Analisando as observações: as estações do ano

As estações do ano e os movimentos do Sol em relação a Terra.

As estações do ano é um tema muito presente no Ensino Fundamental e o seu entendimento está relacionado com diversas disciplinas. Ao se trabalhar este tema é importante explicar por que elas acontecem. Entretanto, muitos livros didáticos apresentam ou uma explicação muito difícil de ser compreendida por crianças, ou simplesmente errada. Há maneiras simples de trabalhar este problema e uma delas é utilizar algumas das observações regulares que propusemos em especial duas citadas abaixo:

i) A tabela obtida pelo registro quinzenal da que hora em que o Sol nasce e da hora em ele se põe.

ii) Pelas marcas obtidas pelo registro quinzenal, sempre na mesma hora, da sombra feita pelo sol num objeto.

Durante o ano o clima onde você mora se altera e dependendo da sua localização na Terra as estações podem ser bem marcadas ou não. Estações bem marcadas são características de regiões fora dos trópicos. À medida que se aproxima do equador o clima se altera muito menos durante o ano.

A razão da existência das estações e a intensidade de como ocorrem está relacionada com diversos fatores. O efeito mais importante é a luz do Sol que ao nos atingir produz calor. A ocorrência se deve a alteração na maneira com que ela atinge o planeta à medida que o Sol se movimenta em relação à Terra, ao fato da Terra ser redonda e à presença da nossa atmosfera.

Comecemos analisando as observações indicadas acima. A tabela construída com os horários do nascer e do por do Sol durante o ano nos mostrará o seguinte comportamento para o hemisfério sul. No início do ano o tempo de iluminação, obtido subtraindo-se a hora do nascer do Sol da hora em que o Sol se põe, diminui até chegar ao mínimo por volta do dia 21 de junho, quando temos a noite mais longa. A partir deste dia o tempo de iluminação volta a crescer até aproximadamente o dia 20 de dezembro, início do verão, quando temos a noite mais curta do ano. Como é a luz do Sol a maneira com que ele deposita energia no nosso planeta, quanto maior o tempo de iluminação mais energia recebemos. Observando os dados da tabela nós podemos relacionar este tempo de iluminação com as estações. Veja a noite mais longa é o início do inverno, a noite mais curta o início do verão. A noite de 12h tanto pode ser o início da primavera como a do outono, o que distingue as datas é que na primavera o tempo de iluminação aumenta, a noite diminui e no outono, o tempo de iluminação diminui e a noite aumenta. Em resumo, mais luz produz mais calor, menos luz menos calor e portanto, o tempo de iluminação é determinante para a mudança do clima.

Você pode ampliar esta pesquisa se obtiver dados para duas ou três cidades distintas e localizadas em regiões bem distintas. Ao comparar os tempos de iluminação solar, você terá a explicação para a semelhança ou diferença entre seus climas exceto por fatores tais como altura ou proximidade do mar.

Como mencionamos há outros dois efeitos importantes para explicar o clima, a nossa atmosfera e o fato da Terra ser quase uma esfera. A nossa atmosfera funciona para nós de uma forma semelhante a um cobertor. Estima-se que ela produz um efeito estufa que resulta no aumento da nossa temperatura de 15 °C. Quando você começa a subir uma montanha a atmosfera acima de você diminui e por isto fica mais frio, o cobertor fica mais fino. Ela também produz outro efeito, ela é responsável pelo Sol da manhã ser menos intenso do que o Sol do meio dia. A luz solar para atingir a superfície da Terra atravessa a atmosfera e por isto é absorvida. Isto você pode observar facilmente basta ficar cinco minutos sob o Sol da manhã e o mesmo tempo sob o Sol do meio dia.

A explicação deste fenômeno é que pela manhã ou no fim da tarde a luz caminha mais na atmosfera do que ao meio dia. Se ela caminha menos, é absorvida menos, sobra mais para quem estiver na superfície da Terra. Se ela caminha mais na atmosfera ela é mais absorvida. Provavelmente você já leu que o Sol das 10h até às 15h não é saudável e a razão é a mesma, passa mais luz, queima mais a sua pele.

A explicação do clima depende muito de como a luz do Sol atinge à superfície da Terra e por isto o fato dela ser quase uma esfera é muito relevante. Para enfatizar a importância do ângulo com que a luz do Sol chega à superfície da Terra olhemos para dois locais muito especiais, que são os seus polos, o polo norte e o polo sul. Nos globos, por convenção, o polo norte fica em cima e o polo sul em baixo. Uma característica destes dois locais é que não importa a época do ano eles estão sempre gelados. Eles estão mais gelados ou menos gelados. Se você olhar, por exemplo, uma foto do polo norte vai achar que está olhando para um grande congelador de uma geladeira. Você poderá ver outras no portal do NOOA e você verá que todas elas mostram um ambiente gelado. Por outro lado, próximo ao equador o clima é sempre quente veja, por exemplo, uma foto do deserto do Saara.

