Sa du "årstid"?

Inledning

Genom att lösa problemet med förskjutningen av påskdatumet justerade den gregorianska reformen samtidigt årstiderna till identiska perioder från ett år till nästa. Den gregorianska årets medellängd är nästan identisk med det tropiska årets.

Men för att verkligen förstå vad vi talar om måste vi veta exakt vad ett tropiskt år är och vad vi menar med årstid(er).

Menar vi samma sak när vi säger ”det här är inget årstidstypiskt väder” och ”jordgubbssäsong”? Ännu värre: när vi i en almanacka läser för 2007 ”sommar: 21 juni kl. 18.06” har man all rätt att undra vad som faktiskt händer just den dagen, just den tiden, som motiverar att vi har gått från vår till sommar.

Själv kan jag, hur mycket jag än tittar mig omkring den 21 juni, inte se någon skillnad mot dagen före. Det verkar inte hända mer mellan 20 och 21 juni än mellan dagen före och bäst före-datumet på en burk ärtor.

I den här genomgången ska vi försöka förstå vad de mycket precisa datumen för de fyra årstiderna i våra kalendrar faktiskt motsvarar, kontrollera om de verkligen definierar det tropiska året, reda ut vad årstider betyder i vardagslivet och göra en resa runt planeten för att se om dessa fyra årstider finns överallt.

Astronomiska årstider

Heder åt den som heder bör. Eftersom den här sajten handlar om tid och kalendrar tar vi vår postalmanacka för 2007. Där står: 21 mars kl. 00.07 UT är det vår, 21 juni kl. 18.06 UT är det sommar, 23 september kl. 09.50 UT är det höst och 22 december kl. 06.07 UT är det vinter.

Och då ställer vi oss följande frågor:

Det är astronomin som hjälper oss att besvara detta.

Nej, nej - stick inte! Jag är inte mer astronom än du. Så vi håller det enkelt, utan att dränka oss i fackspråk eller komplicerade beräkningar. Vårt enda mål är att förstå dessa årstider som kalendern berättar om. Kör vi?

Välkommen till dig som fortsätter läsa. Vi går fram steg för steg.

Och låt oss säga det direkt: alla illustrationer på denna sida är inte i skala.

Steg ett: omlopp och excentricitet

Jorden kretsar runt solen i ett plan, i direkt rörelse (moturs), på ett år.

Flera förtydliganden behövs.

1) I själva verket är det inte jordens geometriska centrum som rör sig i ekliptikans plan (vit prickad linje), utan tyngdpunkten i jord-månsystemet.

Denna tyngdpunkt kallas barycentrum och ligger cirka 4 700 km från jordens geometriska centrum, på en tänkt linje mellan jordens och månens centrum.

Det skapar en fram-och-tillbaka-vobbling i jordens rörelse under varje måncykel (heldragen gul linje i vänstra figuren).

Massförhållandet i jord-månsystemet är 81:1, vilket innebär att systemets tyngdpunkt ligger 81 gånger längre från månens centrum än från jordens.

Notera att man ofta approximerar jordens centrum som sammanfallande med jord-månbarycentrum. Den approximationen kan ibland få märkbara konsekvenser för datum och tider för vissa astronomiska händelser. Vi återkommer till det längre fram.

2) Jordens bana runt solen är inte en cirkel utan en ellips.

Varje ellips har två brännpunkter på storaxeln, den så kallade apsidlinjen. Solen ligger i en av dessa brännpunkter.

Ju större avståndet mellan brännpunkterna är, desto mer tillplattad blir ellipsen. Kvoten mellan detta avstånd och storaxelns längd är excentriciteten: e = brännpunktsavstånd / storaxelns längd. Den varierar mellan 0 och 1, och tillplattningen ökar när e närmar sig noll, som i figuren nedan.

