مقدمه:
آیا در منطقه‌ای زندگی می‌کنید که در آن چهار فصل را تجربه می‌کنید؟ اگر چنین است با شکوفه‌های بهاری و آسمان زیبای فصل بهار، روزهای آفتابی طولانی تابستان، برگ‌های قرمز و زرد فصل پاییز و برف زمستان آشنا هستید. اما آیا می‌دانید چرا این فصل‌ها به صورت یک چرخه بارها و بارها پشت هم تکرار می‌شوند و مانند طلوع و غروب خورشید قابل پیش‌بینی هستند؟ دلیل آن در واقع انحراف کره‌ی زمین از محور خود است. در این فعالیت علمی شما با نحوه‌ی تأثیر این انحراف بر چگونگی برخورد پرتوهای خورشید به کره‌ی زمین و ایجاد فصل‌ها آشنا خواهید شد.

پیش‌زمینه:

در نیم‌کره‌ی شمالی زمین، تابستان‌ها بسیار گرم و روزهای آفتابی آن بسیار طولانی هستند؛ درحالی‌که زمستان‌ها به دلیل ساعات روز کوتاه و نور آفتاب ضعیف بسیار سرد است. دلیل این اتفاق چیست؟ بخش بزرگی از آن به خاطر انحراف کره‌ی زمین از محور خود است. برای تجسم این محور فرض کنید یک میله از قسمت شمال وارد کره‌ی زمین و از جنوب آن خارج شده است. زمین هر ۲۴ ساعت یک بار به دور این محور می‌چرخد. در همین حین زمین حرکتی چرخشی به دور خورشید در یک مدار بسیار بزرگ نیز انجام می‌دهد که هر بار چرخش ۳۶۵ روز به طول می‌انجامد.

با این حال محور زمین در حین حرکت زمین به دور خورشید صاف نیست. این محور با شیبی ۲۳.۵ درجه قرار گرفته است. جالب اینکه این شیب همواره ثابت است و کره‌ی زمین همیشه به همین شکل در فضا قرار می‌گیرد. این شیب سبب می‌شود هر نقطه‌ی خاص بر روی کره‌ی زمین در زمان‌های مختلف از سال به طوری متفاوت تحت تابش نور خورشید قرار بگیرد. هنگامی که در نیم-کره‌ی شمالی فصل تابستان است، قسمت بالای محور (قطب شمال) بیشتر در معرض تابش نور خورشید قرار دارد و پرتوهای خورشید به طور مستقیم‌تری به نیم‌کره‌ی شمالی می‌تابند (که در آن قاره‌های امریکای شمالی، اروپا و آسیا به علاوه‌ی قسمت‌های شمالی افریقا و امریکای جنوبی قرار دارند.). در همین حین در نیم‌کره‌ی جنوبی (قاره‌ی قطب جنوب؛ استرالیا، قسمت بزرگی از امریکای جنوبی و جنوب افریقا) زمستان است و قطب جنوب (قسمت جنوبی محور زمین) دور از تابش خورشید قرار گرفته است و پرتوهای خورشید با شیب به این نیم‌کره می‌تابند.

مواد و وسایل مورد نیاز:

یک جعبه‌ی کوچک مقوایی، آجر، استپ یا یک تکه چوب بزرگ
چراغ قوه
نوار چسب
یک کتاب بزرگ و محکم یا یک تخته
یک برگ کاغذ
مداد یا خودکار
یک همراه برای کمک (اختیاری)

آماده‌سازی:
اگر از جعبه‌ی مقوایی استفاده می‌کنید، آن را خوب با چسب بپوشانید تا کاملاً بسته شود و منفذی نداشته باشد.
جعبه‌ی مقوایی، استپ، آجر یا تکه‌ی چوب را روی یک میز یا زمین بگذارید.
چراغ قوه را روی جعبه‌ی مقوایی (یا هر جسم دیگر که انتخاب کردید) بخوابانید. سر چراغ قوه (قسمتی که نور از آن ساتع می-شود) را دقیقاً روی لبه‌ی جعبه قرار دهید. با چسب چراغ قوه را در همین وضعیت به جعبه بچسبانید تا تکان نخورد. چراغ قوه نقش خورشید را در آزمایش شما دارد.
یک ورق کاغذ را روی کتاب یا تخته چوب بچسبانید به طوری که محکم روی آن قرار بگیرد و بتوانید روی آن بنویسید. این برگه نقش قسمتی از سطح زمین را دارد.

