Pora roku jest to okres charakteryzujący się określonym klimatem. Zmiana pór roku spowodowana jest głównie zmianą położenia osi ziemskiej względem Słońca, z czego wynika z kolei zmiana pozycji Słońca na niebie w danym miejscu globu.
Orbita ziemska jest elipsą, w której ognisku znajduje się Słońce. Ziemia wykonuje pełen obieg wokół Słońca w ciągu roku, poruszając się po płaszczyźnie wyznaczonej przez ekliptykę. Obieg Ziemi wokół Słońca jest przyczyną zmian pór roku. Ponieważ oś obrotu Ziemi jest nachylona w stosunku do płaszczyzny ekliptyki, Słońce przez jedną połowę roku znajduje się na południowej półkuli nieba, a przez pozostałe pół roku na półkuli północnej. Gdy Słońce znajduje się na południowej półkuli nieba, wówczas na południowej półkuli Ziemi panuje lato, a na półkuli północnej Ziemi – zima. Sytuacja jest odwrotna, gdy Słońce znajduje się na północnej półkuli nieba. W lecie Słońce wznosi się w ciągu dnia wyżej na niebie niż w zimie. W zimie Słońce znajduje się nisko na niebie i mniej grzeje, ponieważ promienie słoneczne padają ukośnie i muszą odbyć dłuższa drogę.
Ruch obrotowy Ziemi przy stałym nachyleniu jej osi obrotu do płaszczyzny orbity sprawia, że warunki oświetlenia Ziemi zmieniają się w rytmie rocznym (występują pory roku). Położenia osi ziemskiej względem Słońca powodują, że istnieją strefy o swoistym charakterze zmian oświetlenia. Ziemia ma kształt kulisty, z tego powodu promienie słoneczne padają pod różnymi kątem na jej powierzchnię i ogrzewają ją nierównomiernie. Gdy promienie padają pionowo lub prawie pionowo, powierzchnia Ziemi jest nagrzana silniej niż tam, gdzie padają ukośnie. Pionowo lub prawie pionowo padają promienie słoneczne w strefie międzyzwrotnikowej, tam też jest znacznie cieplej niż w strefach szerokości umiarkowanych i strefach podbiegunowych..
Wyróżniamy pięć stref o charakterystycznych zmianach oświetlenia w ciągu roku:
v Strefa międzyzwrotnikowa. Tylko tutaj Słońce góruje w zenicie. Najmniejsze górowania Słońca w tej strefie wynoszą od 66o33’ na równiku do 43o na zwrotnikach. Niewielkie są też różnice w czasie trwania dnia i nocy: na równiku przez cały rok dzień jest równy nocy, a na zwrotnikach różnice zwiększają się do dwóch godzin. W strefie międzyzwrotnikowej (najwyraźniej w Afryce) występuje zależność sezonów deszczowych od deklinacji* Słońca. Deszcze zenitalne występują z niewielkim opóźnieniem względem okresu, w którym Słońce góruje w zenicie danego obszaru. Wywołane są przez przemieszczający się południowo układ niżowy z silnie nawilgoconymi prądami i oziębienie się tych mas powietrza. Tłumaczy to zjawisko istnienia dwóch pór deszczowych w pasie równikowym i tylko jednej w rejonie zwrotników.
v Strefy umiarkowanych szerokości geograficznych. W tych strefach różnica wysokości górowania Słońca w ciągu roku wynosi 47o w całej strefie. W miarę wzrostu szerokości geograficznej wzrasta różnica czasu trwania dnia i nocy lecz zawsze zachowany jest dobowy rytm oświetlenia. Pory roku są tu wyraźnie zaznaczone.
v Strefy podbiegunowe (polarne). Tylko w tych strefach dzień lub noc mogą trwać dłużej niż dobę, występuje więc brak dobowego rytmu zmian oświetlenia. Czas trwania dni lub nocy polarnych wzrasta ku biegunom, gdzie dochodzi do pół roku. Maksymalna wysokość Słońca waha się od 23o27’ na biegunie do 47o na kole podbiegunowym. Jednakże w czasie długiego dnia polarnego warunki oświetlenia są tu korzystniejsze niż w niższych szerokościach geograficznych przy takiej samej wysokości Słońca. Na obszarach podbiegunowych przejście od lata do zimy odbywa się bardzo gwałtownie, a wiosna i jesień są ledwo zauważalne.
