地球除了圍繞其自轉(zhuǎn)軸作自轉(zhuǎn)運動外，還圍繞太陽作公轉(zhuǎn)運動，由此造成天體視位置的周年變化，形成了太陽正午高度和白晝長度有規(guī)律的變化，并形成了地球上的四季和五帶。

地球的公轉(zhuǎn)運動

    地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動，叫做地球的公轉(zhuǎn)運動。由開普勒行星運動第一定律知道，其運動軌道是一個橢圓。不過，它的偏心率很小，很接近正圓。太陽位于這個橢圓的一個焦點上。地球到太陽的距離是有變化的。在近日點時，日地距離為1.47億公里，在遠日點時,日地距離為1.52億公里，日地平均距離為1.49公里?，F(xiàn)階段地球1月初經(jīng)過近日點，7月初經(jīng)過遠日點。

    地球公轉(zhuǎn)軌道是個橢圓，但其軌道平面與天球相截是個大圓圈。這個大圓圈稱為黃道。黃道有兩個極：北黃極和南黃極。從北黃極往下看地球的公轉(zhuǎn)運動，其運動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，是逆時針方向，亦即是自西向東的。

    地球的公轉(zhuǎn)周期是一年。地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)360°的時間間隔是一個恒星年，它等于365.25636日或365日6小時9分9.7秒。天文上通常所說的年是回歸年,它是太陽視運動兩次過春分點的時間間隔，等于365.25964日或365日5小時48分46.08秒,與恒星年很接近，只短0.01416日或20分24秒。

    由開普勒行星運動第二定律知道，地球的公轉(zhuǎn)速度與太陽的距離有關(guān)。地球在近日點時速度快，角速度為每日1°1′11″，線速度為每秒30.3公里；地球在遠日點時速度慢，角速度為每日57′11″，線速度為每秒29.3公里；平均角速度為每日59′8″，線速度為每秒29.8公里。由于地球公轉(zhuǎn)速度的快慢變化，就形成了自春分經(jīng)夏至秋分的半年（夏半年）中的日數(shù)多于自秋分經(jīng)冬至春分的半年（冬半年）中的日數(shù)，前者是186天，后者是179天。

天體視位置的周年變化

    一、太陽的周年視運動

    盡管，實際上是地球在圍繞太陽運動，但人在地球上不覺得地球繞太陽運動，只看見太陽在星空背景上沿黃道運動，其運動周期與地球的公轉(zhuǎn)周期相同。這種運動稱為太陽周年視運動，簡稱太陽視運動或太陽周年運動。

圖1黃道十二宮

    古代的天文學家早就發(fā)現(xiàn)，黃道上分布著12個星座，太陽每年都依照相同的順序通過這12個星座。古代巴比倫、希臘天文學家為了表示太陽在黃道上的位置，將黃道分為十二段，這十二段稱為黃道十二宮。在黃道上從春分點起，每隔30度為一宮。十二宮次序為：白羊?qū)m、金牛宮、雙子宮、巨蟹宮、獅子宮、室女宮、天秤宮、天蝎宮、人馬宮、摩羯宮、寶瓶宮和雙魚宮。

    在二千多年前，黃道十二宮與黃道上的十二個主要星座基本上一一對應。當時春分點在白羊?qū)m，稱為“白羊?qū)m第一點”。因為宮與星座基本相符，春分點自然也在白羊座。由于歲差的緣故，春分點的位置每年在黃道上西移約50.2角秒，二千多年來共西移30多度。這樣，千多年前在白羊座中的春分點現(xiàn)在已移至雙魚座，因而宮和星座已不吻合，或者說已向西錯后一個星座。

    就目前而言，太陽經(jīng)過黃道十二宮的時間大體如下表所示：

時下在一些人中流行愛說自己屬什么星座。這里所說的星座就是黃道十二宮里的星座。只要知道生日，對照以上時間表，就可知道對應的星座。比如生于5月16日，就屬于金牛座；生于是10月1日，就屬于天秤座。作為一種趣談，僅此而已，是可以的。不過，應當指出：一個人出生時太陽所經(jīng)過的星座與他的性格命運并無必然聯(lián)系，如果有人硬把它扯在一起，顯然是一種誤導。