För jorden var banexcentriciteten 0,0167086342 den 1 januari 2000 (den varierar mellan 0 och 0,07 i en cykel på 95 000 år). Det visar hur nära den första bilden på sidan faktiskt låg verkligheten.

Eftersom jord-månbarycentrumets bana är elliptisk finns ett minimiavstånd mellan jorden och solen (perihelion) och ett maximiavstånd (aphelion). Dessa avstånd är i dag cirka 147 100 000 km respektive 152 100 000 km.

Jorden passerar perihelion för närvarande i början av januari och aphelion i början av juli*. Nej, det är inget fel: när det är som varmast hos oss på norra halvklotet är avståndet till solen som störst.

3) I början av detta steg sa vi att jordens omlopp runt solen tar ett år.

Det stämmer - men det finns flera typer av år. Principen är alltid enkel: man väljer en anmärkningsvärd referensposition och mäter tiden tills positionen återkommer.

Utifrån det vi sett hittills kan vi redan definiera två.

a) Sideriskt år: tidsintervallet mellan två passager av jorden i samma fasta riktning (i förhållande till stjärnorna). Längden är 365,2566 dagar (365 dagar 6h 9m 10s).

Notera ändå:

b) Anomalistiskt år: här använder vi jord-månbarycentrumets passage genom perihelion som referens. Det anomalistiska året är tiden mellan två sådana passager. Hur lång är den?

Den spontana tanken är att den borde vara lika lång som det sideriska året.

Men jorden är inte ensam i solsystemet; övriga planeter och solens massa gör att apsidlinjen långsamt roterar i samma riktning som jordens banrörelse.

Konsekvensen är att perihelion inträffar lite senare varje år än året innan.

Det anomalistiska året är därför längre än det sideriska året. Det är i dag 365,2596 dagar (365 dagar 6h 13m 53s).

Innan vi lämnar detta steg i upptäckten av årstiderna i vår postalmanacka 2007 lägger vi till ett litet bonusstycke som vi behöver senare och som redan nämnts på sidan om astronomibegrepp:

Enligt Keplers andra lag är tiden mellan P1 och P2 lika lång som mellan P3 och P4. Med andra ord rör sig jorden långsammare när den är längre från solen.

Vid aphelion är hastigheten cirka 29,3 km/s jämfört med 30,3 km/s vid perihelion. Denna variation i banhastighet blir viktig när vi definierar det tropiska året.

Steg två: rotation och obliquitet

Ingen hemlighet här: jorden roterar kring sin egen axel (polaxeln), moturs från väst till öst. Man kan också definiera jordens ekvatorialplan som planet vinkelrätt mot polaxeln genom jordens centrum. Skärningen med jorden är jordens ekvator.

Är polaxeln vinkelrät mot ekliptikans plan? Svaret är NEJ, och det för oss närmare den astronomiska årstid vi försöker förstå.

Polaxeln (och därmed jordens ekvatorialplan) lutar i dag 23°26' (23,45°) relativt ekliptikans plan: detta är ekliptisk lutning eller obliquitet.

Minns vi tredimensionell geometri vet vi att två plan som skär varandra definierar en linje. För ekliptikans plan och jordens ekvatorialplan är den linjen dagjämningslinjen.

En parentes: precession

Eftersom vi i postalmanackan hittade fyra säsongsdatum, eftersom kalendern följer ett ”tropiskt år” och eftersom dess längd tar hänsyn till ett specifikt fenomen, behöver vi nämna det kort: precession. Vi bortser här från ett annat fenomen, nutation (se sidan astronomi).

I figuren ovan ser vi ekliptikans lutning mellan polaxeln och normalen till ekliptikans plan. Det vi inte ser är att den första roterar kring den andra. Vi går inte in på varför denna långsamma rotation sker (26 000 år), med solen och månen som orsaker ... Men notera att denna rotation är medurs, att Polaris en avlägsen dag inte längre ligger i förlängningen av polaxeln och framför allt (för vårt syfte) att dagjämningslinjen långsamt roterar i ekliptikans plan. Passande nog kallas detta dagjämningsprecession.

