شاید علت وقوع فصلهای مختلف ساده به نظر برسد، اما پاسخ آنچنان هم که فکر میکنیم سرراست نیست. بسیاری از مردم تصور میکنند فصلها به دلیل نزدیکی و دوری زمین به خورشید ایجاد میشوند. این باوری غلط اما رایج است. در واقع، زمین در روزهای آغازین دیماه (درست در میانهی زمستان نیمکره شمالی) به نزدیکترین فاصله از خورشید میرسد و در تیرماه، زمانی که نیمکره شمالی غرق در گرمای تابستان است، زمین در دورترین فاصله از خورشید قرار دارد.
هرچند خروج از مرکز مدار زمین بسیار کم و تقریباً دایرهای است و تغییرات فاصله مجموعاً حدود 4 میلیون کیلومتر است اما این مشاهدات نشان میدهند که علت تغییرات دمای زمین تغییر فاصله از خورشید نیست.
در این مقاله بررسی میکنیم که چه عاملی در تغییر فصلها نقش بالقوه و محوری دارد.
انحراف محور؛ متهم ردیف اول دادگاه تغییر دما!
اگر فاصله از خورشید نقشی در ایجاد فصلها ندارد. پس علت اصلی چیست؟ پاسخ در یک کلمه خلاصه میشود: کجی!
محور چرخش زمین، نسبت به صفحهی مداریاش (صفحهای که زمین به دور خورشید میگردد) حدود ۲۳.37 درجه انحراف دارد.
این انحراف محور وقتی با گردش زمین به دور خورشید ترکیب شود، نتیجهای شگفتانگیز خواهد داشت. یعنی در نیمی از سال، نیمکرهی شمالی نور بیشتری از خورشید دریافت میکند و در نیمهی دیگر سال این اتفاق برای نیمکرهی جنوبی میافتد.
برای درک بهتر این موضوع، یک چراغ قوه بردارید. اگر آن را مستقیم به یک دیوار بتابانید، نور در یک نقطهی کوچک متمرکز شده و در طولانی مدت داغ میشود. حالا اگر چراغ را کج کنید، همان مقدار نور روی سطح بزرگتری پخش میشود و دیگر آن نقطهی داغ را ندارید. زمین هم دقیقاً همین کار را میکند. وقتی یک نیمکره نور بیشتری دریافت کند، یعنی به سمت خورشید متمایل است و نور به صورت عمودیتر و مستقیمتر به آن میتابد. بنابراین نتیجه انرژی بیشتر در واحد سطح و در نهایت دمای بالاتر یعنی تابستان خواهد بود.
در طرف مقابل، نیمکرهای که از خورشید نور کمتری دریافت میکند،(مایل به سمت بیرون) نور را به صورت اریبتر دریافت میکند. همان مقدار انرژی روی سطح بزرگتری پخش میشود و گرمای کمتری ایجاد میکند یعنی زمستان.
بنابراین در تابستان نیمکرهای که به سمت خورشید متمایل است، روزها بلندتر و شبها کوتاهتر میشوند. هر چه خورشید بیشتر در آسمان باشد، زمان بیشتری برای گرم کردن سطح دارد. این عامل مکمل، همراه با زاویهی تابش، دمای تابستان را به مراتب گرمتر از زمستان میکند و بالعکس.
در واقع، وقتی نیمکرهی شمالی نور بیشتری دریافت میکند و در آنجا تابستان است، همزمان نیمکرهی جنوبی نور کمتری دریافت میکند و در آنجا زمستان است.
انقلابین و اعتدالین؛ چهار کلید معمای فصول
انحراف محور زمین به تنهایی کافی نیست؛ این انحراف باید در جای درست و در زمان درست نسبت به خورشید قرار بگیرد تا فصول شکل بگیرند. اینجاست که چهار نقطهی کلیدی در مدار زمین ایفای نقش میکنند. یعنی انقلاب تابستانی، انقلاب زمستانی، اعتدال بهاری و اعتدال پاییزی.
انقلابها؛ بلندترین و کوتاهترین روزهای سال
در سال دو انقلاب داریم. یکی در تابستان و دیگری در زمستان.
