Árstíðir

Hvers vegna kemur vetur, sumar, vor og haust?

Margir halda að árstíðaskipti verði af völdum breytilegrar fjarlægðar jarðar frá sólu. Samkvæmt þeirri hugmynd ætti jörðin að vera nær sólu á sumrin en veturnar. Þetta er hins vegar mikill misskilningur. Braut jarðar er mjög nálægt því að vera hringlaga svo munar aðeins þremur prósentum á fjarlægð jarðar frá sólu við sólnánd og sólfirð. Þessi litla fjarlægðarbreyting á sök á aðeins fjögurra gráðu hitabreytingu að meðaltali. Þetta kemur fólki á heittempruðum svæðum sennilega lítið á óvart þar sem hitasveiflur yfir árið eru litlar, en heldur meira hjá fólki norðar þar sem hitasveiflurnar geta numið tugum gráða milli árstíða. Þar fyrir utan er jörðin næst sólu í janúar (á veturna á norðurhvelinu) en fjærst henni í júní (á veturna á suðurhvelinu)!

Orsök árstíðaskipta

Snúningstími jarðar – sá tími sem það tekur jörðina að snúast einn hring um möndul sinn – er tæpar 24 klukkustundir. Því til viðbótar er umferðartími jarðar – sá tími sem það tekur jörðina að ljúka einni hringferð umhverfis sólina – um 365,25 dagar eða eitt ár. Á einu ári gengur jörðin í gegnum fjórar árstíðir: vor, sumar, haust og vetur. Þegar vetur er á norðurhvelinu er sumar á suðurhvelinu og öfugt sex mánuðum síðar. Hvers vegna?

Ástæða árstíðaskipta á jörðinni og um leið ástæða þess að árstíðirnar eru mismunandi milli norður- og suðurhvelsins, er sú að snúningsás jarðar er ekki samsíða brautarfleti jarðar. Þess í stað hallar snúningsásinn eða möndullinn um 23,5° frá láréttu. Jörðin heldur þessum halla á ferðalagi sínu umhverfis sólina. Þessi halli veldur því að magn sólarljós sem fellur á tiltekinn stað á jörðinni breytist yfir árið. Afleiðing þess er sú að meðalhitastig breytist og sú breyting, ásamt úrkomumagni, veldur árstíðaskiptum.

Orsök árstíða. Snúningsás jarðar hallar 23,44° miðað við sólbauginn. Jörðin heldur þessum möndulhalla á braut sinni umhverfis sólina. Vegna möndulhallans hallar norður- og suðurhvelið í átt til og frá sólinni á sex mánaða fresti. Þegar norðurhvelið hallar í átt að sólinni er sumar á norðurhvelinu en vetur á suðurhvelinu þar sem það hallar frá sólinni. Hið gagnstæða á sér stað sex mánuðum síðar. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Á hverjum tímapunkti sólarhringsins er helmingur jarðar upplýstur en hinn myrkvaður. Mörkin milli upplýstu hliðarinnar og myrkvuðu hliðarinnar kallast skuggaskil (terminator). Væri möndulhallinn enginn væri dagurinn alltaf jafnlangur nóttinni.

Hluta ársins hallar norðurhvel jarðar í átt að sólu og á sama tíma hallar suðurhvelið frá sólu. Þegar jörðin snýst um sjálfa sig á sumrin á norðurhvelinu nýtur staður á norðurhveli jarðar dagsbirtu í meira en tólf klukkustundir. Dagarnir á norðurhvelinu eru þá langir en næturnar stuttar. Sumrin eru því hlý vegna þess að sólin er hátt á norðurhimnum og nýtur lengur við á daginn á sumrin en á veturna. Þá fellur sólarljósið nærri lóðrétt til jarðar og hitar yfirborðið meira en ef sólarljósið kæmi inn frá skarpara horni.

Á þessum árstíma á suðurhvelinu eru dagarnir stuttir, innan við tólf klukkustundir, og næturnar langar. Sólin á suðurhvelinu er þá lágt á lofti á norðurhimninum. Þá fellur sólarljósið með skörpu horni á yfirborðið sem veldur lítilli hlýnun. Þá er vetur á suðurhvelinu.

Hálfu ári síðar snýst þetta við. Þá er vetur á norðurhvelinu og sumar á suðurhvelinu. Á vorin og haustin fá bæði hvelin nokkurn veginn jafn mikið magn sólarljóss. Þá er dagurinn jafnlangur nóttinni.

