氣侯變化的天文因素

◎文圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

對于生活在地球上的人類來說，冬天冷夏天熱這種氣候現象大家都司空見慣了，但是什么原因引起的，就眾說紛紜了。有人說冬天冷是因為太陽離我們比較遠，夏天熱是因為太陽離我們比較近！這種說法正確嗎？

我們知道，地球繞太陽公轉的軌道不是一個理想的圓形，而是一個橢圓形，所以地球在公轉的時候距離太陽有時遠有時近。但可不是在冬天離太陽遠哦！正相反，如圖1所示，地球在每年1月份（北半球冬季）過近日點，在每年7月份（北半球夏季）過遠日點。

既然地球在1月初最接近太陽，為什么那時候正是北半球氣溫最低、天氣最冷的季節呢？難道我們離太陽近反而冷，離太陽遠反而熱嗎？

我們來分析一下由太陽輻射引起的地球上的氣溫變化（這里只討論太陽輻射因素，不考慮氣象因素、地理因素等影響氣候的其他復雜因素）。由太陽輻射引起的地球表面溫度變化，主要影響因素與太陽距離地球的遠近和太陽照射地面的角度有關。

仔細看一下圖1，你有什么新發現嗎？

一、太陽距離地球遠近變化對地球上氣候的影響

由圖1可知，地球距太陽最近的距離為1.47億千米，最遠的距離約為1.52億千米。二者之差約為0.05億千米，其與地球到太陽的平均距離（約1.5億千米）的比值是1/30。這樣小的近日點和遠日點距離之差，并不足以引起地球表面溫度的較大變化。

二、太陽照射地球表面的角度變化對地球上氣候的影響

1.太陽照射地面的角度隨緯度不同而變化

如果地球表面是平的，那么太陽光照的角度就會各處一樣（見2018年6期文章），輸送給地球各地的熱量也一樣。但地球是球形的，因此地球上不同緯度地區在同一時間，被太陽照射的角度因緯度不同而不同（見圖2），因此輸送給不同緯度地區的熱量也隨之不同，使得不同緯度的氣候也會受此影響（不考慮其他因素引起的地區小氣候變化）。

2.太陽直射點隨地球公轉位置（季節）而變化

太陽照射地球的角度隨緯度的變化還與太陽直射點有關，緯度離直射點越近越接近直射，太陽光輸送的熱量越多，氣候越熱；緯度離直射點越遠越斜射，太陽光輸送的熱量越少，氣候越冷。

同樣由圖1可知，由于地球是個球形，而且是傾斜著旋轉的，這就使得太陽直射點每天隨地球公轉位置而移動，從地球位于冬至點直射南回歸線，到地球位于夏至點直射北回歸線。也就是太陽光照射地球表面的角度在不斷改變，即輸送給地球的熱能在不斷改變。

3. 正午太陽高度角與緯度的關系

判斷地球上某地每天接受太陽輻射的多少，可以用正午太陽高度角來衡量。我們在2018年6期文章里，推導出任何緯度上任何一天正午太陽高度角與當地緯度有如下關系：

其中Φ角度代表觀察者當地緯度，角度δ代表觀察日太陽直射點的緯度，H為觀察者所在地當天正午的太陽高度角。圖3給出以北京地區(FΦ=40°)為例，正午太陽高度角全年變化規律。

可見，地球上某地正午高度角與當地緯度有關，也與太陽直射點角度有關。以北半球為例，（Φ-δ）越小（即Φ接近δ，且為正值），正午的太陽高度角H越大。最大的H在夏至時的北回歸線上，此時Φ=δ =23°.5，H= 90°。北半球以北回歸線為中心的南北廣大地區都接受近乎直射陽光，所以夏季溫度很高。這樣看來，遠離北回歸線的地區，例如我國的黑龍江地區緯度在50o左右，夏天應該比北回歸線地區的溫度低一些吧？但事實并不是這樣，請同學們注意一下天氣預報，夏季我國從南方到北方的廣大地區都受高溫控制，黑龍江地區不比南方涼快（見圖4）。這又是為什么呢？

三、冬夏季日照時間與緯度的關系

繼續觀察圖3，可見北半球某地（全球都是），只有春秋分日那一天是晝夜平分，即白晝（日照）12小時，夜晚（無日照）12小時。但夏季日照時間要比春秋分長，冬季日照時間要比春秋分短，而且越往北方冬夏季日照時間差別越大，進入北極圈就出現冬季極夜和夏季極晝現象了。

所以，太陽輻射對地球表面溫度的影響沿緯度變化的規律，除日照角度的變化之外，還需要考慮日照時間的變化。也就是在夏季，北半球北回歸線以北地區，雖然越往北緯度越高，正午太陽高度角比南方低一些，但日照時間卻比南方長，這樣積累的太陽能量多，所以夏季溫度也很高。反之，在冬季，北半球北回歸線以北地區，越往北緯度越高，正午太陽高度角比南方低很多，而日照時間卻比南方短，這樣積累的太陽能量會少很多。所以，從秋季開始南北方氣溫就很快分化，北方很快進入冬季，并且冬季北方的氣溫比南方低很多。

由以上分析我們得出，由太陽輻射引起的地球表面溫度變化應該考慮以下幾點：

1.地球距離太陽遠近的變化很小，對地球上氣候的影響不大；

2.地球公轉且傾斜轉動，引起地球表面各地產生季節性溫度變化；

3.由于地球是球形，故不同緯度在同一季節被太陽照射角度不同而接受能量不同，引起地球表面各地產生隨緯度變化的溫度變化；

4.同樣，由于地球是球形，故不同緯度在同一季節被太陽照射時間不同而接受能量積累不同，引起地球表面各地產生隨緯度變化的溫度疊加或減少的變化。

同學們觀察、記錄或查找的最終的結果（包括數據、圖表、照片等），請注明數據來源或出處，計算請注明方法，用附件形式發送到郵箱：chinahou@bao.ac.cn或jswzkxsn2011@163.com。我們會給予評價和獎勵的哦！

四、建議各地同學觀察或查找本地冬夏季溫度的平均值，并與更高緯度和更低緯度的冬夏溫度的平均值相比較，例如圖5、圖6分別是哈爾濱和廣州的全年月平均溫度值。從中可見夏季南北方溫度之差只有幾度，而冬季南北方溫度之差可達幾十度。