miniaturadeimagen|270x270px|Cuatro estaciones de Alfons Mucha, c. 1897. Una estación es cada uno de los períodos de tiempo en que se puede dividir un año, con una duración mayor que el mes, caracterizada por el comportamiento típico de alguna variable meteorológica (temperatura, precipitación, vientos, etcétera). Se presentan de manera cíclica e invertida entre un hemisferio y otro. En la zona templada las estaciones son cuatro y en las tropicales, dos.María Ángeles Ávila Macías. Zonas climáticas del mundo y sus paisajes. Instituto de Educación Secundaria Sierra de Montánchez. (Cáceres). 2008. Pág. 3 y 5
La sucesión de las estaciones es causada por características astronómicas del planeta. Existe una idea equivocada y muy extendida según la cual las estaciones se deberían a la forma elíptica de la órbita y que, en su movimiento de traslación, aleja y acerca el planeta al Sol. La verdadera causa de las estaciones se encuentra en la combinación del movimiento de traslación con la inclinación del eje de giro prácticamente constante en el lapso de un año. De esta manera, cualquier planeta (o incluso satélites) con inclinación axial distinta de cero tiene estaciones (Véase: Efecto del ángulo solar sobre el clima),
En la Tierra distintas culturas en distintas épocas y ubicaciones geográficas han realizado sus propias divisiones del año en estaciones, considerando distintas características astronómicas, meteorológicas y fenológicas, con diversas fechas límites entre ellas.
En las zonas templadas las estaciones se diferencian por el comportamiento de: la altura máxima diaria del Sol sobre el horizonte, la duración de los días y las noches, la insolación diaria y la temperatura atmosférica media diaria. En la zona intertropical estos cambios son poco apreciables por lo que, en muchas zonas tropicales, las estaciones se definen por las precipitaciones que determinan dos estaciones: la estación seca y la estación lluviosa, relacionadas con la posición de la zona de convergencia intertropical y el cinturón de lluvias tropicales que permanece en el hemisferio norte de abril a septiembre y pasa al hemisferio sur de octubre a marzo.
Etimología La palabra estación proviene del latín statio, compuesta de status, ‘inmóvil’, y -tio, ‘-ción’; astronómicamente la aparente detención de un astro, inicialmente, se aplicó a los solsticios, luego también a los equinoccios y finalmente a los cuatro periodos anuales ubicados entre estos.Etimología de "estación"
Cuatro estaciones Ya en 1973 el meteorólogo español José María Jansà Guardiola advertía sobre las cuatro estaciones:
En la cultura clásica se utilizan dos pares de eventos astronómicos para definir cuatro estaciones en el año. Estos eventos son los dos solsticios y los dos equinoccios. En la Tierra cada una de estas cuatro estaciones dura, en promedio, 91 días. Los solsticios tienen lugar en los meses de junio y diciembre y los equinoccios en marzo y septiembre. La fecha de cada uno es variable pero suele ubicarse entre el día 20 y el 22 de dichos meses.
El esquema siguiente muestra cómo las cuatro estaciones quedan definidas por los solsticios y equinoccios, la duración de cada una para el año 2019 y cómo se presentan de manera invertida entre un hemisferio y otro.
Fechas de solsticios y equinoccios
El momento en que ocurren los solsticios y equinoccios cambia cada año. El calendario gregoriano está diseñado de manera que estas fechas no varíen más de dos o tres días. Los días en que ocurren los solsticios y equinoccios en el son:
Equinoccio de marzo: el día 20 (el 90% de los años) Solsticio de junio: el día 21 (el 70% de los años) o el 20 Equinoccio de septiembre: día 22 (2/3 de los años) o el 23 Solsticio de diciembre: día 21 (3/4 de los años) o el 22
Características de las cuatro estaciones thumb|upright=1.2|Un roble en un herbazal en Alemania. Cada fotografía fue obtenida en una estación diferente. Si bien el clima y el bioma varían de una región a otra, se pueden establecer rasgos típicos de cada estación para las zonas templadas. +EstaciónDuración de díaTemperaturaFollaje de los árboles de hoja caducaPrimaveraMayor que la noche y en aumentoEn ascensoApareceVeranoMayor que la noche y en disminuciónAltasCompletoOtoñoMenor que la noche y en disminuciónEn descensoPierde su color verde y caeInviernoMenor que la noche y en aumentoBajasSin follaje
Elementos astronómicos relacionados Los cambios estacionales incluyen cambios en la posición relativa del Sol y el planeta que implican además, cambios en la cantidad de energía que este recibe. Por esto es que el modelo astronómico a utilizar resulta clave para explicarlas. Si bien un modelo geocéntrico con planeta esférico, tal como el que fue hegemónico en Europa durante la antigüedad y la Edad Media, puede explicar la sucesión de las estaciones no pudo explicar su distinta duración sin violar los postulados del modelo. A partir de la adopción del modelo heliocéntrico durante el quedó explicada la causa de las estaciones y su duración.
Los elementos astronómicos y geodésicos que están relacionadas con las estaciones son el movimiento de traslación, la inclinación axial fija y la forma del planeta medida por la latitud.
