一、前言

地球繞行太陽公轉有一固定軌道，以太陽為中心，圍成一圈而構成一軌道面。此外，地球公轉又自轉，其自轉地軸指向北極上空的北極星，並以一固定方向和角度傾斜軌道面而繞行太陽公轉。由於這些幾何條件，造就了地球的四季，而且它隨地球公轉一周，每年有規律地周而復始。據此，本文簡述下列四項：四季的成因、太陽的直照和斜照、四季的寒暑變化、一年的四節氣 (春分、夏至、秋分和冬至)。由上所述，可知這些項目的成因和現象，是地球與太陽之間的動態幾何位置在變化而引起，有其三維立體空間運動變化的複雜性。為便於瞭解這一複雜性，筆者謹製作彩繪圖示兩張，供輔助參閱。

二、地球四季的成因

如前述，地球的自轉地軸傾斜於地球公轉的軌道面 (即黃道面)，該軌道面，如圖1中的「地球公轉軌道平面」，太陽位在該公轉軌道平面中心，如圖中右側之紅色圓圈。軌道面與地球的赤道面形成的黃赤交角為23°26'。地球公轉時，地軸指向北極星方向、赤道面向右傾斜方向及黃赤交角度數，這三者始終保持不變。因此筆者將本圖1直接平移貼繪在地球在公轉軌道上任一點，即形成地球繞行太陽公轉的樣貌，如圖2。由本圖可以看出地球的南北兩個半球，在公轉軌道上會傾斜靠近或遠離太陽，這就是地球四季的成因，因為地球靠近太陽的地區，該地區在是時是夏天，反之則為冬天。設若地球的自轉地軸非傾斜於地球公轉的軌道面，而是垂直的話，那麼地球就像陀螺一樣，南北兩半球不會傾斜靠近或遠離太陽，地球也就沒有四季的變化了。

圖1 地球赤道面與其公轉軌道面的傾角幾何關係和太陽直照地球示意圖

圖2 地球繞太陽公轉四季變化示意圖

地球由西向東自轉一圈為一天，是地球日夜變化的原因。它在公轉軌道上，亦由西向東繞行太陽，其繞行軌道一圈週期為一年，共365天，有春夏秋冬四季。太陽位在地球公轉軌道面中心和地球繞太陽公轉的軌道面，這兩者位置永遠靜止不動；地球自轉又公轉，永遠在動。但地球人看太陽似自己不動，太陽在動，它在繞行我們地球，每日東升西落，每年在地球南北回歸線之間的上空來回緩慢行走，因此本文以下有時用地球和太陽兩者動靜交互混用文字來敍述。

三、太陽的直照和斜照

太陽「直照」地球之點，為太陽與地球之間的最近距離，陽光最強；該點之外都是陽光「斜照」地區，距離該點越遠，陽光越弱。圖1中的「公轉的軌道平面」右側紅色圓圈為太陽，陽光沿本軌道平面照射地球表面的A點。該點位在一平行於赤道平面的某「一緯度平面」的地球表面，因該點距離太陽最近，故為太陽的「直照」之點，該點將隨地球自轉，在該一緯度線上日夜移動，地球在該點之外，都是太陽的「斜照」地區。例如：(A)圖2中地球公轉到軌道的夏和冬兩位置時，太陽直照的緯度，分別為圖示之「太陽直射北回歸線」和「太陽直射南回歸線」的兩緯度線上，B和D兩點是太陽的直照之地；(B)在春和秋兩位置時，太陽直照緯度線為圖示之「太陽直射赤道」的緯度線上，A和C兩點都是太陽直照之地；(C)由於地球和太陽的空間運行關係不變，故一年當中，太陽在北回歸線和南回歸線(緯度各為23°26')之間移動直照地球上的一點，該點經過赤道兩次；兩歸線之外，到兩極間的地區，永遠是太陽斜照的地方，例如臺北市緯度約位在25度，因此永遠是陽光斜照地區，我們頭頂正上方不會有太陽直照。本文中說「太陽走到那裡」是指太陽直照之點的緯度線。

