地球与太阳之间存在着紧密的联系,地球围绕太阳公转,同时地轴倾斜,这两个关键因素共同作用,产生了地球上丰富多样的自然现象。
地球公转轨道呈椭圆状,平均半径约为 1.5 亿千米。地球公转的中心位置并非太阳中心,而是地球和太阳的公共质量中心。地球在公转过程中,与太阳的距离会有远近变化。离太阳最近的位置被称为 “近日点”,一般在冬至日之后,也就是一月初;离太阳最远的位置被称为 “远日点”,一般在夏至日之后,也就是七月初。
地球公转的平面称为黄道面。地球在公转时,地轴是倾斜的,而且倾斜的方向又是不变的,角度约为 66°34′。由于地轴倾斜,地球在绕太阳公转过程中,不同时间、不同地点获得太阳的光热不同,于是便有了四季变化。
地球是个很大的球体,同一时间里,纬度不同的地方,受到阳光照射的情况不同。一年之中,不同纬度的地带获得的太阳光热有多有少,冷热就有差别。人们根据各地获得太阳光热的多少,把地球表面划分为五个带:热带、北温带、南温带、北寒带和南寒带。
例如,在南北回归线之间是热带,这里一年有两次太阳直射,获得的热量较多,终年炎热。而在北回归线到北极圈之间是北温带,四季变化较为明显。南回归线到南极圈之间是南温带,气候特点与北温带相似但季节相反。北极圈到北极是北寒带,终年寒冷,有极昼极夜现象。南极圈到南极是南寒带,同样寒冷且有极昼极夜现象。
二、季节成因之太阳直射角度(一)倾斜的地轴与太阳直射点移动地球的地轴倾斜约为 66°34′,这一倾斜角度使得地球在绕太阳公转的过程中,太阳直射点在南北回归线之间移动。由于地球的公转,当地球位于不同位置时,太阳直射点的位置也会发生变化。
例如,在每年 6 月 22 日前后,地球位于远日点附近,太阳直射北回归线,此时北半球得到的热量最高,白昼最长,气候炎热,属于北半球的夏季,而南半球正处于寒冷的冬季。
此后,太阳直射点南移,到了 9 月 23 日左右,太阳直射赤道,这一天是北半球的秋分日,此时南半球和北半球得到的太阳热量相等,昼夜平分,北半球是秋季,南半球是春季。
地球继续运转,到 12 月 22 日左右,地球位于近日点附近,太阳直射南回归线,这一天是北半球的冬至日,此时北半球得到的热量最少,白昼最短,气候寒冷,是北半球的冬季,南半球则是夏季。
太阳直射点北返以后,在 3 月 21 日左右,太阳再次直射赤道,这一天是北半球的春分日,此时北半球是春季,南半球是秋季。地球就这样以一年为周期绕太阳不停运转,从而产生了四季的更替。
(二)太阳高度角对能量接收的影响太阳高度角的变化以两种方式影响地表接收能量。一方面,当太阳高度角为 90° 时,阳光最集中也最强。就像用手电筒垂直照射物体表面时,会出现一个强光点;而当太阳高度角较小时,阳光发散,强度降低。
例如,从地球是球体这个角度来看,某天只能在特定的纬度位置垂直接收阳光,从这个位置向北或向南移动时,阳光的照射角度都会减小,正午太阳高度角就越小,接收到的太阳能就越少。另一方面,太阳高度角决定了光线通过大气的路径长短。
当太阳正好位于头顶时,阳光以 90° 角即垂直通过大气,以最短的路径到达地面,被大气散射的机会就小,到达地面的光强就强。而当阳光以较小角度进入大气时,其到达地面的路径长度增加,被大气散射的机会就越大,到达地面的光强就越弱。
比如,当阳光以 30° 角进入大气时,其到达地面的路径长度增加 1 倍;当光线以 5° 角进入大气时,其到达地面前通过的路径约为 11 个大气厚度。这就是我们无法直视正午的太阳但可凝视落日的原因。总之,某地所接收的太阳能的多少,取决于太阳高度角的季节变化和昼长的变化。