Utilize esta figura para perceber como o ângulo com que a luz do Sol atinge a superfície da Terra se modifica muito pelo fato dela ser muito semelhante a uma esfera. Esta figura representa  sistema Sol e Terra próximo ao solstício de verão do hemisfério sul. Nesta figura você poderá observar como o ângulo com que um raio de Sol atinge a superfície da Terra. Veja que numa certa região da Terra, próxima ao polo norte, a luz não consegue atingir. Por isto, próximos aos polos há regiões onde em alguns dias de verão o Sol não se põe e em alguns dias de inverno o Sol não nasce. Se a Terra fosse plana a diferença entre os ângulos seria muito pequena. Você pode utilizando uma lanterna fazer uma demonstração simples deste efeito. Incida a luz da lanterna perpendicular ao teto. Você verá que a luz se concentra numa área que aumenta se você inclinar a lanterna. Mais área com a mesma quantidade de luz implica em menor intensidade.

Você pode estimar este efeito utilizando uma função trigonométrica chamada cosseno. O ângulo entre a normal à superfície da Terra e a direção com que a luz incide depende da latitude da cidade. Na tabela abaixo estão colocados a latitude de algumas cidades e o cosseno do ângulo que a luz do Sol faz com a normal nos solstícios.

Os valores do cosseno do ângulo quantificam a mudança na intensidade da luz entre o início do verão e o início do inverno no hemisfério sul. É imediata a constatação de que quando mais afastado do equador, maior latitude, mais varia a intensidade. A causa desta alteração é o lento movimento do Sol em relação a Terra, na direção norte-sul, que podemos observar pelos registros da sombra do Sol de um objeto fixo. Veja como exemplo as fotos que tirei da minha casa, por volta das 8:30 da manhã, em dias próximo aos solstícios de verão e de inverno.

Em geral as explicações são feitas a partir de um observador fora da Terra, em geral a partir do Sol. É impossível com o conhecimento de hoje ir até o Sol. Qualquer material conhecido derreteria antes de chegar lá. Entretanto, para nossa imaginação não, nós podemos imaginar muitas coisas. Por isto, nós podemos observando os movimentos do Sol a partir da Terra, onde estamos, e com a ajuda da Matemática determinar exatamente o que esta pessoa observaria.

A partir do Sol, o movimento que os planetas executam pode ser aproximadamente decomposto em dois, o de rotação em torno de um eixo que passa pelo seu centro e outro onde o planeja gira em torno do Sol e que é chamado de translação. Esta pessoa imaginária verá que as estações dependem de como o eixo de rotação da Terra se posiciona em relação a ela. Como este eixo fica fixo a medida que o planeta faz a sua translação faz com que se altere a sua iluminação pelo Sol.

Hoje utilizando as fotos dos satélites colocados em órbita isto pode ficar muito mais evidente como na foto que você pode ver. ( Os originais destas fotos são da Wikipedia) Elas mostram como a Terra é iluminada pelo Sol no dia que inicia cada estação do ano. As fotos da esquerda são dos equinócios, primavera e outono, e as fotos da direita são dos solstícios, inverno e verão. Veja que nos equinócios a metade de cima e a de baixo estão igualmente iluminadas e nos solstícios um dos hemisférios fica mais iluminado do que outro. No mesmo dia que a primavera inicia no nosso hemisfério, o outono inicia no outro hemisfério! Quando é inverno num hemisfério é verão no outro. Tudo isto fica fácil de entender se você souber que a iluminação que a Terra recebe do Sol é praticamente a mesma durante todo o ano. A distância da Terra ao Sol muda durante o ano, mas muda muito pouco e por isto a intensidade da luz do Sol que chega a Terra também muda pouco.  Assim, se um hemisfério recebe mais luz o outro hemisfério tem que receber menos. O dia que marca o início de cada estação foi escolhido para enfatizar esta característica. O início do inverno num hemisfério é o dia com menor quantidade de luz, é o dia com a noite mais longa e, neste mesmo, dia inicia o verão no outro hemisfério com o dia com maior quantidade de luz, o dia com a noite mais curta. A primavera e o outono começam num dia em que a noite tem 12 horas.