Estações do ano na linha do Equador

Para um observador, na superfície terrestre, muitos são os fenômenos astronômicos que ele pode ver e acompanhar. Ele, após olhar a evolução do fenômeno, pode estabelecer muitas questões no sentido de entender o acontecido. Nesse ponto, o observador procura definir um modelo que justifique a sua observação. Desse modo, o astrônomo estabelece convenções e procura explicar o fenômeno em termos de todas as ferramentas disponível a ele. Além dessas ferramentas, ele deve conhecer todos os outros campos do conhecimento humano que o auxiliem na construção de um mecanismo para o processo observado.

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• Como são as estações do ano na Linha do Equador?
• Como são as estações do ano nas regiões muito próximas do Equador?
• Tem inverno na Linha do Equador?
• Quais são as estações do ano no Hemisfério Norte?

Desarmados de qualquer instrumento, a alternância entre claridade (dia) e escuridão (noite), nos permite estabelecer uma noção de tempo. Em conjunto com essa alternância, nós podemos correlacioná-la com a posição do Sol no horizonte e o trajeto dele ao longo do céu.

A Evolução do Sol na Linha de Horizonte

A observação do nascimento ou ocaso do Sol na linha do horizonte nos conduz ao seguinte resultado:

Figura1 :Movimento do Sol ao longo da Linha de Horizonte

Desse resultado, nós verificamos que o Sol desloca-se regularmente ao longo do horizonte entre dois extremos máximos, tanto no horizonte do ocaso como no horizonte do nascente. No ocaso solar, nós vemos que o Sol desce com uma inclinação à direita e no caso do nascente, nós verificamos que a inclinação de subida do Sol está à esquerda. A regularidade do deslocamento permitiu ao homem definir um intervalo de tempo designado como ano. O intervalo de um ano corresponde ao Sol sair de sua posição máxima à esquerda, passar pelo ponto médio, e atingir o extremo máximo à direita, para então retornar ao ponto médio e atingir finalmente o ponto máximo à esquerda novamente. Os pontos extremos máximos e o ponto médio são definidos como:

Solstício [Do latim: solstitiu = Sol Parado]: São correspondentes aos extremos máximos do deslocamento do Sol, o qual inverte o seu sentido de deslocamento, portanto o Sol precisa parar seu movimento para retornar.

Equinócio [Do latim: aequinoctiu = noite igual; aequale = igual+ nocte = noite]: Corresponde ao ponto médio do intervalo de deslocamento, instante no qual o intervalo de duração do período de claridade se iguala ao de escuridão.

Durante o intervalo de um ano nós temos dois solstícios e dois equinócios desse modo nós podemos dividir o intervalo de um ano em quatro períodos, a saber: Primavera, Verão, Outono e Inverno. Esses períodos são chamados de Estações do Ano. Os nomes foram dados em função das condições climáticas gerais do período em relação aos habitantes da zona temperada do hemisfério norte, tais como:

Primavera [Do latim: primo vere `no começo do verão']; Representa a época primeira, a estação que antecede o Verão.

Verão [Do latim vulgar: veranum, i.e., veranuns tempus, `tempo primaveril ou primaveral' semelhante a vernal, isto é, relativo à primavera]. Estação que sucede a Primavera e antecede o Outono.

Outono [Do latim: autumno] Usualmente conhecida como o tempo da colheita.

Inverno [Do latim: hibernu, i.e., tempus hibernus `tempo hibernal']; Associado ao ciclo biológico de alguns animais ao entrar em hibernação e, se recolherem durante o período de frio intenso. Estação que sucede o Outono e antecede a Primavera.