Movimiento de traslación miniaturadeimagen|327x327px|Fig. 2. Esquema de la órbita de la Tierra alrededor del Sol (3). Se muestra la tierra en su afelio (1) y en su perihelio (2). El esquema está fuera de escala y la excentricidad exagerada para mejor comprensión. El planeta gira alrededor del Sol en una órbita que tiene forma de elipse, con el Sol en unos de sus focos. Por lo tanto, la distancia entre el planeta y el Sol es variable a lo largo del año. Alrededor del 4 de julio, la Tierra pasa por un punto llamado afelio en el cual tiene la máxima distancia al Sol (152 millones de km aproximadamente). Seis meses después, alrededor del 4 de enero, la Tierra pasa por el punto opuesto llamado perihelio en el cual tiene la mínima distancia al Sol (147 millones de km aproximadamente). (Fig.2). La diferencia de la distancia representa el 3,4%. See table 8.10.2. Calculation based upon 1 AU = 149,597,870,700(3) m. Debido a que la insolación disminuye con el cuadrado de la distancia, esta diferencia en la distancia implica que, en el perihelio, la Tierra recoge un 7% más de energía que cuando circula por el afelio.
Si bien el movimiento de traslación y la órbita elíptica podrían explicar los cambios estacionales en el hemisferio sur, la diferencia de la energía recibida es muy pequeña como para explicar la diferencia de temperatura entre las estaciones opuestas de este hemisferio. Por ejemplo: en la ciudad de San Juan (Argentina) la temperatura media de verano es 27° y la de invierno es 8°.
Además, no explica las estaciones del hemisferio norte que son opuestas. Tampoco explica el resto de los cambios: la altura máxima diaria del Sol sobre el horizonte o la duración de los días y las noches.
Estas pequeñas diferencias en la distancia y la energía se deben a que, si bien la órbita es elíptica, es una elipse de muy baja excentricidad (0.0167) indistinguible a simple vista de un círculo. En los diagramas explicativos suele exagerarse esta excentricidad con fines didácticos.
Las diferencias de energía recibida entre el afelio y el perihelio son más pequeñas que el resto de factores que afecta el clima.
La órbita elíptica y el hecho de que el planeta la recorre con una velocidad variable son las razones por las que las estaciones no tienen la misma duración. El planeta va más deprisa cuanto más cerca está del sol (perihelio, en enero) y más lento cuanto más alejada está (afelio, en julio). Esto es una consecuencia de la segunda ley de Kepler que dice que el radio vector que une un planeta y el sol barre áreas iguales en tiempos iguales. Esta velocidad variable del movimiento de traslación es la causa de que el invierno y el verano no duren igual, con 4,7 días de diferencia.
Latitud miniaturadeimagen|260x260px|Fig. 3. Esquema en el que se superponen dos rayos iguales (1 km) provenientes de dos fuentes diferentes incidentes con distintos ángulos en la misma superficie plana horizontal. Uno incide de manera perpendicular a la superficie y el otro con un ángulo de 30°. Se observa que este último se distribuye en una mayor superficie (2 km). Una de las variables importantes que están involucradas en los cambios estacionales es el ángulo de incidencia de la radiación solar a la que está expuesta. La cantidad de energía solar que incide sobre un metro cuadrado en una unidad de tiempo es la insolación. La insolación depende del ángulo que forman los rayos solares y la superficie sobre la que inciden. Si los rayos inciden perpendiculares a la superficie (90°), transmiten su energía en una superficie menor y la insolación es máxima. Si inciden con un ángulo menor de 90°, la superficie en la que se distribuye la energía aumenta, por lo que la insolación es menor. (Fig.3).
Dada la enorme distancia entre el Sol y el planeta se puede suponer, con muy buena aproximación, que los rayos del Sol llegan esencialmente paralelos.
Como la Tierra no es un disco plano, sino (aproximadamente) una esfera, el ángulo de incidencia de los rayos cambia con la posición con respecto al ecuador del punto de la superficie que se está estudiando, esto es, la latitud.
miniaturadeimagen|260x260px|Fig. 4. Iluminación de la Tierra durante un equinoccio. Obsérvese que los rayos solares caen perpendiculares a la superficie en el ecuador. En un equinoccio los rayos del Sol son perpendiculares a la superficie del planeta solo en el ecuador (latitud 0º). Esta será la zona de insolación máxima en ese momento. En una zona de latitud 30° (Norte o Sur) los rayos caen con una inclinación de 60° con respecto a la superficie y habrá una insolación menor. En los polos (90° de latitud norte o sur) los rayos tienen un ángulo de incidencia 0°, es decir, el sol está justo en el horizonte, sus rayos son paralelos a la superficie y la insolación es nula. (Fig.4). Esto es consistente con la división del planeta en zonas geoastronómicas.
Si el planeta no tuviera su eje de rotación inclinado, no habría estaciones y la insolación máxima en cada latitud sería como se describe en el párrafo anterior todo el año.
Inclinación axial miniaturadeimagen|373x373px|Fig. 5. Esquema en vista lateral del Sol y la Tierra. Se señalan el plano de la eclíptica, el eje de rotación (N-S) y el plano del ecuador terrestre y el ángulo que forman. (Fuera de escala) La órbita de la Tierra alrededor del Sol define un plano llamado plano de la eclíptica. Además del movimiento de traslación, tiene un movimiento de rotación, según el cual gira en torno a su propio eje. Este eje es una línea imaginaria que pasa por el centro y contiene los polos norte y sur. Perpendicular al eje de rotación, se define el ecuador terrestre y su proyección, el ecuador celeste. El eje de rotación está inclinado con respecto al plano de la órbita por lo que el plano ecuatorial y el plano de la elíptica no son el mismo plano. Esto se denomina inclinación axial u oblicuidad de la eclíptica. El ángulo entre el plano ecuatorial y el plano de la eclíptica es de unos 23,5°. (Fig.5).
miniaturadeimagen|373x373px|Fig. 6. Esquema de la Tierra y el Sol en los dos solsticios. A la izquierda, el solsticio de diciembre. A la derecha el de junio. Obsérvese que la inclinación del eje de rotación terrestre se mantiene constante en el recorrido orbital anual.