Sólarorkan á sumrin og veturna er mismunand þar sem sólargeislarnir koma inn frá mismunandi horni. Á sumrin er sólin hærra á lofti og dagarnir lengri sem eykur hitun yfirborðsins. Á veturna er sólin lægra á lofti og dagarnir stuttir og því er hlýnunin ekki nærri eins mikil. Þetta veldur því að sumrin eru hlý en veturnir kaldir. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Jafndægur

Sólbaugurinn, jafndægrapunkta og sólstöður. Sólbaugurinn er guli flöturinn sem hér er varpað á himinhvelfinguna. Sólbaugurinn hallar 23,44° miðað við miðbaug himins vegna möndulhalla jarðar. Þar sker hann tvo punkta á miðbaugi himins sem kallast jafndægrapunktar. Á nyrsta stað sólbaugsins verða sumarsólstöður en vetrarsólstöður á syðsta punktinum. Staðsetning sólar hér á við í kringum 1. ágúst. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Á ferðalagi jarðar í kringum sólina breytist staðsetning sólar á himninum, hægt og rólega frá jörðu séð, miðað við stjörnurnar í bakgrunni. Sólin virðist þannig reika eftir hringlaga slóð eða ferli á himinhvolfinu sem kallast sólbaugur (ecliptic). Í einu ári eru 365,25 dagar og í heill hringur telur 360°. Sólin virðist því ferðast samfara sólbaugnum frá vestri til austurs um 1° á dag.

Þessi færsla er í gagnstæða átt miðað við sýndarhreyfingu himinhvelfingarinnar og kemur ef til vill spánskt fyrir sjónir. Ágæt leið til að sjá þetta fyrir sér er að ímynda sér hringekju sem snýst réttsælis (eins og klukka) og sólina sem barn sem gengur hægt rangsælis (líkt og klukka sem gengur aftur á bak) umhverfis hringekjuna. Á þeim tíma sem það tekur barnið að ljúka einni hringferð umhverfis hringekjuna, hefur hringekjan sjálf snúst 365,25 sinnum um sjálfa sig.

Hægt er að ímynda sér sólbauginn sem framhald af brautarfleti jarðar. Sá flötur er ekki sá sami og miðbaugsflötur jarðar, þökk sé 23,44° möndulhalla. Þess í stað hallar sólbaugurinn 23,44° miðað við miðbaugsflötinn; hann gengur sem sagt undir og yfir miðbaug himins.

Sólbaugurinn og miðbaugur himins skerast þar af leiðandi á tveimur stöðum. Þessir staðir eða punktar eru nákvæmlega andspænis hvor öðrum og kallast jafndægrapunktar. Þegar sólin er í öðrum hvorum jafndægrapunkti eru dagur og nótt um 12 klukkustundir alls staðar á jörðinni; dagurinn er þá jafnlagur nóttinni. Hugtakið jafndægur (equinox) er notað fyrir þá daga þegar sólin sker þessa punkta.

Þann 21. mars ár hvert sker sólin vorjafndægrapunktinn. Sólin stefnir þá í norðurátt yfir miðbaug himins og fer hækkandi á himninum. Þessi dagsetning markar þar af leiðandi upphaf vors á norðurhveli jarðar. Hálfu ári síðar eða 22. september sker sólin haustjafndægrapunktinn. Sólin stefnir þá í suðurátt undir miðbaug himins og fer lækkandi á himninum. Þessi dagsetning markar upphaf hausts á norðurhvelinu jarðar. Þar sem árstíðir eru gagnstæðar á norður- og suðurhvelinu markar vorjafndægur hjá okkur komu hausts hjá íbúum í Suður-Ameríku, Ástralíu og sunnanverðri Afríku.

Sólstöður (sólhvörf)

Mitt á milli vor- og haustjafndægranna liggja tveir aðrir mikilvægir staðir eða punktar á sólbaugnum. Þann 20. til 23 desember nær sólin þeim stað á sólbaugnum sem er lengst suður af miðbaug himins. Verða þá vetrarsólstöður sem markar syðstu og lægstu stöðu sólar á himinum. Byrjar þá sólin að hækka á lofti. Sex mánuðum síðar eða þann 20. til 22. júní nær sólin þeim stað á sólbaugnum sem er lengst norður af miðbaug himins. Verða þá sumarsólstöður sem marka nyrstu og hæstu stöðu sólar á himninum. Byrjar þá sólin aftur að lækka á lofti. Breytileiki dagsetningana stafar af því að almanaksárið er ekki jafnlangt árstíðaárinu.

Þar sem staðsetning sólar á himinhvolfinu breytist hægt og rólega yfir árið, breytist einnig dagleg leið hennar þvert yfir himinninn (vegna snúnings jarðar) með árstíðunum. Það þýðir að á fyrsta degi vors eða hausts, þegar sólin er við jafndægur, rís sólin beint í austri og sest beint í vestri. Þegar norðurhvelið hallar frá sólinni og vetur er á norðurhvelinu, rís sólin í suðaustri. Dagsbirtu nýtur þá í innan við tólf klukkustundir á meðan sólin skimar lágt yfir sjóndeildarhringnum í suðri og sest í suðvestri. Á sumrin á norðurhvelinu, þegar norðurhvelið hallar í átt til sólar, rís sólin í norðaustri og sest í norðvestri. Sólin er þá í nyrstu stöðu við sumarsólstöður og þá er dagurinn lengstur á norðurhvelinu. Við sumarsólstöður sest sólin ekki norðan norðurheimskautsbaugsins og rís ekki sunnan suðurheimskautsbaugsins. Hér á landi gægist sólin í örfáar klukkustundir yfir sjóndeildarhringinn yfir háveturinn en skín skært allan sólarhringinn yfir hásumarið.