Essas características das estações conduziram a uma simplificação didática no ensino básico de: Primavera é a estação das flores, o verão é a época do calor, o outono é a época das frutas e finalmente o inverno é a época do frio. Muito adequado para a zona temperada, mas na zona tropical tal característica não se verifica na prática. Por exemplo, é possível termos dentro do Inverno um veranico, ou seja um período, de aquecimento momentâneo. Devemos lembrar que as características climáticas de cada região dependem da proximidade de massas oceânicas, elevações montanhosas, planícies, etc, as quais modificam a característica local e global do clima. Um desses fatores, pôr exemplo é o fenômeno El Niño: mudança climática global decorrente do nível de aquecimento do Oceano Pacífico  que modifica o fluxo de calor através das correntes marítimas e altera o aquecimento da atmosfera terrestre.

Cada uma das Estações do Ano possui uma data específica que marca o seu início. A partir do deslocamento do Sol, ao longo da linha de horizonte, nós definimos esses quatro instantes como sendo:
 

Hemisfério Sul	Data de Início entre os Dias	Hemisfério Norte
Equinócio de Primavera	22 e 23 de setembro	Equinócio de Outono
Solstício de Verão	22 e 23 de dezembro	Solstício de Inverno
Equinócio de Outono	20 e 21 de março	Equinócio de Primavera
Solstício de Inverno	22 e 23 de junho	Solstício de Verão

Tabela 1: Datas das Estações do Ano para os Hemisfério Terrestres.

Para o ano de 1996 e para o hemisfério sul as Efemérides das Estações do Ano são: 

Efemérides (1996)	Data	Horário	Duração / Estação
Equinócio de Primavera	22/09	14:59h	89,84dias / Primavera
Solstício de Verão	21/12	11:04h	88,99dias / Verão
Equinócio de Outono	20/03	05:05h	92,76dias / Outono
Solstício de Inverno	21/06	23:22h	93,65dias / Inverno

Tabela 2: Efemérides das Estações do Ano para 1996 e o seu tempo de duração.

A Evolução dos Períodos de Claridade e Escuridão

Um segundo fator associado às estações do ano, corresponde à duração dos períodos de claridade e de escuridão.
 

Efemérides (1996)	Data	Sol - Visibilidade
Equinócio de Primavera	22/09	12h08m
Solstício de Verão	21/12	13h31m
Equinócio de Outono	20/03	12h08m
Solstício de Inverno	21/06	10h49m

Tabela 3 : Duração da visibilidade do Sol.

A duração dos períodos de claridade e de escuridão variam desde as latitudes do Equador até os pólos. No Equador a diferença entre o dia e a noite não é tão significativa quanto para um habitante numa latitude próxima dos círculos polares. No entanto, todos percebem que há uma diferença entre dia e noite nos solstícios.

A Evolução das Sombras ao Longo de um Ano.

Uma terceira observação que nos permite definir os instantes de início de cada uma das Estações do Ano é acompanhar a evolução de uma sombra produzida por uma vareta fincada na vertical de uma superfície plana e nivelada. Esse instrumento, a vareta, formalmente é o GNÔMON  [Do grego gnómon e do latim gnomon] e permite marcar a altura do Sol em função de sua sombra. Costuma-se designá-lo também como RELÓGIO SOLAR por permitir marcar a hora verdadeira do Sol.

De início, nós vamos descrever a evolução da sombra do gnômon para a localidade de São Carlos - SP (22° 01´ Sul e 47°54m Oeste). Se observarmos desde o nascer até o pôr do Sol, nós vamos obter algo parecido com a seguinte seqüência de sombras em uma determinada época do ano:

Figura 2 : Variação da sombra de um gnômon num dia em São Carlos -SP.

Observemos, por exemplo, que as sombras sempre estiveram de um mesmo lado, ou seja, o Sol esteve sempre do lado oposto. Dessa nossa observação, nós podemos afirmar que:

O Sol descreveu um arco no céu e, em nenhum momento, o plano que passa pelo arco contém a reta que passa pela vareta. O único ponto em comum é a base da vareta, ou seja, é a intersecção entre a reta e o plano. Finalmente esse arco esta num plano, o qual se encontra inclinado em relação ao plano do horizonte.