   二、星空的周年變化

   留意觀看星空的人不難發(fā)現(xiàn)，星空不僅每晚在圍繞天軸作周日旋轉(zhuǎn)運動，而且不同季節(jié)的星空有明顯的不同。前者是由地球作周日自轉(zhuǎn)運動所引起的星空周日視運動，后者則是地球圍繞太陽作公轉(zhuǎn)運動所引起的星空周年變化?，F(xiàn)不妨舉幾個例子說明如下：

    如圖1所示，在一、二月間，太陽處于寶瓶座，地球處于獅子座，二者黃相差180度，人從地球上看來，太陽西落時寶瓶座剛好升起。這正是冬季星空的景象。

    在四、五月間，太陽處于金牛座，地球處于天蝎座，二者黃相差180度，人從地球上看來，太陽西落時金牛座剛好升起。這正是春季星空的景象。

    在七、八月間，與半年前一、二月間的情況相反，太陽處于獅子座，地球處于寶瓶座，二者黃相差180度，人從地球上看來，太陽西落時獅子座剛好升起。這正是夏季星空的景象。

    在十、十一月間，與半年前四、五月間的情況相反，太陽處于天蝎座，地球處于金牛座，二者黃相差180度，人從地球上看來，太陽西落時天蝎座剛好升起。這正是秋季星空的景象。

黃赤交角及其影響

   地球一邊公轉(zhuǎn)，一邊自轉(zhuǎn)。其公轉(zhuǎn)軌道平面黃道面與自轉(zhuǎn)軌道平面赤道面之間有一個交角，叫做黃赤交角。目前的黃赤交角是23°26′。地軸同公轉(zhuǎn)軌道平面黃道面斜交的角度為66°34′。黃道與天赤道相交于兩點：一個叫春分點，是太陽從天球南半球進入天球北半球與天赤道的交點；一個叫秋分點，是太陽從天球北半球進入天球南球與天赤道的交點。春分點和秋分點合稱二分點。在黃道上春分點與秋分點之間的中點，在天球北半球的稱為夏至點，在天球南半球的稱為冬至點。夏至點和冬至點合稱為二至點。

圖2地球公轉(zhuǎn)與四季變化

    在地球繞日公轉(zhuǎn)過程中，太陽有時直射在北半球，有時直射在南半球，有時直射在赤道上。太陽直射的范圍最北是北緯23°26′，最南是南緯23°26′。當太陽直射在北緯23°26′時，就是北半球的夏至日（6月22日前后）。以后，太陽直射點南移。到了9月23日太陽能直射在赤道上。這一天北半球的秋分日。12月22日前后，太陽直射在南緯23°26′。這一天是北半球的冬至日。以后，太陽直射點北返，當3月21日前后太陽能再次直射在赤道的這一天，是北半球的春分日。6月22日前后又直射到北緯23°26′。這樣，地球以一年為周期繞太陽運轉(zhuǎn)，太陽直射點相應地在南北回歸線往返移動。

正午太陽高度的變化

    太陽光線對于地平面的交角（即太陽在當?shù)氐难鼋牵?，叫做太陽的高度角，簡稱太陽高度。在太陽直射點上，太陽高度是90°；在晨昏線上，太陽高度是0°。太陽直射點南北移動，引起正午太陽高度的變化。正午太陽高度就是一日內(nèi)最大的太陽高度，它的大小是隨緯度不同和季節(jié)變化而有規(guī)律地變化著。