Steg tre: ”astronomiska” årstider

Innan vi glömmer: det som följer om ”årstider” gäller norra halvklotet; på södra halvklotet måste man vända på resonemanget (daglängd, solinstrålning).

Vi bortser en stund - utan större konsekvens för vårt syfte - från att jord-månbarycentrum inte exakt ligger i jordens centrum, och antar att det gör det. Från tidigare konstateranden behåller vi att ekliptikans plan (relativt jordens centrum) och ekvatorialplanet på grund av obliquiteten skär varandra längs dagjämningslinjen.

Vi kan lätt identifiera fyra punkter på jordens elliptiska bana:

Och när vi ändå är igång: septemberdagjämningen (eller höstdagjämningen) inträffar när dagjämningslinjen passerar genom solens centrum i riktningen sol-jordcentrum-vårpunkt.

Låt oss skissa det vi just sett:

Mars, juni, september, december - känns det igen? Ja. Det är exakt de månader vi såg i postalmanackan. Två datum motsvarar alltså de två dagjämningarna och två de två solstånden.

Nu återstår att fråga vad som sker på dessa fyra datum och mellan dem, för att förstå vad astronomiska årstider är och vad vår kalender egentligen markerar.

Steg fyra: kännetecken för astronomiska årstider

Kännetecken 1

Titta noga på de fyra jordbilderna ovan. Jag vet, de är små, men eftersom 3D-geometri inte har några hemligheter för oss klarar vi det. Den som vill se tydligare kan kika på astronomisidan.

Allt detta förklaras i detalj på astronomisidan. Vi kan därför säga att det första kännetecknet för astronomiska årstider är daglängden - ett kännetecken som faktiskt har begränsad betydelse för vårt huvudämne: årstider.

Kännetecken 2

Detta kännetecken är solens maximala höjd över horisonten, med den direkta följden att instrålningen varierar under året. Alla märker att ju högre solen står, desto starkare känns den och desto varmare blir det.

Irradians är intensiteten i den solenergi som når en punkt på jorden eller i atmosfären. Den mäts i W/m2.

Och ju lägre solen står över horisonten, desto större yta belyses av samma ljusstråle (samma irradians). Ju större yta ... desto mindre uppvärmning per ytenhet.

Vi får inte tappa bort en sak: daglängden ansvarar inte för säsongernas energitillskott. Det som direkt spelar roll är infallsvinkeln för solstrålarna, alltså solhöjden, som beror på polaxelns obliquitet.

Som vi ser varierar fördelningen av det vi kan kalla ”solflöde” med de astronomiska årstiderna och liknar figuren nedan (övre atmosfären, utan albedo- och absorptionsfenomen).

Till sist delar vi in jorden (endast norra halvklotet; för södra halvklotet inverteras kurvorna) i latitudband som tar hänsyn till obliquiteten, och ritar för varje band kurvor över daglängd och solhöjd vid olika tider på året utifrån de astronomiska säsongmarkörerna. Återigen: daglängden har begränsad direkt påverkan på årstiderna.

A) indelningen

Ekvatorn ligger på latitud noll. Vid 23,27° latitud (motsvarande obliquiteten) finns Kräftans vändkrets på positiv latitud och Stenbockens vändkrets på negativ latitud.

Vid 90° latitud ligger polerna. Vid 90° - 23,27° = 66,32° positiv respektive negativ latitud ligger Arktiska respektive Antarktiska polcirkeln.

B) banden
Nr Plats Solhöjd Daglängd
1 Vid nordpolen
2 Mellan polen och polcirkeln
3 Vid arktiska polcirkeln
4 Mellan polcirkeln och Kräftans vändkrets
5 Vid Kräftans vändkrets
6 Mellan Kräftans vändkrets och ekvatorn.