O Movimento Anual do Sol

Olhando agora para as sombras produzidas pela nossa vareta dentro de um ano, nós vamos constatar variações nas dimensões e disposições das sombras. Em particular, nós vamos representar os resultados para os solstícios de verão e de inverno e os equinócios de outono e de primavera, ou seja, o aspecto das sombras no dia em que começa cada uma das estações do ano: Primavera, Verão, Outono e Inverno.

Figura 3: Variações da sombra de um gnômon no início das estações em São Carlos - SP.

Concluímos então, que, ao longo do ano, as sombras refletem o seguinte comportamento do Sol, conforme a representação da figura que segue, com a seguintes observações:

Figura 4: A trajetória do Sol para São Carlos

O Sol produz uma sombra de direção coincidente nos dias de equinócio nos instantes do nascer e do ocaso solar. Em qualquer outra data do ano tal fato não acontece. Nesse dia nós temos a marcação da direção Leste - Oeste e portanto a perpendicular à base do gnômon estabelece a direção Norte - Sul.

A menor sombra do dia ocorre sempre na passagem do Sol no ponto mais alto do céu, ou seja, o Sol passa pela linha meridiana local.
O Sol nos solstícios produz a sombra com maior inclinação possível em relação à direção coincidente das sombras nos equinócios, no instante do seu nascimento ou ocaso.
O Sol descreve arcos inclinados e paralelos entre si, que se deslocam dentro do ciclo de um ano.
O Sol passará duas vezes por ano sobre nossas cabeças em São Carlos. Esses dias serão 03 de dezembro e 10 de janeiro.
O Sol descreve um MOVIMENTO PENDULAR ao longo da linha do horizonte, ou seja, ele oscila para o norte e para o sul em relação a direção geográfica Este ou Oeste.
Os diferentes arcos de trajeto do Sol ao longo do ano refletem maiores e menores permanências desse astro no céu a cada dia:

Solstício de Verão	período de claridade mais longo do ano. (13h31m de Sol visível - São Carlos)
Solstício de Inverno	menor período de claridade do ano. (10h49m de Sol visível - São Carlos)
Equinócio de Primavera	igual período de claridade e de escuridão. (12h08m de Sol visível - São Carlos)
Equinócio de Outono	igual período de claridade e de escuridão. (12h08m de Sol visível - São Carlos)

Tablela 4: Duração da visibilidade do Sol no início das estações do ano.

  Comentários e Observações

Lembrando-se que nós estamos sobre um paralelo no hemisfério Sul do globo terrestre, o arco que o Sol descreve em um dia está inclinado para o Norte. Quanto maior for a latitude do local, maior será a inclinação do arco para o hemisfério Norte.

Considerando-se que o eixo de rotação terrestre tem uma inclinação fixa de 23° 27', durante a rotação e translação terrestre, os paralelos de Capricórnio e de Câncer correspondem ao limite máximo de deslocamento do Sol entre os dois hemisférios da esfera celeste.

Das duas afirmações dos parágrafos anteriores, nós podemos deduzir que nos trópicos uma vareta não apresentará sombra quando da passagem do Sol na linha meridiana nos dias de solstício de verão. Para o habitante que esteja residindo sobre um dos trópicos, esse acontecimento ocorrerá uma vez por ano.

Para qualquer outro habitante dentro da zona tropical, ele verá o Sol ter passagem meridiana sobre sua cabeça em duas ocasiões do ano. Em particular, para o habitante que esteja sob a linha do Equador, ele verá o Sol nessa condição a cada seis meses (equinócios). E para as latitudes intermediárias entre o Equador e um dos trópicos, o intervalo variará de três dias até quase seis meses. Isto se considerarmos em relação à data do solstício mais próxima, ou seja, para uma latitude Sul entre os trópicos, nós deveremos tomar o período que abrange o solstício de verão. Lembre-se que para a cidade de São Carlos, essa situação ocorre entre os dias 3 de dezembro e 10 de janeiro, o que corresponde a um intervalo de 39 dias.

