在之前的文章《地球上為什么會出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象？(1)》中，我們已知知道了地球出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象的主要原因是地軸與天黃道垂直的方向間有一個23.5°的傾斜角。

地軸傾角示意圖，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

不過，對于四季交替現(xiàn)象，之前文章里我們只是做了簡單的定性分析。為了便于大家的理解，這篇文章我將通過數(shù)學的方法進行定量分析這種影響究竟有多大。

上圖是地軸傾角示意圖，為了便于分析地軸傾角對四季交替的影響，我們可以參照《幾何原本》的方法，作如下定義與假設(shè)：

定義1：地軸是地球南極點、北極點連線所處的直線；

定義2：黃道面是地球繞太陽公轉(zhuǎn)所處的平面。

定義3：赤道面是地球赤道所處的平面；

假設(shè)1：太陽射向地球的光線平行于黃道面；

假設(shè)2：黃道面與赤道面之間的夾角為23.5°；

假設(shè)3：在春分（3月20號）或者秋分（9月23日）這兩天，地球繞太陽公轉(zhuǎn)的位置為黃道面與赤道面相交處，正午時刻，太陽光直射地球赤道，太陽光與地軸夾角為直角（90°）；

假設(shè)4:在夏至（6月21號）這天，太陽光直射北回歸線（北緯23.5°），太陽光與地軸夾角為66.5°；

假設(shè)5:在冬至（12月22號）這天，太陽光直射南回歸線（南緯23.5°），太陽光與地軸夾角為113.5°；

假設(shè)6:太陽光直射地球表面的強度不隨時間發(fā)生改變，始終保持不變，這里我們假設(shè)是100光照強度/平米/小時。

有了以上的定義與假設(shè)，我們便可以分析出，在不同時間點，地球不同地方獲取的太陽光能量的變化。

為了便于分析，在這里，我選取赤道、北緯23.5°、北緯45°、北緯60°四個地點進行分析。

一、春分或者秋分日，正午時刻光照情況分析

上圖是春分、秋分日太陽光照射角度圖，從中我們可以看出以下信息:

①在地球赤道上，正午時刻，太陽光線與地面垂直，也就是與地面夾角為90°(90-0)；

②在地球北回歸線上，也就是北緯23.5°的地方，正午時刻，太陽光線與地面的66.5°(90-23.5)；

③在北緯45°地區(qū)，正午時刻，太陽光線與地面夾角為45°(90-45)。

④在北緯60°地區(qū)，正午時刻，太陽光線與地面夾角為30°(90-60)。

那么在正午時刻，赤道、北緯23.5°、北緯45°、北緯60°這四處地方，每平方米土地每小時獲取的能量分別如下:

赤道地區(qū):100*1*sin(90-0)°/1=100

北緯23.5°地區(qū):100*1*sin(90-23.5)°/1=91.71

北緯45°地區(qū):100*1*sin(90-45)°/1=70.71

北緯60°地區(qū):100*1*sin(90-60)°/1=50

二、夏至日，正午時刻光照情況分析

上圖是夏至日太陽光照射角度圖，從中我們可以看出以下信息:

①在地球赤道上，正午時刻，太陽光線與地面垂直，也就是與地面夾角為66.5°(90-23.5)；

②在地球北回歸線上，也就是北緯23.5°的地方，正午時刻，太陽光線與地面的90°(90-0)；

③在北緯45°地區(qū)，正午時刻，太陽光線與地面夾角為69.5°(90-21.5)。

④在北緯60°地區(qū)，正午時刻，太陽光線與地面夾角為53.5°(90-60+23.5)。

那么在正午時刻，赤道、北緯23.5°、北緯45°北緯60°這四處地方，每平方米土地每小時獲取的能量分別如下:

赤道地區(qū):100*1*sin66.5°/1=91.71

北緯23.5°地區(qū):100*1*sin90°/1=100

北緯45°地區(qū):100*1*sin69.5°/1=93.67

北緯60°地區(qū):100*1*sin53.5°/1=80.39

三、冬至日，正午時刻光照情況分析

上圖是冬至日太陽光照射角度圖，從中我們可以看出以下信息:

①在地球赤道上，正午時刻，太陽光線與地面垂直，也就是與地面夾角為66.5°(90-23.5)；

②在地球北回歸線上，也就是北緯23.5°的地方，正午時刻，太陽光線與地面的43°(90-23.5-23.5)；

③在北緯45°地區(qū)，正午時刻，太陽光線與地面夾角為11.5°(90-23.5-45)。

④在北緯60°地區(qū)，正午時刻，太陽光線與地面夾角為6.5°(90-23.5-60)。

那么在正午時刻，赤道、北緯23.5°、北緯45°北緯60°這四處地方，每平方米土地每小時獲取的能量分別如下:

赤道地區(qū):100*1*sin66.5°/1=91.71

北緯23.5°地區(qū):100*1*sin43°/1=68.20

北緯45°地區(qū):100*1*sin11.5°/1=19.94

北緯60°地區(qū):100*1*sin6.5°/1=11.32

至此，通過上面三個模型，我們發(fā)現(xiàn)，在春分或秋分、夏至、冬至節(jié)氣正午時刻，赤道、北緯23.5°、北緯45°、北緯60°地區(qū)獲取的能量變化如下:

赤道地區(qū):100(春分)-91.71(夏至)-100(秋分)-91.71(冬至)。

北回歸線(北緯23.5°)地區(qū):91.71(春分)-100(夏至)-91.71(秋分)-68.20(冬至)。

北緯45°地區(qū):70.71(春分)-93.67(夏至)-70.71(秋分)-19(冬至)。

北緯60°地區(qū):50(春分)-80.39(夏至)-50(秋分)-11.32(冬至)。

通過以上的分析，我們發(fā)現(xiàn):

1、在夏至日正午時刻，從赤道至北緯60°之間的地區(qū)，獲取的能量普遍都還不錯，能量介于80.39至100之間，這也是北半球在夏天溫度普遍能達到20℃以上溫度的原因:

(赤道:91.71；北緯23.5°地區(qū):100；北緯45°地區(qū):93.67；北緯60°地區(qū):80.39)

2、在冬至日正午時刻，從赤道至北緯60°之間的地區(qū)，獲取的能量差異很大，能量介于11.32至91.71之間，緯度越高的地區(qū)獲取的能量越低，而這正是緯度越高的地區(qū)冬季溫度越低的原因:

(赤道:91.71；北緯23.5°地區(qū):68.20；北緯45°地區(qū):19；北緯60°地區(qū):11.32)

3、北半球緯度越高的地區(qū)，夏至日與冬至日正午時刻獲取的能量差異很大。

好了，這一講就到這了。