“你越聰明，就越需要學(xué)習(xí)。”——唐·赫羅德
昨天晚飯問了朋友一個問題：地球上的四季變化是咋來的？她說：我地理學(xué)的不好，不是很清楚！我說：這跟地理有啥關(guān)系啊，我們就生活在地球上，這是常識問題！可能因為我提到了常識二字，她思考了一會說：那會不會是跟地球的橢圓軌道有關(guān)啊，地球有時離太陽近，有時離太陽遠(yuǎn)！這....!
所以我們今天就聊下地球的四季變化！
我們都知道，在一年中北半球和南半球的溫帶地區(qū)會經(jīng)歷兩種溫度截然不同的季節(jié)：
毫無疑問，夏至和冬至期間太陽變現(xiàn)出來的活動差異非常明顯。
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，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，這是因為你處的地方溫度變化不明顯！
所以我們討論四季都說的溫帶地區(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，太陽幾乎就處在我們頭頂暴曬，也是一年中白天最長的一天。而另一方面，到了冬至的時候，太陽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的差異，也是很明顯能感覺到溫度的差異!
當(dāng)太陽在夏至直射頭頂時，我們真真切切能感覺到它比在冬至靠近地平線時溫度更高、活動更加強(qiáng)烈。所以問題就是，夏至和冬至太陽和我們距離不一樣？是橢圓軌道的問題？會不會是太陽本身的光度更強(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。
之前有很多關(guān)于恒星演化的文章，很多小伙伴已經(jīng)聽說過很多關(guān)于太陽自身的變化，以及太陽輻照度隨時間的變化。
其實太陽的亮度會隨著時間的推移而變化，但這些變化在很短的時間內(nèi)十分微??！基本可以忽略不計（如果再過10億年的話，就不能這么說了）！就平均而言，在地球大氣層的頂部，當(dāng)太陽釋放出最低能量時，我們從太陽接收到的單位面積能量是1365.5瓦/米^2，當(dāng)太陽發(fā)出最高能量時，是1366.5瓦/米^2。
換句話說，太陽的輸出能量確實是在變化，但根據(jù)已有的記錄，太陽的光度只變化了0.1%！這真的太小了，不足以對我們的感覺產(chǎn)生任何影響。
地球的軌道確實不是一個完美的圓，而是一個橢圓軌道！那有沒有可能，當(dāng)?shù)厍螂x太陽更近的時候，產(chǎn)生的額外的輻射會讓我們感受到溫度的變化呢？
這個影響也非常小。但是我們離太陽最近的時候，我們接收到的光比離太陽最遠(yuǎn)的時候強(qiáng)了6%（光的強(qiáng)度與距離的平方成反比）。6%確實比0.1%大了很多，但仍然可以忽略不計，因為當(dāng)?shù)厍螂x太陽最遠(yuǎn)的時候，我們的夏天一樣很熱啊！那么是什么原因?qū)е铝说厍虻乃募竞蜏囟茸兓兀?/p>
我們首先要知道的是，地球單位時間、單位面積接受到太陽光的能量是一定的，那就是1366瓦，其中0.1%的變化是由太陽的固有性質(zhì)導(dǎo)致的，6%的變化是由于地球和太陽的距離導(dǎo)致的。
當(dāng)太陽的光線直射地球時，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。
如果這時地面和太陽光有一個角度會怎么樣呢？導(dǎo)致的結(jié)果就是單位面積內(nèi)的能量會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，每單位接收到太陽的能量就等于：太陽能量的初始值（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在公轉(zhuǎn)過程中南北半球會以不同的角度朝向太陽，這就帶來了四季的變化！
但這還不足以解釋為什么冬天的太陽相比于夏天，或者早晨（傍晚）的太陽相比于正中午，會明顯變暗！給人的直觀感覺就是太陽活動不那么強(qiáng)烈了、陽光也那么不刺眼了！
上面已經(jīng)說過有兩個原因，太陽的能量被分散到更大的面積上，這只是其中之一。另一個就是：太陽光要到達(dá)地面或者我們眼睛，必須經(jīng)過大氣層！下圖：
大氣層是個好東西，不僅能供我們呼吸！還能有效地散射輻射，尤其時越厚的大氣對光的散射能力越強(qiáng)！當(dāng)太陽以90°垂直照射地面時，太陽光“只”會穿過100公里的大氣層。如果太陽以45°角斜射地面時，陽光將會穿過141公里的大氣層，強(qiáng)度會進(jìn)一步降低。
假如你在北緯（南緯）大約45°，陽光在夏至的中午只會穿過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！
這也解釋為什么日出和日落時，太陽是紅色的，而且溫度也會降低！所以地球溫度的變化導(dǎo)致的四季變化，并不是我們離太陽的距離變近或者變遠(yuǎn)導(dǎo)致的，也不是我們太陽本身的變化導(dǎo)致了輸出能量的變化造成的，而是取決于太陽光線照射地球的角度，以及陽光穿過了多少大氣層導(dǎo)致的！