Para um habitante da zona temperada, sua latitude será sempre maior que o valor da inclinação do eixo terrestre, então esse habitante jamais verá o Sol sob sua cabeça em qualquer época do ano.

Por último o morador da região polar encontra-se numa situação especial. Lá há extremos de visibilidade do Sol por até seis meses e igual período sem vê-lo.

Existem ainda procedimentos mais complexos de observação e interpretação das sombras do Sol, por exemplo: se fixarmos um horário e a cada dia marcarmos a posição da ponta da vareta, após um ano, nós veremos formar a figura de um oito, o ANALEMA SOLAR.

Figura 5: O Analema Solar

A partir do analema solar, nós podemos constatar o efeito da excentricidade da órbita terrestre e a mudança da velocidade orbital terrestre. De maneira simples o analema representa o tempo de atraso ou de adiantamento do Sol em relação a sua passagem meridana. O resultado final é representado pela Equação do Tempo, a qual estabelece a diferença entre o tempo solar verdadeiro e o tempo solar médio.

Figura 6: Gráfico da Equação do Tempo
Determinação dos Pontos Cardeais pelo Gnômon

Para determinar os pontos cardeais, o gnômon pode ser empregado para essa finalidade em vista do que foi discutido anteriormente. O procedimento prático consiste em:

* Posicionar o gnômon em um local adequado para acompanhar a sombra do Sol ao longo do dia.

* Num determinado horário da manhã marcar a posição da ponta da sombra (H1) e o horário da medida (h1).

* Traçar a partir da base do gnômon (B) uma circunferência (b) centrada em B com raio BH1.

* Marcar a evolução da ponta da sombra até que ela venha a tocar novamente a circunferência b, nesse instante, marcar o novo ponto de coincidência ( H2) e o horário (h2).

A partir desse momento, nós podemos retirar a haste e proceder a seguinte construção geométrica:

* Traçar o segmento BH1 e o segmento BH2 e determinar a bissetriz do ângulo H1BH2.

Figura 7: Determinação da direção Norte - Sul.

Resultado:

A bissetriz traçada corresponde à direção Norte - Sul. Se traçarmos a perpendicular à direção N-S pelo ponto B, nós determinaremos a direção Leste - Oeste. Pelo movimento do Sol, nós sabemos onde está o nascente e o poente. Pela trajetória do arco que o Sol descreve, nós sabemos para onde está o Norte e portanto o Sul. Desse modo, nós determinamos os pontos cardeais.

Caso resolvamos colocar a direção Norte - Sul de uma bússola em coincidência com a direção Norte - Sul obtida pela bissetriz, nós notaremos que a direção magnética norte - sul da bússola não coincide com a direção Norte - Sul geográfica. No caso de São Carlos, nós podemos verificar que há um desvio do norte magnético para o lado do horizonte Oeste de cerca de 12 graus. Convém observarmos aqui, que nem sempre a direção norte - sul magnética coincide com a direção Norte - Sul astronômica ou geográfica.

O Mecanismo das Estações do Ano

A Terra executa um movimento de revolução ao redor do Sol numa órbita elíptica (excentricidade e = 0,0167), a qual é muito próxima de uma circunferência. O plano que contém essa órbita é chamado Plano da Eclíptica. Nosso planeta também realiza um movimento de rotação, ou seja, nós podemos colocar imaginariamente nele um eixo em torno do qual o nosso planeta dá uma volta a cada dia. Esse eixo faz com o plano da eclíptica um ângulo de 66o 33'. Por esse motivo, os raios solares atingem um mesmo ponto do planeta com diferentes inclinações em diferentes épocas do ano.

Figura 8: As Estações do Ano.

No dia 21 de junho, ao meio dia local, a luz solar incide perpendicularmente sobre o Trópico de Câncer, enquanto que, no Trópico de Capricórnio o ângulo de incidência é de aproximadamente 43 graus com a horizontal. Com isso, o Hemisfério Norte estará sendo mais aquecido que o Hemisfério Sul (inverno para nós).

