为什么冬季地球处于太阳的近日点,却很寒冷;夏季地球处于太阳的远日点,反而很热?

这个问题还是挺有意思的,乍一看有一定的道理,但是经不住推敲,用高中的地理知识就可以解决。

根据开普勒三定律我们知道地球绕太阳运动的轨迹是一个椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点之上。每年的七月初地球会运动到远日点也就是椭圆轨道的长轴处,而在每年的一月初地球会运动到近日点椭圆轨道的短轴处。对于我们北半球来说,处在远日点是夏天,近日点是冬天;而对于南半球来说正相反,远日点是冬天,近日点是夏天。

由此可以知道地球上的春夏秋冬冷暖变化,跟距离太阳远近没有决定性的关系。这块我需要解释一下,这里说的没有决定性关系指得是近日点和远日点差别很小,距离产生的影响可以忽略。如果说把地球放在水星的位置和冥王星的位置,那么此时距离太阳的远近就是温度的决定性因素。

地球位于近日点距离太阳1.471亿千米,地球位远日点离太阳1.52亿千米,也就是说地球在距离太阳最近和最远的时候相差500万公里,这个距离与1.5亿公里相比并不大。

而主要影响地球温度的是太阳高度,这是一个专业名词指得是太阳的入射角度。当太阳的高度角为90°时,这个时候太阳的辐射强度是最最大的,当太阳斜射地面时,太阳辐射强度就小。这个表现出来的就是地球上冷热变化和四季交替,简单的理解就是地球上的四季是随着太阳直射点移动的。太阳直射点在哪个半球,哪个半球就会接受到更多的太阳辐射,温度就高一点。
图:太阳直射点处在南回归线十二月份,南半球为夏季,北半球为冬季


文/科学黑洞,图片来源网络侵删。

既然分别叫近日点和远日点,一定是到太阳的距离有差别,可实际上相差不大,相较于地球距太阳约1.5亿公里影响不大。四季变换是由于阳光在地球上的直射点的推移。

与直观印象相反,当地球运行到远日点的时候,北半球是夏季,近日点的时候是冬季,南半球相反,刚好对应近日点远日点。地球绕太阳运行是近似的圆形轨道,近日点距离太阳1.471亿公里,远日点1.52亿公里,也就相差500万公里,距离的影响并不是很大,距离地球一两千万公里的金星,外空间的温度并不比地球周围高多少,金星的高温主要是由于温室效应的崩溃。地球四季的形成是由于地球自转轴的关系,自转轴比较稳定,使得地球绕太阳公转的时候,阳光直射点在地球上南北回归线之间推移,直射的阳光相较于斜射的阳光更加分散,地面单位面积上获得的能量更高,对地面的加热左右比较明显,地面又将热量反射到大气中,大气中有二氧化碳和水蒸气,阻留了这部分热量,使大气升温。

历史上地球也不是一直距离地球这么远,现代的科学分析是地球在逐渐远离太阳,只不过很缓慢,每年可能也就几公分,然而在地球49亿年的历史中,由于月球的影响,地球对月球引力锁定,月球也在消耗地球运行的角动能,理论上地球角动量的减少会使地球逐渐接近太阳,但是由于太阳也由于太阳风在逐渐地丧失质量,而地球不断地吸引陨石、小行星撞击,还吸收太阳能量,质量在增加,多种因素作用下地球逐渐远离太阳,据科学家分析,在恐龙时代,地球每天自转只有18小时,而且地球距离太阳比现在近一些,现在每年偏移15公分左右,然而从恐龙时代到现在,地球的温度变化并没有大到生物不能接受。

目前影响地球温度的因素主要是阳光直射点,而在太阳系的演化历史中,未来某个时刻会由于太阳外层物质的膨胀而导致太阳风更加剧烈,对地球的加热作用更明显,大概十几亿年后地球就不再适合生物居住了。

