冬至後的地球明明在向太陽靠近,為什麼我們的天氣卻變得更冷了?

冬至後的地球明明在向太陽靠近,為什麼我們的天氣卻變得更冷了?

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽

作者:石蘭(抄襲必究)

“吃了冬至面,一天長一線”,不同於其他節日,冬至是一個兼具了人文和自然雙重內涵的節氣。首先,作為二十四節氣之一的冬至,是我國民間流傳已久的傳統佳節,這也大多數人對它的認識。其次,從天文角度來說,冬至是太陽在這一天執行到了冬至點(黃經270°)的時候。那麼,為什麼冬至後太陽向北移動,天氣反而變得越來越冷?

冬至後的地球明明在向太陽靠近,為什麼我們的天氣卻變得更冷了?

冬至後的地球逐漸接近近日點

眾所周知,地球圍繞太陽進行運轉的無形軌道,其實並不是一個正圓形,而是一個近似正圓的橢圓形。其特殊的軌道特徵產生了兩個特殊的點,它們分別是地球與太陽位置最近的近日點,以及地球和太陽位置最遠的遠日點。而冬至之後,地球的實際執行位置便是和近日點越來越近。

地球會在每年一月初的時候經過近日點,此時地球和其母恆星太陽之間的距離小與1個天文單位,大約為1。46億公里;而每年的7月初,則是地球經過遠日點的時間,地球和太陽的距離又會比一個天文單位長一點,大約是1。52億公里的樣子。

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為什麼距離近了天氣卻冷了?

放眼整個太陽系,圍繞太陽進行公轉的星球並不是只有地球,每個星球的偏心率又存在較大差異。事實上,只有那些繞太陽公轉、且具有較高偏心率的星球,才可能因為行星移動到了近日點後給星球上的溫度帶來較大影響。而地球運轉軌道的離心率太小,並且,位於近日點的地球還會以比平時更快的速度進行移動。

其次,我們可以直接將地球位於近日點和遠日點之間的距離進行比較,前者1。46億公里的距離和後者1。52億公里的距離,大約只相差了0。06億公里。將這個差值放在地日的平均距離來看,這樣微小的距離差異,當然不會讓地球接收到的太陽熱量因此而發生太大的變化。

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之所以北半球會從夏至開始變得天氣炎熱,是因為地球赤道平面和軌道平面間23。5度的夾角,直射北迴歸線的太陽讓北半球擁有了更多熱量傾斜。當地球位於近日點的時候,地球的北半球是冬季、南半球是夏季;當地球位於遠日點的時候,地球的北半球是夏季,南半球是冬季。

簡而言之,地球上的溫度高低,並不會因為地球靠近近日點而變得溫暖,也不會因為地球接近遠日點而變得更加寒冷。因為,地球上的一年四季,跟地球和太陽之間的距離值並沒有什麼直接關係,而是始於地軸本身的傾斜。

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地日距離影響兩個半球冬季的長度

就像剛剛說到的那樣,地球上四季的形成,始於地球圍繞太陽旋轉的軸是傾斜的,我們經歷的冬天,也沒有因為地球靠近近日點而變得溫暖。但是,由於地球存在著每年一月都會執行到近日點這一現象,從而導致了南半球的冬季會比北半球的冬季少出5天的時間。

偏離恆星的另一個地球半球只能接收到較少的陽光,而這兩個半球的位置互換週期大約是6個月左右的時間。因此,地球的兩個半球存在著明顯的季節差異性,當指向太陽的半球正值夏季的時候,那麼另一個稍微偏離太陽的半球便正是寒冬時節。北半球的冬至,代表的是太陽在天空中位置的最低點、一年中時間最短的一天,以及冬季的開始。

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開普勒運動定律表示,繞行物體總是會在相等的時間裡掃除同等大小的區域。換而言之,地球和太陽之間的距離變化,會導致地球的執行速度也隨之而改變。位於近日點時的地球執行速度(北半球冬至和春分之間的時間)會比位於遠日點的時候(南半球冬至和春分之間的時間)速度略快一些。而這兩個半球在該段時間的差異,則大約為5天左右。

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關於地球和太陽之間的位置關係

太陽是整個太陽系中當之無愧的核心天體,不管是大家熟悉的八大行星,還是其他小行星和彗星這樣的星體,它們都會從不同的距離尺度上圍繞太陽進行公轉。在圍繞公轉的所有星體裡面,其中與太陽距離位置最近的執行軌道,當屬水星大約4700萬公里的橢圓軌道。

而距離最遠的奧爾特雲中的物體,則大約與太陽相距15萬億公里左右。那麼,我們的地球和太陽之間到底有多遠?我們可以將地球和奧爾特雲進行比較。事實上,地球繞太陽公轉的執行軌道大約是149597870公里,這比奧爾特雲近了大約10萬倍左右。而天文領域中常用到的天文單位,其實指的就是地球和太陽之間的平均距離值。

冬至後的地球明明在向太陽靠近,為什麼我們的天氣卻變得更冷了?

當我們的地球圍繞太陽公轉運動的時候,其經過的每一個點在同一個平面上形成了封閉曲線。也就是大家現在所瞭解到的,一個近似正圓的橢圓形狀公轉軌道,而太陽的位置就在這個橢圓的一個焦點上。並且,地球圍繞太陽公轉的位置,其實並不是太陽的中心處,而是地球和太陽之間的公共質量中心。

為什麼很多人都對此並不瞭解?因為地球的質量和太陽相比太過渺小,前者質量僅為後者的三十三萬分之一左右。與此同時,地球和太陽之間的公共質量中心,與很多人以為的太陽中心也只相距450千米的樣子。與太陽本身70萬千米左右的半徑相比,這個微小的距離差簡直不值一提。這便是為什麼,即使很多人將地球的公轉活動視為地球圍繞太陽中心執行,也沒有跟實際情況相差太遠的根本原因。

冬至後的地球明明在向太陽靠近,為什麼我們的天氣卻變得更冷了?

簡單總結一下:

1。即便地球和太陽之間的距離,會從冬至之後開始變得越來越近,但這並不會讓正值冬季的人們感受到溫度的上升。

2。雖然地球和太陽之間的距離不會帶來太大的溫度變化,但由於地球會在靠近太陽和遠離太陽時以不同的速度進行移動,從而導致了北半球的冬季比南半球多出5天左右。

3。地球的橢圓公轉軌道上,之所以會形成近日點(地球靠近太陽)和遠日點(地球遠離太陽),本質上是因為地球的運轉軌道是橢圓形,且擁有較小的軌道偏心率。