日地距离与季节的反直觉

北半球夏季太阳离地球远，冬季太阳离地球近，居然是真的。我的第一反应是这不科学呀？烤火的时候谁不知道火堆跟前暖和，怎么太阳离得近反而是冬天呢？

认识这个问题就要首先了解地球上四季的成因。

1  地球上四季的成因

图1 地球自转轴与黄道平面的夹角

地球上的四季是由于地球自转轴与黄道平面的夹角造成的，在公转过程中，这个夹角会导致太阳的直射点在南北回归线之间移动，就带来了一年四季的变化。直射点在北回归线，就是北半球的夏季；直射点在南回归线，就是北半球的冬季。具体节气见图2。

图2  地球公转形成四季

2  地球公转轨道是个椭圆

地球公转轨道为椭圆，称为黄道，太阳位于其中一个焦点上，因此，地球距离太阳的距离是不断变化的，并周而复始。

地球公转周期是一年。地球轨道上距太阳最近的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较近的一端，称为近日点。地球距离太远最近为147,000,000km。地球轨道上距太阳最远的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较远的一端，称为远日点。最远为153,000,000km，二者之间的差异不大，地球与太阳距离在150,000,000km +/- 2%范围之内。

公转位置对应的节气见图3，显而易见，北半球的冬天离太阳就是近一些。

图3 公转位置对应的节气

3  入射角度是导致地球冷热的主要因素

离太阳近温度就应该高一些，因为某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比。离太阳最近的水星向阳面的温度最高时可达430℃,而遥远的冥王星表面温度估计在-220℃以下。

这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。但是地球的公转轨道偏心率很小，仅为0.0167，一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过3.4%。所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。

太阳垂直照射到地球上单位面积的热量几乎是恒定的。直射地面获得的热能最大，斜射获得的热能于斜射角的余弦成正比。所以冬季尽管离太阳近些，但是由于是斜射，温度还是低。当然某一地区的具体温度与风力、大气透明度、地表状况等很多因素有关。

4  地球进动会影响地球上的季节

由于地球的进动，会带来地球上直射点的变化，从而影响季节。进动周期差不多26000年，现在地球近日点位置在1月初。也就是北半球的冬天对应地球的近日点。再过1万3千年，近日点的位置对应7月初。啥意思？就是那时候的季节与日地距离的关系和现在是反的，近日点转移到北半球夏天的位置了。我们是看不到那天了。

5  地球四季不等长

我们知道，春分点和秋分点对黄道是等分的，如果地球公转速度是均匀的，则视太阳由春分点运行到秋分点所需要的时间，应该与视太阳由秋分点运行到春分点所需要的时间是等长的，各为全年的一半。但是，地球公转速度是不均匀的，则走过相等距离的时间必然是不等长的。视太阳由春分点经过夏至点到秋分点，地球公转速度较慢，需要186天多，长于全年的一半，此时是北半球的夏半年和南半球的冬半年；视太阳由秋分点经过冬至点到春分点，地球公转速度较快，需要179天，短于全年的一半，此时是北半球的冬半年和南半球的夏半年。

由此可见，地球公转速度的变化，是造成地球上四季不等长的根本原因。