冷热不取决于近日或远日,就太阳与地球的距离来说,这种差距可以忽略不计。冷热的决定因素是太阳照射地球某一点的角度。角度越大,气温越热;角度越小,气温越冷。如夏至时,太阳在北回归线上方,北回归线的照射角几乎90度,这时北半球获取的热量最高。相反,冬至时太阳在南回归线上方,北半球太阳照射角度最小,获取的热量也最少。许多人都知道一个简单的例子,用手电筒照射桌面,垂直时,光影最小,但最亮;倾斜照射,则光影随倾斜角度变化,倾角越小,光影面积越大,光度越暗。反之,倾角越大,光影面积越小,光度越亮。假设手电简发出的热量值是恒定的,那么光影越大,单位光影面积所分享的热量就越少;光影越小,单位光影面积所分享的热量越多。太阳同地球之间当然要比手电筒与桌面之间情况复杂得多,但基本原理相似。你明白了吗?

这个类似的问题之前小地回答过,但是这个问题有一定的误导性,下面且看小地的分析。

我们都知道地球是一个既不发光也不透明的椭球体,它在围绕太阳公转的同时也在围绕假想自转轴自转,一年四季的变换和昼夜的交替等分别与地球的公转和自转有关。

由于通过地心并分别连接南北极点的地轴与赤道平面(地球自转轨道面)垂直,地轴的北端始终指向北极星附近,而赤道平面与地球的公转轨道面(黄道面)形成了一个约为23°26′的黄赤交角,也就是说地轴与黄道面之交的交角为66°34’,二者互为余角。

正是由于赤道平面与黄道平面存在交角,因此太阳的直射点并不是一直在赤道上,而是在南北纬23°26′之间作周期性的往返运动。而地球在公转轨道上位置的不同,太阳直射点也就不同,以春分、夏至、秋分、冬至为例,春分日和秋分日太阳直射赤道,全球昼夜平分,南北两极无极昼极夜现象;夏至日太阳直射北回归线,北半球昼长夜短,且越往北昼越长夜越短,北极圈内出现极昼现象,而南半球则属于昼短夜长且越往南昼越短夜越长,在南极圈内出现极夜现象。

单就理论而言,地表温度的变化由获得的太阳辐射量决定。当太阳直射点位于北半球时,北半球获得的热量要比南半球多,因此北半球整体温度要比南半球高,为北半球的夏季;当太阳直射点位于南半球时,南半球所获得的热量要比北半球多,因此整体温度要比北半球高,为南半球的夏季。结合夏至日和冬至日太阳直射点的不同不难得出,除了赤道附近外,地球的南北半球理论上季节是相反的(值得说明的是,南半球海洋和陆地面积占比分别为80.9%和19.1%,温差变化相对较小)。

而当地球公转到远日点时,此时正好是7月初,太阳直射点由北回归线向南移动了约1.29°,日地距离约为1.521亿公里;而当地球公转到近日点时,此时恰好是1月初,太阳直射点由南回归线向北移动了约1.29°,日地距离约为1.471亿公里。由远日点的距离减去近日点的距离可以得出二者相差0.05亿公里,而这个距离差仅相当于日地平均距离149597870公里的3.342%,基本可以忽略不计。

综上所述,之所以说这个问题存在误导性,主要是因为没有说到地球所处的近日点或者远日温度的变化是相对于北半球还是南半球。而地球作为太阳系内距离太阳第三近的行星,其温度的变化与近日点和远日点关系甚微,主要还取决于太阳直射点的位置或者说是一年中太阳高度角的大小变化,比如夏季温度高、正午温度高。

以上内容,欢迎点评!

地球表面的冷暖与位于远日点还是近日点关系不大,与太阳直射的半球有密切关系。

由于地球绕太阳公转时,地球是倾斜着身体的,这就存在黄赤交角,就使到太阳不是一直直射赤道的,太阳的直射点在南北回归线之间来回移动,太阳直射点所在的半球气温就比较高,另一个半球气温就比较低。

以北半球为例,夏至一般在6月22日前后,太阳直射在北回归线上,此时北半球得到的太阳辐射最多,是比较热的月份,而此时地球却公转到接近远日点,南半球则是比较冷的月份。

冬至则相反,一般在12月22日前后是冬至,此时地球很接近近日点,但北半球的正午太阳高度角此时最小,地面得到的太阳辐射少,气温较低,而南半球此时气温接近最高。

因此说,具体的地点的气温高低主要是太阳的照射角度决定的,与地球离太阳的远近无关。但整个地球看,近日点得到的热量是比远日总多的。

现在回答这个问题真的是非常合时宜啊!地球刚刚经过了太阳的远日点不久,北半球这边已经迎来了一年当中最炎热的三伏天,而且是三伏中最热的中伏。想必大家已经深切的体会到太阳的威力了吧?

