三伏天：太阳小了，天却热了

俗话说“冬练三九，夏练三伏”，一年中最热的“三伏天”就要来了。三伏天是什么？为什么这段时期炎热难耐呢？

Part.1

中国历法中的三伏天

我国古代采用“干支历”，是用10个天干（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）与12个地支（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥）相配而成的60组不同的名称来记年、月、日、时，循环使用。

根据传统历法的规定，从夏至日起，第三个庚日为初伏，第四个庚日为中伏，立秋后第一个庚日为末伏，这就是“三伏天”的来历。

三伏天以庚日为始末，一般持续的时间是30天或40天。天文年历显示2022年7月16日初伏，7月26日中伏，8月15日末伏，8月24日出伏，今年“三伏”天共计40天。

那这是不是就意味着今年就一定要热40天？“三伏天”炎热的原因又是什么呢？我们或可想起《列子·汤问》中的名篇《两小儿辩日》里的场景：

孔子东游，见两小儿辩日，问其故。

一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”

一儿曰：“我以日初出远，而日中时近也。”

一儿曰：“日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”

一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”

孔子不能决也。

两小儿笑曰：“孰为汝多知乎？”

三伏天的炎热，难道真是因为太阳变大或者地球离太阳更近的缘故吗？

Part.2

天太热跟太阳大小没关系

其实，太阳是一颗正处于主序星阶段的中年时期的恒星，这一阶段的太阳燃烧稳定，体积变化非常小，因此在一天里、甚至一年里太阳自身大小的变化是微不足道的。

太阳的辐射强度也很稳定，即使太阳表面常有黑子等太阳活动的缘故，一年当中的变化幅度也仅仅1%左右，显然这不是三伏天炎热的原因。

那会不会是这段时期地球距离太阳更近了呢？

二十四节气与地球轨道关系 图源：作者绘制

也不是。实际上，这段时间里日地距离要比平时远。地球围绕太阳运行的轨道并非正圆形，而是一个偏心率为0.0167的椭圆。

日地距离平均约为1.496亿千米，远日点时的日地距离为1.521亿千米，近日点时的日地距离为1.471亿千米，远日点比近日点远了约500万千米，即平均距离的1/30。

地球过轨道远日点是在7月上旬，过近日点在1月上旬，因此三伏天的这段时间里日地距离是比平均距离远的。

“远者小而近者大”，今年，地球运行到远日点的时刻是北京时间7月4日15时11分，三伏天里的太阳其实是个“小太阳”而不是“大太阳”。因距离变化引起的太阳辐射相对减少了约6%，这显然也不是三伏天的成因。

此外，椭圆的轨道还导致了太阳周年视运动的不均匀性。地球经过远日点时速度最慢，经过近日点时最快，各季节间的间隔长度也不相等。

如2021年秋分到2022年春分共经过178天20小时12分，而2022年春分到2022年秋分共经过186天9小时31分。此外，北半球的夏季也要比冬季时间长。

Part.3

“三伏天”炎热的原因找到了

回答“三伏天”炎热的问题，需要了解四季变化的原因。

这一切的根源在于地球的轨道特征。地球围绕太阳公转的同时，也在围绕地轴自转。地球围绕太阳公转的轨道面叫做黄道面，过地心且与地轴垂直的平面叫赤道面，这两个平面目前有一个23°26′的交角，叫做黄赤夹角。

正是这个交角的存在，使得一年当中，随着地球位于轨道的不同位置，太阳的直射点在地球的南北纬23°26′之间移动。

当太阳照射到北纬23°26′(北回归线)时称之为夏至；照射到南纬23°26′（南回归线）时为冬至，照射到赤道时为春分/秋分。

夏至时太阳辐射示意图 图源：作者绘制

夏至时，北半球白天的太阳高度大，日照时间长。以南京地区为例，夏至日，中午太阳高度约为82度，白天时长有14小时15分。

对比冬至日，中午太阳高度约为35度，白天时长仅有10小时04分。因此夏至时地表单位面积获得的太阳辐射能量最多，约为冬至日时的三倍，并且纬度越高这个比值越大。接收太阳辐射的多少正是四季变化的主要原因。

在一天中同一时刻拍摄到的四季太阳位置

来源：科普中国-科学原理一点通

但是，北半球最热的时间并不是在夏至，而是夏至之后的一段时间。因为气温的变化还受地表热量收支平衡的影响。

一般夏至后的一段时间里，地面吸收的热量仍大于它所放出的热量，地面温度持续升高，这段时间差不多正好对应传统历法里“三伏”这段时间，因此造就了北半球“三伏天”的炎热。

这之后，地面放出的热量大于地面吸收的热量，气温才逐渐降低。

当然，对于局部地区来讲，大气环流、海陆差异、地形因素、天气情况等都是影响气温的因素，最热的时候也并非与‘三伏’日期相对应。

话说回来，你是怎样来消暑的呢？

编辑：王婷婷

出品：科普中国

制作：王科超（中科院紫金山天文台）

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