Godišnja doba nastaju zbog nagiba Zemljine osi. Dok Zemlja obilazi Sunce, polutka nagnuta prema njemu ima dulje dane, a Sunce se nalazi više na nebu. Na drugoj polutki dani su istodobno kraći, a Sunce je niže iznad horizonta. Zato su ljeto i zima na sjevernoj i južnoj polutki suprotni.
Česta je zabluda da je ljeti toplije zato što je Zemlja bliže Suncu. Zemlja se početkom srpnja nalazi u afelu, najudaljenijoj točki svoje putanje, dok je na sjevernoj polutki ljeto. Početkom siječnja, kada je ondje zima, prolazi perihel, točku najbližu Suncu. Udaljenost od Sunca tijekom godine ima mjerljiv učinak, ali ne stvara raspored godišnjih doba.
Nagib osi mijenja kut Sunčevih zraka
Zemlja se okreće oko zamišljene osi koja prolazi kroz Sjeverni i Južni pol. Ta je os nagnuta za približno 23,4 stupnja u odnosu na okomicu na ravninu Zemljine putanje oko Sunca. Tijekom jedne godine njezin smjer u prostoru ostaje gotovo isti: sjeverni pol približno je usmjeren prema Polarnici. Kako se Zemlja kreće po putanji, mijenja se odnos svake polutke prema Suncu.
Oko lipnja sjeverna je polutka nagnuta prema Suncu, a južna od njega. Oko prosinca odnos je obrnut. Sjeverna tada prima više Sunčeve svjetlosti i energije, dok južna prolazi kroz zimu; šest mjeseci poslije vrijedi suprotno. Nagib Zemljine osi zato je ključan za godišnji ciklus, a ne promjena udaljenosti cijelog planeta od Sunca.
Kada je Sunce više na nebu, zrake padaju pod većim kutom prema površini. Primljena se energija tada raspoređuje na manju površinu. Površina prima više energije po četvornom metru, snažnije se zagrijava i zatim predaje toplinu donjim slojevima atmosfere. Kada je Sunce nisko, ista se energija širi po većoj površini, a zračenje prolazi dulji put kroz atmosferu.
Sezonska promjena položaja Sunca lako se može uočiti i bez mjerenja. Ljeti je podnevno Sunce više, a sjene su kraće nego zimi. Sezonska razlika u visini Sunca povećava se s udaljenošću od ekvatora. U polarnim krajevima taj učinak može dovesti do polarnoga dana, kada Sunce ljeti ne zalazi, i polarne noći, kada zimi ne izlazi.
Dulji dani donose više energije
Veći kut Sunčevih zraka nije jedini razlog ljetnog zagrijavanja. Tijekom ljeta Sunčeve zrake padaju pod većim kutom, a dulji dan omogućuje površini da energiju prima tijekom većeg dijela dana. Noći su kraće pa je manje vremena za hlađenje kopna i mora. Zimi je osunčavanje kraće, Sunce je niže, a noć traje dulje.
Ta dva učinka djeluju zajedno, ali njihova se važnost mijenja s geografskom širinom. Blizu ekvatora duljina dana tijekom godine malo oscilira, dok se položaj Sunca mijenja dovoljno da utječe na kišna i sušna razdoblja. U umjerenim širinama, uključujući Hrvatsku, promjene u duljini dana i visini podnevnog Sunca znatno su izraženije. Prema polovima se razlika povećava.
Ono što se zagrije ne reagira trenutačno. Kopno se zagrijava i hladi brže od mora, a oceani, jezera i vlažno tlo dugo zadržavaju toplinu. Oblaci i snijeg dodatno mijenjaju količinu energije koja ostaje pri tlu. Zbog toga sličan astronomski ritam ne daje nužno jednake prosječne temperature na mjestima iste geografske širine.
More je dobar primjer. Obalna područja često imaju manju razliku između zimskih i ljetnih temperatura od unutrašnjosti, jer voda sporije mijenja temperaturu. Snijeg može pojačati zimsko hlađenje: njegova svijetla površina odbija velik dio Sunčeva zračenja, dok tamnije tlo ili more apsorbiraju više energije. Nagib osi time ne prestaje biti uzrok sezonske promjene, ali lokalni uvjeti određuju njezin intenzitet.
Zašto najtopliji dan dolazi nakon solsticija
Lipanjski solsticij nastupa kada Sunce dosegne najsjeverniji položaj na nebu. U Hrvatskoj i drugim područjima sjevernih umjerenih širina tada je dan najdulji, a podnevno Sunce doseže najveću visinu na nebu. Sunce je u tom trenutku u zenitu iznad Rakove obratnice, ne iznad cijele sjeverne polutke. U većem dijelu tropa Sunce može biti u zenitu dvaput godišnje, na dva različita datuma. Sjeverno od Arktičkoga kruga ljeti može vladati neprekidna dnevna svjetlost, a njezino trajanje raste prema polu.