Figura 9: O Inverno no Hemisfério Sul ( 21 de junho ).

No dia 22 de dezembro, a luz solar incide perpendicularmente sobre o Trópico de Capricórnio, enquanto que no Trópico de Câncer o ângulo com a horizontal é de 43 graus com a superfície, ou seja, a situação agora é contrária e por isso é verão no Hemisfério Sul (Brasil) e inverno no Hemisfério Norte (Europa).

Figura 10: O Verão no Hemisfério Sul ( 22 de dezembro )

As duas situações em que a luz incide perpendicularmente sobre os trópicos chamam-se de Solstício. No caso do Hemisfério Sul nós temos o Solstício de Verão (22 de dezembro) o e Solstício de Inverno (21 de junho). Nos dias 21 de março e 23 de setembro, nós temos a situação em que a luz solar incide perpendicularmente sobre o Equador. Então ambos os hemisférios são igualmente iluminados durante esses dois dias e tais situações chamam-se de Equinócio. No caso do Hemisfério Sul tem-se o Equinócio de Outono (21 de março) e o Equinócio de Primavera (23 de setembro).

Figura 11: O Outono (21 de março) e a Primavera (23 de setembro) no Hemisfério Sul.

É fácil notar que na região dos pólos a luz incide de forma rasante. Ao longo de todas as estações climáticas que a Terra apresenta durante sua revolução, essa região não é muito aquecida e, por isso apresenta-se com esse aspecto que conhecemos. No dia 21 de junho (inverno no hemisfério sul) a região do Círculo Polar Antártico não se encontra iluminada, ao passo que a região do Círculo Polar Ártico está totalmente iluminada. Esta situação se inverterá após seis meses de revolução do nosso planeta, quando o Hemisfério Sul estiver mais exposto à luz solar em 23 de dezembro (verão no hemisfério sul). Nessa situação,. nós temos iniciada ''noite eterna'' para a região do Circulo Polar Ártico.

Figura 12: A iluminação da Terra em 21 de junho.

Além das mudanças climáticas que a Terra sofre devido a inclinação do seu eixo e de sua revolução ao redor do Sol, nós também podemos perceber as diferenças da alternância de claridade e escuridão que se sucedem ao longo delas. As linhas imaginárias que ligam o Pólo Norte ao Pólo Sul chamam-se meridianos. Se duas pessoas A e B estiverem sobre dois pontos distintos ao longo de um mesmo meridiano, e se lhes perguntarmos as horas ambos dirão a mesma coisa. Por exemplo se para alguém no ponto A são 6:00 horas da manhã então para o ponto B também  será. Mas para A já é dia, enquanto que para B ainda é noite. Será necessário o planeta girar mais um pouco para que B possa ver a luz do Sol. Quando chegar a tardinha, o ponto B entrará na região de escuridão (não iluminada pelo Sol) antes que A. Portanto, A que está no verão tem um período de claridade mais longo em relação a B que se encontra no inverno. Somente nos equinócios, os observadores A e B verão o Sol nascer e se pôr no mesmo horário, e portanto, nesse dia em particular, a noite e o dia terão o mesmo período de duração.

Como nós vemos, a duração de um dia (período de claridade) e de uma noite (período de escuridão), o movimento pendular do Sol e o seu deslocamento ao longo do céu, atavés da sua sombra, podem ser explicados simplesmente devido à inclinação do eixo de rotação da Terra com relação ao seu plano de órbita durante a sua revolução.Outros fatores climáticos podem ser associados às Estações do Ano, mas, não representam a característica mais importante de um local ou região, pois vários fatores geográficos alteram o clima.

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CDA - CDCC - USP/SC 21/10/2004

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Como são as estações do ano na Linha do Equador?

Como são as estações do ano nas regiões muito próximas do Equador?

Tem inverno na Linha do Equador?

Quais são as estações do ano no Hemisfério Norte?