4.2: 四季

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述地球轴线的倾斜是如何导致季节变化的
• 解释地球上的季节差异如何随纬度而变化

本书的大多数读者生活在地球中纬度地区，生活的基本事实之一是，在一年中，我们从太阳获得的热量存在显著差异。 因此，我们将一年分为几个季节，每个季节都有不同的日照量。 我们从赤道向北或向南走得越远，季节之间的差异就越明显，而南半球的季节与我们在地球北半部发现的相反。 考虑到这些观察到的事实，让我们问一下是什么原因导致了季节。

许多人认为季节是地球和太阳之间距离变化的结果。 起初这听起来很合理：当地球离太阳更远时，天气应该更冷。 但是事实并不能证实这个假设。 尽管地球绕太阳的轨道是一个椭圆，但它与太阳的距离仅相差约3％。 这还不足以导致太阳热量的显著变化。 更糟糕的是，对于持有这种假设的北美人来说，地球实际上是在一月份离太阳最近，那时北半球正处于冬季中旬。 而且，如果距离是主导因素，那么为什么两个半球的季节会相反呢？ 正如我们将展示的那样，季节实际上是由地球轴线倾斜23.5°造成的。

四季与阳光

该图\(\PageIndex{1}\)显示了地球每年绕太阳的路径，其中地球轴线倾斜了23.5°。 请注意，我们的轴线全年都在天空中指向相同的方向。 随着地球绕太阳移动，6月，北半球 “向太阳倾斜”，受到更直接的照明。 12月，情况发生了逆转：南半球向太阳倾斜，北半球向外倾斜。 在九月和三月，地球 “侧身” 倾斜——既不向太阳，也不是远离太阳，因此这两个半球同样受到阳光的青睐。

人物\(\PageIndex{1}\)季节。 当地球绕太阳时，我们在不同的季节看到地球。 6月，北半球 “向太阳” 倾斜，而北半球则经历了夏天，日子更长。 十二月，在北半球的冬季，南半球 “倾斜” 太阳，照亮得更直接。 在春季和秋季，两个半球获得的阳光份额更相等。 ¹

太阳偏爱一个半球如何转化为让我们在地球表面变得更温暖？ 我们需要考虑两种影响。 当我们向太阳倾斜时，阳光会以更直的角度照射我们，并且在加热地球表面方面更有效（图\(\PageIndex{2}\)）。 你可以通过用手电筒照射墙壁来获得类似的效果。 如果你直接照亮手电筒，墙上就会有强烈的光点。 但是，如果你以一定角度握住手电筒（如果墙壁 “向外倾斜” 光束），那么光点就会更加分散。 与直射光一样，六月的阳光在北半球更直接、更强烈，因此在取暖方面更有效。

绘\(\PageIndex{2}\)制夏季和冬季的太阳光线。 (a) 在夏季，太阳出现在天空的高处，其光线更直接地照射地球，散布得更少。 (b) 在冬季，太阳在天空中很低，其光线散布在更广阔的区域，在加热地面方面效果不佳。

第二个效果与太阳在地平线上停留的时间长度有关（图\(\PageIndex{3}\)）。 即使你以前从未考虑过天文学，但我们确信你已经观察到夏季的日照时间增加，冬季的日照时间减少。 让我们看看为什么会这样。

计算\(\PageIndex{3}\)不同季节太阳在天空中的路径。 6月21日，太阳从东向北升起，从西向北落下。 对于地球北半球的观察者来说，太阳在美国的地平线上空停留约15个小时，这意味着更多的日照时间。 12 月 21 日，太阳从东部以南升起，从西向南落下。 在美国，它在地平线上停留了9个小时，这意味着北方国家的日照时间更少，夜晚的时间更长（而且人们迫切需要举行庆祝活动来振作起来）。 在3月21日和9月21日，太阳在两个半球在地平线上方和地平线下停留的时间相等。

正如我们在《观测天空：天文学的诞生》中所看到的那样，观察我们每年绕太阳的路径的一种同等方式是假装太阳在地球上移动（在一个叫做黄道的圆圈上）。 由于地球的轴线是倾斜的，黄道相对于天赤道倾斜了大约 23.5°（查看图\(2.1.6\)）。 结果，随着岁月的流逝，我们在天空中看到太阳的位置发生了变化。

6月，太阳位于天赤道以北，与生活在北半球的人共度更多时间。 它在天空中升起，在美国地平线之上停留长达15个小时。 因此，太阳不仅用更直射的光线加热我们，而且每天都有更多的时间来加热我们。 （请注意\(\PageIndex{3}\)，图中北半球的收益就是南半球的损失。 那里的六月太阳在天空中很低，这意味着白天时间更少。 例如，在智利，六月是一年中更冷、更黑暗的时期。） 12月，当太阳位于天赤道以南时，情况发生了逆转。

