昨天晚饭问了朋友一个问题：地球上的四季变化是咋来的？她说：我地理学的不好，不是很清楚！我说：这跟地理有啥关系啊，我们就生活在地球上，这是常识问题！可能因为我提到了常识二字，她思考了一会说：那会不会是跟地球的椭圆轨道有关啊，地球有时离太阳近，有时离太阳远！这....! 所以我们今天就聊下地球的四季变化！ 温带地区的冬至和夏至我们都知道，在一年中北半球和南半球的温带地区会经历两种温度截然不同的季节：
毫无疑问，夏至和冬至期间太阳变现出来的活动差异非常明显。 全球大部分人都集中在温带地区，也就是纬度大于23.26°，小于66.34°的地方，其他的纬度就属于热带和寒带了，这也是很多小伙伴说，地球哪里有四季啊，我们这常年恒温，要么热的要命要么冷的要命，这是因为你处的地方温度变化不明显！ 所以我们讨论四季都说的温带地区，相信处在温带地区的小伙伴应该能记得夏至这一天，太阳几乎就处在我们头顶暴晒，也是一年中白天最长的一天。而另一方面，到了冬至的时候，太阳在地平线上最高的高度比夏至时整整低了46.8°，这一天也是全年中白天最短的一天！ 这不仅是我们很明显就能看出来的差异，也是很明显能感觉到温度的差异! 当太阳在夏至直射头顶时，我们真真切切能感觉到它比在冬至靠近地平线时温度更高、活动更加强烈。所以问题就是，夏至和冬至太阳和我们距离不一样？是椭圆轨道的问题？会不会是太阳本身的光度更强了？那么是什么原因导致了地球温度的巨大差异？下面我们就分析这些问题。 太阳的活动变强了吗？之前有很多关于恒星演化的文章，很多小伙伴已经听说过很多关于太阳自身的变化，以及太阳辐照度随时间的变化。 其实太阳的亮度会随着时间的推移而变化，但这些变化在很短的时间内十分微小！基本可以忽略不计（如果再过10亿年的话，就不能这么说了）！就平均而言，在地球大气层的顶部，当太阳释放出最低能量时，我们从太阳接收到的单位面积能量是1365.5瓦/米^2，当太阳发出最高能量时，是1366.5瓦/米^2。 换句话说，太阳的输出能量确实是在变化，但根据已有的记录，太阳的光度只变化了0.1%！这真的太小了，不足以对我们的感觉产生任何影响。 是不是我们和太阳距离的变化产生了温度差异？地球的轨道确实不是一个完美的圆，而是一个椭圆轨道！那有没有可能，当地球离太阳更近的时候，产生的额外的辐射会让我们感受到温度的变化呢？ 这个影响也非常小。但是我们离太阳最近的时候，我们接收到的光比离太阳最远的时候强了6%（光的强度与距离的平方成反比）。6%确实比0.1%大了很多，但仍然可以忽略不计，因为当地球离太阳最远的时候，我们的夏天一样很热啊！那么是什么原因导致了地球的四季和温度变化呢？ 地球温度的变化有两种因素占主导地位，它们不仅密切相关，而且是由于相同的现象导致的：轴向倾斜!
我们首先要知道的是，地球单位时间、单位面积接受到太阳光的能量是一定的，那就是1366瓦，其中0.1%的变化是由太阳的固有性质导致的，6%的变化是由于地球和太阳的距离导致的。 当太阳的光线直射地球时，首先1366瓦/m^2的能量要先穿过大气层，然后才能照射到地面，被大地吸收。 如果这时地面和太阳光有一个角度会怎么样呢？导致的结果就是单位面积内的能量会被分散到更大的面积！ 如果你还记得三角函数的话，那么你现在所在的位置，每单位接收到太阳的能量就等于：太阳能量的初始值（1366±0.1%±6%）除以天顶角的余弦值! 那么上面讨论的6.1%的能量差异最多只相当于天顶角3.5°的差异，所以太阳光入射角度的变化就是温度变化的主要原因。而地球的轴向倾斜就意味着太阳在公转过程中南北半球会以不同的角度朝向太阳，这就带来了四季的变化！ 阳光穿过大气层厚度的变化但这还不足以解释为什么冬天的太阳相比于夏天，或者早晨（傍晚）的太阳相比于正中午，会明显变暗！给人的直观感觉就是太阳活动不那么强烈了、阳光也那么不刺眼了！ 上面已经说过有两个原因，太阳的能量被分散到更大的面积上，这只是其中之一。另一个就是：太阳光要到达地面或者我们眼睛，必须经过大气层！下图： 大气层是个好东西，不仅能供我们呼吸！还能有效地散射辐射，尤其时越厚的大气对光的散射能力越强！当太阳以90°垂直照射地面时，太阳光“只”会穿过100公里的大气层。如果太阳以45°角斜射地面时，阳光将会穿过141公里的大气层，强度会进一步降低。 假如你在北纬（南纬）大约45°，阳光在夏至的中午只会穿过108公里的大气层，但在冬至中午却高达272公里，几乎是夏至的三倍！ 总结这也解释为什么日出和日落时，太阳是红色的，而且温度也会降低！所以地球温度的变化导致的四季变化，并不是我们离太阳的距离变近或者变远导致的，也不是我们太阳本身的变化导致了输出能量的变化造成的，而是取决于太阳光线照射地球的角度，以及阳光穿过了多少大气层导致的！ |
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