Vuodenaika
Vuodenajat ovat ilmastossa tapahtuvan vuotuisen kierron vaiheita.
Vuodenaikojen vaihtelu on seurausta Maan pyörimisakselin kallistumasta eli akselikulmasta suhteessa Maan ratatason kohtisuoraan ja siitä johtuvista muutoksista Auringon säteilyn jakautumisessa. Monilla on sellainen käsitys, että vuodenaikojen vaihtelu johtuu Maan ja Auringon etäisyyden vaihtelusta. Senkin vaikutus voidaan havaita, mutta on paljon pienempi ja lähinnä Aurinkoa ollaan tammikuun alussa, jolloin pohjoisella pallonpuoliskolla on hyvin kylmää ja kauimpana heinäkuun alussa, jolloin pohjoisella pallonpuoliskolla on hyvin lämmintä. Nämä ajankohdat vaeltavat vähitellen eteenpäin.
Kallistuman vaikutukset ovat erilaisia eri puolilla maailmaa, ja siksi eri kulttuureissa on erilaisia tapoja jaotella vuosi osasiinsa. Esimerkiksi päiväntasaajan lähellä sijaitsevilla alueilla puhutaan vain sadekaudesta/monsuunikaudesta ja kuivasta kaudesta. Toisaalta Australian pohjoisosissa elävät alkuperäiskansat jakavat vuoden peräti kuuteen vuodenaikaan.
Suomalaisesta näkökulmasta on luontevaa jakaa vuosi neljään vuodenaikaan: talvi, kevät, kesä ja syksy.
Maa kiertää Auringon kerran vuodessa. Kiertäminen tapahtuu vastapäivään jos kuten yleensä, Maa esitetään asennossa jossa pohjoinen pallonpuolisko on kiertoradan yläpuolella. Kiertäessään Aurinkoa Maan pyörimisakseli pysyy suunnilleen vakiona: jos pyörimisakselin paikalle kuvitellaan nuoli, jonka kärki tulee ulos pohjoisella pallonpuoliskolla, niin nuoli osoittaa koko ajan suunnilleen kohti Pohjantähteä.
Maan vastaanottama Auringon säteily jakautuu vuoden mittaan eri lailla Maan kiertäessä radallaan Aurinkoa: kesäisin Maan pohjoinen pallonpuolisko vastaanottaa enemmän säteilyä kuin eteläinen, ja talvella eteläinen pallonpuolisko vastaanottaa enemmän säteilyä kuin pohjoinen. Keväällä ja syksyllä pallonpuoliskot vastaanottavat saman verran Auringon säteilyä.
Maa kiertää Aurinkoa hieman soikealla radalla. Tämä vaikuttaa vuodenaikoihin vain vähän, koska maapallon rata on vain hieman soikea. Itse asiassa Maa on nykyään lähimpänä Aurinkoa, kun pohjoisella pallonpuoliskolla on talvi.
Tammikuun alussa Maa on Aurinkoa lähinnä (radan periheli) ja heinäkuun alussa kauimpana (radan apheli). Keskimäärin koko Maan vastaanottaman Auringon säteilyn määrä on aphelissa noin 7 % pienempi kuin perihelissä.
Maa on kuitenkin lämpimämpi sen ollessa kauimpana aphelissa: koko Maan keskilämpötila on noin 2,3 °C astetta korkeampi kuin perihelissä. Tämä johtuu siitä, että Maan pohjoisella pallonpuoliskolla, joka on aphelissa kääntyneenä kohti Aurinkoa, on enemmän maata kuin merta. Mantereet lämpiävät helpommin kuin vesi, koska niillä on pienempi lämpökapasiteetti kuin vedellä. Tämä tarkoittaa sitä, että pohjoisella pallonpuoliskolla on lämpimämpi kesä kuin eteläisellä pallonpuoliskolla. Vastaavasti pohjoisessa on kylmempi talvi kuin etelässä, koska mantereet luovuttavat nopeammin lämpöä kuin meret. Tämän vuoksi pohjoispuoliskon lämpötilanvaihtelut ovat eteläpuoliskon lämpötilanvaihteluja suuremmat.
Pohjoisen pallonpuoliskon kesä on 2–3 päivää pidempi kuin eteläisen pallonpuoliskon kesä. Tämä johtuu Keplerin toisesta laista: planeetat liikkuvat radallaan hitaammin aphelissa.
Perihelin ja aphelin sijoittuminen vuodenaikoihin siirtyy hitaasti sekä akselin prekession että perihelin kiertymisen vuoksi. Näin syntyvät noin 20 000 vuoden mittaiset Milankovićin jaksot.
