Estações do ano, Equinócio, Solstício e Trópicos e Câncer e Capricórnio

Sendo eu um estudante de física interessado em astronomia, às vezes sou abordado com questões como: “porque existem as estações do ano?”, “porque as estações começam nos solstícios e equinócios?”, “que relação têm as estações com a inclinação do eixo da Terra?”.

Considero esse tema muito interessante, mas uma reflexão pautada apenas em conhecimentos astronômicos poderia levar a conclusões equivocadas sobre as datas já estabelecidas para o início das estações (cujo dia e hora exatos variam de um ano para outro). Nomeadamente, para o hemisfério Sul: a primavera em 23 de setembro, no equinócio; o verão em 21 de dezembro, no solstício de verão; o outono em a 20 de março, no equinócio; o inverno em 21 de junho, no solstício de inverno.

Conceito chave para se compreender as estações, está a alternância entre equinócios e solstícios. Recorreremos a algumas ilustrações para entender melhor esses conceitos:

Percebemos, com a figura acima, que a Terra ao girar em torno do Sol mantém seu eixo de inclinação (aproximada de 23,5 graus) sempre “apontando” na mesma direção. Esse evento faz com que, entre o equinócio de outono e o equinócio de primavera, a radiação solar incida mais diretamente sobre o hemisfério norte, ou seja, entre esse período a porção norte do planeta estará esquentando, enquanto a porção sul estará esfriando.

Abaixo, uma ilustração em que podemos entender melhor os motivos desse fenômeno:

Como se pode ver, quanto menor a angulação de incidência da luz solar, maior a área atingida por uma mesma quantidade de radiação, o que diminui sua densidade no solo e justifica a diferença temperaturas observada.

Seguindo ainda o raciocínio anterior, percebemos que entre o equinócio de primavera e o equinócio de outono, a radiação solar incide mais diretamente sobre o hemisfério sul. Com isso compreendemos, por exemplo, o motivo de enquanto ser inverno no Sul, ser verão no Norte.

Nesse cenário, os solstícios de inverno e verão marcam os dias que têm menor e maior duração (para o hemisfério sul), respectivamente. Já os equinócios são os dois dias que têm 12h de luz e 12h de noite, e os únicos dois dias do ano em que o Sol nasce no Leste e se põe no Oeste (ao contrário do mito popular que diz ser constante essa posição).

Abaixo, uma seqüência de fotografias (você pode clicar!) onde é possível verificar esse fato (fotos tiradas por Maria de Fátima Oliveira Saraiva, entre 21 jun. de 2003 e 21 mar. de 2004):

Na primeira das fotos, tirada em junho (próxima ao solstício de inverno), o Sol de põe no ponto 1, e apresenta deslocamento máximo em direção nordeste. Na quarta das fotos, em dezembro (próximo ao solstício de verão), o Sol se põe no seu deslocamento máximo à sudeste. Depois disso, retorna em direção ao leste (ponto 2), que marca o equinócio, apresentado na quinta fotografia. Obviamente, trata-se de um ciclo anual.

Essas datas e posições, que surgem dos solstícios, são tão importantes que definem o posicionamento dos Trópicos de Câncer e Capricórnio.

É no solstício de verão (21/12) que o Sol está sobre o Trópico de Capricórnio, e as cidades que são cortadas por essa linha imaginária são as últimas cidades ao Sul que podem ter o Sol diretamente no ponto mais alto do céu (zênite), o que acontece exatamente nesse dia. Abaixo dessa latitude o Sol nunca estará tão alto.

O solstício de verão marca também o dia mais longo do ano (e o solstício de inverno o mais curto). Isso porque é nessa data que o Sol permanece durante mais tempo no céu, devido, inclusive, ao local de seu nascimento no horizonte, como a figura abaixo sugere:

A figura mostra o movimento aparente do Sol, e a julgar pela sua posição no dia do solstício de verão, concluímos que o ponto em questão está sobre um dos trópicos.

Neste momento, é justo perguntar: “e o que as estações do ano têm a ver com isso?”.

Bem... se os dias anteriores e posteriores ao solstício de verão (adotado aleatoriamente como exemplo) têm uma duração menor que o dia do próprio solstício, então esse deveria ser o dia mais quente do ano, certo? E o dia mais quente do ano deveria acontecer bem à meio do verão, certo? ... a primeira vista, está certo, e o verão deveria começar 45 dias antes do solstício, por volta de 6 de novembro. Entretanto, não é assim. Por quê?

O dia mais quente do ano acontece, geralmente, apenas um mês depois do solstício, pois a atmosfera demora certo tempo para esquentar. Assim, o dia mais quente não é o mais longo, apesar da maior quantidade de radiação incidente.

Outra questão para demarcar o início do verão como sendo no solstício, é que este dia pode ser identificado com instrumentos de medida rudimentares e, historicamente, passou-se a utilizá-lo para reger a agricultura. Essa parece ser uma das possíveis utilizações, por exemplo, da Stonehenge.

Espero que as informações tenham sido úteis. Qualquer sugestão sobre adaptações didáticas ou tópicos de conteúdo, podem ser prontamente sinalizadas.

Thanks to @mendesgabriel, que incentivou fortemente esse post.