فصول السنة

تنتج الفصول عن الحركة الدورانية للأرض حول محورها بزاوية حادة بالنسبة إلى المستوى المداري وقياسها 23.5 درجة[4] (ويسمى هذا الميلان أيضاً الانحراف المداري).

بغض النظر عن الوقت من السنة، يشهد نصف الأرض الشمالي وكذلك نصفها الجنوبي دائما فصولا متعاكسة. وهذا لأنه غضون الصيف أو الشتاء تتعرض جهة واحدة للإشعاع الشمسي أكثر من الجهة الأخرى، وهذا يتبادل نظراً لدوران الأرض حول الشمس. ولنصف السنة تقريباً (من حوالي 20 مارس إلى حوالي 22 سبتمبر) يواجه النصف الشمالي الشمس، مع أقصى قدر يوم 21 يونيو. وللنصف الآخر من السنة الآخر يحدث نفس الشيء في النصف الجنوبي، مع أقصى قدر في 21 ديسمبر. ويسمى الميقاتين حيث الشمس عمودية مباشرة على خط الاستواء اعتدالين: ربيعي وخريفي. في نفس الوقت، يكون القطب الشمالي والجنوبي على خط الغلس، ويكون اليوم والليلة متساويين خلال هٰـذين اليومين. أثناء الاعتدال الربيعي، يشهد نصف الأرض الشمالي بداية فصل الربيع مع زيادة ساعات النهار، وفي نصف الكرة الجنوبي تشهد تلك المناطق بداية فصل الخريف مع تزايد في عدد ساعات الليل.

يظهر تأثير الميل المحوري جليا في تغير طول النهار وسمت الرأس للشمس خلال الظهر (استقرار الشمس في كبد السماء) خلال سنة.زاوية الشمس القليلة خلال الشتاء تعني أن أشعة الشمس تنتشر على مساحات واسعة من الأرض، لذا فإن الضوء المستقبٓل غير مباشر أكثر وأقل شدة. وبين هذا التأثير وانحسار ساعات النهار، يعد الميلان المحوري للأرض سببا في أكثر التغيرات الموسمية في المناخ بكلا نصفي الكرة الأرضية.

شجرة نفضية في الشتاء

• 
  شجرة نفضية في الشتاء
• 
  الفصول البيئية الستة
• 
  أشجار حمراء وخضراء في فصل الخريف

مقارنة بالميل المحوري، هناك عوامل أخرى تساهم قليلا في التغير الحراري الموسمي. الفصول ليست نتيجة تغير المسافة بين الأرض والشمس، وذلك بسبب مدارها الإهليجي. [5] في الحقيقة تصل الأرض الحضيض (أقرب نقطة إلى الشمس) في يناير، وتصل الأوج (أبعد نقطة عن الشمس) في يوليو، لذا فمشاركة الانحراف المداري يعكس الحرارة السائدة خلال الفصول في النصف الشمالي.[6] على العموم، تأثير الانحراف المداري في الفصول على الأرض هو تغير 7٪ من نور الشمس المتلقى.

شجرة خلال صيف الانحراف المداري

يمكن للانحراف المداري أن يؤثر في الحرارة تأثيرا صغيرا؛ تظهر الأبحاث أن الأرض تصبح أدفئ عندما «تبتعد» عن الشمس، وهذا لأن النصف الشمالي به أراض أكثر من النصف الجنوبي، وأن الأرض تكون أدفئ مقارنة بالبحر.[6] أي تأثير ملحوظ للشتاء والصيف نظرا لمدار الأرض البيضوي ينسب لكثرة الماء في النصف الجنوبي.[7]

تعتمد التغييرات الفصلية الموسمية على عوامل منها القرب من المحيطات أو المسطحات المائية الكبيرة الأخرى، التيارات المحيطية في هذه المحيطات، تذبذب الجنوب بظاهرة النينو ودورات المحيط الأخرى، والرياح السائدة.

شجرة نفضية خلال فصل الخريف

في المناطق المعتدلة والقطبية، يلاحظ تغير الفصول من خلال تغير كمية ضوء الشمس، الذي يؤثر أيضاً في دورة النوم عند النباتات والسبات عند الحيوانات. وتختلف هذه التأثيرات مع اختلاف أحجام مسطحات المياه. على سبيل المثال، يوجد القطب الجنوبي في وسط القارة القطبية الجنوبية حيث توجد مسافة معتبرة عن تأثيرات المحيط الجنوبي. يقع القطب الشمالي في المحيط المتجمد الشمالي، حيث تدعم المياه هناك ارتفاع درجات الحرارة. النتيجة تتمحور في الآتي: الشتاء في القطب الجنوبي يكون أبرد من الشتاء في القطب الشمالي. دورة الفصول في النطاقات المعتدلة والقطبية متضاد فيما بينهما، عندما يكون الصيف في النصف الشمالي، يكون الشتاء في النصف الجنوبي، وهكذا دواليك.

