“你越聰明，就越需要學(xué)習(xí)?！薄啤ず樟_德

昨天晚飯問了朋友一個(gè)問題：地球上的四季變化是咋來(lái)的？她說(shuō)：我地理學(xué)的不好，不是很清楚！我說(shuō)：這跟地理有啥關(guān)系啊，我們就生活在地球上，這是常識(shí)問題！可能因?yàn)槲姨岬搅顺ＷR(shí)二字，她思考了一會(huì)說(shuō)：那會(huì)不會(huì)是跟地球的橢圓軌道有關(guān)啊，地球有時(shí)離太陽(yáng)近，有時(shí)離太陽(yáng)遠(yuǎn)！這....!

所以我們今天就聊下地球的四季變化！

溫帶地區(qū)的冬至和夏至

我們都知道，在一年中北半球和南半球的溫帶地區(qū)會(huì)經(jīng)歷兩種溫度截然不同的季節(jié)：

• 溫暖、漫長(zhǎng)、明亮、充滿陽(yáng)光的日子
• 寒冷、短暫、沉悶、適宜在室內(nèi)度過的日子

毫無(wú)疑問，夏至和冬至期間太陽(yáng)變現(xiàn)出來(lái)的活動(dòng)差異非常明顯。

全球大部分人都集中在溫帶地區(qū)，也就是緯度大于23.26°，小于66.34°的地方，其他的緯度就屬于熱帶和寒帶了，這也是很多小伙伴說(shuō)，地球哪里有四季啊，我們這常年恒溫，要么熱的要命要么冷的要命，這是因?yàn)槟闾幍牡胤綔囟茸兓幻黠@！

所以我們討論四季都說(shuō)的溫帶地區(qū)，相信處在溫帶地區(qū)的小伙伴應(yīng)該能記得夏至這一天，太陽(yáng)幾乎就處在我們頭頂暴曬，也是一年中白天最長(zhǎng)的一天。而另一方面，到了冬至的時(shí)候，太陽(yáng)在地平線上最高的高度比夏至?xí)r整整低了46.8°，這一天也是全年中白天最短的一天！

這不僅是我們很明顯就能看出來(lái)的差異，也是很明顯能感覺到溫度的差異!

當(dāng)太陽(yáng)在夏至直射頭頂時(shí)，我們真真切切能感覺到它比在冬至靠近地平線時(shí)溫度更高、活動(dòng)更加強(qiáng)烈。所以問題就是，夏至和冬至太陽(yáng)和我們距離不一樣？是橢圓軌道的問題？會(huì)不會(huì)是太陽(yáng)本身的光度更強(qiáng)了？那么是什么原因?qū)е铝说厍驕囟鹊木薮蟛町?？下面我們就分析這些問題。

太陽(yáng)的活動(dòng)變強(qiáng)了嗎？

之前有很多關(guān)于恒星演化的文章，很多小伙伴已經(jīng)聽說(shuō)過很多關(guān)于太陽(yáng)自身的變化，以及太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間的變化。

其實(shí)太陽(yáng)的亮度會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，但這些變化在很短的時(shí)間內(nèi)十分微小！基本可以忽略不計(jì)（如果再過10億年的話，就不能這么說(shuō)了）！就平均而言，在地球大氣層的頂部，當(dāng)太陽(yáng)釋放出最低能量時(shí)，我們從太陽(yáng)接收到的單位面積能量是1365.5瓦/米^2，當(dāng)太陽(yáng)發(fā)出最高能量時(shí)，是1366.5瓦/米^2。

換句話說(shuō)，太陽(yáng)的輸出能量確實(shí)是在變化，但根據(jù)已有的記錄，太陽(yáng)的光度只變化了0.1%！這真的太小了，不足以對(duì)我們的感覺產(chǎn)生任何影響。

是不是我們和太陽(yáng)距離的變化產(chǎn)生了溫度差異？

地球的軌道確實(shí)不是一個(gè)完美的圓，而是一個(gè)橢圓軌道！那有沒有可能，當(dāng)?shù)厍螂x太陽(yáng)更近的時(shí)候，產(chǎn)生的額外的輻射會(huì)讓我們感受到溫度的變化呢？

