从太空看四季变化

地球自转轴的倾斜，让四季更替的秘密写进了每一张来自深空的地球全景照片。

NASA的EPIC（地球多色成像相机）拍摄的图像，该相机搭载于NOAA的DSCOVR（深空气候观测台）任务，展示了地球在12月和6月至日以及3月和9月分点时的景象，说明地球地轴的倾斜如何在一年中改变该大陆的视觉位置。图源：NASA地球观测站/Michala Garrison

NASA“地球瞭望台”（Earth Observatory）近日发布“年度日图”，通过美国海洋大气局（NOAA）DSCOVR任务搭载的EPIC相机拍摄的四张全景照片，直观展示了地轴倾斜如何让大陆在人们眼中的“位置”随季节悄然移动。

01

—四季从何而来：一次远古撞击留下的23.5度倾角

许多人在小学阶段就学过：季节更替，源于地球在绕太阳公转的同时，围绕一根倾斜的自转轴不停旋转。这个约23.5度的显著倾角，被认为是约45亿年前一次剧烈撞击的遗产，一颗被称为“忒伊亚”（Theia）的古老星体撞上地球，同一场灾变性碰撞也孕育了月球的诞生。

要理解地轴倾斜为何造就四季，不妨把地球想象成一只略微倾斜旋转的陀螺。每年6月前后的夏至日附近，北半球更多地朝向太阳倾斜，获得更直射的阳光与更长的白昼；而每年12月前后的冬至日附近，轮到南半球呈现同样的姿态。这正是为什么6月为北半球带来盛夏，而12月则为南半球带来盛夏的原因。

3月与9月的春分、秋分，则是这两个季节极值之间的“中点”。在这两天，昼夜分界线，即地球向阳面与背阳面的交界，会正好贯穿南北两极，南北半球因此获得几乎相等的日照，昼夜长度也近乎均等。

02

—百万英里外的“地球证件照”：DSCOVR与EPIC相机

从约160万公里外的深空回望，四季究竟是什么模样？这正是NASA“地球多色成像相机”（EPIC，Earth Polychromatic Imaging Camera）提供的独特视角，它搭载在NOAA的“深空气候观测台”（DSCOVR，Deep Space Climate Observatory）卫星上。通过维持在太阳与地球之间、距地球约160万公里处的轨道，这台相机几乎能够持续注视地球向阳的那一面。随着地球自转，EPIC每隔几个小时便会为地球向阳面拍摄一张完整的全景照片。

03

—四张照片里的四季变换：从南美居中到北极冰盖入镜

文章展示的四张照片拍摄于大致相同的当地时刻，依次呈现了EPIC镜头下西半球全年的变化轨迹：从12月冬至（左上）、3月春分（右上），到6月夏至（左下）、9月秋分（右下）。两次至日之间的差异最为显著，12月时，南美洲大陆位于圆盘中心附近，南极洲大部清晰可见，而北美洲则部分移出画面之外；到了6月，随着地轴倾角的作用，情形完全反转：北半球与北美洲更居画面中心，北极海冰进入视野，南美洲被推向边缘，南极洲则完全从画面中消失。

四张照片之间还存在其他值得留意的差异。例如，春分与秋分时的地球看起来会略小一些，这是因为在这两个日期，DSCOVR卫星与地球之间的距离，比至日时要远出数万公里。以美国东部时间为参照，2023年12月21日，DSCOVR距地球约144.7万公里（约89.9万英里）；而到2024年9月22日，这一距离增至约156.2万公里（约97.1万英里）。

地球“看起来”大小的这种细微差异，其实与地轴倾斜无关，而是源于DSCOVR所遵循的一种被称为“利萨如轨道”（Lissajous orbit）的三维环绕轨道，它让卫星始终保持在日地第一拉格朗日点（L1）附近，在那里，太阳与地球的引力合力，恰好与卫星运动产生的离心力相互平衡，使工程师无需消耗大量燃料，便能维持卫星的位置。DSCOVR与地球间的距离大约每三个月在最远与最近之间摆动一次，而由于月球引力及轨道机动等因素的影响，这一节律在一年之中的具体时间点也会发生漂移。2024年，卫星轨道恰好使得两次春秋分时，卫星与地球的距离都略远一些，但这种情况并非年年如此。

四张照片之间还有另一处细微却有趣的差别。DSCOVR项目副首席科学家亚历山大·马沙克（Alexander Marshak）解释说，由于DSCOVR处于利萨如轨道，太阳、地球与卫星三者之间的夹角会在2度到12度之间变化。夹角较小时，地球呈现为完整照亮的圆盘；夹角较大时，圆盘边缘则会显得不那么浑圆，仿佛被“咬”去一角，与月亮的凸月相位有几分相似。在这组照片中，9月22日拍摄时的夹角（8.1°）略小于12月21日（10.3°），因此画面看起来略显更圆润饱满；另外两张照片对应的夹角则介于9°至10°之间。

“你可以从这些照片中，看出轨道几何形态变化带来的细微影响。但最明显的变化——大陆在画面中位置的变化——终究是地轴倾斜造成的。”——亚历山大·马沙克，DSCOVR任务副首席科学家

04

—十余年不间断记录：从直观科普到全球尺度数据积累

EPIC相机提供的观测视角，让人们得以更直观地理解并“看见”地球四季更替的成因。而在太空中运行超过十年之后，这项任务也为人类打开了从行星尺度观察昼夜与季节循环规律的新途径。截至目前，EPIC已积累超过十年的昼夜与季节数据，涵盖植被、云层、冰雪、紫外线辐射、海洋颜色与气溶胶等多项关键地球特征。

参考

https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/an-epic-view-of-the-seasons/