让我们来看看在一年中的某些特定日期，当这些影响达到最大值时，太阳在地球上的照明会是什么样子。 在6月21日左右（我们生活在北半球的人称之为夏至，有时甚至是夏季的第一天），太阳最直接地照射在地球的北半球上。 它出现在赤道以北约 23° 处，因此，在那一天，它穿过了地球上位于北纬 23° 的地点的顶峰。 情况详见图\(\PageIndex{4}\)。 对于北纬 23°（例如在夏威夷附近）的人来说，中午太阳正好在头顶。 这个纬度被称为北回归线，夏季第一天中午太阳可以出现在天顶。

我们还在图中看到\(\PageIndex{4}\)，冬至时，太阳的光线照射到北极周围。 当地球绕其轴线转动时，北极会持续受到太阳的照明；北极23°以内的所有地方都有24小时的日照。 在这个日期，太阳尽可能地向北；因此，90° — 23°（或北纬 67°）是最南端的纬度，可以在整整 24 小时内看到太阳（有时被称为 “午夜太阳之地”）。 那个纬度圈被称为北极圈。

6 月 21 日 Figure Eart\(\PageIndex{4}\) h。 这是北半球夏至的日期。 请注意，当地球转向轴线（连接北极和南极的线）时，北极处于持续的阳光下，而南极则在24小时的黑暗中被掩盖。 对于北回归线观察者来说，太阳正处于巅峰时期。

许多早期文化在夏至前后安排了特别活动，以庆祝最长的日子，并感谢他们的神灵让天气变暖。 这要求人们跟踪日子的长短和太阳向北跋涉的时间，以便知道 “派对” 的正确日期。 （你可以做同样的事情，从同一个观测点观察几个星期，太阳相对于固定地标升起或落下。 春季，太阳将从东部以北升得越来越远，向西向北越来越远，在夏至前后达到最大值。）

现在看看图中的南极\(\PageIndex{4}\)。 6月21日，距离南极 23° 以内的所有地方（即我们所谓的南极圈以南）在 24 小时内根本看不到太阳。

6个月后，大约12月21日（冬至的日期，或北半球冬季的第一天），情况发生了逆转，如图所示\(\PageIndex{5}\)。 现在是北极圈有 24 小时的夜晚，而南极圈有午夜太阳。 在南纬 23°，称为南回归线，太阳在中午穿过天顶。 南半球的日子更长，北半球的日子更短。 在美国和南欧，白天可能只有 9 或 10 个小时的日照。 北半球是冬天，南半球是夏天。

12 月 21 日 Figure Eart\(\PageIndex{5}\) h。 这是北半球冬至的日期。 现在，北极在黑暗中持续了24小时，南极被照亮了。 对于南回归线上的观察者来说，太阳处于顶峰，因此对于北半球的居民来说，太阳在天空中处于低处。

示例\(\PageIndex{1}\)：季节变化

如图所示\(\PageIndex{4}\)，北回归线是夏至太阳直接位于头顶的纬度。 此时，太阳正处于天赤道北纬23度的偏角，而地球上相应的纬度为赤道的北纬23°。 如果地球稍微倾斜一点，那么北回归线将位于较低的纬度，更靠近赤道。

北极圈是最南端的纬度，夏至当天的日长为 24 小时。 它位于地球赤道的北纬 90° — 23° = 67° 处。 如果地球稍微倾斜一点，那么北极圈就会向北移动得更远。 在地球完全不倾斜的极限内（其轴线垂直于黄道），北回归线将位于地球赤道上，而北极圈将只是北极。 假设地球轴线的倾斜度仅倾斜了5°。 会对北回归线和北极圈的季节和位置产生什么影响？

解决方案

如果地球的倾斜度较小，季节就会不那么极端。 在一年中，日长和阳光直射的变化将非常小，太阳在天空中的日常路径也不会有太大变化。 如果地球倾斜5°，则夏至当天太阳的位置将为天赤道的北纬5°，因此北回归线将位于地球上赤道北纬5°的相应纬度。 北极圈将位于赤道北纬 90° — 5° = 85° 处。

练习\(\PageIndex{1}\)

假设地球轴线的倾斜度为 16°。 那么，北极圈和北回归线之间的纬度会有什么区别呢？ 与实际倾斜23°所产生的影响相比，会对季节产生什么影响？

回答

北回归线的纬度等于地球的倾斜度，因此在这种情况下，它将位于北纬 16°。 北极圈的纬度等于 90° 减去地球倾斜度，或 90° — 16° = 74°。 这两个纬度之间的差异为 74° — 16° = 58°。 由于地球的倾斜度较小，因此全年地球倾斜度的变化将减少，太阳路径的变化也会减少，因此季节性变化会更温和。

你可以看到四季太阳路径的动画，以及内布拉斯加大学校园内设置的摄像机拍摄的光影延时视图。

许多在赤道以北一段距离发展起来的文化将在12月21日左右举行庆祝活动，以帮助人们应对令人沮丧的阳光不足和经常危险的寒冷气温。 最初，这通常是与家人和朋友挤在一起、分享食物和饮料储备、举行仪式要求众神恢复光明和热量并扭转季节循环的时候。 许多文化建造了精心设计的设备来预测一年中最短的一天何时到来。 英国的巨石阵早在书写发明之前就建成，可能就是这样一种设备。 在我们自己的时代，我们将延续冬至的传统，在十二月左右举办各种节日庆祝活动。

