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O que causa as Estações do Ano?



          Uma das características mais marcantes do clima na Terra é a existência das Estações. Verão, Outono, Primavera e Inverno são períodos do ano, basicamente, definidos pelas diferenças de temperatura entre os mesmos. Porém, muitas pessoas têm a ideia errada do porquê as estações do ano ocorrem, e assumem que o Verão marca o período em que o nosso planeta está mais próximo do Sol e que o Inverno seria quando ele está mais afastado. Apesar de ser uma hipótese atraente e bem disseminada, isso não possui relação alguma com a causa das estações, estas as quais, na verdade, estão diretamente ligadas com a inclinação da Terra durante sua translação em torno do Sol.

           Para começar, essa crença da Terra mais próxima ou afastada do Sol vem do fato das representações exageradas da "elipse" que supostamente representaria a sua translação. É clássico vermos em livros de educação escolar nosso planeta percorrendo uma notável elipse, mas isso, enquanto não está errado em sua essência, está errado na sua dimensão. Apesar da Terra não percorrer um círculo perfeito ao redor da nossa estrela, ela quase o faz. Seu ponto mais afastado do Sol fica a 152,1 milhões de quilômetros, e o mais próximo fica a cerca de 147,3 milhões de quilômetros. Considerando a relativa pequena diferença entre as duas distâncias, fica claro que, na obra completa, nossa translação está longe de ser uma gritante elipse. Nesse sentido, a quantidade de luz solar chegando em qualquer ponto durante o ano na Terra é, aproximadamente, a mesma, quando consideramos as distâncias astronômicas que delimitam as mudanças de temperatura dentro do nosso Sistema Solar. 



           E outro, e mais óbvio motivo para tirarmos as distâncias relativas ao Sol de ser um fator determinante para as estações do ano é o fato de que enquanto é inverno no hemisfério Norte, ao mesmo tempo é Verão no hemisfério Sul. Ora, se a distância fosse a resposta para o nosso problema, deveria ser inverno no planeta inteiro quando estivéssemos mais afastados do Sol, e verão no planeta inteiro quando estivéssemos mais próximos. Apesar de que aqui no Hemisfério Sul, onde estamos, coincidir que o periélio (mais próximo do Sol) encontra-se dentro do nosso período de verão, e o afélio (mais afastado do Sol) no inverno, no Hemisfério Norte ocorre o contrário, ou seja, inverno no periélio e verão no afélio. Portanto, precisamos de outra explicação para essas mudanças climáticas no nosso planeta.

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           Se traçarmos uma linha imaginária do extremo norte ao extremo sul da Terra e cruzá-la com o plano de translação da mesma, veremos que essa linha fará um ângulo com esse plano em torno de 23,5°, em uma inclinação que sempre aponta para a mesma direção. À media que o planeta vai rotacionando em torno de si e caminhando em torno do Sol, o hemisfério inclinado para este último recebe os raios solares de forma mais direta. Ou seja, se temos ambos os hemisférios, norte e sul, iluminados em um mesmo intervalo de tempo, a luz chegando do Sol (composta de fótons em diferentes comprimentos de onda) entrega mais pacotes de energia (fótons) para uma mesma área em comparação com o outro hemisfério que estará recebendo praticamente a mesma quantidade de fótons mas em uma área maior, devido à inclinação (como esquematizado na figura abaixo). Com isso, a quantidade de energia chegando para um e para o outro serão diferentes. Considerando verão e inverno, o primeiro estará recebendo mais pacotes de energia por m2 (mais quente) e o segundo menos pacotes por m2 (mais frio).


           Já no outono e na primavera, em termos gerais, ambos os hemisférios acabam recebendo quase a mesma quantidade de energia solar, pois é o período em que a direção da inclinação da Terra está pouco voltada para o Sol. Essas duas estações serão diferenciadas nos dois hemisférios durante o ano dependendo de qual dessas regiões ficarão voltadas no próximo solstício (por exemplo, o outono está indo para o inverno, portanto, essa estação será mais fria do que a primavera, porque estará se esfriando aos poucos). Na Ref.5, pode-se visualizar uma animação do que foi explicado até agora. Mas ainda temos mais um fato para complementar a resolução do problema.


              Quando entendemos a existência da inclinação da Terra, fica fácil entender porque no verão o Sol parece mais alto no céu ao meio-dia, já que estaremos mais inclinados para ele. Isso traz também outra consequência: diferenças na duração do período diurno. As áreas do hemisfério voltado para o Sol (verão) irão receber durante um maior tempo luz solar do que no outro hemisfério. Isso faz com que mais horas diurnas e, consequentemente, mais luz solar incidente gerem uma maior temperatura na superfície e atmosfera. Já no outono e na primavera a diferença de tempo entre o dia e a noite não serão grandes. No Equinócio, essa diferença é quase zero (em torno de 21 de Março ou 21 de Setembro), e nos Solstícios as diferenças serão grandes (em torno de 21 de Dezembro e 21 de Junho), como mostrado na figura abaixo. Mas é bom ter em mente que essas horas a mais ou a menos são um fator menos importante para a ocorrência das estações do que as diferentes distribuições de fótons durante a iluminação solar, porém contribuem bastante.

