時光荏苒，歲月如梭，仿佛轉(zhuǎn)眼之間，我們又迎來了2024年的冬至，正如我們所知，冬至了，就意味著寒冷冬季的來臨。
另一方面來講，地球是一顆圍繞著太陽公轉(zhuǎn)的行星，由于地球的公轉(zhuǎn)軌道是一個橢圓，因此在地球的公轉(zhuǎn)過程中，它與太陽的距離也在不斷地發(fā)生變化，有時遠一些，有時近一些。那么問題就來了，在冬至的時候，地球與太陽的距離是遠還是近呢？
按常理來講，距離太陽越遠，地球接收到的太陽輻射就越弱，據(jù)此我們似乎可以認為，冬至來臨時，地球應該距離太陽更遠才對。
但實際情況卻并非如此，因為科學家早已確定，地球運行到近日點的時間點，其實是每年的1月初，也就是說，冬至來臨時，地球卻即將抵達距離太陽最近的位置。
既然如此，為什么我們卻在過寒冷的冬季呢？其實這是可以解釋的。首先來講，地球與太陽的距離變化，確實會對地球表面的溫度造成影響，具體影響有多大呢？這是可以計算的。
根據(jù)平方反比定律，太陽的輻射強度與距離的平方成反比，已知地球在近日點距離太陽約1.47億公里，而在遠日點則約為1.52億公里，簡單計算一下可知，地球與太陽的距離變化，最多可以造成地球表面單位面積接收到的太陽輻射強度出現(xiàn)大約7%的差異。
然而在地球上，還有一種機制可以對地球表面溫度造成更大的影響，是什么呢？答案就是：太陽光在地球表面的入射角度的變化。
想象一個場景，現(xiàn)在你用一只手電筒照射地面，手電筒發(fā)出的光線在地面上形成一個光斑。在這種情況下，當你調(diào)整手電筒光線的入射角度時，就可以觀察到，光斑的面積與光線的入射角度密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為，入射角度越傾斜，光斑的面積就越大，而當光線與地面垂直時，光斑面積達到最小值。
這就說明了一個道理，即：在這個場景中，手電筒發(fā)出的光線相對于地面越傾斜，光斑上的單位面積接收到的光通量就越少，反之亦然，而當光線垂直入射時，光斑面積最小，其單位面積接收到的光通量就可以達到最大值。
實際上，這個道理同樣也適用于地球，我們可以簡單地將其理解為，對于地球表面的一個特定區(qū)域來講，太陽光相對于地面越傾斜，其單位面積接收到的太陽輻射強度就越弱，反之亦然，而當太陽光垂直入射時，其單位面積接收到的太陽輻射就可以達到最大值。
需要知道的是，由于地球的自轉(zhuǎn)軸相對于黃道面（即地球公轉(zhuǎn)軌道所在的平面）有一個大約23.44度的傾角，這就造成了在地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的過程中，太陽光在地球表面的直射區(qū)域，會在一個特定的緯度范圍出現(xiàn)周期性的南北移動，通常來講，我們將其最北的界線稱為北回歸線，最南的界線稱為南回歸線。
也就是說，隨著地球的公轉(zhuǎn)，對于地球表面同一個區(qū)域來講，太陽光的入射角度其實也在變化，根據(jù)前面提到的道理，其單位面積接收到的太陽輻射強度，也會發(fā)生相應的變化，其表面溫度當然也會受到影響，具體有多大影響呢？這也是可以計算的。
太陽輻射強度因為入射角度的變化，可以用一個簡單的公式“I = I0 * sin(h)”來進行描述，其中“I”為地面單位面積接收到的實際太陽輻射強度，“I0”為太陽光垂直于地面時的，地面單位面積接收到的太陽輻射強度，“h”為太陽高度角（正午時，下同），“sin”為正弦函數(shù)。
以北回歸線為例，每年夏至，這里是太陽光在地球表面的直射區(qū)域，此時太陽光垂直于地面，而每年冬至，太陽光在地球表面的直射區(qū)域則在南回歸線，而此時這里的太陽高度角則大約為43度。
簡單計算可知，隨著太陽光在地球表面的入射角度的變化，其地表單位面積太陽輻射強度在一年內(nèi)的變化幅度，可以達到大約32%。
需要指出的是，根據(jù)緯度的不同，這種變化的幅度也不一樣，緯度越高，幅度越大，以至于在極地區(qū)域，甚至會出現(xiàn)極夜期間太陽輻射強度接近零的情況，反過來講，緯度越低，幅度也就越小，而在赤道附近，由于太陽高度角全年變化不大，這種變化的幅度也就相對很小。
盡管如此，我們也可以清楚地看到，與地球與太陽的距離變化相比，太陽光在地球表面的入射角度的變化所造成的影響顯然要大得多，所以后者才是影響地球四季變化的主要原因。
綜上所述可知，在冬至來臨之時，盡管地球即將抵達距離太陽最近的位置，但由于此時太陽光的直射區(qū)域在南半球，而對于北半球來講，太陽光的入射角度卻傾斜得很厲害，這就使得北半球單位面積接收到的太陽輻射強度很弱，溫度自然也就比其他的時候更低，所以我們就在過寒冷的冬季。
是的，當生活在北半球的我們在過寒冷的冬季時，生活在南半球的人們卻在過炎熱的夏季。
看到這里，可能有人會問了，如果真是這樣的話，那南半球的夏季距離太陽更近，冬季則距離太陽更遠，如此一來，那里的夏季就應該比北半球更熱，冬季則會更冷，但實際情況卻似乎并非如此，這又是為什么呢？
其實這也是可以解釋的，簡單來講，最主要的原因其實就是海陸分布的不同。
由于南半球的海洋面積比北半球大得多，而海洋的比熱容比陸地更高，這意味著在質(zhì)量相同的條件下，海洋吸收或釋放單位溫度變化所需的熱量比陸地更多，因此在同等太陽輻射強度的情況下，南半球夏季的升溫和冬季的降溫幅度就應該比北半球更小。
但實際上，由于地球與太陽的距離變化，南半球的夏季接收到的太陽輻射要強一些，冬季接收到的太陽輻射則要弱一些，如此一來，從整體上來講，南半球夏季和冬季，也就與北半球差不多了。不得不說，作為人類在宇宙中唯一的家園，地球的“設(shè)計”真是非常奇妙，你覺得呢？
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