?
Các điểm phân tháng 3 và tháng 9 được xác định khi tâm Mặt Trời đi qua xích đạo trời. Ở Hàn Quốc, điểm phân tháng 3 gọi là xuân phân và tháng 9 là thu phân, nhưng ở bán cầu Nam chúng lần lượt rơi vào thu và xuân. Khi đó, độ nghiêng trục Trái Đất cũng không trở thành 0°. Trục vẫn nghiêng, còn quan hệ hướng về Mặt Trời của hai bán cầu đi qua vị trí giữa hai cực đoan hè-đông. Bài học ngày đêm điểm phân mỗi bên 12 giờ là khởi đầu để hiểu bố trí cơ bản, không nói hiệu thời gian mọc-lặn thực ở đâu cũng chính xác 12 giờ. Đài Thiên văn Hải quân Hoa Kỳ giải thích mọc và lặn dựa trên lúc mép trên đĩa Mặt Trời xuất hiện và biến mất ở chân trời, không phải tâm đĩa. Khúc xạ khí quyển còn làm Mặt Trời trông cao hơn vị trí hình học. Vì vậy, ban ngày quanh điểm phân thường dài hơn một chút so với phép tính đơn giản 12 giờ; ngày mà ngày-đêm gần bằng nhau cũng thay đổi theo vĩ độ.
Mặt Trời khuất sau núi hay tòa nhà khác giờ lặn chính thức lại là một vấn đề khác: chân trời dùng trong tính toán không trùng địa hình che tầm nhìn thật. Có tính chạng vạng sau hoàng hôn vào độ dài ngày không cũng phải phân biệt theo mục đích. Mùa thiên văn và mùa khí tượng chia ngày theo tiêu chuẩn khác nhau. Thiên văn có thể dùng điểm phân và điểm chí, còn thống kê thời tiết có thể nhóm các tháng để dễ so sánh. NOAA giải thích đây là khác biệt giữa chuẩn vị trí Trái Đất so với Mặt Trời và chuẩn chu kỳ nhiệt độ năm cùng lịch. Vì vậy, ngày bắt đầu mùa trên lịch không phải lời hứa nhiệt độ đột ngột thay đổi từ hôm đó. Khi chép giờ điểm phân của một năm cụ thể, phải kiểm tra múi giờ để không ghi sai ngày địa phương.
6. Kiểm tra bằng ghi bóng và giữ lại khác biệt địa phương
Để tự quan sát, có thể cố định thanh thẳng đứng trên nền phẳng an toàn và ghi bóng, thay vì nhìn thẳng Mặt Trời. Giữ nguyên chỗ và chiều cao thanh, xác định lúc Mặt Trời gần qua kinh tuyến địa phương, rồi so độ dài bóng giữa các ngày. Thời điểm đó không luôn là 12 giờ trưa trên đồng hồ, nên hãy dùng dữ liệu thiên văn có địa điểm và múi giờ, hoặc xem lúc bóng ngắn nhất trong ngày. Ghi ngày, vĩ độ nơi quan sát, giờ và múi giờ, chiều cao thanh, độ dài bóng, mây và vật cản. Với nơi áp dụng giờ mùa hè, đánh dấu ngày chỉnh đồng hồ để tách thay đổi đột ngột giờ mọc trên đồng hồ khỏi hiện tượng thiên văn. Thanh nghiêng hoặc độ dốc nền đổi sẽ trộn sai số lắp đặt với thay đổi độ cao Mặt Trời. Ngày mây che khiến rìa bóng mờ thì không cần ép ra con số; có thể ghi không quan sát được. Ở cột riêng, tính độ dài ngày từ giờ mọc-lặn chính thức cùng vùng, rồi so trong nhiều tháng để xem bóng ngắn và ngày dài cùng xuất hiện khi nào.
Mục đích ghi chép không phải tuyên bố đã đo chính xác góc trục hoặc biến đổi khí hậu dài hạn từ vài lần quan sát. Hoạt động nhằm phân biệt thay đổi dự đoán từ góc và độ dài ngày xuất hiện ra sao trong bản ghi, điều gì do mây hoặc địa hình. Khi bổ sung ghi chép vùng khác, đừng coi bốn mùa xuân-hạ-thu-đông ở vĩ độ trung bình là khung đúng duy nhất. Ở nhiệt đới, tính mùa của mưa có thể tác động đời sống rõ hơn chênh lệch nhiệt độ. Như NOAA giải thích về dải hội tụ nhiệt đới, sự dịch chuyển theo mùa của dải hoàn lưu tạo mưa là yếu tố quan trọng để hiểu mùa mưa và khô, nhưng không thể áp cùng số mùa mưa, cùng tháng cho tất cả vùng xích đạo. Cần xem phân bố đất-biển, gió mùa và môi trường địa phương. Khi giải thích mùa, tách ba phạm vi là hình học toàn Trái Đất, điều kiện ánh sáng tại một nơi, cùng thời tiết và khí hậu thật sẽ giảm hiểu lầm dùng một nguyên nhân để khẳng định mọi khác biệt.