Vi ser att solen inte står som högst vid sommarsolståndet.
7 Vid ekvatorn.

Vi ser att solen inte står som högst vid sommarsolståndet.

Vi kommenterar dessa kurvor när vi tar upp varför årstider bör markeras i kalendern (detta är ju trots allt en saj t om kalendrar) som vi alla använder varje dag.

Men först behöver vi ställa en grundfråga: årets längd.

Steg fem: fyra årstider blir ett år

Längden på en årstidscykel bestående av två dagjämningar och två solstånd kallas tropiskt år och motsvarar ett kalenderår hos oss.

Som en parentes - utan att överdriva dess betydelse för vardagen - är årstiderna inte lika långa inom ett och samma år, och inte heller från år till år.

Hur långt är då ett tropiskt år? Vi talar förstås om medellängd, inte exakt årlig längd.

Man kan frestas att säga att det är lika långt som det sideriska året, alltså 365,2566 dagar. Men vi får inte glömma dagjämningsprecessionen, som gör det tropiska året kortare än det sideriska: vid epok J2000 är längden 365,2422 dagar.

En annan fråga: hur definierar vi det tropiska året? Att säga ”längden på en cykel med fyra årstider” är för vagt.

Man har ofta sagt (och säger fortfarande, även på IMCCE-sidor) att det tropiska året är tidsintervallet mellan två på varandra följande passager av solen vid vårdagjämningen.

Men som vi såg är jordens hastighet inte uniform längs banan, på grund av Keplers andra lag. Därför varierar det tropiska årets längd beroende på vald referenspunkt. Till exempel:

Ursprung årets längd
Vårdagjämning 365,2424
Sommarsolstånd 365,2416
Höstdagjämning 365,2421
Vintersolstånd 365,2427
Medel 365,2422

Medelvärdet motsvarar faktiskt det tropiska årets medellängd. Men man kan inte använda en definition som utgår från vårdagjämningen och samtidigt ge den ett medelvärde.

Enligt IMCCE är det tropiska medelåret "den tid jorden behöver för att fullborda ett varv runt solen i ett roterande referenssystem kopplat till dagjämningslinjen, dvs. perioden kopplad till skillnaden mellan solens medellongitud och dagjämningsprecessionen". Ehh ... ja ... glasklart.

Från ”astronomiska” årstider till klimatårstider: avslut om de astronomiska årstiderna

I både postalmanackor och media (press, TV ...) presenteras datumen runt 21 mars, 21 juni, 21 september och 21 december som om de vore officiella och universella startdatum för årstiderna. Med vår postalmanacka under armen kan vi försöka förklara för en nuer i Afrika eller en inuit i Arktis att det finns fyra årstider som börjar just de datumen. Man kan tvivla på att de inte skulle skratta.

Förutom för den som är astronomiintresserad (och det är långt ifrån alla): varför fortsätta hävda att sommaren börjar 21 juni, hösten 21 september osv.? Det enda som inträffar på dessa datum är två solstånd och två dagjämningar.

Vi har sett att det enda kännetecknet för astronomiska ”årstider” är solhöjden. Det är lika reducerande som att försöka förstå en bil genom att bara studera motorn. Det som intresserar oss - inte nödvändigtvis astronominördar - är att vi år efter år, på samma plats, kan känna igen en viss homogenitet i vädermönster (temperatur, nederbörd, solsken) och då anse att vi är i vår, sommar osv.

Kort sagt: vårt vardagsliv är nedsänkt i klimatårstider, medan vi matas med astronomiska årstider.

Visst är det enklare att bara beakta en parameter i säsongsfenomenet (solhöjd) och bortse från allt annat som solaktiviteten orsakar: atmosfärisk cirkulation och termiska kontraster, planetärt albedo, atmosfärisk absorption och mycket annat.

Visst är det enklare att dra säsongsgränser på minuten - men vad hindrar oss från att fastställa stabila säsongsstarter för en given plats (eller ett land)?