地球上的春夏秋冬四季是如何形成的呢?这是因为地球的自转轴和地球公转的轨道面有一个夹角。这个夹角是23.5°。因此地球在围绕太阳公转的时候处于不同的位置时,受到的太阳光照射的角度同造成了一年四季的温度差异。当地球的北半球倾向太阳时,阳光直射北半球,北半球就是夏天。与此同时的南半球偏离太阳,阳光斜射南半球,南半球就是冬天。

图示:四季的形成

有意思的是,地球围绕太阳旋转的轨道并不是一个完美的圆形,而是椭圆形。因此地球围绕太阳旋转的轨道就有一个远日点和近日点。地球轨道的远日点和近日点相差多少呢?地球在近日点的时候距离太阳大约是1.47亿公里;地球在远日点的时候距离太阳大约是1.52亿公里,两者之间相差了500万公里。

那么是不是地球在位于近日点的时候会很热,位于远日点的时候会很冷呢?事实上,地球在近日点和远日点之间相差的500万公里仅仅是日地平均距离的1/30 。这个差距对地球的气温影响是非常小的。

图示:地球近日点和远日点

问题是地球上的气温给我们的感觉是冬季的时候正好处于近日点,却很寒冷;而夏季地球正好处于远日点反而很炎热。这是为什么呢?可以说这是一种巧合。地球在7月初会通过远日点,此时我们身处的北半球正好倾向太阳,阳光直射北半球,正好是夏季。当地球在1月初通过近日点的时候,又正好是北半球的冬季。因此我们就会觉得,地球在远日点的时候气温反倒更加炎热;地球在近日点的时候却很寒冷。

这也恰恰说明了,地球的夏季和冬季的温度差异并不是由地球位于近日点或者远日点造成的。

我们不要忘记了,地球的北半球时炎热的夏季的时候,南半球却是寒冷的冬季。因此当南半球的冬季却正好位于地球的远日点上。南半球的夏季则正好位于地球的近日点上。不过夏季的时候位于远日点上也是给以陆地为主的北半球带来了一定好处的,否则北半球的夏天会更热一些。

图示:太阳的直射和斜射

不过北半球的夏天位于远日点的这种优势会在13000年后发生转变,那时候北半球的夏天就处于近日点上了,而南半球的夏天则会处在远日点上了。

现在,大家明白为什么冬天地球处在近日点上很寒冷,在远日点上去很热的原因了吧?原因就在于夏天的炎热和冬天的寒冷主要原因是太阳光的直射和斜射造成的季节变化,而不是地球位于近日点和远日点造成的。巧合的是我们有正好处在夏季位于远日点的北半球。是这样吧?

为什么冬季地球处于太阳的近日点,却很寒冷;夏季地球处于太阳的远日点,反而很热?

距离太阳近不是更热么?为什么近日点时北半球反而在冬季呢?其实这个知识点在初中地理中就已经交代的很清楚了,也许有太多的朋友遗忘了这个由来,咱就当来回到一次中学课堂吧!

北半球季节更替示意图,远日点是夏季,而近日点则是冬季,为什么会形成如此反常现象呢?也许我们得从如下几个方面来考虑:

一、远日点和近日点对地球获得太阳能有影响吗?

毫无疑问,这肯定是有的,那么影响有多大呢?

远日点距离为:15210千米

近日点距离为:14710千米

两者相差为500万千米,那么两者辐射值相差多少呢?以太阳辐射中心为球面的两个辐射值相差约为10%左右,准确的说,近日点时候比远日点多获得10%的太阳能!

但很明显,以上结论是反例,因为近日点时候北半球更冷了!

二、四季是如何形成的?