في المناطق المدارية وشبه المدارية هناك تذبذب سنوي ضعيف لأشعة الشمس. وهناك تغيرات موسمية في حزام مطير منخفض الضغط يسمى نطاق التقارب بين المدارين. وكنتيجة لذلك يكون معدل الهطول متغيرا أكثر من معدل درجة الحرارة نفسه. عندما يكون نطاق التقارب شمال خط الاستواء، فإن المناطق المدارية تشهد موسما رطبا بينما تشهد المناطق في نصف الأرض الجنوبي موسما جافا. وينقلب هذا النمط حينما يتجه نطاق التقارب نحو جنوب خط الاستواء.

في التعريف المناخي، الانقلاب الصيفي والانقلاب الشتوي (أو الإشعاع الشمسي الأقصى والأدنى على التوالي) لا يقع وسط الصيف أو الشتاء، بل إن المقاييس القصوى تتأجل حتى سبعة أسابيع قادمة بسبب التأخير الموسمي. ولذلك فإنه لا تعرف الفصول حسب التعريف المناخي.

تقع الاعتدالات والانقلابات وسط الفصول حسب التعريف الفلكي الذي تتحدد به الفصول بعدد ساعات النهار فقط. وبسبب التأخر الموسمي الناتج عن الامتصاص الحراري البحري، فإن المناطق ذات المناخ القاري التي تهيمن في نصف الكرة الشمالي تعتبر التواريخ الأربعة الشهيرة كبداية للفصول. طول هذه الفصول ليس موحداً بسبب مدار الأرض البيضوي وسرعاتها المتعددة المختلفة على طول هذا المدار.[8]

تمثيل للاختلافات الموسمية على الأرض خصوصاً الغطاء الثلجي

تعرف الفصول المناخية بدرجة الحرارة، فصل الصيف الذي يكون أسخن ربع في السنة، وفصل الشتاء الذي يكون أبرد ربع في العام. في 1780، عرفّت شركة بالاتينا للأرصاد الجوية (بالإسبانية: Societas Meteorologica Palatina)‏ (منظمة عالمية مبكرة للأرصاد الجوية، حُلّت سنة 1795) الفصول كتجميع لثلاث شهور كاملة معرفة حسب التقويم الغريغوري. ومن ذلك الحين استعمل خبراء الأرصاد الجوية في العالم هذا التعريف.[9] وعلى هذا المنوال، فإنه بالنسبة للنصف الشمالي يبدأ الربيع في 1 مارس، ثم يتبعه الصيف في 1 يونيو، بعد ذلك الخريف في 1 سبتمبر، ثم الشتاء في 1 ديسمبر.[10][11]

شجرة في فصل الصيف

في السويد وفنلندا، يستعمل علماء الأرصاد تعريفا غير مبني على التقويم، لكن مبني على درجة الحرارة. يبدأ فصل الربيع عندما ترتفع معدلات درجة الحرارة اليومية بشكل دائم عن 0° مئوية، ويبدأ الصيف عندما ترتفع الحرارة بشكل دائم عن 10° مئوية، وينتهي عندما تهبط بشكل دائم عن 10° مئوية، ويبدأ الشتاء عندما تهبط درجات الحرارة بشكل دائم عن 0° مئوية. ويقصد بـ«شكل دائم» هنا أن تتعدى أو تهبط درجات الحرارة عن الحد مدة سبعة أيام متتالية. وهذا ينتج عنه ملاحظتان أولاهما أن الفصول لا تبدأ في تواريخ محددة، لكن يجب تحديد هذه التواريخ عن طريق الملاحظة، أما ثانيهما أن الفصل يبدأ بتواريخ مختلفة في أنحاء مختلفة من البلد. في بريطانيا العظمى، تحدد بداية فصل الربيع عندما تتعدى درجات الحرارة القصوى خلال اليوم 10° مئوية، بعد عدة أيام متواصلة. وهذا يحدث غالبا في مارس، ولكن بسبب ظاهرة الاحترار العالمي فإن درجة الحرارة هذه ليست غير شائعة في الشتاء.