Varför är våra kalendrar i praktiken bara efemerider som ger astronomisk information som solens och månens upp- och nedgång samt datum/tider för solstånd och dagjämningar?

Det är hög tid att ge klimatårstiderna den plats de förtjänar och sluta översköljas av rent teoretiska begrepp.

Eftersom vår kalender är tyst i frågan, låt oss säga några ord om klimatårstider, som ligger närmare oss och vårt vardagsliv.

Enligt Météo-France: "En årstid är en del av året under vilken samverkan mellan astronomiska och miljömässiga faktorer ger en tydligt igenkännbar regelbundenhet i meteorologiska variabler och fenomen för en given region, och skapar biologiska, ekonomiska och sociala processer som är beroende av denna regelbundenhet."

I allmänhet fördelas klimatårstiderna så här: vår (norra halvklotet) = mars, april, maj; sommar = juni, juli, augusti; höst = september, oktober, november; vinter = december, januari, februari.

Denna indelning, giltig i tempererade områden, är inte nödvändigtvis bäst på andra breddgrader eller i kontinenternas inre delar. Dessa variationer fick François Durand-Dastès, professor i geografi vid Paris VII, att skriva att "på varje plats finns en följd av årstider som utgör dess klimat. Dessa kombinationer kan klassificeras enligt två kriterier: den huvudsakliga typen av motsättning mellan årstiderna (främst termiska årstider eller främst nederbördsårstider) och styrkan i denna motsättning." © Encyclopaedia Universalis 2006.

Även om vi söker perioder under året där vädertendenserna är relativt homogena bör vi ändå kort nämna - utan att gå in i detalj - klimatklassificeringar som just bygger på nederbörd och temperatur.

Köppenklassificeringen

Wladimir Köppen, vers le crépuscule de sa vie
Wladimir Köppen, vers le crépuscule de sa vie © St. Petersburg State University Library Marina Karpova

Mellan 1900 och 1936 utvecklade och förbättrade Wladimir Peter Köppen (tysk meteorolog, klimatolog och botaniker, född i Sankt Petersburg den 25 september 1846, död i Graz i Österrike den 22 juni 1940) sitt klassificeringssystem. Efter hans död fortsatte Rudolf Geiger (1894-1981) arbetet; de hade samarbetat i ett klimatologiskt handbokverk i fem volymer (Handbuch der Klimatologie).

För mer om Wladimir Köppen, klicka här; för nästan allt om klassificeringssystemet och kartorna, klicka här.

Systemet använder fem bokstäver (en sjätte tillkom senare) för att dela världen i fem (sex) huvudklimatregioner utifrån årlig medelnederbörd, månatlig medelnederbörd och årlig medeltemperatur. Den första bokstaven anger klimattype n.

Var och en av dessa fem (sex) typer delas sedan upp i underkategorier baserade på temperatur respektive nederbörd.

En region i världen kan alltså klassificeras med två eller tre bokstäver. Här är en kort översikt över möjliga kombinationer.

Några förtydliganden för tabellen:

Kombinationerna:

och en översiktskarta över världens klimatklassificering:

Från klimatklassificering till ”ekologiska årstider”

Även om vi bara tar hänsyn till nederbörd och temperatur ger Köppenklassificeringen många möjliga kombinationer. Lägger man till andra faktorer som molnighet eller vind blir det ännu mer komplext.

Det räcker ändå att en av dessa kombinationer återkommer regelbundet under tillräckligt lång tid för att den ska kunna bli en ”årstid” för lokalbefolkningen.

Vad gör att en årstid faktiskt uppfattas som en årstid? Låt oss tillfälligt lämna våra moderna vanor, som ofta fäster större vikt vid sociala händelser än vid naturens sekventiella händelser, och se hur det fungerar (eller fungerade) under perioder då dagens kalender ännu inte fanns men människor ändå behövde orientera sig under året.

