چرا فصلها تغییر میکنند؟
مقدمهای بر رقص زمین به دور خورشید
زمین ما، همیشه در حال حرکت است. این حرکتها هستند که چرخهٔ روز و شب و همچنین تغییر فصلهای زیبا را به وجود میآورند. دو حرکت اصلی زمین که باید با آنها آشنا شویم، حرکت چرخشی (حرکت به دور خودش) و حرکت انتقالی (حرکت به دور خورشید) هستند. حرکت چرخشی که هر ۲۴ ساعت یکبار انجام میشود، عامل به وجود آمدن روز و شب است. اما برای فهمیدن دلیل تغییر فصلها، باید بر حرکت انتقالی و یک ویژگی خاصِ زمین به نام انحراف محوری تمرکز کنیم.
تصور کنید زمین یک فرفرهٔ کج است که در حال چرخش به دور یک ستارهٔ بزرگ به نام خورشید است. این «کج بودن» همان راز اصلی تغییر فصلهاست.
انحراف محور زمین؛ عامل کلیدی تغییر فصلها
محور زمین خطی فرضی است که از قطب شمال به قطب جنوب میگذرد و زمین به دور آن میچرخد. این محور کاملاً عمودی نیست، بلکه حدود 23.5 درجه نسبت به خط عمود بر صفحهٔ مداریاش انحراف دارد. این انحراف ثابت است و در طول سالگردش زمین به دور خورشید، جهتگیری آن در فضا تغییر نمیکند.
به دلیل همین انحراف ثابت، در بخشی از سال، نیمکرهٔ شمالی به سمت خورشید متمایل میشود و در بخش دیگری از سال، نیمکرهٔ جنوبی. وقتی نیمکرهای به سمت خورشید متمایل است، نور خورشید با زاویهٔ مستقیمتر و برای ساعات طولانیتری به آن میتابد و فصل تابستان را تجربه میکند. در همین زمان، نیمکرهٔ مقابل نور خورشید را با زاویهٔ مایلتری دریافت میکند و در فصل زمستان به سر میبرد.
چهار نقطهٔ عطف مهم در مدار زمین
حرکت انتقالی زمین به دور خورشید، چهار موقعیت کلیدی را تعریف میکند که مطابقت داشتن به آغاز فصلهای نجومی هستند. این نقاط به دلیل انحراف محور زمین و موقعیت نسبی آن نسبت به خورشید رخ میدهند.
| رویداد | تاریخ تقریبی | شرح رویداد | فصل در نیمکره شمالی |
|---|---|---|---|
| انقلاب تابستانی | 21 ژوئن | قطب شمال بیشترین تمایل را به سمت خورشید دارد. طولانیترین روز سال. | آغاز تابستان |
| اعتدال پاییزی | 22 سپتامبر | خورشید دقیقاً از بالای استوا میتابد. روز و شب تقریباً برابرند. | آغاز پاییز |
| انقلاب زمستانی | 21 دسامبر | قطب جنوب بیشترین تمایل را به سمت خورشید دارد. کوتاهترین روز سال. | آغاز زمستان |
| اعتدال بهاری | 20 مارس | خورشید دوباره از بالای استوا میتابد. روز و شب دوباره برابرند. | آغاز بهار |
اثر زاویه تابش و طول روز بر آب و هوا
اما چرا زاویهٔ تابش خورشید اینقدر مهم است؟ این موضوع به چگونگی توزیع انرژی خورشید روی سطح زمین برمیگردد. برای درک این مفهوم، به دو مثال توجه کنید:
مثال ۱: نور چراغ قوه
یک چراغ قوه را در نظر بگیرید. اگر پرتو نور آن را مستقیماً و از بالا به یک سطح بتابانید، نوری متمرکز و بسیار روشن ایجاد میکند. اما اگر همان چراغ قوه را با زاویهٔ کم و به صورت مایل به سطح بتابانید، نور پخشتر و کمنورتر میشود. همین اتفاق برای نور خورشید نیز میافتد. در تابستان، نور خورشید تقریباً عمودی میتابد و انرژی در منطقهٔ کوچکتری متمرکز میشود، بنابراین گرمای بیشتری تولید میکند. در زمستان، نور مایل است و انرژی در سطح وسیعتری پخش میشود، در نتیجه گرمای کمتری تولید میکند.
مثال ۲: طول روز
عامل دوم، مدت زمان تابش نور خورشید است. در تابستان، روزها بلندتر هستند، بنابراین زمین زمان بیشتری برای جذب انرژی خورشید دارد. در زمستان، روزها کوتاهترند و زمین زمان کمتری برای گرم شدن دارد و همچنین زمان بیشتری برای از دست دادن گرمای خود در شبهای طولانی در اختیار دارد.
