刚刚经历了一个月的雨季，转眼间就是炎热的夏天，就像背上背着一个烤箱。现在很怀念江南秋高气爽的季节。但是季节变化是有规律的，所以我们不得不躲在空房间里躲避这个炎热的季节。那么季节变换的背后有什么玄机呢？详细听我说。
四季变化树
先说地球的运动。地球有两种基本运动:自转和绕太阳公转。其中地球围绕地轴旋转，然后就出现了昼夜交替的循环。另一个是地球以椭圆轨道围绕太阳旋转。从地球到太阳的平均距离约为1.5亿公里。因为地球轨道不是标准圆，所以一年内中日之间会有变化。每年的1月3日，地球距离太阳约1.473亿公里，是一年中离太阳最近的位置，称为近日点。半年后的7月4日，地球距离太阳约1.521亿公里，是一年中离太阳最远的地方，称为远地点。可能有人会认为，在近日点，地球吸收的太阳辐射能量更多，应该很热。但事实是我们的一月是冬天——很冷，那么季节性气温变化的原因是什么呢？
近日点和远日点示意图
小时候总听老人说:“夏天来了，天渐渐长了。”冬天的时候，我会感叹:“这一天真短。”其实老人说的“日”指的是一天的持续时间，这也说明了一天的持续时间会从夏天变成冬天。此外，从夏天到冬天，太阳的高度会发生变化。比如，芝加哥人在6月下旬的中午看到最高的太阳，夏天去秋来，中午太阳的高度会变低，每天太阳会更早落山。
在北半球春分、夏至、冬至的同时，太阳观测太阳的高度。
太阳高度的变化会对地表吸收的能量产生影响，主要表现在两个方面。第一，当太阳刚好在头顶(90度角)时，太阳的光线最集中，最强烈。太阳角度越低，光照面积越大，强度越低。第二，太阳的高度决定了太阳光线穿过大气层的路径长度:当太阳刚好在头顶时，光线以90度角穿过大气层，以最短的路径到达地面，这个距离被定义为一个大气厚度。当光线以30度角进入大气层时，到达地面的路径会加倍。当光以5度角进入大气时，到达前方的路径将达到约11个大气厚度。穿过大气层的路径越长，太阳光被大气层散射的程度越大，以至于到达地面的太阳光强度变弱。比如我们很难直视中午的太阳，但我们可以凝视夕阳。
太阳高度角示意图
但重要的是地球是球形的。因此，在某一天，只有某些特定的纬度才能接收到垂直的阳光。当这个纬度随着地球自转而移动时，太阳光的角度就会减小。因此，越靠近能接收到垂直太阳光线的纬度，中午太阳的高度角越大，能接收到的太阳辐射越集中。一般来说，决定一个地方接收太阳能多少的最重要原因是太阳光线照射地面的角度变化和一天的持续时间。
在不同的维度，太阳的高度(角度)在同一天发生变化
那么是什么导致了一年中太阳高度角和日长的变化呢？这种变化是由地球相对于太阳的方位不断变化引起的。地轴不垂直于其绕太阳运行的轨道平面，也就是所谓的黄道面，从垂直角度倾斜约23.5°，也就是说地轴是倾斜的。如果地轴不倾斜，就没有季节的概念。因为地轴总是指向一个固定的方向(指向北极星)，所以对于太阳光线，地轴总是在变化的。
与太阳的相对位置图
比如上图左侧，6月的某一天，地球在其轨道上的位置是北半球以23.5°的角度向太阳倾斜，而在12月，地球移动到了轨道的另一侧，此时北半球以23.5°的角度向远离太阳的方向倾斜。在这两个极端之间的日子里，地球相对于太阳光的倾角小于23.5°。正是这种倾角的变化，使得太阳能够垂直照射到地球上的点，在一年中在南北纬23.5度之间移动。正是由于这个原因，在一年的中午，地球上许多地方的太阳高度变化多达47度。比如6月太阳垂直照射点到达最北位置时，像纽约这样的中纬度城市中午最高太阳高度角为73.5度。六个月后，最低太阳高度角只有26.5°。
地球上的经纬度划分
然后根据一年中南北半球阳光直射的移动，就可以知道季节的由来。对于季节来说，每年有四个特别重要的日子:6月21日或6月22日，太阳直射北纬23.5度，这个纬度叫北回归线，如上图所示。对于生活在北半球的人来说，这一天是夏至。在天文学上也是夏天的第一天。12月21日或22日，地球在绕太阳轨道的另一端。此时太阳光线直射南纬23.5，称为北回归线。北半球的人把这一天称为冬天(吃饺子)，这是冬天的第一天，而南半球是夏至。除了夏至和冬至，我们还有春分和秋分。每年的9月22日或23日是北半球的秋分，3月21日或22日是北半球的春分。在这几天，太阳光线直射赤道(0纬度区域)，因为此时的地球既不面对太阳，也不偏离太阳。白天和黑夜的长度也是由地球相对于太阳光的位置决定的。6月21日，北半球夏至，白天比夜晚长。在12月的冬至，北半球的夜晚时间会比白天时间长。比如位于北纬40°的纽约，夏至的白天是15个小时，冬至的白天只有9个小时。而且，6月21日，越往北纬度越高，白天越长。到了北极圈，一天就是24小时，而南半球正好相反。这就是时差的由来。
北半球夏至光照图
现在应该知道为什么夏天在中纬度地区最热了，因为在这段时间里，太阳照射的时间最长，太阳高度角最大。反过来，这些季节将导致地球上除热带以外的大部分地区每月的温度变化。另外需要注意的是，在同一个纬度和位置，太阳的高度角和日长是完全一样的。
以上是关于季节的由来。希望你看完能有所收获。谢谢大家！