Heimskautsbaugar

Dagleg leið sólar yfir himinninn. Þessi teikning sýnir sýndarferil sólar yfir himinninn á fjórum mismunandi árstíðum. Teikningin á við um manneskju í suðurríkjum Bandaríkjanna. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Því nær sem við komumst norðurpólnum, því styttri verður vetrardagurinn og vetrarnæturnar lengri. Alls staðar innan við 23,5° frá norðurpólnum (það er norður af 66,5 breiddargráðu norður (90° - 23,5° = 66,5°)) er sólin undir sjóndeildarhringnum allan sólarhringinn, í að minnsta kosti einn daga á ári. Mörkin við 66,5 norðlægrar breiddar kallast norðurheimskautsbaugur (arctic circle). Samsvarandi svæði við suðurpólinn markast af suðurheimskautsbaugnum (antarctic circle) við 66,5 suðlægrar breiddar. Við vetrarsólstöður á norðurhvelinu njóta suðurheimskautsfarar sólskins í sólarhring. Heimskautanóttin og –dagurinn standa yfir í sex mánuði.

Árstíðabreytingar eru miklu minni nærri miðbaug jarðar þar sem dagurinn er nokkurn veginn jafnlangur nóttinni allt árið. Á slíkum stöðum er gjarnan talað þurrkatíma og regntíma, sem eru vitaskuld árstíðir út af fyrir sig.

Hvarfbaugar

Við sumarsólstöður 21. júní er sólin í hvirfilpunkti á hádegi á 23,5 breiddargráðu norður. Sú staður á norðurhvelinu kallast hvarfbaugur krabbans (tropic of Cancer) eða nyrðri hvarfbaugur og gengur meðal annars í gegnum staði eins og norðanverða Afríku, Mexíkó og Hawaii. Við vetrarsólstöður 21. desember er sólin aftur á móti í hvirfilpunkti á hádegi á 23,5 breiddargráðu suður. Sá staður á suðurhvelinu kallast hvarfbaugur steingeitarinnar (tropic of Capricorn) eða syðri hvarfbaugur og gengur meðal annars í gegnum staði eins og Brasilíu, Chile og Ástralíu. Milli hvarfbauganna er sólin í hvirfilpunkti á hádegi að minnsta kosti einu sinni á dag á ári. Norðan og sunnan hvarfbauganna kemst sólin aldrei svo hátt á himinninn.

Hvarfbaugar og heimskautsbaugar. Fjórar mikilvægar breiddargráður á jörðinni eru norðurheimskautsbaugur (66,5° norðlægrar breiddar), hvarfbaugur krabbans (23,5° norðlægrar breiddar), hvarfbaugur steingeitarinnar (23,5° suðlægrar breiddar) og suðurheimskautsbaugurinn (66,5° suðlægrar breiddar). Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Hvenær hefjast árstíðirnar?

Í stjarnfræðilegum skilningi verða árstíðaskipti við sólstöður eða jafndægur. Þannig hefst sumar við sumarsólstöður, vetur við vetrarsólstöður en haust við haustjafndægur og vor við vorjafndægur. Samkvæmt íslensku tímatali fellur fyrsti dagur sumars á fyrsta fimmtudag eftir 18. apríl, þ.e. einhvern tímann á bilinu 19. til 25. apríl. Fyrsti vetrardagur rennur upp á laugardegi að lokinni 26. viku sumars, þá milli 21. til 27. október en stundum 28. október. Vor hefst við vorjafndægur og haust við haustjafndægur.

Heimildir og ítarefni:

1. Freedman, Roger og Kaufmann, William. 2005. Universe, seventh edition. W. H. Freeman, New York.
2. Marshak, Stephen. 2005. Earth: A Portrait of a Planet, second edition. W. W. Norton & Company, New York.
3. Þorsteinn Sæmundsson. 1972. Stjörnufræði – Rímfræði. Bókaútgáfa menningarsjóðs og Þjóðvinafélagsins, Reykjavík.
4. Þorsteinn Sæmundsson. 2002. Heimskautsbaugurinn. Vefsíða Almanaks Háskóla Íslands, http://www.almanak.hi.is/heimskau.html. Skoðað 13.05.08.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). Árstíðir. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/solkerfid-large/jordin/arstidir (sótt: DAGSETNING).