Pory roku powstają na skutek rocznego ruchu Słońca po ekliptyce. Astronomicznym porom roku towarzyszy także zmiana długości trwania dnia i nocy. W strefach podbiegunowych (szerokość geograficzna 66o33’ N i S) czas trwania dnia lub nocy przekracza nawet dobę (dnie i noce polarne). Zmieniająca się okresowo w ciągu roku długość dnia i wysokość Słońca w południe są czynnikami silnie wpływającymi na nagrzanie gruntu i powietrza.
Pory roku w sensie astronomicznym identyfikuje się z sezonami, w czasie których Słońce przemierza kolejne dziewięćdziesięciostopniowe łuki ekliptyki leżące między jej czterema punktami kardynalnymi. Astronomiczne pory roku mają zróżnicowane długości. Przyczyną tego jest niejednostajny ruch Słońca po ekliptyce, wynikający z kształtu orbity ziemskiej.
Nierówności w trwaniu pór roku wynikają również z prędkości, z jaką porusza się Ziemia wokół Słońca. Oś orbity ziemskiej łączy punkt, w którym Ziemia jest najbliżej Słońca (peryhelium)* z punktem najbardziej oddalonym od Słońca (aphelium). Daty te przypadają obecnie: peryhelium – początek stycznia, aphelium – początek lipca. W peryhelium Ziemia porusza się z prędkością największą, a w aphelium – najmniejszą.
Wahania okresowe w długości pór roku wynikają też z perturbacji ruchu orbitalnego Ziemi przez masy pokaźniejszych planet sąsiednich – głównie Jowisza i Wenus oraz z wymuszonej (przede wszystkim przez Księżyc) rotacji osi ziemskiej. Orbita Księżyca jest nachylona do ekliptyki średnio pod kątem 5o9’, ale podlega szybkiemu ruchowi precesyjnemu* wywołanemu perturbacjami ze strony leżącej blisko niego spłaszczonej Ziemi oraz leżącego dalej Słońca i planet.
Występują również pewne wiekowe zmiany długości pór roku. Przyczyną tych zmian jest w pierwszym rzędzie ruch linii absyd orbity ziemskiej, odbywający się z prędkością około 0, 323o na sto lat, z czego wynika na okres całej orbity wartość ponad 110 tys. lat. W wyniku tych zmian notujemy, że początek wiosny na półkuli północnej powtarza się w okresie dłuższym średnio o 15 s od roku zwrotnikowego*, a początek lata powtarza się w okresie dłuższym średnio o 51 s. Zima z kolei spóźnia się systematycznie w stosunku do roku zwrotnikowego – okres jej powrotów jest dłuższy o średnio 48 s. Podobnie krótszy od roku zwrotnikowego, ale tylko o 15 s jest okres, w jakim powtarzają się momenty równonocy* jesiennej. W związku z tym, na podstawie prowadzonych od ponad stu pięćdziesięciu lat spostrzeżeń obliczono, że:
– wiosna skraca się systematycznie średnio o 66 s rocznie;
– lato wydłuża się średnio o 36 s rocznie;
– jesień wydłuża się o 63 s rocznie;
– zima skraca się średnio o 33 s rocznie.
Jak już zostało wcześniej powiedziane, Ziemia biegnie dookoła Słońca z niejednakową prędkością, najprędzej wtedy, gdy jest najbliżej Słońca, najwolniej – gdy jest najdalej. Pory roku mają więc niejednakową długość. Ich czas trwania wynosi: wiosna – 92, 8 dnia; lato – 93, 6 dnia; jesień 89, 8 dnia a zima 89 dni.