درجة حرارة السطح
رسم توضيحي محسوب (أبسيس: 21. لكل شهر) حسابات مبنية على معطيات نشرها Jones et al. [12]	الصورة تظهر "الشكل 7" كما نشره Jones et al.[12]

إن التوقيت الفلكي كونه أساس تحديد الفصول في المناطق المعتدلة يعود على الأقل إلى التقويم اليولياني المعتمد عند الرومان القدامى. ويستمر استخدامه في عديد التقويمات الغريغورية حول العالم، بينما تفضل بعض الدول كأستراليا، نيوزيلندا وروسيا استعمال التعريف المناخي. تحدد الأزمنة الدقيقة لهذه الفصول بالمواقيت الدقيقة لعبور الشمس على مدار السرطان ومدار الجدي بالنسبة للانقلابان، وعبورها على خط الاستواء بالنسبة للاعتدالين، أو يتم اعتماد تأريخ تقليدي قريب لهذه المواقيت.[14]

يبين الرسم التوضيحي التالي العلاقة بين خط الانقلاب وخط القبا للأرض بمدارها البيضوي (الذي مثل في الشكل بشكل مبالغ فيه لتوضيح الفرق) الذي يذهب عبر صور الأرض الستة الممثلة في الشكل كالأوج وحضيض لها.

ملاحظة:المسافات مبالغ فيها ومرتجلة (قيم القياسات على الخريطة حقيقية)

هذه الفصول «الفلكية» ليست بطول متساوٍ، بسبب الطبيعة الإهليلجية (البيضوية) لمدار الأرض، كما اكتشفه يوهانز كيبلر. يدوم اعتدال مارس 92.75 يوماً، ثم 93.65 يوما حتى ينتهي انقلاب يونيو، 89.85 يوما يدومها اعتدال سبتمبر و88.99 يوما يبقى فيها انقلاب ديسمبر.

موعد الانقلابات والاعتدالات ليس ثابتا باعتماد التقويم الغريغوري الحديث، لكن يقع بداية هذه الفصول بتأخر ستة أيام في السنة، أو يوما واحدا في أربع سنوات. وهذا ما يجعل السنة الرابعة سنة كبيسة. صمم التقويم الغريغوري لجعل فصل الربيع دائما يبدأ في 21 مارس، توقعا وحدوثا.

الاعتدال التقويمي (المستخدم في حساب موعد عيد الفصح) هو 21 مارس، نفس التاريخ الذي احتفل فيه به في زمن مجمع نيقية سنة 325. حاليا، التواريخ الشائعة للاعتدالات والانقلابات هي 20 مارس، 21 يونيو، 22 أو 23 سبتمبر و21 ديسمبر؛ وتتراجع هذه التواريخ بتقدم القرن. ويحدث هذا التراجع بمعدل يوم واحد كل 128 سنة (ويرجع ذلك إلى قاعدة اليوم الواحد المضاف في «السنة الكبيسة» بالتقويم الغريغوري)، وبما أن سنة 2000 كانت سنة كبيسة فإن التراجع بدأ منذ بدايات القرن العشرين حيث كان حلول الفصول متأخرا عما عليه اليوم. وهذا يعني أنه في بضع سنوات القرن الماضي كانت تواريخ حلول الفصول 21 مارس، 22 يونيو، 23 سبتمبر و22 ديسمبر أكثر شيوعا، كما توردها الكتب التعليمية والمدرسية القديمة (ويمكن للكبار في السن تذكر هذه التواريخ).

يذكر أن المواقيت حسب التوقيت العالمي الموحد (بمعنى أوضح توقيت غرينتش، بدون اعتماد التوقيت الصيفي البريطاني). من ناحية، فالسكان في أقصى الشرق (آسيا وأستراليا) حيث يتقدم التوقيت بساعات كثيرة، يلاحظون بداية الفصول الفلكية بتأخير، مثلما حدث في تونغا (UTC+13) حيث بدأ اعتدال سبتمبر في 24 سبتمبر 1999، تاريخ لن يتكرر حتى عام 2103. ومن ناحية أخرى، السكان في أقصى الغرب (أمريكا) حيث التوقيت متأخر عن توقيت غرينتش يشهدون بداية اعتدال مارس في اليوم التاسع عشر منه.

