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“吃了冬至面,一天长一线”,不同于其他节日,冬至是一个兼具了人文和自然双重内涵的节气。首先,作为二十四节气之一的冬至,是我国民间流传已久的传统佳节,这也大多数人对它的认识。其次,从天文角度来说,冬至是太阳在这一天运行到了冬至点(黄经270°)的时候。那么,为什么冬至后太阳向北移动,天气反而变得越来越冷?
冬至后的地球逐渐接近近日点
众所周知,地球围绕太阳进行运转的无形轨道,其实并不是一个正圆形,而是一个近似正圆的椭圆形。其特殊的轨道特征产生了两个特殊的点,它们分别是地球与太阳位置最近的近日点,以及地球和太阳位置最远的远日点。而冬至之后,地球的实际运行位置便是和近日点越来越近。
地球会在每年一月初的时候经过近日点,此时地球和其母恒星太阳之间的距离小与1个天文单位,大约为1.46亿公里;而每年的7月初,则是地球经过远日点的时间,地球和太阳的距离又会比一个天文单位长一点,大约是1.52亿公里的样子。
为什么距离近了天气却冷了?
放眼整个太阳系,围绕太阳进行公转的星球并不是只有地球,每个星球的偏心率又存在较大差异。事实上,只有那些绕太阳公转、且具有较高偏心率的星球,才可能因为行星移动到了近日点后给星球上的温度带来较大影响。而地球运转轨道的离心率太小,并且,位于近日点的地球还会以比平时更快的速度进行移动。
其次,我们可以直接将地球位于近日点和远日点之间的距离进行比较,前者1.46亿公里的距离和后者1.52亿公里的距离,大约只相差了0.06亿公里。将这个差值放在地日的平均距离来看,这样微小的距离差异,当然不会让地球接收到的太阳热量因此而发生太大的变化。
之所以北半球会从夏至开始变得天气炎热,是因为地球赤道平面和轨道平面间23.5度的夹角,直射北回归线的太阳让北半球拥有了更多热量倾斜。当地球位于近日点的时候,地球的北半球是冬季、南半球是夏季;当地球位于远日点的时候,地球的北半球是夏季,南半球是冬季。
简而言之,地球上的温度高低,并不会因为地球靠近近日点而变得温暖,也不会因为地球接近远日点而变得更加寒冷。因为,地球上的一年四季,跟地球和太阳之间的距离值并没有什么直接关系,而是始于地轴本身的倾斜。
地日距离影响两个半球冬季的长度
就像刚刚说到的那样,地球上四季的形成,始于地球围绕太阳旋转的轴是倾斜的,我们经历的冬天,也没有因为地球靠近近日点而变得温暖。但是,由于地球存在着每年一月都会运行到近日点这一现象,从而导致了南半球的冬季会比北半球的冬季少出5天的时间。
偏离恒星的另一个地球半球只能接收到较少的阳光,而这两个半球的位置互换周期大约是6个月左右的时间。因此,地球的两个半球存在着明显的季节差异性,当指向太阳的半球正值夏季的时候,那么另一个稍微偏离太阳的半球便正是寒冬时节。北半球的冬至,代表的是太阳在天空中位置的最低点、一年中时间最短的一天,以及冬季的开始。
开普勒运动定律表示,绕行物体总是会在相等的时间里扫除同等大小的区域。换而言之,地球和太阳之间的距离变化,会导致地球的运行速度也随之而改变。位于近日点时的地球运行速度(北半球冬至和春分之间的时间)会比位于远日点的时候(南半球冬至和春分之间的时间)速度略快一些。而这两个半球在该段时间的差异,则大约为5天左右。
关于地球和太阳之间的位置关系
太阳是整个太阳系中当之无愧的核心天体,不管是大家熟悉的八大行星,还是其他小行星和彗星这样的星体,它们都会从不同的距离尺度上围绕太阳进行公转。在围绕公转的所有星体里面,其中与太阳距离位置最近的运行轨道,当属水星大约4700万公里的椭圆轨道。
而距离最远的奥尔特云中的物体,则大约与太阳相距15万亿公里左右。那么,我们的地球和太阳之间到底有多远?我们可以将地球和奥尔特云进行比较。事实上,地球绕太阳公转的运行轨道大约是149597870公里,这比奥尔特云近了大约10万倍左右。而天文领域中常用到的天文单位,其实指的就是地球和太阳之间的平均距离值。
当我们的地球围绕太阳公转运动的时候,其经过的每一个点在同一个平面上形成了封闭曲线。也就是大家现在所了解到的,一个近似正圆的椭圆形状公转轨道,而太阳的位置就在这个椭圆的一个焦点上。并且,地球围绕太阳公转的位置,其实并不是太阳的中心处,而是地球和太阳之间的公共质量中心。
为什么很多人都对此并不了解?因为地球的质量和太阳相比太过渺小,前者质量仅为后者的三十三万分之一左右。与此同时,地球和太阳之间的公共质量中心,与很多人以为的太阳中心也只相距450千米的样子。与太阳本身70万千米左右的半径相比,这个微小的距离差简直不值一提。这便是为什么,即使很多人将地球的公转活动视为地球围绕太阳中心运行,也没有跟实际情况相差太远的根本原因。
简单总结一下:
1.即便地球和太阳之间的距离,会从冬至之后开始变得越来越近,但这并不会让正值冬季的人们感受到温度的上升。
2.虽然地球和太阳之间的距离不会带来太大的温度变化,但由于地球会在靠近太阳和远离太阳时以不同的速度进行移动,从而导致了北半球的冬季比南半球多出5天左右。
3.地球的椭圆公转轨道上,之所以会形成近日点(地球靠近太阳)和远日点(地球远离太阳),本质上是因为地球的运转轨道是椭圆形,且拥有较小的轨道偏心率。