این دو عامل را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد:
گرمای کمتر = تابش مایل خورشید + روزهای کوتاه
آیا فاصله از خورشید دلیل تغییر فصلهاست؟
یک باور غلط و بسیار رایج این است که زمین در تابستان به خورشید نزدیکتر و در زمستان از آن دورتر است. اما این فرضیه کاملاً نادرست است. در واقع، مدار زمین به دور خورشید کاملاً دایرهای نیست، بلکه بیضیشکل است. جالب اینجاست که زمین در نیمکرهٔ شمالی در نقطهای از مدارش که به خورشید نزدیکتر است (حضیض خورشیدی)، در فصل زمستان (حدود 4 ژانویه) قرار دارد. و زمانی که در دورترین نقطه از خورشید است (اوج خورشیدی)، در فصل تابستان (حدود 4 جولای) به سر میبرد.
این موضوع به وضوح ثابت میکند که تغییرات فاصله، که بسیار ناچیز است (حدود 3%)، نقش تعیینکنندهای در تغییر فصلها ندارد و عامل اصلی، همان انحراف محور زمین است.
مشاهده تغییر فصلها در زندگی روزمره و طبیعت
اثرات تغییر فصلها را میتوان به راحتی در محیط اطرافمان مشاهده کرد. این تغییرات تنها محدود به دما نیستند، بلکه چرخهٔ زندگی گیاهان و حیوانات را نیز تنظیم میکنند.
- بهار: با طولانیتر شدن روزها و افزایش زاویهٔ تابش، زمین گرم میشود. گیاهان جوانه میزنند، حیوانات از خواب زمستانی بیدار میشوند و پرندگان مهاجرت میکنند.
- تابستان: اوج انرژی خورشید. روزها بسیار بلند و گرم هستند. این فصل زمان رشد سریع گیاهان و رسیدن میوهها است.
- پاییز: با کوتاهتر شدن روزها و مایل شدن تابش خورشید، دما کاهش مییابد. کلروفیل در برگ درختان تجزیه میشود و رنگهای قرمز، نارنجی و زرد ظاهر میشوند. حیوانات برای زمستان آماده میشوند.
- زمستان: روزها کوتاهترین و شبها طولانیترین حالت خود هستند. زاویهٔ تابش خورشید بسیار مایل است و انرژی کمتری دارد. بسیاری از گیاهان به خواب میروند و برخی حیوانات به خواب زمستانی فرو میروند یا به مناطق گرمتر مهاجرت میکنند.
این چرخهٔ پیوسته و قابل پیشبینی، پایه و اساس کشاورزی و برنامهریزی برای تمدنهای انسانی در طول تاریخ بوده است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. فصلها در دو نیمکرهٔ شمالی و جنوبی مخالف یکدیگر هستند. وقتی در تهران تابستان است، در سیدنی استرالیا زمستان است. استوا نیز فصلهای به معنای معمول را تجربه نمیکند و بیشتر دورههای خشک و مرطوب دارد، چرا که در طول سال نور خورشید را تقریباً به صورت مستقیم دریافت میکند.
اگر محور زمین عمودی بود، تغییر فصلها به شکلی که میشناسیم وجود نداشت. در هر نقطه از زمین، در طول سال، طول روز و شب همیشه ۱۲ ساعت بود و زاویهٔ تابش خورشید ثابت میماند. احتمالاً هر منطقه یک آب و هوای ثابت داشت: مناطق استوایی همیشه بسیار گرم و مناطق قطبی همیشه بسیار سرد بودند. تنوع زیستی چشمگیری که امروز شاهد آن هستیم، وجود خارجی نداشت.
مدت زمان دقیق حرکت انتقالی زمین به دور خورشید 365.2425 روز است. تقویم ما 365 روزه است و برای جبران این تفاوت کسری، هر چهار سال یک بار یک روز اضافه (سال کبیسه) داریم. به همین دلیل، زمان دقیق رسیدن به نقاط اعتدال و انقلابین ممکن است در تقویم، هر سال چند ساعت و در درازمدت تا یک روز جابجا شود.
پاورقی
1انحراف محوری (Axial Tilt): زاویه بین محور چرخش یک جرم آسمانی و خط عمود بر صفحهٔ مداری آن. برای زمین این مقدار تقریباً 23.5 درجه است.
2حرکت انتقالی (Revolution): حرکت یک جرم آسمانی به دور یک جرم دیگر در یک مسیر مداری. حرکت زمین به دور خورشید که approximately 365.25 روز طول میکشد.
3اعتدالین (Equinoxes): نقاطی در مدار زمین که در آنها مرکز خورشید دقیقاً از بالای استوا میگذرد و طول روز و شب در همه جای زمین تقریباً برابر است.
4انقلابین (Solstices): نقاطی در مدار زمین که در آنها انحراف محور زمین به حداکثر تمایل خود نسبت به خورشید میرسد و منجر به طولانیترین یا کوتاهترین روز سال میشود.
