4.2: As estações
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva como a inclinação do eixo da Terra causa as estações
- Explique como as diferenças sazonais na Terra variam com a latitude
Um dos fatos fundamentais da vida nas latitudes médias da Terra, onde vive a maioria dos leitores deste livro, é que há variações significativas no calor que recebemos do Sol durante o ano. Assim, dividimos o ano em estações, cada uma com sua quantidade diferente de luz solar. A diferença entre as estações fica mais pronunciada quanto mais ao norte ou ao sul do equador viajamos, e as estações no hemisfério sul são o oposto do que encontramos na metade norte da Terra. Com esses fatos observados em mente, vamos perguntar o que causa as estações.
Muitas pessoas acreditam que as estações foram o resultado da mudança de distância entre a Terra e o Sol. Isso parece razoável à primeira vista: deveria estar mais frio quando a Terra está mais distante do Sol. Mas os fatos não confirmam essa hipótese. Embora a órbita da Terra ao redor do Sol seja uma elipse, sua distância do Sol varia em apenas cerca de 3%. Isso não é suficiente para causar variações significativas no aquecimento do sol. Para piorar as coisas para as pessoas na América do Norte que defendem essa hipótese, a Terra está na verdade mais próxima do Sol em janeiro, quando o hemisfério norte está no meio do inverno. E se a distância fosse o fator determinante, por que os dois hemisférios teriam estações opostas? Como mostraremos, as estações são na verdade causadas pela inclinação de 23,5° do eixo da Terra.
As estações e o sol
A figura\(\PageIndex{1}\) mostra o caminho anual da Terra ao redor do Sol, com o eixo da Terra inclinado em 23,5°. Observe que nosso eixo continua apontando na mesma direção no céu durante todo o ano. Enquanto a Terra viaja ao redor do Sol, em junho, o hemisfério norte “se inclina” para o Sol e é iluminado mais diretamente. Em dezembro, a situação se inverte: o hemisfério sul se inclina para o Sol e o hemisfério norte se inclina para longe. Em setembro e março, a Terra se inclina “para os lados” - nem para o Sol nem para longe dele - então os dois hemisférios são igualmente favorecidos pela luz do sol.
Como o fato de o Sol favorecer um hemisfério se traduz em torná-lo mais quente para nós na superfície da Terra? Há dois efeitos que precisamos considerar. Quando nos inclinamos para o Sol, a luz do sol nos atinge em um ângulo mais direto e é mais eficaz no aquecimento da superfície da Terra (Figura\(\PageIndex{2}\)). Você pode obter um efeito semelhante ao colocar uma lanterna na parede. Se você acender a lanterna diretamente, obterá um ponto de luz intenso na parede. Mas se você segurar a lanterna em um ângulo (se a parede “se inclinar para fora” do feixe), o ponto de luz ficará mais espalhado. Como a luz direta, a luz solar em junho é mais direta e intensa no hemisfério norte e, portanto, mais eficaz no aquecimento.
O segundo efeito tem a ver com o tempo que o Sol passa acima do horizonte (Figura\(\PageIndex{3}\)). Mesmo que você nunca tenha pensado em astronomia antes, temos certeza de que observou que as horas de luz do dia aumentam no verão e diminuem no inverno. Vamos ver por que isso acontece.
Como vimos em Observando o Céu: O Nascimento da Astronomia, uma forma equivalente de observar nosso caminho ao redor do Sol a cada ano é fingir que o Sol se move ao redor da Terra (em um círculo chamado eclíptica). Como o eixo da Terra está inclinado, a eclíptica é inclinada em cerca de 23,5° em relação ao equador celeste (veja a Figura\(2.1.6\)). Como resultado, o ponto em que vemos o Sol no céu muda com o passar do ano.
Em junho, o Sol está ao norte do equador celeste e passa mais tempo com aqueles que vivem no hemisfério norte. Ele sobe alto no céu e fica acima do horizonte nos Estados Unidos por até 15 horas. Assim, o Sol não apenas nos aquece com mais raios diretos, mas também tem mais tempo para fazer isso a cada dia. (Observe na Figura\(\PageIndex{3}\) que o ganho do hemisfério norte é a perda do hemisfério sul. Lá, o sol de junho está baixo no céu, o que significa menos horas de luz do dia. No Chile, por exemplo, junho é uma época do ano mais fria e escura.) Em dezembro, quando o Sol está ao sul do equador celeste, a situação se inverte.
