「你越聰明，就越需要學習。」——唐·赫羅德
昨天晚飯問了朋友一個問題：地球上的四季變化是咋來的？她說：我地理學的不好，不是很清楚！我說：這跟地理有啥關係啊，我們就生活在地球上，這是常識問題！可能因為我提到了常識二字，她思考了一會說：那會不會是跟地球的橢圓軌道有關啊，地球有時離太陽近，有時離太陽遠！這....!
所以我們今天就聊下地球的四季變化！
我們都知道，在一年中北半球和南半球的溫帶地區會經歷兩種溫度截然不同的季節：
毫無疑問，夏至和冬至期間太陽變現出來的活動差異非常明顯。
全球大部分人都集中在溫帶地區，也就是緯度大於23.26°，小於66.34°的地方，其他的緯度就屬於熱帶和寒帶了，這也是很多小夥伴說，地球哪裡有四季啊，我們這常年恆溫，要麼熱的要命要麼冷的要命，這是因為你處的地方溫度變化不明顯！
所以我們討論四季都說的溫帶地區，相信處在溫帶地區的小夥伴應該能記得夏至這一天，太陽幾乎就處在我們頭頂暴曬，也是一年中白天最長的一天。而另一方面，到了冬至的時候，太陽在地平線上最高的高度比夏至時整整低了46.8°，這一天也是全年中白天最短的一天！
這不僅是我們很明顯就能看出來的差異，也是很明顯能感覺到溫度的差異!
當太陽在夏至直射頭頂時，我們真真切切能感覺到它比在冬至靠近地平線時溫度更高、活動更加強烈。所以問題就是，夏至和冬至太陽和我們距離不一樣？是橢圓軌道的問題？會不會是太陽本身的光度更強了？那麼是什麼原因導致了地球溫度的巨大差異？下面我們就分析這些問題。
之前有很多關於恆星演化的文章，很多小夥伴已經聽說過很多關於太陽自身的變化，以及太陽輻照度隨時間的變化。
其實太陽的亮度會隨著時間的推移而變化，但這些變化在很短的時間內十分微小！基本可以忽略不計（如果再過10億年的話，就不能這麼說了）！就平均而言，在地球大氣層的頂部，當太陽釋放出最低能量時，我們從太陽接收到的單位面積能量是1365.5瓦/米^2，當太陽發出最高能量時，是1366.5瓦/米^2。
換句話說，太陽的輸出能量確實是在變化，但根據已有的記錄，太陽的光度只變化了0.1%！這真的太小了，不足以對我們的感覺產生任何影響。
地球的軌道確實不是一個完美的圓，而是一個橢圓軌道！那有沒有可能，當地球離太陽更近的時候，產生的額外的輻射會讓我們感受到溫度的變化呢？
這個影響也非常小。但是我們離太陽最近的時候，我們接收到的光比離太陽最遠的時候強了6%（光的強度與距離的平方成反比）。6%確實比0.1%大了很多，但仍然可以忽略不計，因為當地球離太陽最遠的時候，我們的夏天一樣很熱啊！那麼是什麼原因導致了地球的四季和溫度變化呢？
我們首先要知道的是，地球單位時間、單位面積接受到太陽光的能量是一定的，那就是1366瓦，其中0.1%的變化是由太陽的固有性質導致的，6%的變化是由於地球和太陽的距離導致的。
當太陽的光線直射地球時，首先1366瓦/m^2的能量要先穿過大氣層，然後才能照射到地面，被大地吸收。
如果這時地面和太陽光有一個角度會怎麼樣呢？導致的結果就是單位面積內的能量會被分散到更大的面積！
如果你還記得三角函數的話，那麼你現在所在的位置，每單位接收到太陽的能量就等於：太陽能量的初始值（1366±0.1%±6%）除以天頂角的餘弦值!
那麼上面討論的6.1%的能量差異最多只相當於天頂角3.5°的差異，所以太陽光入射角度的變化就是溫度變化的主要原因。而地球的軸向傾斜就意味著太陽在公轉過程中南北半球會以不同的角度朝向太陽，這就帶來了四季的變化！
但這還不足以解釋為什麼冬天的太陽相比於夏天，或者早晨（傍晚）的太陽相比於正中午，會明顯變暗！給人的直觀感覺就是太陽活動不那麼強烈了、陽光也那麼不刺眼了！
上面已經說過有兩個原因，太陽的能量被分散到更大的面積上，這只是其中之一。另一個就是：太陽光要到達地面或者我們眼睛，必須經過大氣層！下圖：
大氣層是個好東西，不僅能供我們呼吸！還能有效地散射輻射，尤其時越厚的大氣對光的散射能力越強！當太陽以90°垂直照射地面時，太陽光「只」會穿過100公里的大氣層。如果太陽以45°角斜射地面時，陽光將會穿過141公里的大氣層，強度會進一步降低。
假如你在北緯（南緯）大約45°，陽光在夏至的中午只會穿過108公里的大氣層，但在冬至中午卻高達272公里，幾乎是夏至的三倍！
這也解釋為什麼日出和日落時，太陽是紅色的，而且溫度也會降低！所以地球溫度的變化導致的四季變化，並不是我們離太陽的距離變近或者變遠導致的，也不是我們太陽本身的變化導致了輸出能量的變化造成的，而是取決於太陽光線照射地球的角度，以及陽光穿過了多少大氣層導致的！