- انقلاب تابستانی در نیمکرهی شمالی حدود ۳۰ خرداد رخ میدهد. در این روز، قطب شمال بیش از هر زمان دیگری به سمت خورشید متمایل است. خورشید در بالاترین نقطهی آسمان ظاهر میشود و روز به بلندترین حالت خود میرسد. از فردای آن روز، رفتهرفته روزها کوتاهتر میشوند.
- انقلاب زمستانی در نیمکرهی شمالی حدود ۳۰ آذر اتفاق میافتد. در این روز، قطب شمال از خورشید دورترین فاصله زاویهای خود را دارد. خورشید در پایینترین نقطه از آسمان قرار میگیرد و روز به کوتاهترین حالت خود میرسد. از فردای آن روز، رفتهرفته روزها بلندتر میشوند.
کلمهی انقلاب به معنی بازگشت خورشید از همینجا آمده است. یعنی پس از کوتاهترین روز، خورشید دوباره به سمت بلندتر کردن روزها پیش میرود.
اعتدالها؛ بامدادی که تفاوت نکند لیل و نهار…
دو نقطهی دیگر در مدار زمین، اعتدال بهاری و اعتدال پاییزی هستند.
- اعتدال بهاری در نیمکرهی شمالی حدود ۳۰ اسفند رخ میدهد. در این لحظه، محور زمین نه به سمت خورشید متمایل است و نه دور از آن بلکه دقیقاً عمود بر خط واصل زمین و خورشید است. درنتیجه طول روز و شب در سراسر کرهی زمین برابر میشود (هرکدام حدود 11 ساعت و 56 دقیقه). از این روز به بعد، روزها بلندتر و شبها کوتاهتر میشوند و بهار آغاز میگردد.
- اعتدال پاییزی حدود ۳۰ شهریور رخ میدهد. باز هم محور زمین در آن زمان عمود بر خط واصل زمین و خورشید است. روز و شب باز هم برابرند، اما این بار از فردای آن روز، شبها بلندتر و روزها کوتاهتر میشوند و پاییز آغاز میشود.
این چهار نقطه، فصلهای نجومی را تعریف میکنند:
- از اعتدال بهاری تا انقلاب تابستانی: بهار
- از انقلاب تابستانی تا اعتدال پاییزی: تابستان
- از اعتدال پاییزی تا انقلاب زمستانی: پاییز
- از انقلاب زمستانی تا اعتدال بهاری: زمستان
لازم به ذکر است در تقویم ایرانی اعتدال بهاری دقیقاً عید نوروز و اعتدال پاییزی همان شب یلدا است که قرنها در فرهنگ ما حضور پررنگ دارند
اما چرا با وجود اعتدال به معنای برابری، روز و شب دقیقاً ۱۲ ساعت نیستند؟ پاسخ در پدیدهای به نام شکست نور نهفته است.
شکست نور؛ وقتی اتمسفر یک عدسی است
در بخش قبل گفتیم که در لحظهی اعتدال، طول روز و شب در سراسر زمین برابر میشود و هرکدام حدود ۱۲ ساعت است. اما اگر دقیقتر در نظر بگیریم، این یک برابری کامل نیست. در واقع، در روز اعتدال، خورشید کمی بیشتر از ۱۲ ساعت بالای افق به نظر میرسد. علت این پدیده، شکست نور (Refraction) در جو زمین است.
جو زمین لایهای گازی به ضخامت حدود ۱۰۰ کیلومتر است. وقتی نور خورشید از خلأ فضا وارد این لایه میشود، مسیرش کمی خم میشود. درست مانند نی درون لیوان آب که به نظر شکسته میرسد. این پدیده «شکست نور» نام دارد.
نتیجهی این شکست نور این است که ما خورشید را پیش از آن که واقعاً از افق طلوع کند میبینیم و پس از آن که واقعاً غروب کرده همچنان میبینیم. گویی جو زمین یک عدسی است که خورشید را کمی بالاتر از جای واقعیاش نشان میدهد.
تأثیر بر اعتدال
بنابراین در روز اعتدال بهاری یا پاییزی، اگر جو نبود، روز و شب دقیقاً ۱۲ ساعت بود. اما به دلیل شکست نور، خورشید چند دقیقه زودتر از طلوع واقعی دیده میشود. و چند دقیقه دیرتر از غروب واقعی دیده میشود.
