Dünya'nın Eksen Eğikliği ve Mevsimler: Mevsimler Nasıl Oluşur? Dünya Güneş'e En Uzak Konumdayken Neden Yaz Yaşıyoruz?

Eğer Dünya'nın düz olduğunu, dağlar ve vadiler dolayısıyla fazlasıyla pürüzlü olduğunu veya kendi etrafında döndüğünü hissetmediğiniz için hareketsiz olduğunu zannediyorsanız, tamamen yanılıyorsunuz, bunu daha önceki yazılarımızda anlatmıştık. Benzer şekilde, Güneş'in Dünya etrafında döndüğünü zannetmek veya Güneş'in hareketsiz bir gök cismi olduğunu zannetmek, yani kendi etrafında dönmediğini veya bir diğer gök cismi etrafında yörüngede olmadığını sanmak da sık yapılan hatalar arasında yer alıyor. Ancak halk arasında astronomiye yönelik en yaygın hata, kuşkusuz, mevsimlerin oluşma nedenidir.

Birçok insan; Dünya'daki ilkbahar, yaz, sonbahar ve kış gibi mevsimleri oluşturan ana unsurun, Dünya'nın eliptik yörüngesinden kaynaklandığını düşünür. Daha önceden izah ettiğimiz gibi, Dünya gerçekten de Güneş etrafındaki yörüngesi boyunca kimi zaman Güneş'e 147 milyon kilometre kadar yakındır, kimi zamansa Güneş'ten 152 milyon kilometre kadar uzaktır. Yani gezegenimizin yörüngesi dairesel değil, eliptiktir. Ancak bu durumun Dünya'da mevsimlerin oluşumuyla hiçbir alakası yoktur; hatta ilginç bir şekilde, Dünya'nın Güneş'e en yakın olduğu dönemde (yani 147 milyon kilometrelik mesafede) kuzey yarımkürede yaz değil, kış yaşanır! Benzer şekilde, Dünya'nın Güneş'e en uzak olduğu dönemde (yani 152 milyon kilometrelik mesafede) kuzey yarımkürede kış değil, yaz yaşanır! Neler oluyor?

Socratic Q&A

Mevsimlerin oluşmasını belirleyen ana faktör Dünya'nın Güneş'e olan mesafesi değil, eksen eğikliği dediğimiz kavramdır. Yukarıdaki görseli dikkatlice inceleyecek olursanız, Dünya'nın güney kutbundan kuzey kutbuna doğru uzanan bir çizgi (bir "eksen") çekecek olursanız, bu eksen Güneş'e olan çizgiye dik açı yapmamaktadır. Daha ziyade Dünya'nın ekseni, 23.5 derece civarında bir eğikliğe sahiptir. Bu eğik taraf, presesyon adı verilen ufak yalpalama hareketleri haricinde neredeyse hiç yön değiştirmez. Görselde, eksen eğikliğinin yörüngenin her noktasında aynı tarafa doğru dönük olduğuna dikkat ediniz.

Dolayısıyla Dünya Güneş'ten en uzaktayken, yani 152 milyon kilometre mesafedeyken, kuzey yarımküre Güneş'e doğru 23.5 derece eğiktir; tabii güney yarımküre de Güneş'ten 23.5 derecelik açıyla uzaktadır, ters taraftadır. Bu sırada (ki bu tarih yaklaşık olarak 3 Temmuz'a denk gelmektedir), kuzey yarımkürede yaz yaşanırken, güney yarımkürede kış yaşanır. Benzer şekilde Dünya Güneş'e en yakın noktadayken, yani 147 milyon kilometre mesafedeyken, kuzey yarımküre Güneş'ten uzak tarafa doğru 23.5 derece eğiktir; tabii güney yarımküre de Güneş'e doğru 23.5 derecelik eğimle yaklaşmış haldedir. Bu sırada (ki bu tarih yaklaşık olarak 3 Ocak'a denk gelmektedir), kuzey yarımkürede kış yaşanırken, güney yarımkürede yaz yaşanır.

Bu, ilk etapta şaşırtıcı gelebilir. "Nasıl olur da Güneş'e mesafe yıl içerisinde 5 milyon kilometre kadar devasa miktarlarda yaklaşırken, mevsimler bu yakınlaşıp uzaklaşmadan etkilenmez?" diye düşünebilirsiniz. Ancak unutmayın: Uzaydaki cisimlerin sıcaklığını etkileyen tek faktör, yıldızlarına olan uzaklıkları değildir. Elbette Güneş'e milyonlarca kilometre yaklaşacak olursanız veya Dünya'yı Güneş'ten sadece birkaç milyon kilometre uzağa değil, yüz milyonlarca kilometre uzağa götürecek olursanız, gezegenimizde sıcaklıklar bundan etkilenecektir. Fakat 5 milyon kilometre kadar devasa mesafelerde bile gezegenimizin mevsimi, bu yakınlaşıp uzaklaşmadan pek az etkilenmektedir. Çünkü on milyonlarca kilometrelik bir yörüngeden söz ederken, 5 milyon kilometrelik yakınlaşmalar sadece %3 gibi ufacık değişimlere karşılık gelmektedir ve bu, mevsimlerde anlamlı bir değişime sebep olamamaktadır.

Şöyle düşünün: Şu anda astronot kıyafetiniz olmadan uzaya çıkacak olsanız, Güneş'e dönük tarafınız kavrulurken, Güneş'ten uzak tarafınız donardı. İki tarafınız arasındaki fark birkaç santim olmasına rağmen! Çünkü vücudunuzun hangi kısmının nasıl davranacağını belirleyen şey, Güneş'e olan mesafesinden ziyade, Güneş ışınlarını ne diklikte aldığıdır.