這個(gè)影響也非常小。但是我們離太陽(yáng)最近的時(shí)候，我們接收到的光比離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的時(shí)候強(qiáng)了6%（光的強(qiáng)度與距離的平方成反比）。6%確實(shí)比0.1%大了很多，但仍然可以忽略不計(jì)，因?yàn)楫?dāng)?shù)厍螂x太陽(yáng)最遠(yuǎn)的時(shí)候，我們的夏天一樣很熱?。∧敲词鞘裁丛?qū)е铝说厍虻乃募竞蜏囟茸兓兀?/p>

地球溫度的變化有兩種因素占主導(dǎo)地位，它們不僅密切相關(guān)，而且是由于相同的現(xiàn)象導(dǎo)致的：軸向傾斜!

• 陽(yáng)光入射角度的變化

我們首先要知道的是，地球單位時(shí)間、單位面積接受到太陽(yáng)光的能量是一定的，那就是1366瓦，其中0.1%的變化是由太陽(yáng)的固有性質(zhì)導(dǎo)致的，6%的變化是由于地球和太陽(yáng)的距離導(dǎo)致的。

當(dāng)太陽(yáng)的光線直射地球時(shí)，首先1366瓦/m^2的能量要先穿過大氣層，然后才能照射到地面，被大地吸收。

如果這時(shí)地面和太陽(yáng)光有一個(gè)角度會(huì)怎么樣呢？導(dǎo)致的結(jié)果就是單位面積內(nèi)的能量會(huì)被分散到更大的面積！

如果你還記得三角函數(shù)的話，那么你現(xiàn)在所在的位置，每單位接收到太陽(yáng)的能量就等于：太陽(yáng)能量的初始值（1366±0.1%±6%）乘以天頂角的余弦值!

那么上面討論的6.1%的能量差異最多只相當(dāng)于天頂角3.5°的差異，所以太陽(yáng)光入射角度的變化就是溫度變化的主要原因。而地球的軸向傾斜就意味著太陽(yáng)在公轉(zhuǎn)過程中南北半球會(huì)以不同的角度朝向太陽(yáng)，這就帶來(lái)了四季的變化！

陽(yáng)光穿過大氣層厚度的變化

但這還不足以解釋為什么冬天的太陽(yáng)相比于夏天，或者早晨（傍晚）的太陽(yáng)相比于正中午，會(huì)明顯變暗！給人的直觀感覺就是太陽(yáng)活動(dòng)不那么強(qiáng)烈了、陽(yáng)光也那么不刺眼了！

上面已經(jīng)說(shuō)過有兩個(gè)原因，太陽(yáng)的能量被分散到更大的面積上，這只是其中之一。另一個(gè)就是：太陽(yáng)光要到達(dá)地面或者我們眼睛，必須經(jīng)過大氣層！下圖：

大氣層是個(gè)好東西，不僅能供我們呼吸！還能有效地散射輻射，尤其時(shí)越厚的大氣對(duì)光的散射能力越強(qiáng)！當(dāng)太陽(yáng)以90°垂直照射地面時(shí)，太陽(yáng)光“只”會(huì)穿過100公里的大氣層。如果太陽(yáng)以45°角斜射地面時(shí)，陽(yáng)光將會(huì)穿過141公里的大氣層，強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低。

假如你在北緯（南緯）大約45°，陽(yáng)光在夏至的中午只會(huì)穿過108公里的大氣層，但在冬至中午卻高達(dá)272公里，幾乎是夏至的三倍！

總結(jié)

這也解釋為什么日出和日落時(shí)，太陽(yáng)是紅色的，而且溫度也會(huì)降低！所以地球溫度的變化導(dǎo)致的四季變化，并不是我們離太陽(yáng)的距離變近或者變遠(yuǎn)導(dǎo)致的，也不是我們太陽(yáng)本身的變化導(dǎo)致了輸出能量的變化造成的，而是取決于太陽(yáng)光線照射地球的角度，以及陽(yáng)光穿過了多少大氣層導(dǎo)致的！