فصول السنة

الميلان المحوري

تنتج الفصول عن الحركة الدورانية للأرض حول محورها مع احترام المستوى المداري لها بزاوية حادة قياسها 23.5 درجة (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.

المدار حول الشمس

مقارنة بالميل المحوري، هناك عوامل أخرى تساهم قليلا في التغير الحراري الموسمي. الفصول ليست نتيجة تغير المسافة بين الأرض والشمس، وذلك بسبب مدارها البيضوي.
 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. على العموم، تأثير الانحراف المداري في الفصول على الأرض هو تغير 7٪ من نور الشمس المتلقى.
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. أي تأثير ملحوظ للشتاء والصيف نظرا لمدار الأرض البيضوي ينسب لكثرة الماء في النصف الجنوبي.

البحر ونصف الأرض

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.
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.

المدارين

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.

التأخر الحراري في خطوط العرض الوسطى

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.

الرزنامة ذات الفصول الأربعة

إن التعريف المبني على تقويم الرزنامة مطلق أكثر من اعتماده على مفاهيم متغيرة. ولذلك، فلو شوهد نشاط الأزهار في الربع الأبرد من السنة في منطقة معينة، فإنه سيعتبر شتاء باعتماد الدمج التقليدي بين تفتح الأزهار وفصلي الربيع والصيف.
بالإضافة إلى ذلك يعتبر تغير الفصول في نفس التواريخ في أي مكان يستعمل تقويما مشتركا بغض النظر عن تغير المناخ من منطقة إلى أخرى. معظم الرزنامات تستعمل نظام أربعة فصول لتمييز الفصلين الأدفئ والأبرد، بينهما فصلين انتقاليين.

التغير بسبب عدم توافق التقويم

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.

التغير عبر الزمن

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 22.1 و22.4 درجة. تحدث بعض التعديلات الصغيرة عبر الزمن بتدخل القمر وكواكب أخرى.

شمس منتصف الليل والليل القطبي

يوجد بكل نقطة شمال الدائرة القطبية الشمالية أو جنوب الدائرة القطبية الجنوبية فترة في الصيف لا تغيب الشمس فيها، وفترة في الشتاء لا تشرق فيها الشمس. في مناطق خطوط العرض العليا (خط عرض 70° شمالا فأعلى أو جنوبا فأسفل) يزيد طول فترات شمس منتصف الليل والليل القطبي بشكل كبير.
فعلى سبيل المثال، في المحطة المناخية والعسكرية لأليرت بنونافوت المتموقعة في 82°30′05″ش و 62°20′20″غ على الطرف الشمالي لجزيرة إليسمير بكندا (حوالي 450 ميل بحري أو 830 كيلومتر عن القطب الشمالي)، تظهر الشمس فوق خط الأفق لدقائق في اليوم مع نهاية شهر فبراير وتصعد كل يوم أعلى وأعلى حتى 21 مارس حيث تدوم أشعة الشمس 12 سنة. ومنذ 6 أبريل في الساعة 05:22 حسب التوقيت العالمي الموحد وإلى 6 سبتمبر على الساعة 03:35 توقيت عالمي منسق تبقى الشمس فوق خط الأفق ولا تغيب أبداً. ومع وصول 13 أكتوبر تبقى الشمس لساعة ونصف في اليوم، أما في اليوم التالي (14 أكتوبر) فلا تشرق الشمس أبدا حتى يوم 27 فبراير.
يأتي الضوء الأول في أواخر يناير بسبب الشفق الذي يتشكل في الأفق مع بداية تزايد ساعات النهار كل يوم، ولأكثر من شهر قبل أن يظهر قرص الشمس فوق الأفق. وفي الفترة من منتصف نوفمبر إلى منتصف يناير، لا يوجد شفق في السماء.
في الأسابيع المحيطة ب21 يونيو وذلك في المناطق القطبية الشمالية، تكون الشمس في أقصى ارتفاعاتها، وتظهر كأنها تدور في السماء دون الهبوط تحت خط الأفق. ومن ناحية أخرى فإنها تغوص تحت الأفق كل يوم حوالي منتصف أكتوبر، حيث تختفي حتى تعود في فبراير الموالي. ولأسابيع أخرى يتميز "النهار" بوجود فترات الشفق. ومن منتصف نوفمبر إلى منتصف يناير، لا يوجد شفق بل عشرات الأيام من الظلام الحالك المستمر. في منتصف يناير تبدأ بوادر الشفق في الظهور مجدداً (مجرد دقائق معدودات من اليوم)، ثم تطول مدته مع تقدم الأيام ويزداد ضياءه كل يوم حتى شروق الشمس نهاية فبراير، ثم في 6 أبريل تبقى الشمس فوق الأفق حتى منتصف أكتوبر مع بروز ظاهرة شمس منتصف الليل.

تعريف غير مبني على التقويم

إيكولوجياً، نتحدث عن فصل باعتباره فترة من السنة حيث تقع أحداث نباتية وحيوانية (مثال: تفتح الزهور في الربيع، سبات القنافذ في الشتاء). إذاً، لو كان يمكن مشاهدة تغيير يومي في الأحداث سواء كانت نباتية أو حيوانية، فإن الفصل يتغير إلى فصل آخر. وبهذا المعنى يتم تعريف الفصول الإيكولوجية بتعاريف مطلقة، عكس طرق اعتماد التقويم حيث الفصول نسبية. إذا كانت هناك أحوال مترافقة مع فصل إيكولوجي معين لا تحدث عادة في منطقة محددة، فإنه لا يقال أن تلك المنطقة تختبر ذلك الفصل بأساس عادي.

الفصول البيئية المدارية

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.