این شرایط باعث میشود طول روز حدود ۴ تا ۸ دقیقه بسته به عرض جغرافیایی بلندتر از شب باشد. به همین دلیل است که در محاسبات دقیق نجومی، روز اعتدال حدود ۱۲ ساعت و ۴ دقیقه و شب اعتدال حدود ۱۱ ساعت و ۵۶ دقیقه است.
این پدیده در قطبها به شکل دراماتیکتری خود را نشان میدهد. در قطب شمال و جنوب، به دلیل شکست نور، خورشید تا یک هفته پیش از اعتدال بهاری دیده میشود! یعنی ساکنان فرضی قطب، خورشید را بسیار زودتر از موعد نجومی مشاهده میکنند و بسیار دیرتر از دست میدهند.
بدون شکست نور، روزهای اعتدال دقیقاً برابر بودند و قطبها در تاریکی مطلق انتظار میکشیدند تا لحظهی دقیق طلوع خورشید برسد. اما به لطف این عدسی غولپیکر طبیعی، چند دقیقه از روشنایی بیشتر بهرهمند میشویم و کمی زودتر به استقبال بهار میرویم.
فصول تئوریک
تمام آنچه تا اینجا گفتیم، چهار فصل مشخص، تغییرات شدید دما و طول روز، عمدتاً برای مناطقی خارج از مدار رأسالسرطان و رأسالجدی (عرضهای جغرافیایی بالای ۲۳.۵ درجه) صادق است. اما در مناطق گرمسیر نزدیک به خط استوا و حتی در نواحی میان استوا و مدار رأسالسرطان، قضیه کاملاً فرق میکند.
در این مناطق، خورشید گاهی در طول سال دو بار عمود میتابد، روز و شب تقریباً همیشه برابر اند، و خبری از چهار فصل معتدل و متمایز نیست. در عوض، الگوهای فصلی بر اساس تعداد دفعات عمود تابیدن خورشید تعریف میشوند و نتیجه میتواند شش فصل، هشت فصل یا حتی بیشتر باشد.
اگر شما هم فکر میکردید همه جای زمین چهار فصل دارد، مقالهی فصول در استوا را از دست ندهید. در آنجا نشان دادهایم که چگونه زاویهی تابش خورشید در عرضهای میانی زمین یک تقویم فصلی کاملاً متفاوت و شگفتانگیز میسازد.
نقش اقیانوسها و جو؛ تعدیلکنندههای بیصدا
تا اینجا دریافتیم که انحراف محوری و زاویهی تابش خورشید، موتورهای اصلی تغییر فصلها هستند. اما اگر همین دو عامل تنها نقش را بازی میکردند، تابستانهای استوا غیرقابل تحمل و زمستانهای قطبها بسیار کشندهتر از چیزی بود که امروز میبینیم. چه چیزی این افراط و تفریطها را تعدیل میکند؟
اقیانوسها؛ هیت سینک غولپیکر سیاره
آب گرمای ویژهی بالایی دارد و ظرفیت گرمایی اقیانوس نیز بسیار بالاست. یعنی برای گرم شدن به انرژی زیادی نیاز دارد و برای سرد شدن هم به همان اندازه وقت میگذارد. اقیانوسها در تابستان، بخش بزرگی از گرمای خورشید را جذب میکنند و اجازه نمیدهند دما به شدت افزایش یابد. در زمستان، همین گرمای ذخیره شده را به آرامی آزاد میکنند و از سقوط آزاد دما جلوگیری میکنند.
به عبارت دیگر، اقیانوسها گرما را در تابستان میگیرند و در زمستان پس میدهند. بدون آنها، اختلاف دمای فصلی در مناطقی مانند سواحل اروپا بسیار وحشیانهتر از امروز بود.
جو؛ پتوی نامرئی زمین
اتمسفر نیز نقش حیاتی در تعدیل دما دارد. گازهای گلخانهای(عمدتاً بخار آب و دیاکسید کربن) بخشی از گرمای خروجی از سطح زمین را جذب میکنند و دوباره به سطح بازمیگردانند. این پدیده که اثر گلخانهای طبیعی نام دارد، دمای میانگین زمین را از حدود ۱۸- درجه در حالت بدون جو به ۱۵+ درجه رسانده است.
