Zašto je na sjevernoj Zemljinoj polutci zimi hladnije nego ljeti, ako je tada Zemlja bliža Suncu nego što je to ljeti? I zašto je ljeti toplije ako je tada Zemlja udaljenija od Sunca nego zimi? Intuitivno bismo očekivali da je toplije kada se Zemlja nalazi bliže Suncu, a hladnije kada je udaljenija od njega. Međutim, događa se upravo suprotno: Zemlja je Suncu najbliža početkom siječnja, usred zime na sjevernoj polutci, a najdalja početkom srpnja, usred ljeta na istoj polutci. Zašto?

Kad je Zemlja najudaljenija od Sunca, a kada mu je najbliže?

Često se kaže da Zemlja kruži oko Sunca, ali ona se zapravo oko Sunca giba po eliptičnoj putanji. Sunce je u jednom od žarišta te elipse (u skladu sa zakonitostima gibanja planeta koje je otkrio Johannes Kepler još u 17. stoljeću). Zbog toga je Zemlja ponekad bliža Suncu, a ponekad je udaljenija od njega. Točka njezine putanje kad je najbliža Suncu, naziva se perihel, a točka putanje kad je najudaljenija od Sunca afel.

Međutim, Zemljina eliptična orbita nije pretjerano izdužena pa je Zemljina najveća udaljenost od Sunca tek otprilike 3,4 % veća od najmanje.

U perihelu, Zemlja je od Sunca udaljena otprilike 147 milijuna kilometara, a u afelu otprilike 152 milijuna kilometara. Zemljina orbita takva je da je Zemlja svake godine najudaljenija od Sunca oko 5. srpnja, a najbliža mu je oko 5. siječnja.

Kako udaljenost Zemlje od Sunca utječe na primljeno Sunčevo zračenje na Zemlji?

Sunce zrači goleme količine energije u svim smjerovima. Zemlja presretne tek sićušan dio toga zračenja, a količina koju primi ovisi ponajprije o njezinoj udaljenosti od Sunca. To je posljedica zakona obrnutog kvadrata udaljenosti.

Ovo možda zvuči komplicirano i vrlo matematički, ali to je isto kao kad stojite pokraj peći ili logorske vatre. Kad biste joj bili jako blizu, bilo bi vam jako vruće. Kako biste se udaljili, bilo bi vam manje vruće. To je upravo to (a da želite,  mogli biste i izračunati da se morate udaljiti primjerice dvostruko da bi vam bilo četverostruko manje vruće).

Stoga je točno reći da je, ako je Zemlja bliže Suncu, na njoj toplije nego ako je udaljenija od njega. Međutim, kad se to matematički izračuna, taj izračun pokazuje da je tok Sunčeva zračenja koji dolazi do Zemlje u afelu (u srpnju) otprilike 7 % manji od onoga koji dolazi do Zemljina tla u perihelu (u siječnju). Sedam posto nije zanemariva razlika sama po sebi. Međutim, u usporedbi s učinkom nagiba Zemljine osi pokazuje se da je njezin doprinos godišnjim dobima razmjerno malen. I to nas dovodi do sljedećeg pitanja.

Koliko je zapravo bitna udaljenost od Sunca?

Zbog toga što je Zemlja početkom siječnja otprilike 5 milijuna kilometara bliže Suncu nego početkom srpnja, zimi do Zemlje dolazi otprilike 7 % više Sunčeva zračenja nego ljeti.

Međutim, samo to ne može objasniti godišnja doba. U tu „jednadžbu“ potrebno je dodati nagib Zemljine osi. On mijenja količinu Sunčeve energije koja pada na svaki kvadratni metar tla otprilike dvostruko između ljetnog i zimskog solsticija (na našim geografskim širinama).

Usto, zbog nagiba Zemljine osi koji je ljeti usmjeren prema Suncu, i značajno se produljuje ljetni dan. Upravo zato nagib Zemljine osi potpuno nadvlada učinak promjene udaljenosti od Sunca te je glavni uzročnik godišnjih doba.

Kako Zemljin nagib utječe na primljeno Sunčevo zračenje na Zemlji?

Nagib Zemljine osi u odnosu na okomicu iznosi 23,5 stupnjeva. U odnosu na ravninu u kojoj se giba oko Sunca, njezin nagib je 66,5 stupnjeva (90-23,5).

Upadni kut zraka

Ljeti je Zemlja u takvom položaju prema Suncu da je nagib usmjeren prema Suncu, a zimi je u takvom položaju da je nagib usmjeren od Sunca. Stoga, upadne Sunčeve zrake upadaju pod drukčijim kutovima na tlo.

Zamislite jedan kvadratni metar Sunčevih zraka kako upada na Zemljino tlo. Na ljetni solsticij na geografskoj širini 45 stupnjeva (što je približno Zagreb) taj metar kvadratni Sunčevih zraka raspršit će se na 1,08 kvadratnih metara tla. Na zimski solsticij, raspršit će se na 2,61 kvadratnih metara tla. Pogledajte slike u nastavku koje to dočaravaju za zemljopisnu širinu 40 stupnjeva.

Dakle, ljeti ista količina Sunčeve energije rasporedi se na manju površinu tla. Ako u obzir uzmemo i razliku u zračenju koju dobivamo zbog manje udaljenosti od Sunca zimi i veće ljeti, opet izlazi da ljeti na svaki kvadratni metar tla dolazi više Sunčeva zračenja nego zimi.

Trajanje dana

Uz gore opisan kut upadnih zraka još jednu vrlo bitnu razliku čini visina Sunca na nebu ljeti u odnosu na visinu Sunca na nebu zimi. Opet, zbog nagiba Zemljine osi, Sunce nam je ljeti više i duže na nebu: osvjetljeni dio dana ljeti traje duže nego zimi. Primjerice, na našim zemljopisnim širinama najduži dan (u lipnju) traje otprilike 15 i pol sati, a najkraći (u prosincu) niti 9 sati.

To znači da Sunce, osim što ljeti istom količinom energije zagrijava manju površinu tla pa je zagrijavanje učinkovitije, tlo zagrijava i znatno dulje nego zimi. Zbog toga tlo tijekom dana primi mnogo više Sunčeve energije i stigne se više zagrijati prije nego što ponovno nastupi noć. I to nam ljeta čini toplijima nego zime.

Za kraj: kratki odgovor za one u žurbi 🙂

Iako je Zemlja zimi oko 5 milijuna kilometara bliže Suncu nego ljeti, taj učinak povećava količinu Sunčeva zračenja za tek otprilike 7 %. Nagib Zemljine osi, s druge strane, određuje kut pod kojim Sunčeve zrake padaju na tlo i duljinu dana, što mnogo snažnije utječe na zagrijavanje Zemljine površine. Upravo zato godišnja doba prvenstveno određuje nagib Zemljine osi, a ne njezina udaljenost od Sunca.

Saznajte još više o tome zašto postoje godišnja doba ili bacite oko na 10 zanimljivosti o najduljem danu u godini.