你越聪明就越需要学习唐赫罗德
昨天晚饭问了朋友一个问题地球上的四季变化是咋来的她说我地理学的不好不是很清楚我说这跟地理有啥关系啊我们就生活在地球上这是常识问题可能因为我提到了常识二字她思考了一会说那会不会是跟地球的椭圆轨道有关啊地球有时离太阳近有时离太阳远这
所以我们今天就聊下地球的四季变化
温带地区的冬至和夏至
我们都知道在一年中北半球和南半球的温带地区会经历两种温度截然不同的季节
温暖漫长明亮充满阳光的日子
寒冷短暂沉闷适宜在室内度过的日子
毫无疑问夏至和冬至期间太阳变现出来的活动差异非常明显
全球大部分人都集中在温带地区也就是纬度大于2326小于6634的地方其他的纬度就属于热带和寒带了这也是很多小伙伴说地球哪里有四季啊我们这常年恒温要么热的要命要么冷的要命这是因为你处的地方温度变化不明显
所以我们讨论四季都说的温带地区相信处在温带地区的小伙伴应该能记得夏至这一天太阳几乎就处在我们头顶暴晒也是一年中白天最长的一天而另一方面到了冬至的时候太阳在地平线上最高的高度比夏至时整整低了468这一天也是全年中白天最短的一天
这不仅是我们很明显就能看出来的差异也是很明显能感觉到温度的差异
当太阳在夏至直射头顶时我们真真切切能感觉到它比在冬至靠近地平线时温度更高活动更加强烈所以问题就是夏至和冬至太阳和我们距离不一样是椭圆轨道的问题会不会是太阳本身的光度更强了那么是什么原因导致了地球温度的巨大差异下面我们就分析这些问题
太阳的活动变强了吗
之前有很多关于恒星演化的文章很多小伙伴已经听说过很多关于太阳自身的变化以及太阳辐照度随时间的变化
其实太阳的亮度会随着时间的推移而变化但这些变化在很短的时间内十分微小基本可以忽略不计如果再过10亿年的话就不能这么说了就平均而言在地球大气层的顶部当太阳释放出最低能量时我们从太阳接收到的单位面积能量是13655瓦米2当太阳发出最高能量时是13665瓦米2
换句话说太阳的输出能量确实是在变化但根据已有的记录太阳的光度只变化了01这真的太小了不足以对我们的感觉产生任何影响
是不是我们和太阳距离的变化产生了温度差异
地球的轨道确实不是一个完美的圆而是一个椭圆轨道那有没有可能当地球离太阳更近的时候产生的额外的辐射会让我们感受到温度的变化呢
这个影响也非常小但是我们离太阳最近的时候我们接收到的光比离太阳最远的时候强了6光的强度与距离的平方成反比6确实比01大了很多但仍然可以忽略不计因为当地球离太阳最远的时候我们的夏天一样很热啊那么是什么原因导致了地球的四季和温度变化呢
地球温度的变化有两种因素占主导地位它们不仅密切相关而且是由于相同的现象导致的轴向倾斜
阳光入射角度的变化
我们首先要知道的是地球单位时间单位面积接受到太阳光的能量是一定的那就是1366瓦其中01的变化是由太阳的固有性质导致的6的变化是由于地球和太阳的距离导致的
当太阳的光线直射地球时首先1366瓦m2的能量要先穿过大气层然后才能照射到地面被大地吸收
如果这时地面和太阳光有一个角度会怎么样呢导致的结果就是单位面积内的能量会被分散到更大的面积
如果你还记得三角函数的话那么你现在所在的位置每单位接收到太阳的能量就等于太阳能量的初始值1366016除以天顶角的余弦值
那么上面讨论的61的能量差异最多只相当于天顶角35的差异所以太阳光入射角度的变化就是温度变化的主要原因而地球的轴向倾斜就意味着太阳在公转过程中南北半球会以不同的角度朝向太阳这就带来了四季的变化
阳光穿过大气层厚度的变化
但这还不足以解释为什么冬天的太阳相比于夏天或者早晨傍晚的太阳相比于正中午会明显变暗给人的直观感觉就是太阳活动不那么强烈了阳光也那么不刺眼了
上面已经说过有两个原因太阳的能量被分散到更大的面积上这只是其中之一另一个就是太阳光要到达地面或者我们眼睛必须经过大气层下图
大气层是个好东西不仅能供我们呼吸还能有效地散射辐射尤其时越厚的大气对光的散射能力越强当太阳以90垂直照射地面时太阳光只会穿过100公里的大气层如果太阳以45角斜射地面时阳光将会穿过141公里的大气层强度会进一步降低
假如你在北纬南纬大约45阳光在夏至的中午只会穿过108公里的大气层但在冬至中午却高达272公里几乎是夏至的三倍
总结
这也解释为什么日出和日落时太阳是红色的而且温度也会降低所以地球温度的变化导致的四季变化并不是我们离太阳的距离变近或者变远导致的也不是我们太阳本身的变化导致了输出能量的变化造成的而是取决于太阳光线