Najviša prosječna temperatura ljeta ipak često dolazi tek u srpnju ili kolovozu. Nakon lipanjskog solsticija kopno i more još neko vrijeme primaju više energije nego što je gube, pa se zagrijavanje nastavlja. Taj se odmak naziva sezonskim kašnjenjem. Slično vrijedi nakon prosinačkog solsticija: najkraći dan nije nužno i najhladniji dan zime.
U ožujku i rujnu nastupaju ekvinociji. U trenutku ekvinocija Sunce se nalazi u zenitu iznad ekvatora, a obje polutke primaju približno jednaku količinu dnevne svjetlosti. Ožujski ekvinocij označava početak astronomskog proljeća na sjevernoj polutki, a rujanski početak astronomske jeseni. Kozmosov tekst o ožujskom ekvinociju detaljnije objašnjava taj položaj Zemlje prema Suncu.
Dan i noć na datum ekvinocija ipak ne traju točno po 12 sati. Atmosferska refrakcija omogućuje da Sunce vidimo prije nego što geometrijski izađe i nakon što zađe, a izlazak i zalazak računaju se prema rubu Sunčeva diska. Zato datum približno jednakog trajanja dana i noći ovisi o geografskoj širini. Američka meteorološka služba navodi da na sam ekvinocij dan na ekvatoru traje oko 12 sati i 6,5 minuta, a na 60. stupnju geografske širine oko 12 sati i 16 minuta.
Astronomske granice godišnjih doba ne određuju vremenske prilike pojedinoga dana. Solsticiji i ekvinociji opisuju položaj Zemlje prema Suncu, dok na dnevno vrijeme utječu cirkulacija atmosfere, oblaci, vjetrovi, snijeg i temperatura mora. U klimatologiji se zato, uz astronomska, rabe i meteorološka godišnja doba grupirana po mjesecima radi usporedbe temperatura i oborina.
Zemlja je najbliže Suncu tijekom sjeverne zime
Zemljina putanja nije savršen krug. U perihelu je Zemlja približno 147,1 milijun kilometara od Sunca, a u afelu oko 152,1 milijun kilometara; razlika iznosi oko 5,1 milijun kilometara. Zbog te promjene Zemlja početkom siječnja prima približno 6,8 posto više Sunčeva zračenja nego početkom srpnja.
Taj raspored pokazuje da udaljenost od Sunca ne može biti glavni uzrok ljeta i zime. U sadašnjem odnosu Zemljine putanje i godišnjih doba perihel pada blizu južnjačkog ljeta, a afel blizu južnjačke zime. Promjena udaljenosti tako pojačava ljetno osunčavanje na južnoj polutki i ublažava sezonski kontrast na sjevernoj. Velik udio oceana na južnoj polutki pritom ublažava dio temperaturnih razlika.
Položaj perihela i afela prema godišnjim dobima nije stalan. Zbog dugotrajnih precesijskih promjena postupno se mijenja odnos između položaja perihela i godišnjih doba, u ciklusu od približno 21.000 godina. Današnje podudaranje afela i sjevernoga ljeta zato nije objašnjenje nastanka godišnjih doba nego trenutačna značajka Zemljine orbite.
Na mnogo duljoj vremenskoj ljestvici mijenja se i sam kut nagiba osi, zajedno s precesijom i oblikom Zemljine putanje. Ti Milankovićevi ciklusi utječu na raspodjelu Sunčeva zračenja kroz desetke tisuća godina te su važni za proučavanje klimatske prošlosti. Zato se rezultati o glacijacijama povezanim s promjenama nagiba osi ne mogu izravno prenijeti na godišnji ritam jedne godine.
Isti uzrok, različite klime
Četiri jasno odvojena godišnja doba najpoznatija su iz umjerenih širina, ali nisu univerzalan opis klime. U tropskim područjima promjene temperature tijekom godine mogu biti male, dok kišna i sušna razdoblja određuju važniji dio godišnjeg ritma. U monsunskim područjima promjena vjetrova i oborina može biti izraženija od temperaturne razlike između ljeta i zime.
Ni Hrvatska nema jedinstven sezonski obrazac. U jadranskom dijelu ljeta su uglavnom suha i vruća, a zime blaže i vlažnije. U kontinentalnoj Hrvatskoj godišnje su temperaturne razlike obično veće, dok planinska područja imaju vlastita obilježja. Uzrok godišnjih doba svugdje je isti, ali lokalna klima određuje koliko će njihove temperaturne i oborinske razlike biti izražene.
Godišnja doba nastaju zbog nagiba Zemljine osi, koji tijekom godine mijenja kut Sunčevih zraka i duljinu dana na svakoj polutki. Atmosfera, oceani, reljef i položaj pojedinog područja zatim određuju kako će se taj godišnji ritam odraziti na lokalnu klimu.