Observe que o Hemisfério inclinado para o Sol fica com uma maior área iluminada, resultando em mais horas diurnas durante a rotação da Terra

           Concluindo, as estações do ano não são geradas pelas diferentes distâncias da Terra ao Sol durante o ano, as quais, ainda por cima, serão relativamente pequenas. Elas são geradas pelas diferentes quantidades de fótons carregando energia para a superfície e atmosfera da Terra por causa da sua inclinação. Se o nosso planeta não fosse inclinado, não teríamos 4 estações ao ano, e, sim, uma única.


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  E POR QUE FAZ TANTO FRIO NOS POLOS?

            Tanto no Polo Sul (na região da Antártica) quanto no Polo Norte (na região do Ártico), se observamos as figuras disponibilizadas no artigo, nunca estão recebendo os raios solares de forma direta, sempre de forma indireta, devido à curvatura da Terra. E como já foi dito, isso faz com que menos fótons atinjam as duas áreas durante a iluminação solar e, portanto, as temperaturas estarão sempre bem baixas em comparação com a média global. Além disso, o gelo e neve brancos dessas regiões acabam contribuindo ainda mais para manter o resfriamento e aumentá-lo, já que reflete grande parte do espectro visível da radiação solar que atinge a superfície de volta para o Espaço. Caso absorve-se grande parte da radiação visível, aqueceria-se bastante.

            Mas é preciso ficar atento que mesmo os dois polos estando em posições opostas no planeta, ambos são bem diferentes em composição e em temperatura média. Enquanto o Ártico é basicamente oceano cercado por terra, a Antártica é terra cercada por oceano. E como as temperaturas do oceano ficam sempre maiores que o do gelo cobrindo essas áreas, o ar é aquecido bem mais no Ártico. Além disso, a região da Antártica é bastante elevada, possuindo até montanhas (debaixo do gelo e neve, tem solo, não oceano como no Ártico). A elevação média lá é de 2,3 km, e quanto maior a altitude, mais frio faz (mais longe do solo aquecido pelo Sol). Assim, as temperaturas médias no verão e no inverno do Polo Norte ficarão, respectivamente, em torno de 0°C e -28,2°C. Já as temperaturas médias no verão e no inverno do Polo Sul ficarão, respectivamente, em torno de -40°C e -60°C! Uma diferença bem grande e um imenso desafio de sobrevivência para as espécie que lá vivem.
  

Região da Antártica (à esquerda) e região do Ártico (à direita)

          Outra curiosidade, e a qual pode ser facilmente deduzida pelas figuras anteriormente expostas, é que no verão e no inverno de qualquer um dos hemisférios os polos norte e sul ficarão grande parte do tempo quase sempre iluminada ou quase sempre na escuridão. De fato, durante algumas semanas em torno dos solstícios, essas duas regiões ou ficam na escuridão ou na claridade 24 horas por dia. Na Antártica, por exemplo, algumas semanas em torno de 21 de Junho, o Sol não surge no céu, ou seja, é noite o dia inteiro. Já em algumas semanas em torno de 21 de Dezembro, é luminosidade solar o dia inteiro, ou seja, não existe mais noite.


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Inclinação da Terra: Acredita-se que o nosso planeta seja inclinado em 23,4° devido ao impacto de um grande corpo espacial (Theia), este o qual pode ter dado origem à Lua com a enorme quantidade de detritos lançados no Espaço após o choque (apesar de outra teoria estar se tornando mais forte, como explorado no artigo Erros mais comuns sobre a Lua). Todos os outros planetas do nosso Sistema Solar possuem algum grau de inclinação do tipo, onde alguns são bem baixos, chegando quase a 0° no caso de Mercúrio (0,01°) e outros extremamente altos, chegando a quase 180° no caso de Vênus (180°).


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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l1_p5.html
  2. https://spaceplace.nasa.gov/seasons/en/
  3.  http://physics.weber.edu/schroeder/ua/sunandseasons.html
  4. https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/
  5. http://projects.astro.illinois.edu/data/Seasons/seasons.html 
  6. http://www.pmel.noaa.gov/arctic-zone/gallery_np_seasons.html
  7. http://climatekids.nasa.gov/polar-temperatures/
  8. http://www.antarctica.gov.au/about-antarctica/environment/weather/sunlight-hours