در فصلهای مختلف، اتمسفر با انتقال گرما از طریق بادها و توفانها، دمای مناطق مختلف را متعادل میکند و هوای معتدل اقیانوسها را به خشکی میآورند.
چرا سواحل معتدلترند؟
شهرهای ساحلی در مقایسه با شهرهای خشکی در عرض جغرافیایی یکسان، زمستانهای معتدلتر و تابستانهای خنکتری دارند. چراکه اقیانوس مجاور، دما را تعدیل میکند و جو این هوای معتدل را به خشکی هدایت میکند. بدون این دو، کاشان و ساری تفاوت چندانی در تغییرات دمای فصلی نداشتند.
زمین اگر انحراف محور نبود…
حالا که میدانیم علت اصلی فصلها انحراف محور است، بیایید دنیایی را تصور کنیم که در آن زمین هرگز کج نبود. محور چرخش زمین عمودی بود و هیچ انحرافی نسبت به صفحهی مداری نداشت. در چنین سناریویی، چه اتفاقی میافتاد؟
خداحافظی با فصلها
بدون انحراف محور، خورشید همیشه بالای خط استوا میتابید. زاویهی تابش نور در هر نقطه از زمین در طول سال ثابت میماند. بنابراین هیچ تغییری در میزان انرژی دریافتی در طول سال وجود نداشت. یعنی فصلها به معنایی که ما میشناسیم، دیگر وجود نداشتند.
هر منطقه، یک آب و هوای همیشگی
در چنین جهانی:
- مناطق قطبی همیشه در تاریکی نسبی و سرمای شدید بودند. خورشید هرگز بالای افق نمیرفت (یا بسیار پایین میآمد) و یخهای قطبی هرگز آب نمیشدند.
- مناطق معتدل نه بهار داشتند، نه پاییز، نه تابستان و نه زمستان. دمای هوا تقریباً در تمام طول سال ثابت بود – درست مانند یک روز ابدی ابری.
- مناطق استوایی همیشه زیر نور عمودی خورشید میسوختند. بارانهای موسمی و الگوهای جوی فعلی به هم میریخت و احتمالاً بیشتر استوا به بیابانهای خشک و بیزندگی تبدیل میشد.
تأثیر بر حیات و تمدن
انسان و سایر موجودات زنده برای بقا به تغییرات فصلی عادت کردهاند. بسیاری از گیاهان برای گل دادن و میوه دادن به تغییر دما و طول روز نیاز دارند. بسیاری از حیوانات برای مهاجرت یا خواب زمستانی به نشانههای فصلی وابستهاند. بدون فصلها، چرخههای طبیعی حیات به شدت مختل میشد.
همچنین، تمدن بشری بر اساس تغییرات فصلی شکل گرفته است: کشاورزی، تقویم، جشنها و حتی الگوی مهاجرت عشایر، همگی ریشه در فصلها دارند. بدون انحراف محوری، تاریخ بشر مسیری کاملاً متفاوت طی میکرد البته اگر اصلاً بشری به وجود میآمد.
چرا شدت فصلها کم شده؟
شاید اخیراً با مشاهدهی تغییرات اقلیمی برایتان سوال پیش آمده باشد که مگر ممکن است روزی تابستان سرد و زمستان گرم شود؟ نه به آن شکلی که فکر میکنید، اما شدت فصلها در طول هزارهها تغییر میکند.
دو پدیده در این تغییرات نقش دارند، تغییر تدریجی زاویهی انحراف محور و حرکت تقدیمی محور زمین. بیایید هر کدام را جداگانه بررسی کنیم.
تغییر زاویه انحراف محور؛ نوسان آرام کجی
انحراف محور زمین ثابت نیست. این زاویه در طول حدود ۴۱,۰۰۰ سال بین ۲۲.۱ تا ۲۴.۵ درجه نوسان میکند. امروزه این زاویه حدود ۲۳.۳۷ درجه است و در حال کاهش است. هر چه زاویهی انحراف بیشتر باشد، فصلها شدیدتر میشوند (تابستانهای داغتر و زمستانهای سردتر). هر چه زاویه کاهش یابد، فصلها معتدلتر میشوند.
پس بله، در مقیاس دهها هزار سال، دستور پخت فصلها تغییر میکند. اما این تغییرات آنقدر کند است که در طول عمر بشر قابل احساس نیست.