既然近日点与远日点的辐射无法作为参考值,那么我们来看看四季是如何形成的!

地球的四季是由于地球与黄道面存在一个23.5度的夹角所造成,因为当地球公转到不同角度的时候太阳直射在地球上的位置也是不一样的,我们都知道中午的太阳比较毒,而傍晚的太阳则红彤彤的,似乎力不从心,而事实上也确实如此,但这只是其中之一,真正的原因有两个:

1、太阳的直射与斜射

影响地球获得辐射能的一个重要因素是阳光照射的角度,那么不同角度影响有多大呢,直射条件下,阳光照射横截面积与地面获得辐射的比例是1:1的,那么在23.5度的北回归线上地面获得阳光照射为直射时多少呢?

冬至时北回归线正午太阳照射角度为43°08’,此时大约只有夏至时阳光照射强度的1/2.15,约一半不到一点,假如修正太阳近日点补偿一下,大约最多能到夏至时的1/2!

但这仅仅是考虑了真空条件下的阳光照射强度变化,而地球还有一个厚厚的大气层!

2、穿透大气层的厚度不一样

冬至和夏至阳光角度差异极大,那么穿越大气层的厚度会增加多少呢?当然冬至正午斜射并没有上图那么夸张,只是示意说明阳光穿越大气层的距离将大大增加,在北回归线冬至日大约要比夏至时距离增加约1.4-1.5倍!

整体上如上图,同样截面积的两个光斑,在北半球夏至时纬度不一样的区域投影面积差可不是一星半点,而是数倍大小,但总的辐射能是一样的,更大的面积意味着单位面积辐射能更小!

三、近日点时北半球冬天,南半球是夏天

因为地轴倾斜,因此在公转不同位置时太阳直射角度是不一样的,而北半球在近日点时是冬天,但此时的南半球则刚好是夏天,理论上来看,南半球的夏天由于被北半球的夏天更靠近太阳一些,因此南半球夏天时获得的太阳辐射要比北半球夏天要稍高!

整个四季中,最舒服的还是春秋季,因为此时太阳直射赤道,南北雨露均沾!但如果没有地轴倾斜的话,北极圈与南极圈的范围还要扩大,因为春秋季高纬度地区还是很冷的,假如没有夏季来均衡一下,也许俄罗斯大部分地区都是和居住!

这是一个很有趣的问题,但几乎没有人能够正确解答。

地球近日点(冬季)温度反而更低的直接原因是,此时地球处在最寒冷的公转轨道上。也就是说,太阳辐射的场能不是同心圆状,而是偏心的椭圆状;地球绕行的公转轨道上的温度就是不一样的。

而且,更为重要的是,地球绕行的公转轨道上的内、外两侧的温差也是很大的。即是,我们每天感觉晚上的温度明显比白天低的一个重要原因,就是这个轨道的外侧温度本来就很低,而地球自身的阴影是一个次要的原因。其直接证据是,如果公转轨道的内外两侧没有这样的温差,太阳就会通过绕射而照亮整个地球。如果这样,晚上的光线就会像我们白天呆在房子里的感觉一样窗明几净。

就像一列火车途径青岛(春)—海南(夏)—昆明(秋)—哈尔滨(东)一样,这些站点的温度是不一样的,虽然火车(相当于地球)每节车厢温度也不同、虽然火车温度也与太阳照射紧密相关,但这些站点(二十四节气在公转轨道上的位置)的温度也是不一样的。

——这列“火车(地球)”每年运行一趟,每次经过二十四个站点,周而复始。

行星围绕恒星公转轨道是椭圆,而这个椭圆,其实偏心率小得很,近似可以按照正圆处理了,所以可见,季节的变换,跟距离的远近关系并不是很大。

可能很多人一看到近日点远日点的就以为近日点远日点和太阳之间距离的差值很大,实际上,在近日点时,地球和太阳的距离1.47亿公里,而在远日点的时候,地球和太阳的距离为1.52亿公里,这个差距只有500万公里,可见并不大,至少跟日地平均距离1.5亿公里比起来的话,影响系数连5%都不到,可见距离的影响可以说是很小的。

既然这样,那么地球上分明的一年四季,到底是为什么呢?实际上,这主要还是跟地轴是倾斜的有关,如果地轴没有倾斜的话,可以说地球上几乎就是没有一年四季的。每年的1月3日左右,地球跟太阳的距离最近,大概是1.47亿公里,而每年的7月4日左右,地球跟太阳的距离最远,大概1.52亿公里。我们都知道,在我们北半球,近日点时地球是冬季,而远日点的时候,地球是夏季,按道理说地球跟太阳越近的时候,温度就应该越高,这个时候应该就是夏季,但是为什么是冬季呢?

