过了冬至。太阳直射点落在南回归线。南纬二十三度二十六分。那条看不见的线。一年里头太阳走到的最南边。北半球这一天白天最短。黑夜最长。影子最长。正午的太阳高度角全年最低。

往后。直射点开始往北挪。速度不快。每天大概零点二度。肉眼看不见。得靠仪器。赤道仪上的刻度。天顶仪的水准气泡。白昼长度开始往回涨。每天涨的量不固定。刚过冬至那几天变化小。几十秒。一天多出不到一分钟。纬度越高涨得越快。漠河比广州明显得多。北纬五十三度半。冬至白天七个小时出头。到夏至能干到十六个小时往上。跨度九个小时。低纬度地方变化不大。赤道附近全年差不多。十二小时上下晃。晃幅不超过四十分钟。

地球公转轨道是椭圆的。一月初过近日点。距离太阳一亿四千七百万公里。公转线速度最快。角速度也最快。太阳在黄道上跑得猛。每天往东移动的角度超过全年平均值。这个跑得快的阶段。太阳视运动的速度把白昼变长的效应稍微压住了一点。冬至过后白昼确实在变长。这个趋势不中断。一直持续到夏至。持续一百八十二天十五小时左右。中间没有反复。没有倒退。北半球每一个地方的日出时间都在往前提。日落时间都在往后推。早晚两头各自贡献一部分。早上提前的量跟晚上推迟的量不相等。一月份日出提前得多。日落推迟得少。二月份反过来。跟均时差有关。真太阳日长短不齐。最长的真太阳日比二十四小时多三十秒。最短的少二十一秒。钟表时间抹平了这些差距。

大气折射也有影响。地平线附近三十四分。太阳实际在地平线以下三十四分的时候。大气一折。看见了。日出比几何位置早。日落比几何位置晚。纬度越高折射角越大。极地地区折射能把太阳抬高一两度。白昼长度表上的数字包含了这个修正量。天文年历里叫晨昏蒙影。民用晨光始。航海晨光始。天文晨光始。太阳在地平线下六度十二度十八度。天就亮了。不算严格意义上的白昼。但光已经够用。冬至后这段时间。晨昏蒙影的长度也在变。纬度四十五度的地方。冬至前后晨昏蒙影持续三十五分钟。夏至前后能拖到一个半小时。

气温跟白昼长度是脱节的。冬至不是最冷的时候。地面储存的热量还在释放。海洋释放热量的速度比陆地慢。一年中最低气温出现在冬至之后一个月左右。一月中下旬。北半球陆地气温跌到谷底。白昼变长带来的太阳辐射增量。一开始完全被地面辐射冷却抵消了。入不敷出。热量收支平衡要等到春分前后才扭过来。那时候白昼长度超过黑夜。每天日照时间超过十二小时。净辐射变成正值。土壤开始化冻。河冰开始开裂。

古人观测冬至用的是圭表。八尺高的表。正午影子最长的那一天。周礼记载。日至之景。尺有五寸。洛阳的纬度。冬至影长一丈三尺五寸。夏至影长一尺六寸。这个差距接近十二尺。后来郭守敬在登封造了四丈高的观星台。量影子的精度提高了。冬至时刻能定到时辰。甚至刻。元代授时历的冬至时刻误差不超过半刻。七分钟。西方用子午环。测太阳中天时刻。中天时刻最早的那一天就是冬至。比圭表准。

过了冬至之后每一天正午的太阳高度角都在变大。每过一天增加零点二度左右。到春分那天。太阳直射赤道。高度角等于九十度减当地纬度。北京北纬四十度。春分正午太阳高度角五十度。冬至只有二十六度半。差了二十三度半。正好是黄赤交角的度数。这个二十三度半是地球自转轴倾斜造成的。四万年前到现在。黄赤交角在二十二度到二十四度半之间摆。周期四万一千年。现在处于中间值偏小的阶段。一万年后会回到二十四度以上。那时候冬至的白昼比现在更短。夏至的白昼比现在更长。季节反差更大。

白昼变长的速率在冬至后第一个月比较平。过了小寒。加速。到立春前后达到最大。每天能涨两三分钟。纬度五十度的地方立春前后每天白昼增加四分多钟。一个星期就差出半个小时。明显能感觉出来。下午五点天还亮着。不像冬至那阵四点半就黑透。持续到夏至。增长速率降下来。夏至前十天。每天只增加几秒钟。最后停下来。拐点。开始往回走。

南半球的情况完全反过来。那边冬至在六月。过了六月南半球白昼变长。北半球这边是夏至。两边永远错着。一个半球的白昼变长意味着另一个半球的白昼变短。总量守恒。全球全年平均日照时数十二小时。不管黄赤交角怎么变。这个平均数不变。地球整体接收的太阳辐射量取决于日地距离和太阳常数。太阳常数每平方米一千三百六十一瓦。到达大气层顶。穿过大气层。损失一部分。到达地面的。晴空正午大概一千瓦每平米。冬至那天斜射得厉害。一平米地面接到的能量少。分摊的面积大了。cosine定律。入射角的余弦值乘上去。北纬四十度冬至正午。一平米地面实际接收的能量只有夏至正午的三分之一不到。

冬至过后白昼逐日延长。这是北半球中高纬度地区进入冬季之后唯一确定的、不以任何意志为转移的天文事实。太阳直射点北上。日出提前。日落推后。正午太阳升高。影子缩短。每一天积累一点光。一直积到夏至。积到白天最长的那一天。然后重复。周而复始。地球绕着太阳。轴斜着。转。