حرکت تقدیمی محور؛ چرخش آهستهی فرفرهای زمین
تصور کنید محور چرخش زمین یک فرفرهی غولپیکر است که بسیار آهسته یک دایرهی کامل را در فضا طی میکند. این حرکت که تقدیم محوری (Precession) نام دارد، هر دور آن حدود ۲۶,۰۰۰ سال طول میکشد.
نکته: این حرکت زاویهی انحراف را تغییر نمیدهد؛ فقط جهت آن را عوض میکند. یعنی ستارهای که امروز تقریباً قطب شمال زمین را نشان میدهد(ستارهی قطبی)، ۵,۰۰۰ سال پیش ستارهی ثعبان (Thuban) بود و حدود ۱۲,۰۰۰ سال دیگر نَسر واقع (Vega) در این نقش واقع خواهدشد.
حرکت تقدیمی باعث میشود موقعیت زمین در مدارش هنگام انقلابها و اعتدالها تغییر کند. این جابهجایی آهسته، شدت فصلها را در طول هزارهها دستخوش تغییرات جزئی میکند. اما باز هم آنقدر کند که در عمر بشری قابل تشخیص نیست.
پس خیالتان راحت، تابستان همچنان گرم میماند و زمستان سرد.(حداقل برای مدتی نه چندان کوتاه) اما اگرچه نوسانات آهستهی انحراف محور در طول دهها هزار سال اتفاق میافتد و تأثیر آن بر دما بسیار جزئی است. گرمایش زمین که امروزه نگران آن هستیم، در مقیاس چند دهه رخ داده و ناشی از افزایش گازهای گلخانهای ناشی از فعالیتهای انسانی است. پس کاهش شدت فصلها در آیندهی نزدیک رخ نمیدهد و آنچه اکنون میبینیم، یک بحران ساختبشر است، نه یک نوسان طبیعی نجومی.
نتیجه
بیایید صادق باشیم: اگر روزی زمین تصمیم میگرفت که راست بایستد، فاجعهای خاموش رقم میخورد. نه شکوفههای بهاری در کار بود، نه تعطیلات تابستانی، نه زردی پاییز و نه سفیدی زمستان. جهنمِ سوزان استوا و سرمای مطلق قطبها، جهانی بیتنوع و بیزندگی میساخت.
همان ۲۳.۳۷ درجه انحراف، زندگی زمینی را چنین پویا ساخته است.
این کجیِ ساده، بزرگترین معمای دمایی سیاره را حل میکند. فاصله از خورشید افسانهای بیش نیست؛ زمین در سردترین روزهای دی به خورشید نزدیکتر است و در گرمترین روزهای تیر، از آن دورتر. پس گناهِ سرما و گرما را به پای فاصله ننویسید. مقصر اصلی (یا بهتر بگوییم قهرمان اصلی) همان کجیِ ماندگار است.
انقلابها و اعتدالها، چهار ضربهی ثابت بر پیکرهی سال هستند: بلندترین روز برای آغاز تابستان، کوتاهترین روز برای زمستان، و دو اعتدال برای لحظاتی که شب و روز در سکوت با هم برابر میشوند. حتی جو زمین نیز با شکست نور، بازیگر این صحنه است؛ چند دقیقه روشناییِ اضافه، هدیهای از طرف اتمسفر.
اقیانوسها و جو، این تعدیلکنندههای خاموش، از افراط و تفریط دما جلوگیری میکنند. بدون آنها، استوا تا مرز جوشش پیش میرفت و قطبها در سرما خاموش میماندند.
آیا روزی میرسد که زمستان گرم باشد و تابستان سرد؟ شاید، اما نه در عمر ما و نه در هزار سال آینده. زمین در حرکتی آهسته، زاویهی مدارش را نوسان میدهد اما این تغییرات در عمر کوتاه ما بر این گوی آبی قابل درک نیست. آنچه امروز اقلیم را به هم ریخته، دست خودِ ماست، نه انحراف محبوب زمین.
فصلها فقط پدیدههای هواشناختی نیستند؛ آنها روایتگر داستان زندگی روی زمیناند.
وقتی اولین برگ پاییز زرد میشود و اولین برف زمستان میبارد، بدانید که همهچیز سر جای خودش است. زمین همچنان کج میچرخد و همین برای ادامه دادن کافیست.