其实是因为阳光的倾斜角不一样罢了,不只我们有不有这样的体验,那就是一天之中,早晨和傍晚的时候,气温相对低一些,而正中午的时候,气温则是一天之中最高的,其实这就是因为阳光的倾斜角不一样导致的,在早晨和傍晚的时候,阳光是倾斜照入地面的,这样单位面积上阳光的功率是不一样的,而正中午的时候,阳光正射地面,这个时候单位面积上阳光的功率就达到了最大了,所以就最热。

同样的道理,一年之中,当地球位于近日点附近的时候,太阳光的直射点在南半球,这个时候那么南半球就是夏天了,而对于身处北半球的我们,就是寒冷的冬天了。地球是围绕太阳以椭圆的轨道运转的,但是由于地球的地轴本身与黄道面有一个夹角,所以就意味着地球是歪着身子围绕太阳公转的,所以在一年之中的不同时刻,地球上某一特定地区的某个时间,阳光的倾角也是不尽相同的,总而言之,当阳光更接近于垂直入射的时候,天气就更热。另外,日照时间也是影响气温的一个因素,但是综合看来,阳光倾斜角的影响是主流,也正是因为这样,地球上才有分明的一年四季。

这只是针对北半球来说的,对于北半球来说,夏天的时候地球刚好在远日点,但很热,冬天时地球在近日点,但很冷。事实上在南半球,情况恰恰相反,南半球的夏天地球在近日点,冬天地球在远日点,所以一般来说北半球比南半球更适宜人类生存。不过说归说,地球的近日点和远日点相较于地球和太阳的距离来说是微不足道的,所以影响也很有限。

事实上影响天气冷热的关键因素不是地球与太阳之间的距离,而是每天接受太阳光照的时间。我们都知道夏天早晨早早的就天亮了,晚上也到很晚才会天黑,而到了冬天,天亮的迟,黑的早。这样造成的结果就是:夏天的光照时间要长于冬天的光照时间。

为什么会有这种情况呢?这是因为地球自转轴与太阳和地球的平面(黄道面)有一个23.5度的夹角,这个夹角造成了这种现象。而且纬度越高这种情况越明显,到了南北极圈里后甚至会出现极昼极夜现象!试想一下,半年时间全部被太阳光照射,半年时间全部是黑夜,这是一种怎样的体验?

正是由于白天太阳光的照射,地球积累了一定的热量,温度才会升高。事实上只要接受的热量大于散出的热量,温度就会不断升高,接受的热量小于散出的热量,温度就会不断降低。

说到这儿,相信大家就有所了解了。不过还有一个有趣的现象和这个结论有关。我们的老祖宗很早就发现并确认了冬至日和夏至日,事实上,冬至日的白天最短,夏至日的白天最长,但问题的关键在于:冬至日并不是一年中最冷的一天,夏至日也并不是一年中最热的一天,这是什么原因?这种现象与上面的结论并不冲突,因为夏至日之后的一段时间,热量收入虽然不断减少,但依旧是大于支出,同理,冬至日之后的几天热量收入虽然不断增加,但收入量依旧小于支出,原因就是这。在一天的温度中也能看出端倪,譬如一天中最热的时间并不是中午十二点,而是十二点之后几个小时,但十二点接受的太阳辐射是最多的,这种现象的原因与上述结论类似。

不过地球与太阳之间的距离对地球温度还是有一定影响的。事实上我们应该庆幸,庆幸自己生活在北半球。生活在南半球的人,夏天温度更高,冬天温度更低,从这点看来还是北半球更宜居。

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