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原作：Daniel V. Schroeder
翻譯：周學雲
校譯：牧夫天文校對組
編排：李子琦
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤
https://physics.weber.edu/schroeder/ua/SunAndSeasons.html
去燕還回，枯柳還青
時光匆匆，四季更替，原因幾何（上）
「
「燕子去了，有再來的時候；楊柳枯了，有再青的時候；桃花謝了，有再開的時候。」每當冬天來臨，我們同時也知道春天並不遠了——四季交替輪迴，背後的機理你真的清楚了嗎？
對生活在地球上的我們來說，迄今為止最重要的天體還是太陽。它提供了我們賴以生存的陽光和溫暖，它的運動形成了晝夜、四季以及地球上各種不同的氣候。
太陽的周日視運動
這是一張多重曝光合成的照片，拍攝於北半球中緯度地區，當時太陽正在西北方向下落。照片顯示出太陽和恆星具有相同的對角線運行軌跡。
每一天，作為恆星的太陽都以相同的方式穿越我們的天空，它升起於東方地平線某處，下落於西方地平線某處。對於生活在北半球中緯度的人來說（例如亞洲、歐洲、北美和北非的大部分地區），正午的太陽總是處於南方天空的某個位置。
但是，如果你幾周內甚至幾個月持續關注太陽，你就會發現，其實太陽的軌跡和其它任何一顆恆星都不完全相同。首先，太陽繞地球轉一圈（在天球運動一周）需要24小時整，而不是恆星的23小時56分鐘。顯然，我們是根據太陽而不是恆星的運動來定義我們的一天（註：在天文學上，這叫做太陽日。恆星每23小時56分鐘運動一周，則被叫做恆星日）。
此外，太陽在天空中路徑的位置隨著季節的變化而變化。下面這幅電腦生成的圖像顯示了在北半球中緯度觀察到的東方天空。
這張電腦模擬多重曝光的圖像，顯示了2010年每個月的第21天太陽從東方天空升起的路徑。圖中的7條路徑從左到右依次為6月到12月，緯度設定值為北緯41°(右上角軌跡彎曲是由繪圖的投影效應造成的，即把半球形天空繪製到一張平面半圓圖上所不可避免的扭曲)。
除早晨之外，其它時間太陽在天空的軌跡也一樣，6月份（夏天）偏北，12月份（冬天）偏南。總而言之：
每天太陽都要在天球轉一圈，但是一年中不同時間，軌跡圈是不一樣的：6月的夏至日極北，12月的冬至日極南。3月的春分和9月的秋分沿天赤道，從正東方升起，正西方下落。每年的春、秋分具體日期略有不同，但是基本上都在3月20日和9月22日前後。
Ø 春分過後，太陽軌跡逐漸向北移動，夏至（通常為6月21日），從正東偏北升起，正西偏北落下。對於北半球中緯度的觀測者來說，正午的太陽仍然在南方天空，但是高度要比春秋分時高得多。
Ø 夏至過後，太陽軌跡開始逐步向南移動，秋分再次到達天球赤道，並繼續向南，一直到冬至（通常為12月21日）到達極南處，此時，太陽從正東偏南升起，正西偏南落下。對於北半球中緯度的觀測者來說，正午太陽到達一年中的最低處。
第勒尼安海（北緯40°）上冬至日太陽的軌跡，可以看到正午太陽高度很低
圖源: Danilo Pivato
下圖顯示了太陽在天球的三條運動軌跡，觀測地點同樣為北緯41°。在春秋分，太陽在天球的軌跡圓正好一半位於地平線以上，6月夏至有一多半，12月冬至只有一少半，這也正是北半球6月份（夏季）白晝要遠比12月份（冬季）長的原因。
太陽每天沿天球運動一圈，但一年中不同時間軌跡並不相同。圖中由左上到右下分別是太陽夏至（最偏北）、春秋分（與天赤道重合）、冬至（最偏南）的三條運動軌跡。
四季的成因
日照時間長是夏季比冬季熱的原因之一，但是，還有一個更為重要的原因：正午太陽高度角。如下圖所示，6月的正午太陽高度角要比12月大很多，這意味著陽光更加直接照射地面，換言之，6月地面獲得的陽光能量密度更大，熱量更加集中。
陽光照射地面的強度取決於太陽高度角。較小的高度角會使得同樣的陽光能量散布在較大的面積上，因此地面受熱較少。這裡展示的是北緯41°上的正午太陽高度角，左側為6月的太陽光，高度角大、照射面積小、地面受熱多；右側為12月的太陽光，高度角小、照射面積大、地面受熱少。
多數人都有一個誤解，認為夏天太陽離地球更近，所以很熱。事實恰恰相反，地球在1月份左右，也就是北半球的冬天，到達其公轉軌道的近日點。但是，地球公轉軌道的偏心率其實並不大，接近正圓，所以地球和太陽的距離並不是影響氣溫的主要因素，一年中太陽高度角的變化才是四季形成的主要原因，另外一個次要因素就是剛才提到的日照時間。
下篇我們將會詳細講解太陽的周年視運動軌跡（黃道）、十二星座、地球上不同溫度帶的劃分以及太陽的顏色、視大小等問題，敬請期待下周四的推文。
[注]：文章中關於二分、二至的時間都是以北半球而言的。
責任編輯：馬玥
牧夫新媒體編輯部
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