在冬至之间，大约在3月21日至9月21日，太阳位于天赤道上。 从地球上看，它出现在我们星球的赤道上方，对两个半球都不利。 然后，地球上的每个地方都有大约 12 个小时的日照和 12 个小时的夜晚。 太阳穿过天赤道的点被称为春分（春分）和秋季（秋季）春分点。

不同纬度的季节

在地球的不同纬度，季节性影响是不同的。 例如，在赤道附近，所有季节都大致相同。 一年中的每一天，太阳升起的时间只有一半，因此大约有 12 个小时的日照时间和 12 个小时的夜晚。 当地居民根据降雨量（雨季和旱季）而不是日照量来定义季节。 当我们向北或向南旅行时，季节变得更加明显，直到我们在北极和南极达到极端情况。

在北极，所有位于天赤道以北的天体总是在地平线上方，随着地球的转动，它们会平行地盘旋。 从3月21日到9月21日左右，太阳位于天赤道以北，因此在北极，太阳在春分时升起，到了秋分时落下。 每年每个极点有 6 个月的日照，然后是 6 个月的黑暗。

示例\(\PageIndex{2}\)：太阳在天空中的位置

太阳在天球上的坐标范围从天赤道北纬 23°（或 +23°）的偏角到天赤道南纬 23°（或 —23°）的偏角不等。 因此，太阳在中午穿过子午线时的高度总共相差46°。 从地球赤道上的某个地方看，3月21日中午太阳的高度是多少？ 从地球赤道上的某个地方看，它在6月21日的高度是多少？

解决方案

在地球赤道上，天赤道穿过天顶。 3月21日，太阳正在穿越天赤道，因此应该在中午的天顶（90°）处找到它。 6月21日，太阳位于天赤道的北纬23度，因此中午它将与天顶相距23度。 地平线以上的高度将比天顶的高度（90°）低 23°，因此它比地平线高出 90° — 23° = 67°。

练习\(\PageIndex{2}\)

从北回归线的一个地方看，12月21日中午太阳的高度是多少？

回答

冬至当天，太阳位于天赤道南纬23度左右。 从北回归线（北纬23°）出发，天顶将为北纬23度的偏角。天顶和太阳位置之间的偏角差为46°，因此太阳将与天顶相距46°。 这意味着它将处于 90° — 46° = 44° 的高度。

关于现实世界的澄清

在我们到目前为止的讨论中，我们一直在描述太阳和恒星的升起和落山，就像地球大气层很少或没有大气层时一样。 但是，实际上，大气层有一种奇怪的效果，那就是让我们能够 “在地平线上” 看到一点路。 这种效果是折射的结果，即光线在空气或水中弯曲的结果，我们将在天文仪器中对此进行讨论。 由于这种大气折射（以及太阳不是光点而是圆盘这一事实），与没有大气层存在时相比，太阳似乎更早升起，落山时间也更晚。

此外，即使太阳在地平线以下，大气层也会散射光线并提供一些暮光照明。 天文学家将晨光定义为从太阳位于地平线以下 18° 处开始，傍晚的暮光一直延伸到太阳沉入地平线以下 18° 以上。

这些大气影响需要在我们关于季节的许多陈述中进行少量修正。 例如，在春分点，太阳在地平线上方的停留时间似乎超过12个小时，而在地平线以下停留的时间不到12个小时。 这些影响在地球两极最为明显，实际上在太阳到达天赤道前一周多就能看到太阳。

你可能知道，夏至（6月21日）不是一年中最温暖的一天，即使它是最长的一天。 北半球最热的月份是七月和八月。 这是因为我们的天气涉及覆盖地球表面的空气和水，而这些大型水库不会瞬间升温。 你可能已经亲自观察到了这种效果；例如，池塘一开始就不会变暖

太阳升起，但在有时间吸收太阳的热量之后，下午晚些时候最温暖。 同样，地球在有机会吸收多余的阳光后会变暖，这是太阳送给我们的夏日礼物。 冬季最冷的时间是冬至之后一个月或更长时间。

关键概念和摘要

熟悉的季节周期源于地球旋转轴倾斜23.5°。 夏至，太阳在天空中更高，其光线更直接地照射地球。 太阳在天空中停留的时间超过半天，可以使地球加热更长的时间。 在冬至，太阳在天空中很低，它的光线以更大的角度进入；此外，太阳升起的时间少于12个小时，因此这些光线加热的时间更短。 在春分和秋分点，太阳在天赤道上，我们白天和黑夜大约有12个小时。 不同纬度的季节不同。

脚注

¹ 请注意，所示的冬至和春分日期是近似值；视年份而定，它们可能早两天或晚一两天出现。