Vamos ver como é a iluminação do Sol na Terra em algumas datas específicas do ano, quando esses efeitos estão no máximo. Em ou por volta de 21 de junho (a data que nós que vivemos no hemisfério norte chamamos de solstício de verão ou às vezes o primeiro dia do verão), o Sol brilha mais diretamente sobre o hemisfério norte da Terra. Ele aparece cerca de 23° ao norte do equador e, portanto, nessa data, passa pelo zênite de lugares na Terra que estão a 23° N de latitude. A situação é mostrada em detalhes na Figura\(\PageIndex{4}\). Para uma pessoa a 23° N (perto do Havaí, por exemplo), o Sol está diretamente acima do meio-dia. Essa latitude, onde o Sol pode aparecer no zênite ao meio-dia do primeiro dia do verão, é chamada de Trópico de Câncer.
Também vemos na Figura\(\PageIndex{4}\) que os raios do sol brilham em todo o Pólo Norte no solstício. À medida que a Terra gira sobre seu eixo, o Pólo Norte é continuamente iluminado pelo Sol; todos os lugares dentro de 23° do pólo têm sol por 24 horas. O Sol está o mais ao norte possível nesta data; portanto, 90° — 23° (ou 67° N) é a latitude mais ao sul onde o Sol pode ser visto por um período completo de 24 horas (às vezes chamada de “terra do Sol da meia-noite”). Esse círculo de latitude é chamado de Círculo Ártico.
Muitas culturas antigas programaram eventos especiais por volta do solstício de verão para celebrar os dias mais longos e agradecer aos deuses por tornar o clima quente. Isso exigia que as pessoas acompanhassem a duração dos dias e a caminhada do Sol em direção ao norte, a fim de saber o dia certo para a “festa”. (Você pode fazer a mesma coisa observando por várias semanas, do mesmo ponto de observação, onde o Sol nasce ou se põe em relação a um marco fixo. Na primavera, o Sol nascerá cada vez mais ao norte do leste e se porá cada vez mais ao norte do oeste, atingindo o máximo por volta do solstício de verão.)
Agora veja o Pólo Sul na Figura\(\PageIndex{4}\). Em 21 de junho, todos os lugares a 23° do Pólo Sul, ou seja, ao sul do que chamamos de Círculo Antártico, não veem o Sol por 24 horas.
A situação é revertida 6 meses depois, por volta de 21 de dezembro (a data do solstício de inverno ou o primeiro dia de inverno no hemisfério norte), conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{5}\). Agora é o Círculo Polar Ártico que tem a noite de 24 horas e o Círculo Antártico que tem o Sol da meia-noite. Na latitude 23° S, chamada de Trópico de Capricórnio, o Sol passa pelo zênite ao meio-dia. Os dias são mais longos no hemisfério sul e mais curtos no norte. Nos Estados Unidos e no sul da Europa, pode haver apenas 9 ou 10 horas de sol durante o dia. É inverno no hemisfério norte e verão no hemisfério sul.
Exemplo\(\PageIndex{1}\): variações sazonais
Como você pode ver na Figura\(\PageIndex{4}\), o Trópico de Câncer é a latitude na qual o Sol está diretamente acima do solstício de verão. Neste momento, o Sol está em uma declinação de 23° N do equador celeste, e a latitude correspondente na Terra é 23° N do equador. Se a Terra estivesse um pouco menos inclinada, o Trópico de Câncer estaria em uma latitude mais baixa, mais perto do equador.
O Círculo Polar Ártico marca a latitude mais ao sul, cuja duração do dia é de 24 horas no dia do solstício de verão. Ele está localizado a 90° — 23° = 67° N do equador da Terra. Se a Terra estivesse um pouco menos inclinada, o Círculo Polar Ártico se moveria mais para o norte. No limite em que a Terra não está nem um pouco inclinada (seu eixo é perpendicular à eclíptica), o Trópico de Câncer estaria bem no equador da Terra, e o Círculo Polar Ártico seria simplesmente o Pólo Norte. Suponha que a inclinação do eixo da Terra estivesse inclinada apenas 5°. Qual seria o efeito nas estações e nas localizações do Trópico de Câncer e do Círculo Polar Ártico?
