地球可劃分為南北兩個半球,南北半球的季節是截然相反的,北半球的夏天就是南半球的冬天,而北半球的冬季就是南半球的夏季。南北半球相反的季節也造成了人文上的差異,比如,在北半球,不同文化和地區的重大節日全都在冬季,就是因為在農業社會中,冬季無事可做。我們知道,地球之所以會產生四季的變化,是源於地球的公轉,而地球圍繞太陽執行的公轉軌道並不是一個標準的圓形,它是一個橢圓,於是地球也就有了近日點和遠日點之分。
有趣的是,對於北半球的人們而言,離太陽近的時候並非夏天,離太陽遠的時候也並非冬季,北半球的夏天恰好是地球的遠日點附近,而冬季則位於地球的近日點附近。
為什麼離太陽近的時候反而冷,而離太陽遠的時候反而熱呢?這不禁令人想起了另一箇中國古代的經典問題:一小童攔住孔子的車駕,要向孔子請教一個問題,孔子承諾若答不出則拜小童為師。於是小童問孔子:“為什麼早上的太陽冷,而中午的太陽熱呢”?孔子答:“早上太陽遠而中午太陽近”,小童又問:“早上太陽遠,為什麼看起來大?中午太陽近,為什麼看起來小?”孔子答不出,遂拜小童為師。這個問題對於古人而言,的確是頗具難度,而且對於公元前500年的小童而言,能夠提出這樣的問題,也實在是頗為不易。
古代這個關於早晨和中午太陽的問題,與我們所說的北半球冬季和夏季的問題是極為相似的。對於地球而言,距離太陽的遠近並不是冷與熱的決定性因素,決定性因素是地球的傾角。
由於月球的引力作用以及其它未知的因素,地球的自轉軸與黃道面之間存在著一個夾角,這個夾角約為23.5度。當夏至這一天到來的時候,太陽直射北迴歸線,對於生活在北半球的人而言,這一天太陽將在天空中劃出一道最長的弧線,是一年中白天最長的時候。從這一天之後,太陽在天空中的高度會越來越低,陽光照射大地的角度開始傾斜,天氣也隨之越來越冷。為什麼太陽照射的角度變得傾斜會導致氣溫下降呢?有兩方面的原因。其一就是太陽輻射到地球上的能量是一定的。
不論是斜射,還是直射,太陽所提供的能量是固定的,但斜射時所照射的地球面積要比直射時大很多,同樣多的能量,分散到了更廣闊的的區域上,每一單位面積所接收到的熱量自然就要比原來少了,溫度自然也就比原來低了。
其二則是因為大氣層的阻隔。太陽光斜射的時候所經過的大氣面積要比直射時多,根據計算,冬至和夏至的正午,太陽光在北迴歸線處所穿透的地球大氣厚度相差達到了100公里以上,大量的太陽光在大氣中被散射,照射到大地時,能量自然就下降了。孔子所遇到的問題其實也與之類似,早上的時候,太陽照射的角度更大,所以看起來大,而溫度低,中午時分,太陽光照射的角度小,所以看起來小而溫度高。那麼為什麼近日點和遠日點不會對地球的溫度造成影響呢?
與太陽距離的遠近自然會影響到地球的溫度,但是影響不大,因為地球軌道的近日點和遠日點差別很小,因為地球的近日點和遠日點只相差了480萬公里,所以它們的太陽輻射強度只相差了不到6%,如此小的差距根本無法彌補地球23.5度的傾角所帶來的影響。
不過不論是地球的軌道形狀,還是地球傾角的大小,又或者是地球自轉軸的方向,都不是固定不變的。地球軌道由最橢變為最圓的週期大概為10萬年,而地球傾角從最大變到最小的週期約為5萬年左右,而傾角的傾斜方向變動週期則為2.6萬年。所以北半球的冬季並不永遠都是在遠日點附近,它會隨著地球運動的週期性變化而出現變化,終有一日,北半球的近日點會變為夏季,而南半球的近日點則會成為冬季,如此週而復始。