三、季节成因之地球公转轨道椭圆性(一)近日点与远日点的温度差异地球公转轨道呈椭圆状,每年 1 月初地球处于近日点,此时日地距离约为 1.4710 亿千米;7 月初地球处于远日点,日地距离约为 1.5210 亿千米,两者相差约 500 万千米。虽然看似距离差距较大,但相对于地球到太阳的平均距离 1.496 亿千米来说,比例较小,只有约 3.3%。
因此,地球在近日点和远日点时与太阳的距离差异并非决定季节的主要因素。例如,北半球冬季时,地球离太阳更近,但此时北半球温度却较低,这是因为影响地球气温的主要因素是太阳直射点而非日地距离。
在北半球冬季,太阳直射点位于南半球,此时照射在北半球地面上的阳光倾角大,日照时间短,整体接收到的太阳热量少,所以温度较低。
(二)对气候和季节长度的影响地球公转轨道的椭圆性导致的距离变化对气候和季节长度有一定影响。在赤道太平洋东部,这种距离变化可能会影响天气周期及厄尔尼诺现象。
例如,有研究表明地球公转椭圆轨道决定了厄尔尼诺最强的时间在地球近日点附近,即每年元旦前后。近日点是地球公转动能最大、速度变化最大的时候。
同时,地球轨道的偏心率会影响地球四季的长度和温度差异。当地球轨道偏心率较大时,地球的四季变化会更加明显,而当偏心率较小时,地球的四季变化会相对温和。
此外,由于地球公转轨道的椭圆性,地球在不同位置时接收到的太阳辐射总量会有所不同。当地球位于远日点时,阳光要多花一些时间到达地球表面,表面接收的太阳辐射总量则少一些。
因此从理论上说,夏天的南半球稍微比北半球热,而冬天的南半球比北半球更冷。但总体而言,地球与太阳的距离并非是影响地球冷暖和四季更迭的主因。
四、综合解析地球的季节变化是由多种因素共同作用的结果。虽然地球公转轨道的椭圆性会带来日地距离的变化,对气候和季节有一定影响,但太阳直射角度才是季节形成的主要成因。
从地球公转轨道椭圆性来看,近日点和远日点的距离差异约为 500 万千米,相对于平均距离 1.496 亿千米来说,比例较小,只有约 3.3%。这一差异使得地球在近日点和远日点接收到的太阳辐射总量有所不同,但并非决定季节的关键因素。
例如,北半球冬季时地球离太阳更近,但此时太阳直射点位于南半球,北半球接收的太阳热量少,温度较低。
此外,地球公转轨道的椭圆性对赤道太平洋东部的天气周期及厄尔尼诺现象有一定影响,如地球公转椭圆轨道决定了厄尔尼诺最强的时间在每年元旦前后,即地球近日点附近。
同时,地球轨道的偏心率会影响地球四季的长度和温度差异,偏心率较大时四季变化更明显,偏心率较小时四季变化相对温和。
然而,太阳直射角度的变化对季节的形成起着至关重要的作用。地球地轴倾斜约为 66°34′,使得太阳直射点在南北回归线之间移动。
不同时间太阳直射点的位置变化,导致不同地区获得的太阳热量不同,从而产生了四季更替。例如,6 月 22 日前后太阳直射北回归线,北半球得到的热量最高,是夏季;12 月 22 日左右太阳直射南回归线,北半球得到的热量最少,是冬季。
太阳高度角的变化也以两种方式影响地表接收能量。当太阳高度角为 90° 时,阳光最集中最强;当太阳高度角较小时,阳光发散,强度降低。同时,太阳高度角决定了光线通过大气的路径长短,影响到达地面的光强。
综上所述,地日关系中多种因素共同作用形成了季节变化。虽然地球公转轨道椭圆性有一定影响,但太阳直射角度才是季节形成的主要原因。我们只有充分理解这些因素的作用,才能更好地认识地球的自然现象和气候变化。