四、地球四季的寒暑變化

地球繞行公轉太陽一周，春夏秋冬四季，周而復始。四個季節是地球公轉在軌道上的四個區間，臺灣3~5月為春天，6~8月為夏天，9~11月為秋天，12~2月為冬天。在圖2中，(A)當地球在圖中左側，由春天位置走過夏天位置再到秋天位置時，是太陽由赤道走到北回歸線，再走回赤道。此時北半球傾向太陽，進入夏天，南半球遠離太陽，進入冬天；(B)當地球走到秋天位置時，因太陽在赤道附近，北半球是秋天，南半球是春天；(C)當地球在圖中右側，由秋天位置走過冬天位置再到春天位置時，北半球遠離太陽進入冬天，南半球傾向太陽進入夏天；(D)當地球走到春天位置時，因太陽再次在赤道附近，北半球是春天，南半球是秋天；(E)地球四季的日夜長短及長畫和長夜如圖中有所說明；(F)赤道地區沒有像地球其他地區一樣有四季之分。如印尼為跨赤道的週邊地區，是熱帶型氣候，4-9月是旱季，10月到次年3月是雨季，它每年只有旱季和雨季的兩季。

五、一年的四節氣

四節氣是一年二十四節氣中的春分、夏至、秋分和冬至，為地球公轉在軌道上的四個特定點，其日期和位置，見圖2中說明。當地球公轉走到圖中的左右兩端，是太陽直照其南北回歸線上，分別是夏至和冬至；當太陽一年兩次直照在赤道上，如圖中的上下兩端，分別是春分和秋分。茲說明如下：(A)夏至是太陽走到圖中夏天位置的北回歸線上，此時是太陽能走到北半球的最北方位置，以及北極和南極地區分別是長畫和長夜；(B)秋分是太陽走到秋天位置的赤道緯度線上，此時是南北兩半球天氣一樣涼爽、晝夜時間也一樣長短、兩極地區沒有長畫和長夜；(C)冬至是太陽走到冬天位置的南回歸線上，此時是太陽能走到南半球的最南方位置，以及北極和南極地區分別長夜和長畫；(D)春分是太陽走到春天位置的赤道緯度線上，晝長夜短與秋分一樣。

六、結語

在上古堯帝時，古書就有記載如次的一年四節氣敘述：「日中中春」，中春即春分，日中即白晝與黑夜一樣長；「日永中夏」，中夏即夏至，日永即白晝最長；「夜中中秋」，中秋即秋分，夜中即黑夜與白晝一樣長；「日短中冬」，中冬即冬至，日短即白晝最短。堯帝和農神后稷，要農民順應四時行事，一切農耕稼穑，如春耕、夏耘、秋收、冬藏等農務，要依一年四節氣來進行，不要牴觸日月所照，顯示遠古祖先的智慧，他們早已知道有四季寒暑的規律變化，而且是周而復始。

宇宙大自然、天地萬象無奇不有。有很多小朋友會問，譬如：「為什麼」北極星是「眾星共之」？「為什麼」太陽僅在地球的南北回歸線之間的上空來回走動？「為什麼」有本文所述的天候四季自然現象？或會更奇怪問「為什麼」珍珠小小一顆只幾毫克，是否也有重如地球的一顆珠子呢？這些等等問題，也許老師在課堂上講解說過，但，小朋友們可能也僅一知半解。我們不能讓小朋友只認為這是宇宙間的神奇力量使然，而來搪塞提問，我們大人似有必要為他們詳細解說。本文所述的天候自然現象，旨在提供大家參考，以解開小朋友們的一些疑惑，開啟他們知識，是一很好的教育機會。科學家不也是從小為疑惑而尋求答案，有窮追不捨的態度，因而產生的嗎？

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