Perché abbiamo le stagioni

Perché l'estate è calda (e non è ciò che pensi)

Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica

La maggior parte della gente indovina che l'estate è calda perché la Terra è più vicina al Sole. È un'ipotesi ragionevole — ed è sbagliata. La distanza della Terra dal Sole cambia a malapena in tutto l'anno. Anzi, la Terra è leggermente più vicina al Sole all'inizio di gennaio, nel bel mezzo dell'inverno settentrionale! Quindi la distanza non può essere la risposta. Il vero motivo è un'inclinazione.

La Terra gira su un asse che non è dritto in verticale — è inclinato di circa 23,5°, e continua a puntare nella stessa direzione tutto l'anno mentre gira attorno al Sole. Così per metà dell'anno la metà settentrionale del pianeta si inclina verso il Sole, e per l'altra metà si inclina lontano. Quando la tua metà si inclina verso il Sole, i suoi raggi ti colpiscono più direttamente e i giorni sono più lunghi — è l'estate. Quando si inclina lontano, la luce arriva a un angolo basso e sparpagliato e i giorni sono corti — è l'inverno.

È anche perché le stagioni sono opposte nelle due metà del mondo. Quando in Europa è estate e il nord si inclina verso il Sole, la metà meridionale — Australia, Argentina — si inclina lontano e ha l'inverno. Ed è perché l'equatore, che affronta sempre il Sole all'incirca allo stesso angolo, non ha nessuna vera estate o inverno, solo stagioni umide e secche. Una piccola inclinazione fa girare l'intero calendario del caldo.

Inclinazione assiale, angolo solare e lunghezza del giorno

Livello Studente — le equazioni principali

L'asse della Terra è inclinato di 23,5° rispetto alla perpendicolare della sua orbita e — cosa cruciale — punta in una direzione fissa nello spazio (verso la Stella Polare) tutto l'anno. Mentre la Terra orbita, ciò significa che ciascun emisfero si inclina alternativamente verso e lontano dal Sole. Ne seguono due cose, ed entrambe rendono calda l'estate: il Sole sale più alto nel cielo (i raggi colpiscono più direttamente, concentrando l'energia su meno terreno) e i giorni si allungano (più ore di riscaldamento).

L'orbita segna quattro punti di svolta. Al solstizio di giugno il polo nord si inclina al massimo verso il Sole — estate settentrionale, Sole più alto, giorni più lunghi. Al solstizio di dicembre è invertito. In mezzo stanno i due equinozi (marzo e settembre), quando l'inclinazione è di lato rispetto al Sole, giorno e notte sono uguali ovunque, e nessun emisfero è favorito. Il Sole sta direttamente sopra l'equatore agli equinozi e sopra i tropici (±23,5°) ai solstizi.

Perché un raggio diretto scaldi di più è pura geometria: un raggio basso e angolato sparpaglia la stessa energia su una chiazza di terreno più grande (e attraversa più atmosfera). È il coseno dell'angolo all'opera. E poiché oceani e terre impiegano settimane a scaldarsi e raffreddarsi, la parte più calda dell'estate è in ritardo di un mese o due rispetto al solstizio di giugno — il "ritardo stagionale".

Geometria orbitale, insolazione e i lunghi cicli climatici

Livello Esperto — profondità matematica completa

01Insolazione e la legge del coseno

La potenza che atterra su una chiazza di terreno è la costante solare per il coseno dell'angolo zenitale del Sole, integrata sulle ore di luce. Entrambi i fattori — angolo del raggio e lunghezza del giorno — culminano insieme in estate, ed è per questo che l'oscillazione stagionale dell'energia ricevuta è più grande di quanto darebbe ciascun effetto da solo.

02Obliquità contro eccentricità

L'orbita della Terra è solo leggermente ellittica (eccentricità ≈ 0,017), quindi l'effetto della distanza è minuscolo — circa il 7% nell'energia ricevuta — e attualmente ammorbidisce gli inverni settentrionali. L'inclinazione (obliquità) domina le stagioni; la piccola eccentricità rende principalmente un po' più estreme le stagioni dell'emisfero australe.

03Cicli di Milankovitch

Nel corso di decine di migliaia di anni l'obliquità annuisce (22,1°-24,5°, ~41.000 anni), l'eccentricità dell'orbita respira (~100.000 anni) e l'asse precede (~26.000 anni). Questi lenti spostamenti nel modo in cui la luce solare è distribuita fra latitudine e stagione sono ciò che scandisce le ere glaciali.

04Latitudine e gli estremi

I tropici (±23,5°) sono gli unici luoghi in cui il Sole può stare direttamente allo zenit; oltre i circoli polari (±66,5°) l'inclinazione produce il Sole di mezzanotte e la notte polare. Le stagioni sono un'unica storia geometrica, semplicemente raccontata in modo diverso a ogni latitudine.