時(shí)光荏苒，歲月如梭，仿佛轉(zhuǎn)眼之間，我們又迎來了2024年的冬至，正如我們所知，冬至了，就意味著寒冷冬季的來臨。

另一方面來講，地球是一顆圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的行星，由于地球的公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)橢圓，因此在地球的公轉(zhuǎn)過程中，它與太陽(yáng)的距離也在不斷地發(fā)生變化，有時(shí)遠(yuǎn)一些，有時(shí)近一些。那么問題就來了，在冬至的時(shí)候，地球與太陽(yáng)的距離是遠(yuǎn)還是近呢？

按常理來講，距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，地球接收到的太陽(yáng)輻射就越弱，據(jù)此我們似乎可以認(rèn)為，冬至來臨時(shí)，地球應(yīng)該距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)才對(duì)。

但實(shí)際情況卻并非如此，因?yàn)榭茖W(xué)家早已確定，地球運(yùn)行到近日點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，其實(shí)是每年的1月初，也就是說，冬至來臨時(shí)，地球卻即將抵達(dá)距離太陽(yáng)最近的位置。

既然如此，為什么我們卻在過寒冷的冬季呢？其實(shí)這是可以解釋的。首先來講，地球與太陽(yáng)的距離變化，確實(shí)會(huì)對(duì)地球表面的溫度造成影響，具體影響有多大呢？這是可以計(jì)算的。

根據(jù)平方反比定律，太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度與距離的平方成反比，已知地球在近日點(diǎn)距離太陽(yáng)約1.47億公里，而在遠(yuǎn)日點(diǎn)則約為1.52億公里，簡(jiǎn)單計(jì)算一下可知，地球與太陽(yáng)的距離變化，最多可以造成地球表面單位面積接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度出現(xiàn)大約7%的差異。

然而在地球上，還有一種機(jī)制可以對(duì)地球表面溫度造成更大的影響，是什么呢？答案就是：太陽(yáng)光在地球表面的入射角度的變化。

想象一個(gè)場(chǎng)景，現(xiàn)在你用一只手電筒照射地面，手電筒發(fā)出的光線在地面上形成一個(gè)光斑。在這種情況下，當(dāng)你調(diào)整手電筒光線的入射角度時(shí)，就可以觀察到，光斑的面積與光線的入射角度密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為，入射角度越傾斜，光斑的面積就越大，而當(dāng)光線與地面垂直時(shí)，光斑面積達(dá)到最小值。

這就說明了一個(gè)道理，即：在這個(gè)場(chǎng)景中，手電筒發(fā)出的光線相對(duì)于地面越傾斜，光斑上的單位面積接收到的光通量就越少，反之亦然，而當(dāng)光線垂直入射時(shí)，光斑面積最小，其單位面積接收到的光通量就可以達(dá)到最大值。

實(shí)際上，這個(gè)道理同樣也適用于地球，我們可以簡(jiǎn)單地將其理解為，對(duì)于地球表面的一個(gè)特定區(qū)域來講，太陽(yáng)光相對(duì)于地面越傾斜，其單位面積接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度就越弱，反之亦然，而當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射時(shí)，其單位面積接收到的太陽(yáng)輻射就可以達(dá)到最大值。

需要知道的是，由于地球的自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于黃道面（即地球公轉(zhuǎn)軌道所在的平面）有一個(gè)大約23.44度的傾角，這就造成了在地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過程中，太陽(yáng)光在地球表面的直射區(qū)域，會(huì)在一個(gè)特定的緯度范圍出現(xiàn)周期性的南北移動(dòng)，通常來講，我們將其最北的界線稱為北回歸線，最南的界線稱為南回歸線。

也就是說，隨著地球的公轉(zhuǎn)，對(duì)于地球表面同一個(gè)區(qū)域來講，太陽(yáng)光的入射角度其實(shí)也在變化，根據(jù)前面提到的道理，其單位面積接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，其表面溫度當(dāng)然也會(huì)受到影響，具體有多大影響呢？這也是可以計(jì)算的。

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度因?yàn)槿肷浣嵌鹊淖兓?，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式“I = I0 * sin(h)”來進(jìn)行描述，其中“I”為地面單位面積接收到的實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，“I0”為太陽(yáng)光垂直于地面時(shí)的，地面單位面積接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，“h”為太陽(yáng)高度角（正午時(shí)，下同），“sin”為正弦函數(shù)。

以北回歸線為例，每年夏至，這里是太陽(yáng)光在地球表面的直射區(qū)域，此時(shí)太陽(yáng)光垂直于地面，而每年冬至，太陽(yáng)光在地球表面的直射區(qū)域則在南回歸線，而此時(shí)這里的太陽(yáng)高度角則大約為43度。

簡(jiǎn)單計(jì)算可知，隨著太陽(yáng)光在地球表面的入射角度的變化，其地表單位面積太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在一年內(nèi)的變化幅度，可以達(dá)到大約32%。

需要指出的是，根據(jù)緯度的不同，這種變化的幅度也不一樣，緯度越高，幅度越大，以至于在極地區(qū)域，甚至?xí)霈F(xiàn)極夜期間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度接近零的情況，反過來講，緯度越低，幅度也就越小，而在赤道附近，由于太陽(yáng)高度角全年變化不大，這種變化的幅度也就相對(duì)很小。

盡管如此，我們也可以清楚地看到，與地球與太陽(yáng)的距離變化相比，太陽(yáng)光在地球表面的入射角度的變化所造成的影響顯然要大得多，所以后者才是影響地球四季變化的主要原因。

綜上所述可知，在冬至來臨之時(shí)，盡管地球即將抵達(dá)距離太陽(yáng)最近的位置，但由于此時(shí)太陽(yáng)光的直射區(qū)域在南半球，而對(duì)于北半球來講，太陽(yáng)光的入射角度卻傾斜得很厲害，這就使得北半球單位面積接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度很弱，溫度自然也就比其他的時(shí)候更低，所以我們就在過寒冷的冬季。

是的，當(dāng)生活在北半球的我們?cè)谶^寒冷的冬季時(shí)，生活在南半球的人們卻在過炎熱的夏季。

看到這里，可能有人會(huì)問了，如果真是這樣的話，那南半球的夏季距離太陽(yáng)更近，冬季則距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，如此一來，那里的夏季就應(yīng)該比北半球更熱，冬季則會(huì)更冷，但實(shí)際情況卻似乎并非如此，這又是為什么呢？

其實(shí)這也是可以解釋的，簡(jiǎn)單來講，最主要的原因其實(shí)就是海陸分布的不同。

由于南半球的海洋面積比北半球大得多，而海洋的比熱容比陸地更高，這意味著在質(zhì)量相同的條件下，海洋吸收或釋放單位溫度變化所需的熱量比陸地更多，因此在同等太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的情況下，南半球夏季的升溫和冬季的降溫幅度就應(yīng)該比北半球更小。

但實(shí)際上，由于地球與太陽(yáng)的距離變化，南半球的夏季接收到的太陽(yáng)輻射要強(qiáng)一些，冬季接收到的太陽(yáng)輻射則要弱一些，如此一來，從整體上來講，南半球夏季和冬季，也就與北半球差不多了。不得不說，作為人類在宇宙中唯一的家園，地球的“設(shè)計(jì)”真是非常奇妙，你覺得呢？