    地球上任一地點的太陽正午高度可用以下公式計算：

H=90°—│φ－δ│

式中H為太陽正午高度，φ為當?shù)氐牡乩砭暥?，δ為太陽能的赤緯，（任何一天的太陽赤緯δ都可在天文年歷上查到）。

    以二分日和二至日天津（39°06′N）為例：

    春、秋分日時，太陽直射赤道，δ=0°，

              H=90°—│39°06′－0│=50°54′

    夏至日時，太陽直射北回歸線，δ=23°26’，

              H=90°—│39°06′－23°26’│=74°20′

   冬至日時，太陽直射南回歸線，δ=—23°26’，

              H=90°—│39°06′+23°26’│=27°28′

晝夜長短的變化

    在計算地球上各緯度的實際晝長時，除太陽赤緯這個主要因素外，還必須考慮地球大氣對光線的折射和太陽視半徑這兩個因素的影響。

    天體的光線是穿過地球大氣層到達觀測者的。地球大氣的密度，在近地面較大，在高空較小。因此，光線從太空進入地球大氣后，必定要發(fā)生連續(xù)折射現(xiàn)象。使觀測者所看到的天體方向和沒有大氣時的方向不同，這兩個方向間的差值叫做大氣折射，或蒙氣差。如圖所示，大氣折射使天體的天頂距減小，高度增大。大氣折射對天體高度的影響在地平附近最大，其值約為35’。這就意味著，當天體還在地平以下35’時，我們就已經(jīng)看到它們在地平上了。

圖3地球大氣對陽光的折射

   恒星距地球非常遙遠，它們的視象是一個光點。但太陽卻不同，它有很大的視圓面，其平均視半徑約16’。通常認為，早晨太陽上邊緣剛接觸地平時為日出；傍晚太陽上邊緣剛?cè)氲仄綖槿諞]。

    基于上述兩個因素的影響，其總的效果是當太陽中心尚在地平以下51’的時候，即為日出日沒。在不考慮大氣折射和太陽視半徑這兩個因素的影響的情況下，通過解天文三角形，可以得到太陽在地平以上的時間，即晝長D為：

              D=（2/15）arccos（—tgφtgφ）

式中的δ為太陽赤緯，φ為地理緯度。在中學地理課程中所給出的晝長(見下表)就是由這個公式計算而得到的。

表1在二分點和二至點時處的不同緯度處的晝長

在考慮大氣折射和太陽視半徑這兩個因素的影響的情況下，計算晝長的公式修正為：

D=（2/15）arccos（—tgδtgφ—sin51’/cosδcosφ）

由此所得結(jié)果表明：在赤道上，全年平均晝長是12小時7分，夜長是11小時53分，隨著緯度升高，全年平均晝長增加，平均夜長減少。出現(xiàn)24小時白晝和24小時黑夜的緯度，并不在66°34’上，而是前者向赤道推進51’，即65°43’，后者向極地靠近51’，即67°25’。在兩極上，二分日也不是極晝期和極夜期的起止日期。極晝期都有兩天的提前和落后，極夜期都有三天的落后和提前。

    具體說，北極上極晝期開始于3月19日，結(jié)束于9月25日；極夜期開始于9月26日，結(jié)束于3月18日。南極上極晝期開始于9月21日，結(jié)束于3月23日；極夜期開始于3月24日，結(jié)束于9月20日。由于地球公轉(zhuǎn)速度在近日點（一月初）快，在遠日點（七月初）慢，所以在地球南北兩半球相同的緯度上，其極晝期和極夜期并不是相等的。極晝期，北半球多于南半球；極夜期，南半球多于北半球。

晨昏蒙影和白夜

    由于高空大氣對太陽光的散射作用，在日出以前，天空已有微弱的光亮，稱為晨光；在日沒后，天空仍有蒙朧的光亮，稱為昏影。晨光和昏影合稱晨昏蒙影。

    當太陽中心在平以下6°時稱為民用晨光始或民用昏影終，天頂附近的亮星開始消失或出現(xiàn)。從日出（或日沒）到太陽中心在地平以下6°的一段時間，一般不需照明，仍可工作。當?shù)教栔行脑诘仄揭韵?2°時，稱為海洋晨光始或海洋昏影終，海面水平線模糊可見。當?shù)教栔行脑诘仄揭韵?8°時，稱為天文晨光始或天文昏影終，這時天空完全黑暗，目視最亮星可以看到。

    在高緯度地區(qū)，民用蒙影不消失的夜晚稱為白夜。很明顯，在白夜的地區(qū)，必然是民用昏影剛結(jié)束，民用晨光隨即開始。當太陽下中天的高度正好等于民用晨昏蒙影所規(guī)定的太陽高度h時，則緯度φ的地區(qū)就有白夜發(fā)生。因此，發(fā)生白夜的條件必然是