Zmiana pór roku ma ogromne znaczenie geograficzne. Najważniejszym jej odbiciem jest roczny przebieg temperatury, który rozmaicie kształtuje się w różnych częściach orbity ziemskiej. Na obszarach podbiegunowych w czasie zimowej nocy powierzchnia Ziemi znacznie się oziębia, natomiast latem, kiedy Słońce nie zachodzi obiegając dokoła horyzont, nie nagrzewa się tak silnie, jakby to wynikało z ilości godzin nasłonecznienia, ponieważ promienie padają na powierzchnię Ziemi pod bardzo małym kątem. Klimat jest więc przez cały rok zimny, a w przebiegu rocznym zaznaczają się tylko dwie pory roku.
W pasie międzyzwrotnikowym promienie słoneczne przez cały rok padają pod dużym kątem a różnica między długością dnia i nocy jest niewielka. Dopływ ciepła w ciągu roku jest dosyć równomierny a termiczne pory roku nie zaznaczają się. Pas ten określa się jako gorący. Zróżnicowanie rocznego rytmu pogody powoduje tu występowanie pór suchych i deszczowych.
W pasach umiarkowanych (pomiędzy zwrotnikami a kołami podbiegunowymi) występuje wyraźny podział na cztery pory roku, a wahania temperatur są dosyć znaczne. Wiąże się z tym roczny cykl w rozwoju roślin i życia zwierząt, zjawisko zamarzania i rozmarzania wód powierzchniowych, pojawianie się pokrywy śnieżnej i dużo innych zjawisk.
W szerokościach umiarkowanych dzień letni jest znacznie dłuższy od zimowego a pod biegunem noc i dzień trwają po pół roku. Słońce przesuwa ponadto swoje położenie w stosunku do gwiazd, wracając na to samo miejsce wśród ich konstelacji po upływie roku. Zmiany długości dnia i wysokości Słońca nad horyzontem są przyczyną zmian w nagrzaniu powierzchni Ziemi, co znajduje wyraz – jak to już kilkukrotnie podkreślano – w występowaniu różnych pór roku. Roczny rytm zmian pogody znajduje z kolei odbicie w rozwoju roślin i zwierząt, a człowiek musi do niego dostosować swoją gospodarkę i tryb życia.
Wszystkie te zjawiska są odbiciem ruchu Ziemi dookoła Słońca oraz nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny jej drogi dookoła Słońca, przy czym nachylenie jest stale takie same, a oś Ziemi skierowana jest zawsze w tym samym kierunku, tj. w stronę Gwiazdy Polarnej. Odchylenie osi Ziemi w stosunku do płaszczyzny drogi obiegu wokół Słońca wynosi 66, 5o.
Na półkuli północnej astronomiczne pory roku pokrywają się z porami kalendarzowymi, natomiast na półkuli południowej pory kalendarzowe przesunięte są w stosunku do astronomicznych o pół roku, czyli astronomicznej zimie odpowiada tam kalendarzowe lato.
Roczny ruch po orbicie, a w konsekwencji pozycja Słońca na tle pasa zodiakalnego umożliwia zdefiniowanie astronomicznych pór roku. Początkiem układu ekliptycznego, czyli drogi Słońca na tle sfery niebieskiej jest punkt Barana. Kąty długości ekliptycznej mierzy się od tego punktu w stronę ruchu Słońca po ekliptyce. Moment przejścia Słońca przez punkt Barana, a więc przez długość ekliptyczną 0o rozpoczyna na półkuli północnej astronomiczną wiosnę. Jest to równocześnie istotny moment dla pomiaru czasu.
W okresie, w którym Słońce przesuwa się od punktu Barana do punktu Raka, na półkuli północnej trwa astronomiczna wiosna, a na południowej – jesień. Kiedy Słońce osiąga długość ekliptyczną 90o (punkt Raka), oznacza to na półkuli północnej początek astronomicznego lata. Podczas wędrówki Słońca od punktu Raka do punktu Wagi mamy astronomiczne lato na półkuli północnej a zimę na półkuli południowej. Przejście Słońca przez moment równonocny jesiennej (długość ekliptyczna 180o – punkt Wagi) wyznacza na półkuli północnej początek astronomicznej jesieni. W okresie rozpoczętym przejściem Słońca od punktu Wagi do punktu Koziorożca mamy astronomiczną jesień na półkuli północnej i wiosnę na południowej. Stanowisko Słońca w punkcie Koziorożca (długość ekliptyczna 270o) określa na półkuli północnej początek astronomicznej zimy. W tym ostatnim okresie Słońce przechodzi od punktu Koziorożca do punktu Barana – wtedy na półkuli północnej trwa astronomiczna zima a na południowej – lato.
