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As estações do ano(Primavera, Outono, Verão e Inverno) estão diretamente relacionada com a inclinação da Terra em relação ao Sol.

O Sol é um astro que se desloca no espaço e a Terra o acompanha nesse movimento. Mas para facilitar nosso estudo desprezaremos o movimento do Sol e consideremos somente o movimento da Terra em torno dele.

Assim, temos que a órbita da Terra como um elipse(primeira Lei de Kepler) cujo plano é chamado de plano da eclíptica. O eixo Norte-Sul da Terra forma um ângulo de 23°27' com a vertical ao plano da eclíptica(Figura 1) e, consequentemente, o plano do Equador também forma o mesmo ângulo com o plano da eclíptica. A interseção da vertical ao plano da eclíptica com a superfície da Terra define os dois círculos polares e os trópicos(Figura 2).

O ângulo entre o Plano do Equador e a direção do Sol chama-se declinação solar. Durante o ano a declinação solar oscila de +23°27'(Trópico de Câncer) em 22/junho até -23°27'(trópico de Capricórnio) em 21/dezembro. Assim, a posição do Sol a uma dada hora(meio dia, por exemplo) muda gradualmente a cada dia do ano, sendo que ora está acima ora está abaixo do plano do Equador, e assim o centro do Sol passa na vertical de um ponto do Trópico de Câncer em 22/junho e na vertical de um ponto do Trópico de Capricórnio em 21/dezembro.

Observando a Figura 2 vemos que devido à inclinação do eixo da Terra , a área iluminada pelo Sol em 22/junho é maior no Hemisfério Norte do que no Hemisfério Sul, ou seja, nesta data o Hemisfério Norte está recebendo o máximo de energia solar do ano. Já em 21/dezembro ocorre o inverso: o Hemisfério Norte recebe seu mínimo anual de energia e o Hemisfério Sul recebe seu máximo anual de energia do Sol. Isto é, em 21/dezembro temos o início do verão astronômico no Hemisfério Sul e inverno astronômico no Hemisfério Norte, e em 22/junho temos o início do verão astronômico no Hemisfério Norte e inverno astronômico no Hemisfério Sul. Essas duas datas são chamadas de solstícios.

O Sol também passa duas vezes ao ano pelo zênite de um ponto do Equador: 21/março e 23/setembro. Isto é, estas duas datas(denominadas equinócios) demarcam, respectivamente, o outono e primavera astronômica do Hemisfério Sul, sendo que para o Hemisfério Norte estas duas datas demarcam, respectivamente, a primavera e o outono astronômicos desse hemisfério.

Logo, vemos que as estações do ano são determinadas pela inclinação do eixo da Terra em relação ao plano de sua órbita em torno do Sol. Como a distância entre a Terra e o Sol varia durante o ano coincidindo que está mais longe no inverno e mais perto no verão, muita gente pensa que esse é o motivo das estações do ano. Mas, como mostrei acima não é isso que acontece. É verdade que quando estamos no verão o Sol está mais perto e por isso recebemos mais energia do que no verão. Mas se olharmos proporcionalmente, a energia recebida por cada hemisfério em suas respectivas estações estão muito mais ligada à inclinada do eixo da Terra do que à distância Terra-Sol.

Mencionei anteriormente que os solstícios e equinócios demarcam o início das estações astronômicas e não meteorológicas. Isto se deve ao fato de que a Terra possui uma inércia térmica, ou seja, a Terra demora um tempinho para responder ao máximo de energia recebido no topo sua atmosfera. Então, as estações meteorológicas acontecem um tempo depois das astronômicas e esse tempo varia irregularmente de ano para ano.