为什么会有春夏秋冬，四季更替？

地球的公转

        大自然中为什么有四季，春夏秋冬，周而复始？一样的，很多朋友会回答说，“这谁不知道啊！因为地球的公转呗。”那么请问地球是怎样公转的？有没有人能够说清楚，讲明白？抱着这样的态度，我深入思索了这一问题，也查找了一些资料，以下是我的归纳和总结。

黄道面是近圆的椭圆

        我们知道地球是近似于球的椭球。地球绕太阳公转的轨道是近似于圆的椭圆。那么好，既然是椭圆，就必然有近日点和远日点，我们很自然的想到，地球位于近日点时是夏天，位于远日点时是冬天。有没有道理，有道理。对不对，不对。我一开始就是这么想的，后来查找了资料，我错了。

        在用太阳的公转解释春夏秋冬四季更替这件事上，地球绕太阳公转的，近似于圆的椭圆轨道，对我们所要探讨的问题几乎没有影响。所以我们可以把地球绕太阳公转的轨道看成是圆的。我们知道，地球以南极和北极的连线为轴自转。地球的自转轴和地球绕太阳公转的轨道平面（黄道面）之间有一个夹角，我们在这里把它叫做倾斜角。正是因为这个倾斜角的存在，才导致了春夏秋冬，四季更替。

        我们都知道，中国的绝大部分地区位于北温带，也就是北纬23.5度以北，北纬66.5度以南。在这一地区，春夏秋冬，四季分明。

        我们知道，地球自转轴与地球绕太阳公转的轨道平面（黄道面）之间的夹角，大约是66.57度。（经查阅黄道面和赤道面之间的夹角大约是23.5度，和地球自转轴的倾斜角成互余关系，可以用立体几何得到。）我们以地球北极所指的方向为北偏东66.57度，以地球南极所指的方向为南偏西66.57度，建立坐标系。上北下南，左西右东。

黄赤交角

        冬至，大约在阳历每年12月21日——23日交节。冬至时地球位于太阳正东，太阳直射南回归线，北半球太阳光高度角最小，白昼时间最短，但温度不是最低。随即，地球由太阳正东位置向正西位置运动，太阳直射的位置从南回归线移动到北回归线。

        地球运动到太阳正西位置时是夏至，大约在阳历每年6月21——22日交节。夏至时太阳直射北回归线，北半球太阳光高度角最大，白昼时间最长，但温度不是最高。随即，地球由太阳正西位置向正东位置运动，太阳直射的位置从北回归线移动到南回归线。如此反复。

        为什么太阳直射南回归线时，北半球的白昼最短呢？让我们充分发挥自己的想象力。赤道面和地球绕太阳公转的轨道面之间有一个23.26度的夹角。平行太阳光照射到地球以后，不考虑一些复杂的微小因素的影响，能够沐浴在阳光里的是一个半球面，就是说一半的地球可以照到太阳光。能够照到太阳光的地方，在纬线上就是一段弧线，因为太阳直射的原因，此时南回归线上这段弧线最长。

        南回归线以北，这段弧线逐渐变短，直至为零。为零以后还没有到达北极，所以北极出现极夜。南回归线以南，这段弧线越来越短，直至穿越了南极，所以南极出现极昼。不同纬度上这条弧线的长度，对应着这一纬度上白天的长短。圆心角弧长等于圆心角弧度乘以半径（注意，这里的半径不是地球半径，而是沿纬线切割地球所得到的横截面的半径）。圆心角弧度等于地球自转的角速度乘以白天的时间。

纬线截面圆半径的计算

        北半球的北温带和南半球南温带，受太阳高度角变化的影响，四季分明。北温带的冬天可能是南温带的夏天，北温带的夏天可能是南温带的冬天。北温带的春天可能是南温带的秋天……赤道周边的热带，要么被太阳直射，要么和太阳光之间的夹角比较大，一直都比较热，四季不明显。北极和南极的太阳高度角虽然也在变化，但是总体来说太阳高度角比较小，温度一直偏低。北极和南极在冬天会出现极夜现象，在夏天会出现极昼现象。北极和南极的冬天和夏天在不同的月份。

        为什么会有春夏秋冬，四季更替？首先，在地球上，并不是所有的地区都四季分明。比如说赤道附近的热带和南北极地区。其次，四季更替是由地球的公转引起的。地球公转为什么会引起四季更替？因为黄道面和赤道面之间存在着一个23.26度的夹角，同时因为地球的自转保持一定的稳定性，是一种极有规律的自转。正所谓，宏观物体有一个微小的偏差，微观物体便是天翻地覆，变了人间。

        为什么地球会公转？因为万有引力定律。树上的苹果会掉落，正是因为万有引力定律。为什么宇宙会存在万有引力定律？还没有人知道。但是我们明白，宇宙间的物质之间相互吸引，不管它们是在一起，还是相距遥远。物质之间的引力存在与否，不受距离的限制，距离只影响引力的大小。所以即便是宇宙深处的存在，依然对我们有着引力的影响。我们和这个宇宙，以这种方式相互影响。

艾萨克牛顿

        我们看到太阳从东方升起，看到太阳从头顶掠过，在天空运动。我们有没有想到过，其实太阳没有动，运动的是地球，包括我们自己。因为我们以太阳为参照物，所以我们的运动可以看成是太阳的相对运动。同理，太阳的运动可以看成是我们的相对运动。所以我们可以去想象，太阳没有动，而是我们自己在运动，沿着与太阳运动相反的方向。在我们站立的这一点，我们飞速的，在沿着地球同纬度的切线方向，在沿着与太阳运动相反的方向，奔跑。我们奔跑的角速度与地球自转的角速度相同。（这一段回归到地球的自转）

        大家有没有注意到过，地处北温带的我们，太阳从没有在我们的头顶正上方出现过。它应该总是出现在南面的天空，因为我们位于北半球，北回归线以北。太阳的直射位置从南回归线移动到北回归线就不再继续往北了，所以太阳不可能直射我们，我们看到的太阳总是位于南面的天空。那么根据这个太阳高度角的变化（如果我们在每一天的正午准确的测出太阳高度角），就可以演变成一种历法，定义春夏秋冬与二十四节气。