Astronomiczne pory roku liczymy w sposób następujący: wiosna – od wiosennego zrównania dnia z nocą (21 marca) do letniego stanowiska Słońca (22 czerwca); lato – od letniego stanowiska do jesiennego zrównania dnia z nocą (23 września); jesień – od jesiennego zrównania dnia z nocą do zimowego stanowiska Słońca (22 grudnia) i zima – od zimowego stanowiska do wiosennego zrównania dnia z nocą. Okresem zmian pór roku jest tzw. rok zwrotnikowy równy odstępowi czasu pomiędzy kolejnymi momentami wiosennego zrównania dnia z nocą
Dla wyjaśnienia zmiany pór roku wystarczy rozpatrzyć położenie Ziemi w stosunku do Słońca w dniach 22 czerwca, 22 grudnia, 21 marca i 23 września. W dniu 22 czerwca położenie Ziemi przedstawia się w ten sposób, że jej biegun północny zwrócony jest w stronę Słońca, promienie słoneczne padają prostopadle na zwrotnik Raka, każdy równoleżnik na półkuli północnej jest oświetlony w większej części, a poczynając od koła podbiegunowego północnego po biegun północny, wszystkie równoleżniki znajdują się w całości w zasięgu światła słonecznego. Co oznacza, że na półkuli północnej wszędzie dzień jest dłuższy od nocy, a za kołem polarnym Słońce w tym czasie w ogóle nie zachodzi. W związku z tym dopływ ciepła na półkuli północnej jest większy niż na półkuli południowej, gdzie w tym czasie zaczyna się zima.
22 grudnia sytuacja przedstawia się odwrotnie – biegun północny zwrócony jest w stronę przeciwną niż Słońce, którego promienie padają prostopadle na zwrotnik Koziorożca, położony na półkuli południowej. Każdy równoleżnik na półkuli północnej w większej swej części przypada na zaciemnioną część Ziemi, a równoleżniki położone na północ od koła podbiegunowego północnego leżą w całości w cieniu. Oznacza to, że wszędzie na naszej półkuli dni są krótkie a noce długie, zaś dopływ ciepła jest mniejszy niż jego ubytek. Na półkuli północnej zaczyna się zima, a na południowej – lato.
21 marca i 23 września granica strefy oświetlenia i zaciemnienia przebiega przez oba bieguny, dzień i noc na całej Ziemi są mniej więc tej samej długości, a Słońce znajduje się w zenicie na równiku. Zima, względnie lato przechodzą w wiosnę, względnie jesień.
Dworak Z., Sołtys Z., Żbik M., Wszechświat i ewolucja. Warszawa 1989.
Domachowski R., Makowska D., Geografia – vademecum maturzysty. Wyd. 2 popr. Warszawa 1993.
Flis J., Wstęp do geografii fizycznej. Warszawa 1988.
Geografia powszechna. T. 1 : Ziemia – środowisko naturalne człowieka. Red. M. Malicki. Warszawa 1962.
Hutchinson – Współczesna encyklopedia świata. Słownik naukowo – techniczny. Warszawa 1997.
Mitebski J., Astronomia w geografii. Warszawa 1979.
Orłowski A., Rzeczywisty czas nastania równonocny wiosennej i jesiennej. „Geografia w Szkole” 2002 nr 3.
ster L., Astronomia współczesna. Wyd. 3. Warszawa 1986.
Rybka E., Astronomia ogólna. Wyd. 7. popr. i uzup. Warszawa 1983.
Słownik szkolny – astronomia. Warszawa 1994.