Solução
Se a Terra estivesse menos inclinada, as estações seriam menos extremas. A variação na duração do dia e na luz solar direta seria muito pequena ao longo de um ano, e a trajetória diária do Sol no céu não variaria muito. Se a Terra estivesse inclinada em 5°, a posição do Sol no dia do solstício de verão seria 5° N do equador celeste, então o Trópico de Câncer estaria na latitude correspondente na Terra de 5° N do Equador. O Círculo Polar Ártico estaria localizado a 90° — 5° = 85° N do equador.
Exercício\(\PageIndex{1}\)
Suponha que a inclinação do eixo da Terra fosse de 16°. Qual seria, então, a diferença de latitude entre o Círculo Polar Ártico e o Trópico de Câncer? Qual seria o efeito nas estações do ano em comparação com o produzido pela inclinação real de 23°?
Responda-
O Trópico de Câncer está em uma latitude igual à inclinação da Terra, então, neste caso, estaria na latitude 16° N. O Círculo Polar Ártico está em uma latitude igual a 90° menos a inclinação da Terra, ou 90° — 16° = 74°. A diferença entre essas duas latitudes é de 74° — 16° = 58°. Como a inclinação da Terra é menor, haveria menos variação na inclinação da Terra e menos variação nos caminhos do Sol ao longo do ano, então haveria mudanças sazonais mais amenas.
Você pode ver uma animação do caminho do Sol durante as estações ao lado de uma visão em lapso de tempo da luz e da sombra de uma câmera instalada no campus da Universidade de Nebraska.
Muitas culturas que se desenvolveram a alguma distância ao norte do equador celebram por volta de 21 de dezembro para ajudar as pessoas a lidar com a deprimente falta de luz solar e as temperaturas, muitas vezes perigosamente baixas. Originalmente, muitas vezes era uma época para se reunir com familiares e amigos, para compartilhar as reservas de comida e bebida e para rituais pedindo aos deuses que devolvessem a luz e o calor e mudassem o ciclo das estações. Muitas culturas construíram dispositivos elaborados para antecipar quando chegaria o dia mais curto do ano. Stonehenge na Inglaterra, construído muito antes da invenção da escrita, é provavelmente um desses dispositivos. Em nosso próprio tempo, continuamos a tradição do solstício de inverno com várias celebrações de feriados por volta dessa data de dezembro.
A meio caminho entre os solstícios, por volta de 21 de março e 21 de setembro, o Sol está no equador celeste. Da Terra, ele aparece acima do equador do nosso planeta e não favorece nenhum dos hemisférios. Cada lugar na Terra então recebe aproximadamente 12 horas de sol e 12 horas de noite. Os pontos em que o Sol cruza o equador celeste são chamados de equinócios vernal (primavera) e outonal (outono).
As estações em diferentes latitudes
Os efeitos sazonais são diferentes em diferentes latitudes na Terra. Perto do equador, por exemplo, todas as estações são praticamente iguais. Todos os dias do ano, o sol nasce metade do tempo, então há aproximadamente 12 horas de sol e 12 horas de noite. Os residentes locais definem as estações pela quantidade de chuva (estação chuvosa e estação seca) e não pela quantidade de luz solar. À medida que viajamos para o norte ou para o sul, as estações se tornam mais pronunciadas, até chegarmos a casos extremos no Ártico e na Antártica.
No Pólo Norte, todos os objetos celestes que estão ao norte do equador celeste estão sempre acima do horizonte e, à medida que a Terra gira, circulam paralelamente a ele. O Sol está ao norte do equador celeste por volta de 21 de março a 21 de setembro, então, no Pólo Norte, o Sol nasce quando atinge o equinócio vernal e se põe quando atinge o equinócio de outono. Todos os anos, há 6 meses de sol em cada pólo, seguidos por 6 meses de escuridão.
Exemplo\(\PageIndex{2}\): A posição do sol no céu
As coordenadas do Sol na esfera celeste variam de uma declinação de 23° N do equador celeste (ou +23°) até uma declinação de 23° S do equador celeste (ou —23°). Portanto, a altitude do Sol ao meio-dia, quando cruza o meridiano, varia em um total de 46°. Qual é a altitude do Sol ao meio-dia de 21 de março, vista de um lugar no equador da Terra? Qual é sua altitude em 21 de junho, vista de um lugar no equador da Terra?