Bunun sebebi ise ısı transferiyle ilgili önemli bir konudur. Isı, 3 farklı şekilde yayılabilir: Dokunma, yani kondüksiyon yoluyla, akışkanlar, yani konveksiyon yoluyla ve ışınım, yani radyasyon yoluyla. Güneş'ten yayılan ısı, aslen radyasyon yöntemi ile yayılmaktadır, kondüksiyon veya konveksiyon yoluyla değil. Çünkü Dünya ile Güneş birbirine temas etmez (dolayısıyla kondüksiyon yoluyla transfer yaşanamaz) ve Dünya ile Güneş arasında herhangi bir akışkan bulunmaz (dolayısıyla konveksiyon da yaşanamaz).

Dünya'nın yörüngesindeki mesafe değişimleri, Güneş'ten aldığı radyasyonu dikkate değer miktarda değiştirmemektedir. Ancak hangi yüzünün Güneş'e dönük olduğu, bu radyasyonun gezegene düştüğü açıyı doğrudan etkilemektedir. Açı dikleştikçe, daha yoğun bir enerji transferi mümkün olmaktadır; açı azaldıkça, bu ısı transferi başarısı düşmektedir. Bu da mevsimleri belirleyen ana unsurdur.

Konuya daha teknik yaklaşmak isterseniz, kara cisim ışıması yoluyla bunu anlamanız mümkün olacaktır. Bir cisimden yayılan radyasyonun (örneğin Güneş'ten yayılan radyasyonun) bir diğer cisme uyguladığı net radyasyon ısı transferi (${\dot{Q}}_{1\to 2}$) şu şekilde hesaplanır:

${\dot{Q}}_{1\to 2}=\sigma A_1{F}_{1\to 2}(T_1^4-T_2^4)$

Burada $\sigma$ Stefan-Boltzmann sabiti, yani $5.670\times 10^{-8}W{m}^{-2}K$ olarak gösterilen sabit bir sayıdır, $A$ cisimlerin kesit alanıdır, $T$ ise cisimlerin sıcaklıklarıdır. Bunların hiçbiri, Dünya'nın Güneş etrafındaki hareketi boyunca dikkate değer miktarda değişmez. Buradaki kritik faktör, $F_{1\to 2}$ olarak gösterilen ve görüş faktörü olarak bilinen faktördür. Dünya-Güneş sisteminde durmaksızın değişen şey, görüş faktörüdür.

Wikimedia

Görüş faktörünü belirleyen formülü aşağıdaki gibi vermek mümkündür:

$F_{1\to 2}=\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{A_1}{\int }_{A_1}{\int }_{A_2}\genfrac{}{}{0ex}{}{cos{\theta }_{1}cos{\theta }_2}{\pi S^2}d{A}_{2}d{A}_1$

Bu karmaşık formülde özellikle de ${\theta }_1$ ve ${\theta }_2$ açılarının değişimi, görüş faktörünü değiştirmekte, buna bağlı olarak da radyoaktif ısı transferinin miktarı değişmektedir. Bu faktörün nasıl değiştiğini, aşağıdaki grafikten de görebilirsiniz:

Wikimedia

Güneş ışınlarının Dünya'ya taşıdığı enerjiyi iki faktör etkilemektedir: atmosfer kalınlığı ve düşen yüzeyin açısı. Daha eğik açıyla gelen ışınlar (görselde "a" ile gösterilenler), sadece daha geniş bir atmosfer katmanını, yani daha uzun bir mesafeyi kat etmek ve bu sırada enerji kaybetmek zorunda olmakla kalmaz; aynı zamanda açıdan ötürü birebir aynı miktarda ışın, daha geniş bir alana ısı transferi yapmaktadır. Ancak daha dik açıyla gelen ışınlar, hem atmosferde daha kısa mesafe kat ederler hem de daha küçük bir alana ısı transferi yaparlar. Bunu, şu şekilde göstermek de mümkündür:

Wikimedia

Görebileceğiniz gibi, ışınların geliş açısı ile kapladıkları alan arasında şu şekilde bir ilişki kurmak mümkün:

$d_k=\genfrac{}{}{0ex}{}{d_g}{sin(\theta )}$

Burada $d_k$ kaplanan alanın karakteristik mesafesi, $d_g$ gelen ışınların karakteristik mesafesi, $\theta$ ise geliş açısıdır. $\theta =30^o$ durumunda kaplanan alan, gelen alanın iki katı olmaktadır. $\theta =90^o$ durumunda kaplanan alan ile gelen alan birebir aynı olmaktadır.

İşte tüm bu nedenlerle, ortalama 150 milyon kilometrelik bir yörüngedeki 2-3 milyon kilometrelik sapmalar Güneş'ten alınan ısı transferini dikkate değer miktarda etkilemezken, alınan bu miktarın yüzeyi ne düzeyde ısıttığı, eksen eğikliği ile doğrudan belirlenmektedir. Eksen eğikliği, bu ışınların düştüğü yüzeyin alanını ve atmosferde kat edeceği mesafeyi etkilemekte, buna bağlı olarak da ışınların ne verimlilik ile yüzeyi ısıttığı belirlenmektedir. Bu durum da, mevsimlerin oluşma sebebinin Güneş'e olan mesafeden ziyade, eksen eğikliği olmasına neden olmaktadır.