Vi tar bara några exempel, även om det vore intressant att inventera världens årstider (namn och antal) och lägga dem ovanpå klimatklassificeringen.

I väntan på en sådan inventering nöjer vi oss med att försöka förstå varför antalet årstidscykler varierar så mycket mellan olika platser.

Årstider i världen

De flesta exemplen nedan kommer från Martin P. Nilssons Primitive Time-Reckoning, som trots att den publicerades 1920 fortfarande är en guldgruva.

Vi är i dag vana vid långa, regelbundna årstider (tre månader) som en rent astronomisk syn till slut har påtvingat oss. Men det har funnits och finns fortfarande många ”korta årstider”. De är mycket viktiga eftersom de, i avsaknad av kalendrar av den typ vi tidigare diskuterat, gjorde det möjligt att orientera sig i tiden både för vardagliga aktiviteter (jordbruk, jakt, fiske ...) och sociala relationer (födslar, högtider ...).

Hidatsa-indianerna (övre Missouri) använder samma namn för dessa korta perioder som för längre säsongsperioder: kadu.

Den som har läst sidan om Hesiodos kalender bör inte bli förvånad över dessa kortare naturperioder. Minns till exempel såtiden som markerades av tranan s rop. Minns också att vissa jordbruksuppgifter knyts till astronomiska händelser, som vindruvsskörden när Sirius och Orion står högst på himlen.

Denna tidsbestämning utifrån naturfenomen lever fortfarande i dagens landsbygdskultur. I Skåne, till exempel, sås korn när hagtorn blommar. Inuiter säger att någon föddes när säljakten pågick eller när ägg från en viss fågel kläcktes.

Naturligtvis blir inte varje naturhändelse en årstid. Men en händelse kan bidra starkt om den återkommer regelbundet, varar tillräckligt länge, hänger ihop med tydliga klimatförhållanden och är tillräckligt central - av någon anledning - för att få de berörda människornas uppmärksamhet. Den kan då bidra till att dela upp ”långa årstider” i kortare perioder.

Som Nilsson skriver: "de naturfenomen utifrån vilka årstider definieras och namnges varierar med latitud, landskapstyp och levnadssätt" (till exempel folk som lever av jordbruk, jakt eller boskapsskötsel).

Om vi måste räkna grundläggande årstider skulle två troligen dominera: varm kontra kall årstid; torr (eller torr monsun) kontra fuktig (eller regnmonsun) årstid; ibland till och med stormig/vindig kontra lugn årstid, som på Marshallöarna.

Dessa grundperioder varierar naturligt och skapar övergångsperioder. Dessutom kan likartade perioder (till exempel regnperioder) återkomma flera gånger och behöva särskiljas.

Kombinerar man allt detta får man många möjliga ekologiska årstider, från två till ... åtminstone nio. Låt oss se några.

Två årstider

Tre årstider

Fyra årstider

Även när antalet är detsamma som de astronomiska årstiderna skiljer de sig i startdatum och längd.

Fem årstider

Sex årstider

Åtta årstider

Inuiter (arktiska regioner i Sibirien och Nordamerika - se sidan om deras kalender för mer): Ukiuq (vinter); Upirngaksajaaq (mot första våren); Upirngaksaaq (första våren); Upirngaaq (vår); Aujaq (sommar); Ukiatsajaaq (mot hösten); Ukiaksaaq (höst).

Nio årstider

Shilluk-stammen (Sudan): yey jeria (skörd av röd dura); anwoch (slut på skörd); agwero (skörd av vit dura); wudo (fortsatt skörd); leu (varm period); dodin (inget fältarbete); dokot (regnens början); shwer (plantering av röd dura); doria (skördens början). Eh ... vad är egentligen dura?

Slutsats

Så, sa du ”fyra årstider”? Cyrano hade svarat: ”Ah, nej! Det var lite väl kort, unge man!”