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（b）
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图 4.6 （a）假想的太阳光线在春分和秋分，以及夏至和冬至时的情况。（b）假想来自太阳的三束相等的光线在春分、秋分时射向地球的不同纬度。随着离赤道的距离增大，太阳光线变得比较分散。这表明太阳光线的强度在高纬度地带变弱。
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但是，由于地轴是倾斜的，太阳能入射的最高位置在一年中就会有所变化。当北半球向太阳倾斜时，太阳的直射光线向北可以远达北纬23.5°（北回归线），这大约出现在6月21日，也就是北半球的夏至点和南半球的冬至点。大约在12月21日，当太阳光线直射点到达南纬23.5°（南回归线）附近时，就预示着南半球夏季和北半球冬季的来临。在一年中的其他时期，地球相对于太阳的位置直接导致太阳光线从大约北纬23.5°向南纬23.5°移动，然后再返回。大约在3月21日和9月21日（春分点和秋分点），太阳光线垂直射向赤道。
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地轴倾斜也意味着昼夜长度在一年中会发生变化。地球的一半总是在接受光照，但是只有阳光直射赤道时，全年的每一个白昼才是12小时。随着太阳离赤道的距离增大，白昼或黑夜的时间也随之变长，这取决于阳光直射赤道以北还是以南。在夏季，白昼长度从北极圈向北极逐渐增加，在北极达到最大值——24小时。而在同一时期，黑夜时间的长度从南极圈到南极增加，最终可达到24小时。
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由于极地夏季白昼有24小时，看起来应该有充分的太阳能可资利用。但是，由于太阳的入射角极为狭小（太阳在天空中的位置低），因此所有太阳能分摊在宽广的地面上。相比之下，南北纬15°—30°之间的地区，夏季白昼时间较长且阳光入射角接近90°，两者结合使这两个地区有大量的能量可供利用。
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反射与逆辐射
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大部分可能被吸收的太阳辐射，实际上都被反射回外太空，或者扩散到大气层中，这一过程称为反射（reflection）。由悬浮的稠密水分微粒或冰粒聚集而成的云，反射了大量的能量。浅色的地面——特别是积雪，也反射大量的太阳能。
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太阳能量经逆辐射和反射而消失。在逆辐射（reradiation）过程中，地球表面起着能量交换器的作用。如图4.7所示，被吸收到陆地和水中的能量以地面辐射的形式返回到大气层中。在晴朗的夜晚，没有云的遮挡或扩散运动，地球把白天吸收和储存的能量以热的形式逆辐射出去，温度就会持续下降。
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图 4.7 设定来自太阳的辐射是100%，被地球吸收的部分（50%）最终被释放到大气层中，然后被逆辐射到太空。
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地球表面某些种类的物质——特别是水，储存太阳能的效率较高。由于水是透明的，太阳光线能穿透到水面以下很大深度。如果有水流存在，热量的分散效率甚至更大；另一方面，陆地是不透明的，所以来自太阳的全部热量都集中在地表。由于陆地表面有较多的热量，所以其对能量的逆辐射要比水快。空气是被地球逆辐射的过程所加热，而不是被来自太阳的能量穿过空气时直接加热的。由于陆地的受热和变凉比水快，因此，极端炎热和寒冷的温度都是在陆地上，而不是在海洋上记录到的。
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陆地附近如果有巨大水体，其温度变化就比较和缓。请注意图4.8，与离赤道同样距离的其他地方（除海岸带）相比，沿海地区夏季温度较低而冬季温度较高。受到水调节作用影响的陆上地区被认为是海洋性环境，而没有受到附近水体影响的地区则被认为是大陆性环境。
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图 4.8 在特定的纬度，冬季水域比陆域温暖，而夏季水域比陆域凉爽。等温线是相同温度的连线。①
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温度每日以周期性方式变化。在一天中，入射的太阳能超过反射与逆辐射失去的能量，温度就开始上升。地面储存的一些热量，使温度继续上升，直到太阳光线的角度变得窄小，所吸收的能量不再超过反射和逆辐射过程失去的能量。并非全部热量损失都发生在夜里，只有漫长的黑夜才能耗尽所储存的能量。
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直减率
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可以想象，当我们垂直离开地面向着太阳运动时，温度就会升高。但是对流层里并非如此。地球吸收热量并且将其逆向辐射出去。因此，温度通常在地面最高，随着高度增加而降低。请注意图4.9，温度直减率（lapse rate，温度在对流层里随着高度而变化的速率）大约平均每1000米为6.4℃。例如，丹佛与派克斯峰（Pikes Peak）之间的高差大约是2700米，通常产生17℃的温差。在9100米高度飞行的喷气式飞机所穿行的大气的温度大约比地面低56℃。
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图 4.9 典型条件下的温度直减率。对流层顶是对流层和平流层之间的过渡带。它标志着温度不再随高度而下降。
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然而，正常的直减率并非一成不变。急剧的逆辐射有时能使地球表面以上的温度高于地面本身的温度。这种特殊状况——高度较低处的空气比高空的空气凉爽——称为逆温（temperature inversion）。逆温现象很重要，因为它影响空气的运动。地面上通常向上升的暖空气，可能被逆温层更暖的空气所阻隔（图4.10），地面的空气因此被封盖。如果空气中充满了汽车尾气或烟尘，就会发展成严重的烟雾（见“多诺拉悲剧”专栏）。洛杉矶由于被群山环抱，常常出现逆温现象，导致阳光变暗形成阴霾（图4.11）。
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