Solução
No equador da Terra, o equador celeste passa pelo zênite. Em 21 de março, o Sol está cruzando o equador celeste, então ele deve ser encontrado no zênite (90°) ao meio-dia. Em 21 de junho, o Sol está a 23° N do equador celeste, então estará a 23° de distância do zênite ao meio-dia. A altitude acima do horizonte será 23° menor que a altitude do zênite (90°), então está 90° — 23° = 67° acima do horizonte.
Exercício\(\PageIndex{2}\)
Qual é a altitude do Sol ao meio-dia de 21 de dezembro, visto de um lugar no Trópico de Câncer?
- Responda
-
No dia do solstício de inverno, o Sol está localizado a cerca de 23° S do equador celeste. Do Trópico de Câncer, uma latitude de 23° N, o zênite seria uma declinação de 23° N. A diferença na declinação entre o zênite e a posição do Sol é de 46°, então o Sol estaria a 46° de distância do zênite. Isso significa que estaria a uma altitude de 90° — 46° = 44°.
Esclarecimentos sobre o mundo real
Em nossas discussões até agora, descrevemos o nascer e o pôr do Sol e das estrelas como eles apareceriam se a Terra tivesse pouca ou nenhuma atmosfera. Na realidade, no entanto, a atmosfera tem o efeito curioso de nos permitir ver um pouco “além do horizonte”. Esse efeito é resultado da refração, da flexão da luz que passa pelo ar ou pela água, algo que discutiremos em Instrumentos Astronômicos. Devido a essa refração atmosférica (e ao fato de que o Sol não é um ponto de luz, mas um disco), o Sol parece nascer mais cedo e se pôr mais tarde do que faria se nenhuma atmosfera estivesse presente.
Além disso, a atmosfera dispersa a luz e fornece alguma iluminação crepuscular mesmo quando o Sol está abaixo do horizonte. Os astrônomos definem o crepúsculo da manhã como começando quando o Sol está 18° abaixo do horizonte, e o crepúsculo da noite se estende até o Sol afundar mais de 18° abaixo do horizonte.
Esses efeitos atmosféricos exigem pequenas correções em muitas de nossas declarações sobre as estações. Nos equinócios, por exemplo, o Sol parece estar acima do horizonte por alguns minutos a mais de 12 horas e abaixo do horizonte por menos de 12 horas. Esses efeitos são mais dramáticos nos pólos da Terra, onde o Sol realmente pode ser visto mais de uma semana antes de atingir o equador celeste.
Você provavelmente sabe que o solstício de verão (21 de junho) não é o dia mais quente do ano, mesmo que seja o mais longo. Os meses mais quentes no hemisfério norte são julho e agosto. Isso ocorre porque nosso clima envolve o ar e a água que cobrem a superfície da Terra, e esses grandes reservatórios não esquentam instantaneamente. Você provavelmente já observou esse efeito por si mesmo; por exemplo, um lago não esquenta no momento em que o
O sol nasce, mas fica mais quente no final da tarde, depois de ter tido tempo de absorver o calor do sol. Da mesma forma, a Terra fica mais quente depois de ter a chance de absorver a luz solar extra que é o presente de verão do Sol para nós. E as épocas mais frias do inverno são um mês ou mais após o solstício de inverno.
Conceitos principais e resumo
O ciclo familiar das estações resulta da inclinação de 23,5° do eixo de rotação da Terra. No solstício de verão, o Sol está mais alto no céu e seus raios atingem a Terra mais diretamente. O Sol fica no céu por mais da metade do dia e pode aquecer a Terra por mais tempo. No solstício de inverno, o Sol está baixo no céu e seus raios entram em um ângulo maior; além disso, ele fica ativo por menos de 12 horas, então esses raios têm menos tempo para aquecer. Nos equinócios vernal e outonal, o Sol está no equador celeste e temos cerca de 12 horas de dia e noite. As estações são diferentes em diferentes latitudes.
Notas de pé
1 Observe que as datas indicadas para os solstícios e equinócios são aproximadas; dependendo do ano, elas podem ocorrer um ou dois dias antes ou depois.