روش کار:
کتاب (که روی آن کاغذ چسبانده‌اید) را به صورت عمودی روبه‌روی چراغ قوه قرار دهید و فاصله‌ی کتاب تا چراغ قوه را طوری تنظیم کنید که نور روی صفحه‌ی کاغذ تشکیل یک دایره‌ی متوسط با قطری در حدود دو یا سه اینچ بدهد. دقت داشته باشید که باید حداقل دو یا سه اینچ از کاغذ بالای دایره‌ی نوری که روی صفحه‌ی کاغذ تابیده است وجود داشته باشد. برای این منظور ممکن است لازم شود جای برگه روی کتاب را تغییر دهید یا ارتفاع چراغ قوه را با تغییر ابعاد جعبه عوض کنید.
در حالی که کتاب را به صورت عمودی روبه‌روی چراغ قوه نگه داشته‌اید (یا از همراهتان خواسته‌اید این کار را برایتان انجام دهد) به نوری که روی صفحه‌ی کاغذ تابیده است نگاه کنید. میزان درخشندگی آن چقدر است؟ با استفاده از یک مداد یا خودکار این دایره‌ی نور را روی کاغذ رسم کنید.
بدون تغییر دادن فاصله‌ی میان کتاب و چراغ قوه، کتاب را با زاویه‌ی ۴۵ درجه به سمت عقب (دور از چراغ قوه) کج کنید. به عبارت دیگر در این حالت کتاب باید زاویه‌ای ۴۵ درجه با سطح میز یا زمین داشته باشد. نور تابیده شده بر روی کاغذ چه تغییری می‌کند؟ میزان درخشندگی آن چقدر است؟ این بار نیز طرح نور تابیده شده را بر روی کاغذ رسم کنید. اگر در این حالت قسمت بالای طرح از کاغذ خارج شده است، کتاب را کمی به سمت جلو برگردانید تا طرح نور به طور کامل داخل کاغذ قرار بگیرد.
اگر دوست دارید شیب کتاب بین حالت عمودی و حالت ۴۵ درجه را چند بار تغییر دهید. دقت کنید که در این حین فاصله‌ی کتاب با چراغ قوه تغییر نکند. با تغییر زاویه نور روی صفحه چه تغییری می‌کند؟
چراغ قوه را خاموش کنید و به برگه‌‌ی خود نگاه کنید. با تغییر زاویه از حالت عمود به ۴۵ درجه طرح نور روی کاغذ چه تغییری کرده است؟ این اتفاق چگونه با تغییر در شدت نور مرتبط است؟ به نظر شما کدام زاویه شبیه‌ترین حالت تابش نور به نیم‌کره‌ی شمالی در فصل تابستان است؟ در مورد زمستان چطور؟

آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را در زوایای بیشتر مثلاً بیست، سی، چهل و ... انجام دهید. برای این منظور نیاز به یک نقاله در قسمت پایینی کتاب (قسمتی که روی سطح میز یا زمین قرار گرفته است) دارید. با افزایش زاویه‌ی کتاب نحوه‌ی تابش نور بر روی کاغذ چه تغییری می‌کند؟
بار دیگر این آزمایش را انجام دهید اما به جای کاغذ معمولی از کاغذ شطرنجی استفاده کنید. (می‌توانید کاغذ شطرنجی را خریداری کنید و یا خودتان با خط‌کش و مداد یا خودکار آن را درست کنید.) در این حالت پس از رسم طرح نورها بر روی کاغذ شطرنجی می‌توانید مساحت نور تابیده شده را در حالت‌های عمود و با زاویه‌ی ۴۵ درجه محاسبه کنید. ابعاد طرح نورها در این دو حالت چه مقدار با هم متفاوتند؟
شما می‌توانید این فعالیت را با استفاده از یک نورسنج به صورت کمّی انجام دهید. در زوایای مختلف شدت نور تابیده شده چه میزان است؟

 
مشاهده و نتیجه‌گیری:

آیا نور روی صفحه در حالتی که کتاب به صورت عمودی در مقابل چراغ قوه قرار داشت در مقایسه با حالتی که با زاویه‌ی ۴۵ درجه به عقب خم شده بود درخشان‌تر بود؟ آیا با افزایش شیب، طرح نور روی صفحه بزرگتر و کشیده‌تر شد؟
در این فعالیت علمی شما باید مشاهده کرده باشید که در حالتی که چراغ قوه به طور مستقیم بر کاغذ روبه‌روی خود می‌تابد، طرح نور یک دایره‌ی واضح و بسیار درخشان است. با عقب بردن کتاب و دادن زاویه‌ی ۴۵ درجه به آن، طرح نور باید به صورت یک بیضی که بسیار بزرگتر اما با نور کم‌تر نسبت به دایره‌ی اول است دربیاید. (ابعاد آن باید تقریباً دو برابر طرح نور اول باشد.) با افزایش شیب کتاب و دور شدن آن از چراغ قوه، پرتوهای نور با شیبی بیشتر به سطح کاغذ برخورد می‌کنند. این پرتوها ضعیف-ترند چرا که مساحت بزرگتری را پوشش می‌دهند و گرمایی که ایجاد می‌کنند کمتر از گرمای پرتوهای مستقیم است. همین اتفاق در مورد خورشید و زمین نیز رخ می‌دهد. زمانی که قطب شمال زمین به سمت خورشید کج می‌شود، پرتوهای مستقیم خورشید باعث گرمای بیشتر می‌شوند و در نتیجه تابستان در نیم‌کره‌ی شمالی شکل می‌گیرد؛ درست خلاف حالتی که قطب شمال به سمت دور از خورشید کج می‌شود. در این حالت نیمکره‌ی شمالی پرتوهای مستقیم کمتری دریافت می‌کند و در نتیجه زمستان به وجود خواهد آمد. منطقه‌ی میانی کره‌ی زمین یعنی استوا هرگز بیش از حد نسبت به خورشید دور یا نزدیک نمی‌شود و به همین دلیل مناطق نزدیک به استوا مانند فلوریدا معتدل‌تر هستند.

منبع:
The Reasons for the Seasons

منابع مفيد:

بخش رنگ تفريح المپياد فيزيک
  What Causes the season?