Maan akselikallistuman (noin 23,5 astetta) takia vuodenajat ovat erilaisia eri leveysasteilla. Maa voidaan jakaa navan ja napapiirin väliseen kylmään vyöhykkeeseen, napapiirin ja kääntöpiirin väliseen lämpimään vyöhykkeeseen sekä kääntöpiirin ja päiväntasaajan väliseen kuumaan vyöhykkeeseen.
Pohjoisen napapiirin noin 66,5 astetta pohjoispuolella kesällä Aurinko voi paistaa läpi yön. Ilmiötä kutsutaan keskiyön auringoksi tai polaaripäiväksi. Kesäpäivänseisauksen aikana alue, jolla Auringon keskipiste ei laske horisontin alapuolelle, on suurimmillaan: Aurinko paistaa läpi yön kaikkialla napapiirin pohjoispuolella. Talvella napapiirin pohjoispuolella voi olla kaamos (polaariyö), jolloin aurinko ei nouse päivälläkään. Talvipäivänseisauksen aikana kaamosalue on suurimmillaan. Kaamoksen takia napaseutujen talvet ovat erittäin kylmiä. Tällöinkin ilmakehä saattaa sirottaa hämärää valoa joulukuisena yönä. Kun pohjoisessa on polaaripäivä tai polaariyö, on eteläisen napapiirin ja etelänavan välisellä alueella samaan aikaan vastaavasti polaariyö tai polaaripäivä.
Kravun ja Kauriin kääntöpiirien 23,5° P - 23,5° E välissä, varsinkin päiväntasaajalla, on aina lämmintä: päiväntasaajan lähettyvillä vuodenajat erottuvat toisistaan sateisuutensa perusteella. Päiväntasaajalla vuodessa on kaksi sadekautta ja kaksi kuivaa kautta; kääntöpiireillä on yksi sadekausi ja yksi kuiva kausi.
Vuodenajoille ja niiden rajakohdille on eri yhteyksissä ainakin kolme eri määritelmää. Arkikielessä luetaan usein jokaiseen vuodenaikaan kolme kalenterikuukautta. Tähtitieteellisen määritelmän mukaan vuodenajat vaihtuvat päiväntasauksina ja päivänseisauksina. Meteorologiassa käytetään termisiä vuodenaikoja, joiden rajat on määritelty sen mukaan, milloin vuorokauden keskimääräinen lämpötila ylittää tai alittaa tietyt rajat.
Tavallisessa puheessa eri maissa voi olla erilaisia käsityksiä siitä mistä vuodenaika alkaa ja käsitykset voivat vaihdella historiallisesti. Esimerkiksi Englannissa vuodenaikojen käsitetään alkavan kuukautta aikaisemmin kuin Suomessa: esimerkiksi kevään ajatellaan käsittävän helmi-, maalis- ja huhtikuun.
Yhdysvaltalaisissa englanninkielisissä kalentereissa kesän ja talven käsitetään alkavan vastaavasti kesäpäivänseisauksesta ja talvipäivänseisauksesta.
1800-luvulla Zacharias Topelius määritteli talven alkavan marraskuussa ja loppuvan huhtikuussa (syystalvi, sydäntalvi, kevättalvi), kevään olevan touko- ja kesäkuu, kesän heinä- ja elokuu, ja syksyn syys- ja lokakuu.
Tähtitieteellisen määritelmän mukaan pohjoisen pallonpuoliskon kevät alkaa kevätpäiväntasauksesta 20. tai 21. maaliskuuta, kesä kesäpäivänseisauksesta 21. tai 22. kesäkuuta, syksy syyspäiväntasauksesta 22. tai 23. syyskuuta ja talvi talvipäivänseisauksesta 21. tai 22. joulukuuta. Eteläisellä pallonpuoliskolla alkaa vastavuodenaika pohjoiseen pallonpuoliskoon nähden, esimerkiksi kun pohjoispuoliskolla alkaa talvi, eteläpuoliskolla alkaa kesä. Nämä ajankohdat ovat samat kaikkialla maapallolla. Maan radan epäkeskisyyden vuoksi nämä ovat hieman eri pituisia: kesä on 93,65 mutta talvi vain 88,99 vuorokauden pituinen.
Pysyvillä ylityksillä ja alituksilla tarkoitetaan pääsääntöisesti vähintään viiden peräkkäisen vuorokauden keskilämpötilan ylitystä tai alitusta annetun rajalämpötilan suhteen. Suomessa termisistä vuodenajoista pisin on talvi ja lyhyin kevät.