—6°≤（90°—φ）—δ＜—51’

由此可見，出現(xiàn)白夜的地方比出現(xiàn)極晝夜的地方緯度更低。

四季的形成與劃分

    由于地球是斜著身子圍繞太陽能公轉(zhuǎn)的，這就造成了地球各處所接受的太陽輻射是隨時間有規(guī)律地變化的。地球表面單位面積上接受的太陽輻射的數(shù)量，取決于日地距離、太陽高度和晝長這三個因素。在這三個因素中，起主要作用的是太陽高度和晝長。日地距離由于變化不大，所起作用最小。地球在一月初過近日點時所獲得的太陽熱量僅比在七月初過遠日點時多6.9%，而在北半球，一月初正是最寒冷時期，七月初則是最炎熱時期。由此可見，日地距離的變化并不是形成夏季和冬季的決定因素，它只能對夏季的炎熱和冬季的寒冷起到有所增強和減弱的作用。

    地球上的季節(jié)變化，從天文現(xiàn)象來看，是晝夜長短和太陽高度的季節(jié)變化，這種變化取決于太陽直射點在緯度上的周年變化。從天文含義看四季，夏季就是一年內(nèi)白晝最長、太陽最高的季節(jié)；冬季就是一年內(nèi)白晝最短、太陽最低的季節(jié)；春秋二季就是冬夏兩季的過渡季節(jié)。

    我國傳統(tǒng)上以立春（2月4日或5日）、立夏（5月5日或6日）、立秋（8月7日或8日）、立冬（11月7日或8日）為起點來劃分四季。西方國家劃分四季則以春分、夏至、秋分、冬至分別作為春、夏、秋、冬四季的開始。

    上述天文四季的劃分方法，與各地實際氣候的遞變不一定符合。我國大部分地方立春時，在氣候上正處于隆冬；立秋時，氣候上還處于炎夏。為了使季節(jié)與氣候相吻合，現(xiàn)在北溫帶許多國家，運用氣候統(tǒng)計的方法，一般把3、4、5三個月劃為春季；6、7、8三個月劃為夏季；9、10、11三個月劃為秋季；12、1、2三個月劃分為冬季。

    此外還有一種劃分方法是以“候溫”（每五天為一候，候溫即每五天平均氣溫的平均值，全年劃為73候）作為劃分四季的標準。平均氣溫高于22℃的時期為夏季，平均氣溫低于10℃的時期為冬季，介于二者之間的時期為春季和秋季。以候溫確定季節(jié)性對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。例如，春始日期南京為3月22日，北京為4月1日，和兩地桃花初開的平均日期大致相同。

五帶的形成與劃分

   由于太陽輻射在緯度分布上有從低緯向高緯遞減的規(guī)律，導致地球上按緯度劃分為一個熱帶、兩個溫帶和兩個寒帶，共為五個熱量帶。五帶的分界線是南北回歸線和南北極圈，而回歸線和極圈的緯度是由黃赤交角決定的（回歸線的緯度=黃赤交角，極圈的緯度=90°—黃赤交角），因此，若黃赤交角發(fā)生變化，五帶的范圍就發(fā)生變化。

圖4五帶的劃分

    熱帶，包括南北回歸線之間的地帶，是一年內(nèi)太陽往返垂直照射的地區(qū)，晝長在10小時33分到13小時27分之間。其它地區(qū)太陽能全年斜射，晝長雖然有長過13小時23分，甚至長到半年的，但也有短于10小時33分，甚至半年為黑夜的時期。因此，全年各地所受太陽輻射都小于這個區(qū)域。這個區(qū)域被稱為熱帶，其面積占全球總面積的39.8%。

    溫帶，包括回歸線與極圈之間的地帶，一年內(nèi)太陽高度變化都比熱帶大，但又遠遠不及極圈到極點地區(qū)的變化大。太陽高度以從0°到90°，晝長變化從0小時到24小時。全年所受的太陽輻射少于熱帶而多于寒帶。所以，這個區(qū)域稱為溫帶。溫帶面積占全球總面積的52%。