عبر عشرات آلاف من السنين، يتغير محور الأرض والانحراف المداري (انظر دورات ميلانكوفيتش). تتحرك الاعتدالات والانقلابات نحو الغرب نسبة للنجوم بينما يتحرك الأوج والحضيض ناحية الشرق. لذلك، بعد 10,000 سنة، سيقع الشتاء الشمالي في الأوج والصيف الشمالي في الحضيض. ستتغير عبر الزمن أيضاً شدة التغيرات الموسمية -معدل فرق الحرارة بين الصيف والشتاء حسب المنطقة- بسبب تغير ميلان المحور الأرضي بين 21.8 و23.44 درجة. تحدث بعض التعديلات الصغيرة عبر الزمن بتدخل القمر وكواكب أخرى.

في أسترالاسيا، تطبق التعريفات التقليدية للفصول في المنطقة المعتدلة على كل أرجاء نيوزيلندا، نيوساوث ويلز، فيكتوريا، تاسمانيا، الركن الجنوبي الشرقي من جنوب أستراليا والجنوب الغربي لغرب أستراليا وجنوب شرق كوينزلاند ومناطق جنوب بريسبان.

في المناطق المدارية في أستراليا شمال كوينزلاند، أستراليا الغربية والمقاطعة الشمالية، يلاحظ وجود فصلين: موسم رطب وموسم جاف [15]

يمكن ملاحظة ستة فصول لا تعتمد على تواريخ ذات أساس تقويمي مثل الفصول المناخية والفلكية.[17] في المناطق المحيطية المعتدلة يحدث بداية الفصل الشتوي حتى شهر بعد بدايته في مناطق المناخ القاري، بينما يبدأ الفصل ما قبل الربيعي والربيعي شهراً متقدما في المناطق الساحلية. على سبيل المثال، يبدأ نمو وتكاثر الزعفران مبكرا في فبراير بالمناطق الساحلية المعتدلة في كولومبيا البريطانية، الجزر البريطانية وغربي وجنوبي أوروبا. تتغير التواريخ الحالية لكل فصل حسب مناخ المنطقة ويمكنه التغير من عام إلى آخر. التواريخ المتوسطة في اللائحة هنا هي للمناطق المعتدلة في نصف الكرة الشمالي.

• ما قبل الربيع: ببدأ في فبراير أو أواخر يناير. تبدأ الأشجار النفضية في إظهار أوراقها، وتهاجر الطيور من مساكن الشتاء نحو مساكن الصيف.

• الربيع: يبدأ في شهر مارس. تتحول أغصان الأشجار وتظهر الأوراق عليها. تبني الطيور أعشاشها وتبدأ التكاثر والحضانة.

• الصيف الأول: يبدأ في يونيو. تكتمل أوراق الشجر ويفقس بيض الطيور التي يبدأ تربيتها.

• الصيف المتأخر: يبدأ في أواسط إلى أواخر أغسطس. تتغير ألوان أوراق الأشجار النفضية. تبلغ الطيور الشابة مرحلة البلوغ وتنضم للطيور البالغة أثناء التحضير لهجرة الخريف. يبدأ موسم الحصاد التقليدي.

• الخريف: يبدأ عموماً في وسط أو أواخر سبتمبر. يتغير لون أوراق الأشجار إلى اللون البني وتسقط على الأرض. تهاجر الطيور عائدة إلى مساكن الشتاء.

• الشتاء: يبدأ في نوفمبر أو ديسمبر. تكون الأشجار النفضية عارية وتبدأ الأوراق المتساقطة سابقا في التحلل. تستقر الطيور المهاجرة في مساكن الشتاء.

في المدارين، حيث تختلف مواعد الفصول أيضاً، يكون شائعاً جداً الحديث عن موسم رطب وموسم جاف. مثلاً في نيكاراجوا يسمى الموسم الجاف (من نوفمبر إلى أبريل) «صيفاً» والموسم المطير (من مايو إلى أكتوبر) «شتاء»، حتى لو كانت هذه الأرض في نصف الأرض الشمالي حيث من المفترض وقوع عكس التواريخ بالنسبة للفصول. في بعض المناطق المدارية يستعمل تقسيم السنة إلى ثلاثة فصول: حار، مطير، معتدل. ليس هناك تغيير ملحوظ في كمية ضوء الشمس عند القياس في فترات مختلفة من السنة.

يعتمد اختلاف النشاط النباتي والحيواني أكثر على فترات الرطوبة/الجفاف منه عن تغيرات درجات الحرارة الموسمية، مع إزهار العديد من النباتات في أوقات قبل، أثناء أو بعد الموسم المطير. أيضاً، تتميز منطقة المدارين ب«فصول مصغرة» داخل الفصول الكبيرة.